無源器件在大功率條件下S參數的變化量
時間：2023-08-22 10:15:33
三、無源器件的大功率實時測量方法無源器件的大功率性能可以通過其在大功率條件下S參數的變化量來表征，因此無源器件的大功率實時測量可以采用標量網絡分析儀的原理。圖2是一個標量網絡分析儀的基本工作原理，它利用功率檢波器來測量被測器件的反射參數和傳輸參數的幅度。
圖2 用于測量反射和傳輸參數幅度的標量網絡分析儀的基本工作原理
(資料圖片僅供參考)
假設被測器件（DUT）是無源器件，那么通過測量入射信號a1和反射信號b1，可以計算DUT的S11參數；而通過測量傳輸信號b2和入射信號a1，則可以計算出S21參數。如果要測量DUT的S22和S12參數，則需要把DUT反轉方向，重復上述測試。
我們將圖2的測試電路做一些變動，在輸入耦合器前加一個功率放大器，就形成了無源器件的大功率實時測量系統（圖3），這個系統可以測量無源器件在大功率作用下的S參數及其變化特性。
圖3無源器件大功率實時測量 系統由激勵信號源，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，匹配負載等組成。通過輸入耦合器采集到的輸入信號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和測試電纜的插入損耗L1后獲得輸入到DUT的信號a1，而通過輸入耦合器采集到的輸入反射信號b"1加上其反向耦合度CR1和測試電纜的損耗L1后獲得DUT的反射信號b1；通過輸出耦合器采集到DUT的輸出信號b"2加上其耦合度CF2和測試電纜的損耗L2后獲得DUT的輸出傳輸信號b2。功率檢波器用于檢波采集到的3個射頻信號，經過濾波、放大、數字采樣等處理后由顯示器或者電腦顯示測試結果；后臺軟件可以自動記錄功率讀數，計算出DUT的VSWR和插入損耗。 四、無源器件大功率實時測量的精度
比較圖3和圖2可見，無源器件大功率實時測量系統采用了標量網絡分析儀的工作原理，兩者都是用于測量反射參數S11和傳輸參數S21，主要差別是測試功率不同。以下從工程應用的角度來討論一下大功率實時測量系統的精度。
4.1S11測量
標量網絡分析儀在S11測量前要采用開路器和短路器進行頻響歸一化校準。在實際測試中（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換成標準匹配負載。標量網絡分析儀的S11測量精度取決于定向耦合器的方向性以及匹配負載的精度，如果在DUT和定向耦合器之間要接入射頻電纜和轉接器，也會影響測量精度。
大功率實時測量系統無法通過開路和短路器進行歸一化校準，其S11測量精度受限于輸入定向耦合器的方向性以及測試通路上大功率器件（包括測試電纜、轉接器和負載等）自身的VSWR性能。
定向耦合器方向性的影響
在大功率實時測量系統中（圖3），輸入定向耦合器的方向性是決定S11測量精度的重要因素。這項測量的精度分析遵循10dB原則，也就是說，如果定向耦合器的方向性比DUT的S11好10dB時，其回損測量誤差為+2.4/-3.3dB。
大功率定向耦合器要實現高方向性并不容易，筆者在大功率實時測量系統中采用了一些方向性超過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測結果。
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測值 分別用圖4b)的定向耦合器組成的大功率實時測量系統和矢量網絡分析儀測量一個通帶頻率為935-960MHz濾波器的駐波，其結果如圖5所示。
圖5 采用大功率實時測量系統和矢量網絡分析儀測量同一個濾波器的駐波
圖5中所示的兩種測量結果較為接近，說明采用了高方向性定向耦合器的大功率實時測量系統的測量結果接近矢量網絡分析儀，但如果作為這個濾波器的交付驗收標準，無疑會以矢量網絡分析儀的結果為準；大功率實時測量系統獲得的結果可作為這個濾波器的大功率性能評估依據，也就是本文中所強調的無源器件在大功率條件下S參數的變化量。
測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，測試通路中射頻器件自身的VSWR性能會影響DUT的S11測量精度。在測量時如果能將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；但實際測量中，更多情況是DUT通過電纜連接到系統，在圖3所示的系統中，輸入定向耦合器的輸出端口②后面接了以下器件：
輸入測試電纜L1
DUT
輸出測試電纜L2
輸出定向耦合器
連接輸出定向耦合器和匹配負載的電纜L3
匹配負載
這時候系統測得的VSWR實際上是從②點向右看去的總VSWR，系統無法識別出DUT的S11，要獲得足夠的測量精度，除DUT以外所有器件的自身VSWR都要做的很好，另外還有一項需要考慮的因素是無源器件在多級級聯后VSWR會有一定程度的惡化。這些因素都會影響到VSWR的測量精度。
審核編輯：彭菁
