一、為什么要對(duì)無(wú)源器件進(jìn)行大功率實(shí)時(shí)測(cè)量?

如果你是個(gè)跑步愛(ài)好者，你一定希望在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的心率，而不是在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后再用秒表來(lái)測(cè)量心率，因?yàn)楹笳卟痪邆鋵?shí)時(shí)性，不能真實(shí)反映運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率。智能手表的出現(xiàn)使得人們可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的心率，讓我們更好地對(duì)自己的身體健康狀況進(jìn)行科學(xué)管理。

微波無(wú)源器件的大功率性能測(cè)量也要具備實(shí)時(shí)性，如果將大功率加載到一個(gè)無(wú)源器件上持續(xù)一段時(shí)間（通常是達(dá)到熱平衡），然后再取下來(lái)用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量其S參數(shù)，那么和心率例子一樣，也不具備實(shí)時(shí)性，不能真實(shí)反映這個(gè)器件的大功率性能。

微波無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量這個(gè)話(huà)題很有意思，我們來(lái)分析一下上述大功率試驗(yàn)方法可能出現(xiàn)的兩種情況：

大功率加載后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量DUT的S參數(shù)指標(biāo)不合格，這種結(jié)果意味著這個(gè)器件在大功率作用下失效了，并且不可恢復(fù)；

大功率加載后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量DUT的S參數(shù)指標(biāo)是合格的，但是你無(wú)法知道在大功率加載過(guò)程中究竟發(fā)生了什么？因此這種測(cè)量結(jié)果并不能對(duì)這個(gè)器件的大功率性能得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

我們從一個(gè)諧波濾波器來(lái)討論無(wú)源器件的功率容量與S參數(shù)之間的因果關(guān)系，其關(guān)鍵指標(biāo)如下：

通帶頻率范圍：118-137MHz

通帶駐波：小于1.5

通帶插入損耗：小于1dB

功率容量：50W CW

工作溫度范圍：-30~+60℃

存儲(chǔ)溫度范圍：-40~+70℃

先看與溫度相關(guān)的射頻指標(biāo)，可以理解為“在-30+60℃范圍內(nèi)，濾波器在118-137MHz頻率范圍內(nèi)的駐波應(yīng)小于1.5，插損應(yīng)小于1dB”，測(cè)試方法是將被測(cè)濾波器置入高低溫箱，連接好網(wǎng)絡(luò)分析儀，在改變溫度的條件下實(shí)時(shí)測(cè)量濾波器的射頻指標(biāo)，結(jié)果都應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)上述指標(biāo)的理解和測(cè)試方法符合正常的思維邏輯，應(yīng)該不會(huì)有人提出異議。如果有人說(shuō)將濾波器置入高低溫箱進(jìn)行溫度循環(huán)，拿出來(lái)后馬上接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行測(cè)試，至少可以說(shuō)這種方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)，難以令人完全信服，在這里溫度和射頻指標(biāo)是在同一時(shí)刻的因果關(guān)系。進(jìn)一步看存儲(chǔ)溫度范圍，如果將濾波器從-40+70℃的存儲(chǔ)環(huán)境中取出到實(shí)驗(yàn)室用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試S參數(shù)，從因果關(guān)系看，這樣測(cè)試是正確的。

再來(lái)看與功率相關(guān)的射頻指標(biāo)，這個(gè)濾波器是用于民航通信設(shè)備中的發(fā)射機(jī)輸出諧波抑制，與工作溫度范圍一樣，應(yīng)理解為“在50W連續(xù)波的作用下，濾波器在118-137MHz頻率范圍內(nèi)的駐波應(yīng)小于1.5，插損應(yīng)小于1dB”，但到了測(cè)試環(huán)節(jié)，可能會(huì)讓很多人犯了難：“網(wǎng)絡(luò)分析儀沒(méi)這么大的功率！沒(méi)辦法測(cè)?！币灿腥藭?huì)說(shuō)：“我們有功放，將濾波器在50W功率下加載一定時(shí)間，拿下來(lái)馬上在網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)試?！贝藭r(shí)我們分別對(duì)照工作溫度范圍和存儲(chǔ)溫度范圍相對(duì)于S參數(shù)指標(biāo)的定義，在工作溫度范圍內(nèi)的S參數(shù)指標(biāo)應(yīng)該實(shí)時(shí)測(cè)量。同理，在功率加載下的S參數(shù)指標(biāo)也要實(shí)時(shí)測(cè)量。

在無(wú)源器件的大功率應(yīng)用中，上述情況具有普遍性，筆者遇到兩類(lèi)情況，一是跟著最終用戶(hù)走，用戶(hù)沒(méi)提出要求就不測(cè)了。普遍現(xiàn)狀是，大多數(shù)廠(chǎng)家都沿用以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并未在大功率條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，有條件時(shí)，會(huì)采用功率加載的方式，再切換到網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量；另一類(lèi)情況是通過(guò)仿真或者經(jīng)驗(yàn)值來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)源器件的功率容量，并且在樣品完成后進(jìn)行大功率條件下的實(shí)時(shí)測(cè)量，本章中所要討論的是這種實(shí)時(shí)測(cè)量方法。

從應(yīng)用角度出發(fā)，當(dāng)一個(gè)無(wú)源器件用于接近其功率上限的場(chǎng)合時(shí)，設(shè)計(jì)者和使用者都會(huì)關(guān)注這個(gè)無(wú)源器件在大功率作用下的實(shí)時(shí)性能。因此可以說(shuō)無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量是一項(xiàng)應(yīng)用于功率上升過(guò)程尤其是到達(dá)邊際條件下的測(cè)試需求。

二、回顧S參數(shù)

無(wú)源器件在大功率作用下可能會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱、飛弧、擊穿甚至燒毀等現(xiàn)象，要準(zhǔn)確表征無(wú)源器件的大功率性能，觀察其S參數(shù)在大功率作用下的實(shí)時(shí)變化量是一個(gè)普遍適用的方法。在討論無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量方法之前，我們先來(lái)回顧一下S參數(shù)。

S參數(shù)即散射（Scattering）參數(shù)，其概念是在20世紀(jì)60年代提出并被業(yè)界所接受。如果我們?nèi)我馊∫粋€(gè)N端口的射頻網(wǎng)絡(luò)，而并不知道其中是一個(gè)什么樣的電路結(jié)構(gòu)，也就是一個(gè)“黑盒子”，將一個(gè)射頻信號(hào)輸入到一個(gè)端口時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢？不難想象，這個(gè)輸入到多端口網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)三種情況：其中一部分信號(hào)會(huì)從輸入端被反射回來(lái)，一部分信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在其他端口（這部分信號(hào)也有可能被放大），還有一部分信號(hào)在傳輸過(guò)程中通過(guò)熱輻射或電磁輻射的方式耗散掉了。

當(dāng)信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后，其幅度和相位均發(fā)生了變化，用S參數(shù)可以精確描述上述多端口網(wǎng)絡(luò)中射頻能量的傳播和反射特性。S參數(shù)被定義為在給定頻率和系統(tǒng)阻抗的條件下，任何非理想多端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸和反射特性。

S參數(shù)描述了輸入到一個(gè)N端口的信號(hào)到其中每個(gè)端口的響應(yīng)。S參數(shù)下標(biāo)中的第一位數(shù)字代表響應(yīng)端，第二位數(shù)字代表激勵(lì)端。如S21表示端口2相對(duì)于端口1輸入信號(hào)的響應(yīng)；S11代表端口1相對(duì)于端口1的輸入信號(hào)的響應(yīng)。我們以圖1所示的通用二端口網(wǎng)絡(luò)為例來(lái)說(shuō)明S參數(shù)的定義。其中輸入到網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)標(biāo)注為a，離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)標(biāo)注為b。

圖1 通用的雙端口S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)

在圖1中，如果將信號(hào)發(fā)生器接到端口1，端口2接匹配負(fù)載，則二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為a1，從網(wǎng)絡(luò)返回端口1的反射波為b1；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)到端口2的信號(hào)為b2，從負(fù)載返回網(wǎng)絡(luò)的反射波為a2（對(duì)于匹配負(fù)載，這個(gè)反射波數(shù)值為零）。用這些電壓波定義的端口1的S參數(shù)為：

其中S11表示當(dāng)端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的電壓反射系數(shù)；S21表示當(dāng)端口2接匹配負(fù)載時(shí)，從端口1到端口2的傳輸系數(shù)，即增益或損耗。

在圖1中將信號(hào)發(fā)生器移到端口2，而端口1接匹配負(fù)載，則二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為a2，從網(wǎng)絡(luò)返回端口2的反射波為b2；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)到端口1的信號(hào)為b1，從負(fù)載返回網(wǎng)絡(luò)的反射波為a1。用這些電壓波定義的端口2的S參數(shù)為：

其中S22表示當(dāng)端口1接匹配負(fù)載時(shí)，端口2的電壓反射系數(shù)；S12表示當(dāng)端口1接匹配負(fù)載時(shí)，從端口2到端口1的傳輸系數(shù)，即反向隔離或損耗。

二端口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣表示如下：

其中

如果要測(cè)量S11，我們會(huì)向端口1注入信號(hào)并測(cè)量端口1反射信號(hào)，在這種情況下，端口2是沒(méi)有信號(hào)輸入的，所以在式（2.1）中，a2 = 0。如果要測(cè)量S21，則向端口1注入信號(hào)，并測(cè)量出現(xiàn)在端口2的信號(hào)。同樣，測(cè)量S22時(shí)，會(huì)向端口2注入信號(hào)并測(cè)量端口2的反射信號(hào)，此時(shí)端口1沒(méi)有信號(hào)輸入，所以在式（2.3）中，a1 = 0。如果要測(cè)量S12，則向端口2注入信號(hào)，并測(cè)量出現(xiàn)在端口1的信號(hào)。

對(duì)于單端口網(wǎng)絡(luò)，S矩陣表示為：

三端口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣為：

準(zhǔn)確的S參數(shù)測(cè)量要依靠矢量或標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成，無(wú)源器件的大功率實(shí)時(shí)測(cè)量則參照了S參數(shù)的測(cè)量原理，重點(diǎn)關(guān)注的是DUT在大功率作用下S參數(shù)的變化量。