集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性探討

集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性探討前言大功率集總參數(shù)衰減器是一種常見的射頻和微波控制器件，其主要功能之一就是降低射頻信號的幅度。在測試和測量中經常會用到衰減器，要說這種器件的使用概率僅次于電纜和連接器也不為過。通常，無論是生產廠家在出廠檢驗、用戶收貨時的驗收、或者計量院對衰減器進行校準時，都是采用矢量網絡分析儀來進行測量，其主要指標就是輸入駐波比和衰減量。這已是實行多年的行業(yè)規(guī)則。你是否考慮過這樣一個問題：既然衰減器是工作在大功率條件下，而矢量網絡分析儀的輸出僅為0dBm，那么在這種條件下測得的指標是否真實反應了這個衰減器的性能呢？顯然，這是多年來射頻工程師都“看得見”的“盲區(qū)”。并非大家不愿意進一步研究衰減器的大功率特性，以筆者與同行的交流以及經驗來分析，大致有以下兩條原因：1.這么多年來都是這樣用的，即使大功率和小功率測試有點誤差，也很難察覺到，沒有人對最終測試結果“較真”；2.射頻大功率的實時測試有點麻煩，不測也罷。筆者對衰減器的大功率特性進行了一些探討性的測試，并發(fā)現(xiàn)了一些有趣的結果，在此提交給同行們討論。為什么要研究衰減器的大功率特性當一個50W的大功率信號經過一個衰減量為20dB的衰減器后，信號被衰減了100倍，剩下0.5W的信號從出現(xiàn)在輸出端，那49.5W的功率能量去哪了？當然你馬上會說，這些射頻信號能量被衰減器吸收并轉化為熱能了，最終通過衰減器的散熱片消耗在空氣中了（圖1）。圖1、衰減器的基本作用完全正確！衰減器在大功率條件下，其表面溫度會隨著時間的變化逐漸升高（超過70oC），而內部的溫度更高（超過200oC）。也就是說，在大功率條件下，器件的物理環(huán)境發(fā)生了變化，那么器件的性能必然也會隨之變化！究竟有多少變化？會不會影響到最終的測試結果呢？這就是本文要探討的話題。在本文中，通過實驗描述了一個衰減器在大功率條件下性能的變化。試驗方法和結果試驗對象是一個50W，6GHz，30dB的固定衰減器，我們采用了PM2000LS60型大功率測試平臺進行測試（圖2）。圖2、衰減器的大功率特性測試在圖2中，放大器產生2GHz、47dBm（50W）的連續(xù)波功率持續(xù)加載到被測衰減器，輸入取樣電路分別測量輸入到被測衰減器的信號47dBm(a1)以及被衰減器反射回來的信號b1；經過被測衰減器的30dB衰減后，還有約+17dBm(b2)被輸出取樣電路檢測到。將b2減去a1，即可得出被測衰減器在大功率狀態(tài)下的衰減量，而b1和a1的比值即為駐波比。采用這種方法的最大好處就是完全抵消了放大器輸出的不穩(wěn)定性。同時為了保證試驗結果的精度，系統(tǒng)中均采用了耐高溫的PTFE介質材料的電纜，并預先進行了歸一化校準。開始測試時，測試系統(tǒng)顯示被測衰減器呈現(xiàn)良好的駐波比表現(xiàn)，同時衰減量也十分穩(wěn)定，只是溫度在不斷上升。當測試進行到三分鐘多時，出現(xiàn)了故障的現(xiàn)象——駐波比從1.15急劇變大到8、衰減量從30.1dB急劇變化到34.3dB?。▓D3）圖3a)、駐波比的變化圖3b)、衰減量的變化圖3c)、表面溫度的變化圖3、大功率狀態(tài)下衰減器特性隨時間的變化測試系統(tǒng)同時觀測并記錄了三組數(shù)據(jù)，顯而易見，這個衰減器在50W的功率作用下失效了！更有意思的現(xiàn)象還在后面，上述大功率試驗后，我們用網絡分析儀對衰減器重新進行測試，發(fā)現(xiàn)其居然是正常的！其駐波約為1.11@2GHz，衰減量約為30.1@2GHz（圖4）。再次采用大功率測試，又出現(xiàn)了圖3的現(xiàn)象。圖4a)、小功率下的駐波比圖4b)、小功率下的衰減量圖4、網絡分析儀的測試結果試驗結果分析上述實驗結果顯示被測衰減器在大功率的持續(xù)作用下，其衰減量和駐波比發(fā)生了明顯變化并失效了，顯然這與衰減器內部溫度的變化是密切相關的。但是在小功率條件下又恢復了正常，這種現(xiàn)象的產生機理解釋尚有待于對這個衰減器的進一步分析結果。結束語關于集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性評估，并無適合的標準可依，常見的方法是采用直流替代法。但是筆者