用功率計(jì)測(cè)量插入損耗

1、摘要

通帶插入損耗是無源射頻器件(如濾波器，發(fā)射合路 器，電纜)的重要指標(biāo)。而用常見的單臺(tái)功率計(jì)輸入輸出測(cè)試法卻不能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。本文解釋了產(chǎn)生誤差的原因，并描述了一種在工程中極為實(shí)用的雙功率計(jì)測(cè) 試法，用這種方法所得的測(cè)試結(jié)果與在實(shí)驗(yàn)室用網(wǎng)絡(luò)分析儀所得的結(jié)果幾乎一致。

另外，本文還強(qiáng)調(diào)了測(cè)試電纜和接頭對(duì)測(cè)試精度的重要作用，而這些問題在工程中是往往容易被忽略的。

2、引言

通 帶插入損耗是無源射頻器件的主要指標(biāo)。典型的插入損耗值相對(duì)較小，因此用普通的測(cè)量方法很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試精度。在實(shí)驗(yàn)室和工廠，通常采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來 測(cè)量插入損耗。用常見的無線電發(fā)射機(jī)作為信號(hào)源和射頻功率計(jì)如BIRD43 或同類的儀器很難精確地測(cè)量出大功率狀態(tài)下的插入損耗值。實(shí)際上，在大功率狀態(tài)下不能直接測(cè)量插入損耗，插入損耗值必須通過被測(cè)器件(以下簡稱DUT)的 輸出輸入射頻功率比進(jìn)行計(jì)算而得，公式如下：

IL(dB)=10 lg (Po / Pi )

其中Pi 和Po 分別為DUT 的輸入和輸出射頻功率。

3、單臺(tái)功率計(jì)測(cè)試法

通常用一臺(tái)功率計(jì)來測(cè)量器件的輸入輸出功率不可能有足夠的精度來校驗(yàn)插入損耗的出廠指標(biāo)，產(chǎn)生誤差的原因有很多。

圖1描述了一種功率測(cè)量的常見方法。DUT 在工作頻率上的插入損耗的插入損耗指 標(biāo)是-1.5dB。功率計(jì)采用帶50W 探頭的BIRD43 型，發(fā)射機(jī)則采用30W 移動(dòng)收發(fā)信機(jī)，用于連接設(shè)備的是任意長度的同軸電纜。

在圖1A 中，發(fā)射機(jī)通過功率計(jì)和測(cè)試電 纜1,2 連接到DUT。當(dāng)發(fā)射機(jī)打開時(shí)，功率計(jì)指示32.3W 的正向功率,記為Pi=32.3W。在圖1B 中，發(fā)射機(jī)通過電纜1 與DUT 連接，而此時(shí)DUT 的輸出則通過電纜3，功率計(jì)和電纜2 與負(fù)載連接。此時(shí)功率計(jì)指示20W 的正向功率。記為P o=20.0W。

經(jīng)過上述的測(cè)量，可將插入損耗計(jì)算如下：

IL(dB)=10 lg (20/32.3)= - 2.1dB

顯然這個(gè)結(jié)果與出廠指標(biāo)不符，是指標(biāo)錯(cuò)了嗎?在下任何結(jié)論之前，讓我們來看看單功率計(jì)測(cè)量法所固有的可能產(chǎn)生誤差的原因。

3.1、產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因

3.1.1、發(fā)射機(jī)負(fù)載阻抗的變化

在 圖1A 和1B 中，不同長度的電纜被用于連接DUT 和發(fā)射機(jī)。如果DUT 的輸入阻抗不是純阻并且不等于50 歐，則如改變DUT 和發(fā)射機(jī)之間的電纜長度，也會(huì)引起呈現(xiàn)在發(fā)射機(jī)的負(fù)載阻抗的幅度和相位的改變。因此，當(dāng)從DUT 的輸入輸出端移動(dòng)功率計(jì)和電纜而引起阻抗變化時(shí)，發(fā)射機(jī)的輸出功率也將隨之而變化。

3.1.2、功率計(jì)的位置

在端接失配或電抗性負(fù)載的傳輸線上存在著駐波。由于負(fù)載駐波的存在，在不同的點(diǎn)上，用功率計(jì)進(jìn)行的功率測(cè)量所得的結(jié)果也不同。

3.1.3、電纜及固有插入損耗

在計(jì)算插入損耗時(shí)，必須考慮到會(huì)影響功率測(cè)量的內(nèi)部連接電纜的損耗。在上述測(cè)量中，出廠指標(biāo)和現(xiàn)場測(cè)試的誤差為0.6dB。如果測(cè)試發(fā)射機(jī)不穩(wěn)定，誤差將會(huì)更大。

3.1.4、發(fā)射機(jī)的不穩(wěn)定性

如果負(fù)載阻抗不是50 歐純阻，可能引起某些發(fā)射機(jī)的功率放大器的不穩(wěn)定。尤其是諧振器件(如腔體濾波器)，會(huì)在截止響應(yīng)頻率上產(chǎn)生一個(gè)很大的電抗。這可能會(huì)引起參量振蕩，從而 在DUT 的通帶以外產(chǎn)生很大的輸出功率。如果發(fā)射機(jī)產(chǎn)生振蕩，則功率計(jì)所測(cè)得的發(fā)射 機(jī)輸出功率將會(huì)包括雜散功率。如果大部分雜散功率被DUT 衰減掉，則結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“假的插入損耗”。根據(jù)雜散載波功率比和DUT 的響應(yīng)，甚至可能會(huì)產(chǎn)生更大的插入損耗測(cè)量誤差。

在圖1C 中，發(fā)射機(jī)通過一條更短的、不規(guī)則長度的電纜與DUT(濾波器)連接，于是，產(chǎn)生了振蕩，DUT(濾波器)輸出端上功率計(jì)和正向功率讀數(shù)僅為15.5W，因?yàn)榇蠹s有4.5W 的雜散功率沒有通過DUT(濾波器)。此時(shí)可求得插入損耗為：

IL =10Lg(15.5/32.5)=-3.2dB

這個(gè)結(jié)果當(dāng)然是完全錯(cuò)誤的。4、推薦的測(cè)試方法

我們推薦一種雙功率計(jì)測(cè)量法，這種方法將會(huì)避免上述的大部分問題。首先用圖2A 的測(cè)試步驟獲得用于校正測(cè)試設(shè)備的插入損耗和功率計(jì)的相對(duì)校正誤差的功率計(jì)讀數(shù)。而圖2B的步驟則用于測(cè)量輸入和輸出功率。

電纜1 被切割成一定的長度，從而保證從發(fā)射機(jī)的輸出到功率計(jì)的輸出之間的總傳輸線長度為測(cè)試頻率的半波長的整數(shù)倍。這樣可以保證由發(fā)射機(jī)看去的負(fù)載阻抗與連接在 功率計(jì)1 上的DUT 的阻抗相等。在功率計(jì)的操作手冊(cè)上，通常包括了對(duì)于不同的頻率范圍所需的測(cè)試電纜的最佳長度。

在 圖2B 中，功率計(jì)1 和2 用一條很短的電纜或N(M)-N(M)轉(zhuǎn)接器與DUT 的輸入和輸出連接，也可用90 度彎角的N(M)-N(F)轉(zhuǎn)接器以便于功率計(jì)與DUT 之間的連接。在圖2A中，功率計(jì)之間的連接與圖2B 相同，只是中間附加了一個(gè)N(F)-N(F)轉(zhuǎn)接器代替DUT。

在圖1和2中，50歐負(fù)載電阻應(yīng)通過一條短同軸電纜或N(M)-N(M)轉(zhuǎn)接器與功率計(jì)2的輸出連接。如果負(fù)載的回波損耗為-30dB(駐波比小于1.06)或更好，則功率計(jì)與負(fù)載電阻之間的傳輸線的長度不需要特別要求。

測(cè)試步驟如下：

1). 如圖2A 所示，將功率計(jì)1 和功率計(jì)2 直接相連，打開發(fā)射機(jī)并記下正向功率讀數(shù)P1 和P2。

2). 關(guān)閉發(fā)射機(jī)，并在功率計(jì)1 和2 之間接入DUT，如圖2B 所示。

3). 再打開發(fā)射機(jī)并記下正向功率讀數(shù)P3 和P4。

4). 插入損耗計(jì)算如下：

IL(dB)=10lg(P1×P4 / P2×P3)

在前述例子中，所獲得的腔體濾波器的測(cè)量結(jié)果如下：

P1=28.7W P3=28.0W

P2=24.0W P4=16.8W

所求得的插入損耗為：

Po / Pi =(28.7×16.8/24.0×28.0)=0.7175

IL = 10lg(0.7517)= -1.44dB

這個(gè)結(jié)果與被測(cè)濾波器的出廠指標(biāo)相差小于0.1dB。

其他注意事項(xiàng)：

1). 應(yīng)采用最好的電纜和接頭。如可能接頭應(yīng)壓接和焊接。劣質(zhì)的接頭會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

2). 絕對(duì)不要使用UHF(SL16)接頭或轉(zhuǎn)接器。

除了在VHF 頻段外，UHF 接頭的阻抗特性非常壞，因此在功率計(jì)上必須采用N 型 接頭。

3). 檢查發(fā)射機(jī)的頻譜純度，相對(duì)于載頻的雜散輻射和諧波必須小于60 至70DB。