无源器件的大功率实时测量方案

一、为什么要对无源器件进行大功率实时测量?

如果你是个跑步爱好者，你一定希望在运动过程中实时监测自己的心率，而不是在运动结束后再用秒表来测量心率，因为后者不具备实时性，不能真实反映运动状态下的心率。智能手表的出现使得人们可以在运动过程中实时监测自己的心率，让我们更好地对自己的身体健康状况进行科学管理。

微波无源器件的大功率性能测量也要具备实时性，如果将大功率加载到一个无源器件上持续一段时间（通常是达到热平衡），然后再取下来用网络分析仪测量其S参数，那么和心率例子一样，也不具备实时性，不能真实反映这个器件的大功率性能。

微波无源器件的大功率实时测量这个话题很有意思，我们来分析一下上述大功率试验方法可能出现的两种情况：

大功率加载后，用网络分析仪测量DUT的S参数指标不合格，这种结果意味着这个器件在大功率作用下失效了，并且不可恢复；

大功率加载后，用网络分析仪测量DUT的S参数指标是合格的，但是你无法知道在大功率加载过程中究竟发生了什么？因此这种测量结果并不能对这个器件的大功率性能得出准确的结论。

我们从一个谐波滤波器来讨论无源器件的功率容量与S参数之间的因果关系，其关键指标如下：

通带频率范围：118-137MHz

通带驻波：小于1.5

通带插入损耗：小于1dB

功率容量：50W CW

工作温度范围：-30~+60℃

存储温度范围：-40~+70℃

先看与温度相关的射频指标，可以理解为“在-30+60℃范围内，滤波器在118-137MHz频率范围内的驻波应小于1.5，插损应小于1dB”，测试方法是将被测滤波器置入高低温箱，连接好网络分析仪，在改变温度的条件下实时测量滤波器的射频指标，结果都应满足设计要求。对上述指标的理解和测试方法符合正常的思维逻辑，应该不会有人提出异议。如果有人说将滤波器置入高低温箱进行温度循环，拿出来后马上接到网络分析仪上进行测试，至少可以说这种方法不够严谨，难以令人完全信服，在这里温度和射频指标是在同一时刻的因果关系。进一步看存储温度范围，如果将滤波器从-40+70℃的存储环境中取出到实验室用网络分析仪测试S参数，从因果关系看，这样测试是正确的。

再来看与功率相关的射频指标，这个滤波器是用于民航通信设备中的发射机输出谐波抑制，与工作温度范围一样，应理解为“在50W连续波的作用下，滤波器在118-137MHz频率范围内的驻波应小于1.5，插损应小于1dB”，但到了测试环节，可能会让很多人犯了难：“网络分析仪没这么大的功率！没办法测。”也有人会说：“我们有功放，将滤波器在50W功率下加载一定时间，拿下来马上在网络分析仪上测试。”此时我们分别对照工作温度范围和存储温度范围相对于S参数指标的定义，在工作温度范围内的S参数指标应该实时测量。同理，在功率加载下的S参数指标也要实时测量。

在无源器件的大功率应用中，上述情况具有普遍性，笔者遇到两类情况，一是跟着最终用户走，用户没提出要求就不测了。普遍现状是，大多数厂家都沿用以往经验进行设计和生产，并未在大功率条件下进行实时测量，有条件时，会采用功率加载的方式，再切换到网络分析仪进行小信号测量；另一类情况是通过仿真或者经验值来设计无源器件的功率容量，并且在样品完成后进行大功率条件下的实时测量，本章中所要讨论的是这种实时测量方法。

从应用角度出发，当一个无源器件用于接近其功率上限的场合时，设计者和使用者都会关注这个无源器件在大功率作用下的实时性能。因此可以说无源器件的大功率实时测量是一项应用于功率上升过程尤其是到达边际条件下的测试需求。

二、回顾S参数

无源器件在大功率作用下可能会产生发热、飞弧、击穿甚至烧毁等现象，要准确表征无源器件的大功率性能，观察其S参数在大功率作用下的实时变化量是一个普遍适用的方法。在讨论无源器件的大功率实时测量方法之前，我们先来回顾一下S参数。

S参数即散射（Scattering）参数，其概念是在20世纪60年代提出并被业界所接受。如果我们任意取一个N端口的射频网络，而并不知道其中是一个什么样的电路结构，也就是一个“黑盒子”，将一个射频信号输入到一个端口时，会发生什么呢？不难想象，这个输入到多端口网络的射频信号会出现三种情况：其中一部分信号会从输入端被反射回来，一部分信号会出现在其他端口（这部分信号也有可能被放大），还有一部分信号在传输过程中通过热辐射或电磁辐射的方式耗散掉了。

当信号通过网络后，其幅度和相位均发生了变化，用S参数可以精确描述上述多端口网络中射频能量的传播和反射特性。S参数被定义为在给定频率和系统阻抗的条件下，任何非理想多端口网络的传输和反射特性。

S参数描述了输入到一个N端口的信号到其中每个端口的响应。S参数下标中的第一位数字代表响应端，第二位数字代表激励端。如S21表示端口2相对于端口1输入信号的响应；S11代表端口1相对于端口1的输入信号的响应。我们以图1所示的通用二端口网络为例来说明S参数的定义。其中输入到网络的信号标注为a，离开网络的信号标注为b。

图1 通用的双端口S参数网络

在图1中，如果将信号发生器接到端口1，端口2接匹配负载，则二端口网络的入射波为a1，从网络返回端口1的反射波为b1；通过网络到端口2的信号为b2，从负载返回网络的反射波为a2（对于匹配负载，这个反射波数值为零）。用这些电压波定义的端口1的S参数为：

其中S11表示当端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数；S21表示当端口2接匹配负载时，从端口1到端口2的传输系数，即增益或损耗。

在图1中将信号发生器移到端口2，而端口1接匹配负载，则二端口网络的入射波为a2，从网络返回端口2的反射波为b2；通过网络到端口1的信号为b1，从负载返回网络的反射波为a1。用这些电压波定义的端口2的S参数为：

其中S22表示当端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数；S12表示当端口1接匹配负载时，从端口2到端口1的传输系数，即反向隔离或损耗。

二端口网络的S矩阵表示如下：

其中

如果要测量S11，我们会向端口1注入信号并测量端口1反射信号，在这种情况下，端口2是没有信号输入的，所以在式（2.1）中，a2 = 0。如果要测量S21，则向端口1注入信号，并测量出现在端口2的信号。同样，测量S22时，会向端口2注入信号并测量端口2的反射信号，此时端口1没有信号输入，所以在式（2.3）中，a1 = 0。如果要测量S12，则向端口2注入信号，并测量出现在端口1的信号。

对于单端口网络，S矩阵表示为：

三端口网络的S矩阵为：

准确的S参数测量要依靠矢量或标量网络分析仪来完成，无源器件的大功率实时测量则参照了S参数的测量原理，重点关注的是DUT在大功率作用下S参数的变化量。

审核编辑：汤梓红