集总参数衰减器的大功率稳定性探讨

    大功率集总参数衰减器是一种常见的射频和微波控制器件，其主要功能之一就是降低射频信号的幅度。在测试和测量中经常会用到衰减器，要说这种器件的使用概率仅次于电缆和连接器也不为过。
    通常，无论是生产厂家在出厂检验、用户收货时的验收、或者计量院对衰减器进行校准时，都是采用矢量网络分析仪来进行测量，其主要指标就是输入驻波比和衰减量。这已是实行多年的行业规则。
    你是否考虑过这样一个问题：既然衰减器是工作在大功率条件下，而矢量网络分析仪的输出仅为0dBm，那么在这种条件下测得的指标是否真实反应了这个衰减器的性能呢？显然，这是多年来射频工程师都“看得见”的“盲区”。
    并非大家不愿意进一步研究衰减器的大功率特性，以笔者与同行的交流以及经验来分析，大致有以下两条原因：
    1,这么多年来都是这样用的，即使大功率和小功率测试有点误差，也很难察觉到，没有人对终测试结果“较真”；
    2,大功率的测试有点麻烦，不测也罢。
    完全是出于对射频测试和测量的兴趣，笔者对衰减器的大功率特性进行了一些探讨性的测试，并发现了一些有趣的结果，在此提交给同行们讨论。
    为什么要研究衰减器的大功率特性
    当一个50W的大功率信号经过一个衰减量为20dB的衰减器后，信号被衰减了100倍，剩下0.5W的信号从出现在输出端，那49.5W的功率能量去哪了？当然你马上会说，这些射频信号能量被衰减器吸收并转化为热能了，终通过衰减器的散热片消耗在空气中了（图1）。
   

    图1:衰减器的基本作用

    完全正确！衰减器在大功率条件下，其表面温度会随着时间的变化逐渐升高（超过70℃），而内部的温度更高（超过200℃）。也就是说，在大功率条件下，器件的物理环境发生了变化，那么器件的性能必然也会随之变化！究竟有多少变化？会不会影响到终的测试结果呢？这就是本文要探讨的话题。
    在本文中，通过实验描述了一个衰减器在大功率条件下性能的变化。
    实验方法和结果
    试验对象是一个50W，3GHz，30dB的固定衰减器，我们采用了PM2010A47型大功率测试平台进行测试（图2）。
    在图2中，放大器产生2GHz、47dBm（50W）的连续波功率，输入取样电路分别测量输入到被测衰减器的信号47dBm(a1)以及被衰减器反射回来的信号b1；经过被测衰减器的30dB衰减后，还有约+17dBm(b2)被输出取样电路检测到。
    将b2减去a1，即可得出被测衰减器在大功率状态下的衰减量，而b1和a1的比值即为VSWR。
   

    图2:衰减器的大功率特性测试

    采用这种方法的好处就是完全抵消了放大器输出的不稳定性。同时为了保证试验结果的，系统中均采用了耐高温的PTFE介质材料的电缆，并预先进行了归一化校准。
    测试进行了1个小时，在整个过程中，每隔5分钟进行记录，终的测试结果如图3所示。
  

    图3:大功率状态下衰减量随时间的变化

    从图3可以发现，当50W的功率持续加载到衰减器的一个小时之内，衰减量变化了约0.08dB，而VSWR则从1.3上升到了1.4。用温度计测量衰减器的温度上升情况，变化趋势的一致的。
    实验结果分析
    上述实验结果显示衰减器在大功率的持续作用下，其衰减量和VSWR都会发生变化，显然这与衰减器内部温度的变化是密切相关的。
    结束语
    关于集总参数衰减器的大功率稳定性评估，并无适合的标准可依，常见的方法是采用直流替代法。但是笔者认为这种方法与被测衰减器的实际使用环境不符。本文中所描述的试验是在真实的使用环境下进行的，更具有实际应用价值。
    或许你会认为这个实验结果所呈现的变化可以忽略不计；也或许在一些精密测试场合，测试工程师会关注这一现象并愿意对此进行更加深入的研究和探讨，这也是笔者所希望的。在后续的实验中，我们将继续对一些衰减器进行大功率测试，并对衰减器的功率系数进行探讨。
    需要注意的是，衰减器是一种高温工作的器件，在使用时要注意安全。