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(hào)的幅度。在測(cè)試和測(cè)量中經(jīng)常會(huì)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(chǎn)廠家在出廠檢驗(yàn)、用戶收貨時(shí)的驗(yàn)收、或者計(jì)量院對(duì)衰減器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，都是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來進(jìn)行測(cè)量，其主要指標(biāo)就是輸入駐波比和衰減量。這已是實(shí)行多年的行業(yè)規(guī)則。你是否考慮過這樣一個(gè)問題：既然衰減器是工作在大功率條件下，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出僅為0dBm，那么在這種條件下測(cè)得的指標(biāo)是否真實(shí)反應(yīng)了這個(gè)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(jìn)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(jīng)驗(yàn)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(cè)試有點(diǎn)誤差，也很難察覺到，沒有人對(duì)最終測(cè)試結(jié)果“較真”；2.射頻大功率的實(shí)時(shí)測(cè)試有點(diǎn)麻煩，不測(cè)也罷。筆者對(duì)衰減器的大功率特性進(jìn)行了一些探討性的測(cè)試，并發(fā)現(xiàn)了一些有趣的結(jié)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(dāng)一個(gè)50W的大功率信號(hào)經(jīng)過一個(gè)衰減量為20dB的衰減器后，信號(hào)被衰減了100倍，剩下0.5W的信號(hào)從出現(xiàn)在輸出端，那49.5W的功率能量去哪了？當(dāng)然你馬上會(huì)說，這些射頻信號(hào)能量被衰減器吸收并轉(zhuǎn)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(huì)隨著時(shí)間的變化逐漸升高（超過70oC），而內(nèi)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(huì)隨之變化！究竟有多少變化？會(huì)不會(huì)影響到最終的測(cè)試結(jié)果呢？這就是本文要探討的話題。在本文中，通過實(shí)驗(yàn)描述了一個(gè)衰減器在大功率條件下性能的變化。試驗(yàn)方法和結(jié)果試驗(yàn)對(duì)象是一個(gè)50W，6GHz，30dB的固定衰減器，我們采用了PM2000LS60型大功率測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試（圖2）。圖2、衰減器的大功率特性測(cè)試在圖2中，放大器產(chǎn)生2GHz、47dBm（50W）的連續(xù)波功率持續(xù)加載到被測(cè)衰減器，輸入取樣電路分別測(cè)量輸入到被測(cè)衰減器的信號(hào)47dBm(a1)以及被衰減器反射回來的信號(hào)b1；經(jīng)過被測(cè)衰減器的30dB衰減后，還有約+17dBm(b2)被輸出取樣電路檢測(cè)到。將b2減去a1，即可得出被測(cè)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(shí)為了保證試驗(yàn)結(jié)果的精度，系統(tǒng)中均采用了耐高溫的PTFE介質(zhì)材料的電纜，并預(yù)先進(jìn)行了歸一化校準(zhǔn)。開始測(cè)試時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)顯示被測(cè)衰減器呈現(xiàn)良好的駐波比表現(xiàn)，同時(shí)衰減量也十分穩(wěn)定，只是溫度在不斷上升。當(dāng)測(cè)試進(jìn)行到三分鐘多時(shí)，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(shí)間的變化測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)觀測(cè)并記錄了三組數(shù)據(jù)，顯而易見，這個(gè)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(yàn)后，我們用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)衰減器重新進(jìn)行測(cè)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(cè)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(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示被測(cè)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(nèi)部溫度的變化是密切相關(guān)的。但是在小功率條件下又恢復(fù)了正常，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理解釋尚有待于對(duì)這個(gè)衰減器的進(jìn)一步分析結(jié)果。結(jié)束語關(guān)于集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性評(píng)估，并無適合的標(biāo)準(zhǔn)可依，常見的方法是采用直流替代法。但是筆者