淺談射頻測試和測量的真實環(huán)境模擬原則

概述

本文試圖闡述這樣一個觀點——射頻測試和測量應遵循“你怎么用，我怎么測”的原則。

測試和測量的原則大致是相通的。比如說要測量一個潛水員在水下10米的心律，那么這項測試就應該在水下10米處完成，這種條件下獲得的測試結(jié)果是真實可信的;除此以外的其他測試方法，即使是等這個潛水員上岸后馬上測，所獲得的結(jié)果也是與真實數(shù)據(jù)有偏差的，原因很簡單——測試條件變了。

射頻測試和測量也是如此，類似的案例比比皆是。比如一個濾波器的VSWR要求小于1.5，插入損耗要求小于1dB，同時要求工作溫度范圍是-30~+60ºC。上述條件下測試者除了在常溫下采用矢量網(wǎng)絡分析儀測試VSWR和插入損耗，還會將被測濾波器置于高低溫箱內(nèi)進行同樣的測試。合格與否的判定條件是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)電性能指標都滿足要求。

上述濾波器的測試案例是再平常不過的，但仔細審視這個濾波器的指標，我們發(fā)現(xiàn)還有一些需要有進步探討的話題。

我們的習慣思維

我們列出上述案例中濾波器的主要指標如下：

1. 工作頻率范圍：118-137MHz;

2. VSWR：不大于1.5;

3. 帶內(nèi)插入損耗：不大于1dB;

4. 功率容量：50W(CW);

5. 工作溫度范圍：-30~+60ºC

換一種方式來描述上述五項指標：在118-137MHz頻率范圍內(nèi)、-30~+60ºC溫度范圍內(nèi)以及50W連續(xù)波的作用下，這個濾波器的VSWR要小于1.5，插入損耗要小于1dB。

這下問題來了，可能有人會說“我們以前都是用網(wǎng)絡分析儀測的，50W條件下的VSWR和損耗怎么測?”。于是上述的五項指標的描述被改為：在118-137MHz頻率范圍內(nèi)、-30~+60ºC溫度范圍內(nèi)，這個濾波器的VSWR要小于1.5，插入損耗要小于1dB;同時這個濾波器可以承受50W的連續(xù)波。對此，我們可以稱之為“選擇性失明”嗎?顯然，這是長期以來的習慣思維，因為獲得一個高低溫箱很容易，而搭建一個50W的測試環(huán)境不容易。然而對以下問題，我們又該如何回答呢?

☑ 既然規(guī)定了功率容量為50W，那么合格與否的判定條件是什么?

☑ 既然要求在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)的VSWR和損耗都要滿足要求，那么從邏輯上來說，在50W的連續(xù)波功率作用下，這些指標也要滿足要求，為什么就視而不見了呢?

☑ 在實際使用中，當50W的連續(xù)波功率長期作用于這個濾波器中，可能會發(fā)生什么?VSWR和損耗變差?還是會導致器件的打火、擊穿乃至失效?

也許你會用一個50W的放大器對這個濾波器進行“烤機”，然后再馬上用網(wǎng)絡分析儀測試VSWR和損耗，但這就像潛水員的案例，測試條件變了，測試結(jié)果不可信。

以下我們可以再舉兩個案例來描述射頻測試中的習慣思維。

無源互調(diào)的測試條件

案例一來自于復雜的無源互調(diào)測試。

我們知道，無源互調(diào)要在規(guī)定的頻率和功率條件下進行測試。比如典型的無源互調(diào)指標可以表達為：-153dBc@2×43dBm，925和960MHz。關(guān)于無源互調(diào)測試，我們的習慣思維是：

☑ 無源互調(diào)必須在兩個20W的載頻作用下進行測試;

☑ 載頻幅度與無源互調(diào)的大小呈1:3(dBm)的關(guān)系;

☑ 無源互調(diào)的幅度與工作頻率有關(guān)，必須在相關(guān)的工作頻率下進行測試;

☑ 無源互調(diào)與頻率之間沒有推算關(guān)系，也就是說，在900MHz頻段測得的互調(diào)值不能代表1800MHz頻段的互調(diào)，反之亦然。

這個案例常見的“選擇性失明”現(xiàn)象表現(xiàn)在測試功率。我們時?？梢月牭揭韵碌恼f法：

☑ 2×20W是無源互調(diào)的測試標準;

☑ 如果DUT用于2W的環(huán)境下，可以將測試功率降到2×2W來測試其無源互調(diào);如果DUT要應用于1kW，則先用2×20W來測試其無源互調(diào)，然后再推算1kW條件下的互調(diào)值。

無源互調(diào)2×20W的測試功率起初是來自于GSM基站的標稱輸出功率20W，如今已經(jīng)成為行業(yè)普遍認同的“標準”。實際上，在IEC62037標準中是這樣描述的：

對于移動通信系統(tǒng)，除非有其他要求，推薦在DUT測試端加載2×20W(43dBm)。而其他系統(tǒng)則可能需要不同的功率電平。

這段描述清晰闡明了無源互調(diào)的測試條件應符合真實的使用環(huán)境。

射頻連接器和電纜的功率容量問題

案例2則來自我們經(jīng)常遇到的、并且有些疑惑的連接器和電纜等微波路由器件的功率容量問題。

圖1摘自一個微波機械開關(guān)的產(chǎn)品手冊，描述了不同規(guī)格的開關(guān)在不同頻率下的功率容量。

圖1、微波機械開關(guān)的功率容量

我們可以推測，圖1可能來自某種仿真結(jié)果，可能是經(jīng)驗值，可能在某些頻段上進行了實驗驗證。但是并沒有發(fā)現(xiàn)具有說服力的實驗數(shù)據(jù)來支撐。

另外，圖1也說明了微波器件的功率容量與頻率有關(guān)，這一點也否定了以往的直流替代法，在微波頻段，電壓和電流已失去其確切的意義。

思路回到前面的濾波器的案例，同樣的問題是在規(guī)定的功率容量時，判定這個器件合格的條件是什么?

我們曾經(jīng)做過一個實驗來觀察0.086”電纜組件在不同功率和溫度條件下VSWR和插入損耗的變化關(guān)系，測試頻率為900MHz。

圖2顯示了一條0.16m長的電纜組件在常溫條件下加載不同功率時其損耗的變化情況，功率越大，損耗也越大。圖3則顯示了相同功率作用下，VSWR與環(huán)境溫度的關(guān)系，溫度越高，VSWR也越大。

圖2、常溫下電纜輸入功率與插入損耗的關(guān)系

圖3、相同功率下溫度與駐波的關(guān)系

也許你會說，上述的指標變化不大。但實驗結(jié)果顯示其畢竟是有變化，何況在0.086”電纜手冊上說明了其在900MHz時的功率容量約為170W。受條件限制，實驗只是在100W時進行的，誰能說清楚在接近其功率極限時會發(fā)生什么情況?這些都需要依靠實驗來驗證。

結(jié)束語

本文希望表述的觀點是——射頻測試和測量應盡可能的模擬真實的使用環(huán)境，這樣得出來的測試結(jié)論會更加有實用意義。隨著微波技術(shù)、工藝、材料以及各種測試儀器的不斷發(fā)展，各種細分測試系統(tǒng)的搭建也成為可能。當然,也不能光提出問題而沒有解決方案,實際上BXT開發(fā)的PM2000系列大功率測試平臺就是本文觀點的實驗詮釋，在后續(xù)我們會不斷發(fā)布實驗結(jié)果，希望得到同行的指導。下一篇我們會來跟大家一起探討對本文提出問題的解決方案，敬請期待。