無(wú)源器件在大功率條件下S參數(shù)的變化量

三、無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量方法 無(wú)源器件的大功率性能可以通過(guò)其在大功率條件下S參數(shù)的變化量來(lái)表征，因此無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量可以采用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理。圖2是一個(gè)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本工作原理，它利用功率檢波器來(lái)測(cè)量被測(cè)器件的反射參數(shù)和傳輸參數(shù)的幅度。

圖2 用于測(cè)量反射和傳輸參數(shù)幅度的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本工作原理

假設(shè)被測(cè)器件（DUT）是無(wú)源器件，那么通過(guò)測(cè)量入射信號(hào)a1和反射信號(hào)b1，可以計(jì)算DUT的S11參數(shù)；而通過(guò)測(cè)量傳輸信號(hào)b2和入射信號(hào)a1，則可以計(jì)算出S21參數(shù)。如果要測(cè)量DUT的S22和S12參數(shù)，則需要把DUT反轉(zhuǎn)方向，重復(fù)上述測(cè)試。

我們將圖2的測(cè)試電路做一些變動(dòng)，在輸入耦合器前加一個(gè)功率放大器，就形成了無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)（圖3），這個(gè)系統(tǒng)可以測(cè)量無(wú)源器件在大功率作用下的S參數(shù)及其變化特性。

圖3無(wú)源器件大功率實(shí)時(shí)測(cè)量 系統(tǒng)由激勵(lì)信號(hào)源，功率放大器，輸入/輸出耦合器，功率檢波器，以及接收、放大、采樣和處理電路，匹配負(fù)載等組成。通過(guò)輸入耦合器采集到的輸入信號(hào)a'1加上其正向耦合度CF1、再減去輸入耦合器的插入損耗LC1和測(cè)試電纜的插入損耗L1后獲得輸入到DUT的信號(hào)a1，而通過(guò)輸入耦合器采集到的輸入反射信號(hào)b'1加上其反向耦合度CR1和測(cè)試電纜的損耗L1后獲得DUT的反射信號(hào)b1；通過(guò)輸出耦合器采集到DUT的輸出信號(hào)b'2加上其耦合度CF2和測(cè)試電纜的損耗L2后獲得DUT的輸出傳輸信號(hào)b2。功率檢波器用于檢波采集到的3個(gè)射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、數(shù)字采樣等處理后由顯示器或者電腦顯示測(cè)試結(jié)果；后臺(tái)軟件可以自動(dòng)記錄功率讀數(shù)，計(jì)算出DUT的VSWR和插入損耗。 四、無(wú)源器件大功率實(shí)時(shí)測(cè)量的精度

比較圖3和圖2可見(jiàn)，無(wú)源器件大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)采用了標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理，兩者都是用于測(cè)量反射參數(shù)S11和傳輸參數(shù)S21，主要差別是測(cè)試功率不同。以下從工程應(yīng)用的角度來(lái)討論一下大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的精度。

4.1S11測(cè)量

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀在S11測(cè)量前要采用開(kāi)路器和短路器進(jìn)行頻響歸一化校準(zhǔn)。在實(shí)際測(cè)試中（圖2），如果DUT是單端口器件，直接接到耦合器1的輸出端即可測(cè)出S11；而如果DUT是兩端口或多端口器件，需要將耦合器2換成標(biāo)準(zhǔn)匹配負(fù)載。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S11測(cè)量精度取決于定向耦合器的方向性以及匹配負(fù)載的精度，如果在DUT和定向耦合器之間要接入射頻電纜和轉(zhuǎn)接器，也會(huì)影響測(cè)量精度。

大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)開(kāi)路和短路器進(jìn)行歸一化校準(zhǔn)，其S11測(cè)量精度受限于輸入定向耦合器的方向性以及測(cè)試通路上大功率器件（包括測(cè)試電纜、轉(zhuǎn)接器和負(fù)載等）自身的VSWR性能。

定向耦合器方向性的影響

在大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中（圖3），輸入定向耦合器的方向性是決定S11測(cè)量精度的重要因素。這項(xiàng)測(cè)量的精度分析遵循10dB原則，也就是說(shuō)，如果定向耦合器的方向性比DUT的S11好10dB時(shí)，其回?fù)p測(cè)量誤差為+2.4/-3.3dB。

大功率定向耦合器要實(shí)現(xiàn)高方向性并不容易，筆者在大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中采用了一些方向性超過(guò)30dB的1kW大功率同軸定向耦合器，圖4顯示了兩種定向耦合器方向性的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖4a）40-1000MHz定向耦合器

圖4b）698-2700MHz定向耦合器 圖4兩種大功率同軸定向耦合器的方向性實(shí)測(cè)值 分別用圖4b)的定向耦合器組成的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量一個(gè)通帶頻率為935-960MHz濾波器的駐波，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 采用大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量同一個(gè)濾波器的駐波

圖5中所示的兩種測(cè)量結(jié)果較為接近，說(shuō)明采用了高方向性定向耦合器的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果接近矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，但如果作為這個(gè)濾波器的交付驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)疑會(huì)以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)果為準(zhǔn)；大功率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)獲得的結(jié)果可作為這個(gè)濾波器的大功率性能評(píng)估依據(jù)，也就是本文中所強(qiáng)調(diào)的無(wú)源器件在大功率條件下S參數(shù)的變化量。

測(cè)試通路中器件性能的影響

除了輸入定向耦合器要有足夠好的方向性以外，測(cè)試通路中射頻器件自身的VSWR性能會(huì)影響DUT的S11測(cè)量精度。在測(cè)量時(shí)如果能將DUT直接接到圖3中輸入定向耦合器的輸出端②，可以獲得更好的精度；但實(shí)際測(cè)量中，更多情況是DUT通過(guò)電纜連接到系統(tǒng)，在圖3所示的系統(tǒng)中，輸入定向耦合器的輸出端口②后面接了以下器件：

輸入測(cè)試電纜L1

DUT

輸出測(cè)試電纜L2

輸出定向耦合器

連接輸出定向耦合器和匹配負(fù)載的電纜L3

匹配負(fù)載

這時(shí)候系統(tǒng)測(cè)得的VSWR實(shí)際上是從②點(diǎn)向右看去的總VSWR，系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別出DUT的S11，要獲得足夠的測(cè)量精度，除DUT以外所有器件的自身VSWR都要做的很好，另外還有一項(xiàng)需要考慮的因素是無(wú)源器件在多級(jí)級(jí)聯(lián)后VSWR會(huì)有一定程度的惡化。這些因素都會(huì)影響到VSWR的測(cè)量精度。

審核編輯：彭菁