集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性探討

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(jīng)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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(jié)果“較真”;

2,大功率的測試有點麻煩，不測也罷。

完全是出于對射頻測試和測量的興趣，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(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

當一個50W的大功率信號經(jīng)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(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，其表面溫度會隨著時間的變化逐漸升高(超過70℃)，而內(nèi)部的溫度更高(超過200℃)。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(jié)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。

實驗方法和結(jié)果

試驗對象是一個50W，3GHz，30dB的固定衰減器，我們采用了PM2010A47型大功率測試平臺進行測試(圖2)。

在圖2中，放大器產(chǎn)生2GHz、47dBm(50W)的連續(xù)波功率，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(jīng)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VSWR。

圖2:衰減器的大功率特性測試

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(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，并預先進行了歸一化校準。

測試進行了1個小時，在整個過程中，每隔5分鐘進行一次記錄，最終的測試結(jié)果如圖3所示。

圖3:大功率狀態(tài)下衰減量隨時間的變化

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，當50W的功率持續(xù)加載到衰減器的一個小時之內(nèi)，衰減量變化了約0.08dB，而VSWR則從1.3上升到了1.4。用溫度計測量衰減器的溫度上升情況，變化趨勢的一致的。

實驗結(jié)果分析

上述實驗結(jié)果顯示衰減器在大功率的持續(xù)作用下，其衰減量和VSWR都會發(fā)生變化，顯然這與衰減器內(nèi)部溫度的變化是密切相關(guān)的。

結(jié)束語

關(guān)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。但是筆者認為這種方法與被測衰減器的實際使用環(huán)境不符。本文中所描述的試驗是在真實的使用環(huán)境下進行的，更具有實際應用價值。

或許你會認為這個實驗結(jié)果所呈現(xiàn)的變化可以忽略不計;也或許在一些精密測試場合，測試工程師會關(guān)注這一現(xiàn)象并愿意對此進行更加深入的研究和探討，這也是筆者所希望的。在后續(xù)的實驗中，我們將繼續(xù)對一些衰減器進行大功率測試，并對衰減器的功率系數(shù)進行探討。

需要注意的是，衰減器是一種高溫工作的器件，在使用時要注意安全。