微波電阻對射頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

張 誠，孫列鵬，楊化路，程宇峰，肖 薇

（1.北廣科技股份有限公司，北京101312；2北京航空航天大學(xué)，北京100082）

0 引 言

微波電阻在射頻系統(tǒng)中起著十分重要的角色，可充當(dāng)分配器、合成器的匹配電阻和射頻放大器鏈路中環(huán)行器的吸收負(fù)載角色，還可以用于開關(guān)的負(fù)載。隨著系統(tǒng)功率等級的加大，微波電阻是保證射頻系統(tǒng)正常運(yùn)行的第一保障。當(dāng)系統(tǒng)反射功率超出正常值時(shí)，微波電阻會(huì)吸收反射功率，以損壞的形式換取系統(tǒng)調(diào)整功率時(shí)間。換句話說，微波電阻良劣直接決定著射頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 原理介紹

在射頻系統(tǒng)中，射頻功率放大器是射頻系統(tǒng)最重要的組成部分，組成電路如圖1所示。

圖1 組成電路

1.1 環(huán)行器工作原理

環(huán)行器輸入端連接功率放大器，輸出端連接承受負(fù)載，隔離端連接吸收負(fù)載。環(huán)行器能夠在負(fù)載阻抗變化甚至開路或短路的情況下，不影響功率放大器的工作狀態(tài)。電流無變化，保證了整機(jī)產(chǎn)品安全。

在實(shí)際使用過程中，微波電阻功率一般按極端情況——高頻電路進(jìn)行全反射情況進(jìn)行計(jì)算與實(shí)驗(yàn)。

對Z軸任意位置的行進(jìn)電流與電壓波用公式表示為[1]：

行進(jìn)波在工作過程中會(huì)通過環(huán)行器。當(dāng)環(huán)行器輸出端處于短路或者開路時(shí)，反射系數(shù)會(huì)變?yōu)?，放大器的輸出功率全反射給微波電阻。短路時(shí)，電壓、電流為：

1.2 開路時(shí)電壓電流

當(dāng)開路時(shí)，電壓、電流為：

當(dāng)開路與短路時(shí)，傳輸線路的功率為：

求式（7）的最大值為：

所以，圖1中，對于環(huán)行器的吸收負(fù)載，考慮功率容限的情況，一般微波電阻廠家功率參數(shù)為平均值或者有效值。因此，選擇微波電阻時(shí)，需考慮峰值功率，而恰恰就是峰值功率出現(xiàn)的瞬間將損壞微波電阻，致使射頻系統(tǒng)癱瘓。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 測試相關(guān)設(shè)備

2.1.1 微波電阻

微波電阻是電阻的一種，能夠在微波頻率下保持固定阻值。在射頻電路中，一般是吸收負(fù)載，有時(shí)為電路匹配，可充當(dāng)分配器、合成器的匹配電阻。

2.1.2 散熱設(shè)備

為保證微波電阻的工作溫度，將微波電阻固定在鋁制散熱架上，用水冷散熱方式對散熱架進(jìn)行散熱。水冷機(jī)利用循環(huán)水，將散熱架的熱量帶走。

2.1.3 功率源

可輸出連續(xù)單頻信號(hào)的設(shè)備稱為功率源，一般等級都在千瓦以上?？烧{(diào)功率等級為測試微波電阻的可靠性，選用40 kW的162.5 MHz功率源。

2.2 測試平臺(tái)

162.5 MHz功率源輸出信號(hào)經(jīng)過環(huán)行器，在環(huán)行器匹配端連接微波電阻，水冷機(jī)利用循環(huán)水將微波電阻熱量散去，如圖2所示。

圖2 測試平臺(tái)

2.3 測試微波電阻的匹配性能

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試微波電阻的性能，選取一款微波電阻，在工作范圍內(nèi)測試微波電阻的射頻性能，測試數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 史密斯圖測試

圖4 回波損耗

從圖3、圖4測試數(shù)據(jù)分析，在30 kHz～300 MHz內(nèi)，微波電阻匹配性能良好。因?yàn)檫x用162.5 MHz功率源作為激勵(lì)源[2]。所以，選擇162.5 MHz為重點(diǎn)測試頻率。

2.4 匹配狀態(tài)測試

分別用不同等級功率進(jìn)行測試。將功率源功率步進(jìn)增長，分別計(jì)錄相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，觀察微波電阻的外觀情況，以微波電阻殼體實(shí)際溫度與電阻規(guī)格書推薦溫度進(jìn)行比較。當(dāng)超過廠家推薦溫度240°時(shí)，認(rèn)為微波電阻損壞。微波電阻測量溫度與功率變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 微波電阻溫度變化關(guān)系

2.5 開路狀態(tài)測試

將可調(diào)功率等級的功率源作為射頻源，信號(hào)通過環(huán)行器進(jìn)行開路狀態(tài)，微波電阻連接環(huán)行器的匹配端。為保證微波電阻工作溫度，將微波電阻固定在鋁制散熱架上，水冷散熱方式對散熱架進(jìn)行散熱。調(diào)整功率源與微波電阻間長度為0.23 m（2倍1/16的波長）)，進(jìn)行上述測試。開路狀態(tài)微波電阻測量溫度與功率變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 開路狀態(tài)時(shí)殼體溫度變化關(guān)系

3 結(jié) 論

從數(shù)據(jù)來分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）開路狀態(tài)時(shí)，信號(hào)線連接長度的變化會(huì)影響輸出功率變化，當(dāng)距離開路為1/16波長時(shí)，信號(hào)功率會(huì)產(chǎn)生疊加作用，疊加功率會(huì)損壞微波電阻；

（2）功率沒有2倍關(guān)系，主要原因是環(huán)行器會(huì)有隔離度，反射功率會(huì)泄露；

（3）工程設(shè)計(jì)中，因?yàn)榇嬖诃h(huán)行器開路與短路的風(fēng)險(xiǎn)因素，為了保證射頻系統(tǒng)與人身安全，需要將相關(guān)微波電阻耐功率值提高到工作功率的2倍以上。