射頻測(cè)試和測(cè)量的模擬環(huán)境的重要性

測(cè)試和測(cè)量的原則大致是相通的。比如說(shuō)要測(cè)量一個(gè)潛水員在水下10米的心律，那么這項(xiàng)測(cè)試就應(yīng)該在水下10米處完成，這種條件下獲得的測(cè)試結(jié)果是真實(shí)可信的；除此以外的其他測(cè)試方法，即使是等這個(gè)潛水員上岸后馬上測(cè)，所獲得的結(jié)果也是與真實(shí)數(shù)據(jù)有偏差的，原因很簡(jiǎn)單——測(cè)試條件變了。

射頻測(cè)試和測(cè)量也是如此，類似的案例比比皆是。比如一個(gè)濾波器的VSWR要求小于1.5，插入損耗要求小于1dB，同時(shí)要求工作溫度范圍是-30~+60oC。上述條件下測(cè)試者除了在常溫下采用矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試VSWR和插入損耗，還會(huì)將被測(cè)濾波器置于高低溫箱內(nèi)進(jìn)行同樣的測(cè)試。合格與否的判定條件是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)電性能指標(biāo)都滿足要求。

上述濾波器的測(cè)試案例是再平常不過(guò)的，但仔細(xì)審視這個(gè)濾波器的指標(biāo)，我們發(fā)現(xiàn)還有一些需要有進(jìn)步探討的話題。

我們的習(xí)慣思維

我們列出上述案例中濾波器的主要指標(biāo)如下：

1. 工作頻率范圍：118-137MHz；

2. VSWR：不大于1.5；

3. 帶內(nèi)插入損耗：不大于1dB；

4. 功率容量：50W（CW）；

5. 工作溫度范圍：-30~+60oC

換一種方式來(lái)描述上述五項(xiàng)指標(biāo)：在118-137MHz頻率范圍內(nèi)、-30~+60oC溫度范圍內(nèi)以及50W連續(xù)波的作用下，這個(gè)濾波器的VSWR要小于1.5，插入損耗要小于1dB。

這下問(wèn)題來(lái)了，可能有人會(huì)說(shuō)“我們以前都是用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)的，50W條件下的VSWR和損耗怎么測(cè)？”。于是上述的五項(xiàng)指標(biāo)的描述被改為：在118-137MHz頻率范圍內(nèi)、-30~+60oC溫度范圍內(nèi)，這個(gè)濾波器的VSWR要小于1.5，插入損耗要小于1dB；同時(shí)這個(gè)濾波器可以承受50W的連續(xù)波。對(duì)此，我們可以稱之為“選擇性失明”嗎？顯然，這是長(zhǎng)期以來(lái)的習(xí)慣思維，因?yàn)楂@得一個(gè)高低溫箱很容易，而搭建一個(gè)50W的測(cè)試環(huán)境不容易。然而對(duì)以下問(wèn)題，我們又該如何回答呢？

？ 既然規(guī)定了功率容量為50W，那么合格與否的判定條件是什么？

？ 既然要求在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)的VSWR和損耗都要滿足要求，那么從邏輯上來(lái)說(shuō)，在50W的連續(xù)波功率作用下，這些指標(biāo)也要滿足要求，為什么就視而不見(jiàn)了呢？

？ 在實(shí)際使用中，當(dāng)50W的連續(xù)波功率長(zhǎng)期作用于這個(gè)濾波器中，可能會(huì)發(fā)生什么？VSWR和損耗變差？還是會(huì)導(dǎo)致器件的打火、擊穿乃至失效？

也許你會(huì)用一個(gè)50W的對(duì)這個(gè)濾波器進(jìn)行“烤機(jī)”，然后再馬上用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試VSWR和損耗，但這就像潛水員的案例，測(cè)試條件變了，測(cè)試結(jié)果不可信。

以下我們可以再舉兩個(gè)案例來(lái)描述射頻測(cè)試中的習(xí)慣思維。

無(wú)源互調(diào)的測(cè)試條件

案例一來(lái)自于無(wú)源互調(diào)測(cè)試。

我們知道，無(wú)源互調(diào)要在規(guī)定的頻率和功率條件下進(jìn)行測(cè)試。比如典型的無(wú)源互調(diào)指標(biāo)可以表達(dá)為：-153dBc@2×43dBm，925和960MHz。關(guān)于無(wú)源互調(diào)測(cè)試，我們的習(xí)慣思維是：

？ 無(wú)源互調(diào)必須在兩個(gè)20W的載頻作用下進(jìn)行測(cè)試；

？ 載頻幅度與無(wú)源互調(diào)的大小呈1:3（dBm）的關(guān)系；

？ 無(wú)源互調(diào)的幅度與工作頻率有關(guān)，必須在相關(guān)的工作頻率下進(jìn)行測(cè)試；

？ 無(wú)源互調(diào)與頻率之間沒(méi)有推算關(guān)系，也就是說(shuō)，在900MHz頻段測(cè)得的互調(diào)值不能代表1800MHz頻段的互調(diào)，反之亦然。

這個(gè)案例常見(jiàn)的“選擇性失明”現(xiàn)象表現(xiàn)在測(cè)試功率。我們時(shí)?？梢月?tīng)到以下的說(shuō)法：

？ 2×20W是無(wú)源互調(diào)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；

？ 如果DUT用于2W的環(huán)境下，可以將測(cè)試功率降到2×2W來(lái)測(cè)試其無(wú)源互調(diào)；如果DUT要應(yīng)用于1kW，則先用2×20W來(lái)測(cè)試其無(wú)源互調(diào)，然后再推算1kW條件下的互調(diào)值。

無(wú)源互調(diào)2×20W的測(cè)試功率起初是來(lái)自于GSM基站的標(biāo)稱輸出功率20W，如今已經(jīng)成為行業(yè)普遍認(rèn)同的“標(biāo)準(zhǔn)”。實(shí)際上，在IEC62037標(biāo)準(zhǔn)中是這樣描述的：

對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)，除非有其他要求，推薦在DUT測(cè)試端加載2×20W（43dBm）。而其他系統(tǒng)則可能需要不同的功率電平。

這段描述清晰闡明了無(wú)源互調(diào)的測(cè)試條件應(yīng)符合真實(shí)的使用環(huán)境。

和電纜的功率容量問(wèn)題

案例2則來(lái)自我們經(jīng)常遇到的、并且有些疑惑的連接器和電纜等微波路由器件的功率容量問(wèn)題。

圖1摘自一個(gè)微波機(jī)械開關(guān)的，描述了不同規(guī)格的開關(guān)在不同頻率下的功率容量。

圖1、微波機(jī)械容量

我們可以推測(cè)，圖1可能來(lái)自某種仿真結(jié)果，可能是經(jīng)驗(yàn)值，可能在某些頻段上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支撐。

另外，圖1也說(shuō)明了的功率容量與頻率有關(guān)，這一點(diǎn)也否定了以往的直流替代法，在微波頻段，電壓和電流已失去其確切的意義。

思路回到前面的濾波器的案例，同樣的問(wèn)題是在規(guī)定的功率容量時(shí)，判定這個(gè)器件合格的條件是什么？

我們?cè)?jīng)做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察0.086”電纜組件在不同功率和溫度條件下VSWR和插入損耗的變化關(guān)系，測(cè)試頻率為900MHz。

圖2顯示了一條0.16m長(zhǎng)的電纜組件在常溫條件下加載不同功率時(shí)其損耗的變化情況，功率越大，損耗也越大。圖3則顯示了相同功率作用下，VSWR與環(huán)境溫度的關(guān)系，溫度越高，VSWR也越大。

圖2、常溫下電纜輸入功率與插入損耗的關(guān)系

圖3、相同功率下溫度與駐波的關(guān)系

也許你會(huì)說(shuō)，上述的指標(biāo)變化不大。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其畢竟是有變化，何況在0.086”電纜手冊(cè)上說(shuō)明了其在900MHz時(shí)的功率容量約為170W。受條件限制，實(shí)驗(yàn)只是在100W時(shí)進(jìn)行的，誰(shuí)能說(shuō)清楚在接近其功率極限時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況？這些都需要依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

結(jié)束語(yǔ)

本文希望表述的觀點(diǎn)是——射頻測(cè)試和測(cè)量應(yīng)盡可能的模擬真實(shí)的使用環(huán)境，這樣得出來(lái)的測(cè)試結(jié)論會(huì)更加有實(shí)用意義。隨著、工藝、材料以及儀器的不斷發(fā)展，各種細(xì)分測(cè)試系統(tǒng)的搭建也成為可能。當(dāng)然，也不能光提出問(wèn)題而沒(méi)有解決方案，實(shí)際上BXT開發(fā)的PM2000系列大功率測(cè)試平臺(tái)就是本文觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)詮釋，在后續(xù)我們會(huì)不斷發(fā)布實(shí)驗(yàn)結(jié)果，希望得到同行的指導(dǎo)。