RF和微波無(wú)源器件的設(shè)計(jì)約束和性能指標(biāo)考慮

RF和微波無(wú)源元件承受許多設(shè)計(jì)約束和性能指標(biāo)的負(fù)擔(dān)。根據(jù)應(yīng)用的功率要求，對(duì)材料和設(shè)計(jì)性能的要求可以顯著提高。例如，在高功率電信和軍用雷達(dá)/干擾應(yīng)用中，需要高性能水平以及極高功率水平。許多材料和技術(shù)無(wú)法承受這些應(yīng)用所需的功率水平，因此必須使用專門的組件，材料和技術(shù)來(lái)滿足這些極端的應(yīng)用要求。

高水平的射頻和微波功率是不可見的，難以檢測(cè)，并且能夠在小范圍內(nèi)產(chǎn)生令人難以置信的熱量。通常，只有在組件發(fā)生故障或完全系統(tǒng)故障后才能檢測(cè)到過(guò)功率壓力。這種情況在電信和航空/國(guó)防應(yīng)用中經(jīng)常遇到，因?yàn)楦吖β仕降氖褂煤捅┞妒菨M足這些應(yīng)用性能要求所必需的。

足夠高的RF和微波功率水平會(huì)損壞信號(hào)路徑中的元件，這可能是設(shè)計(jì)不良，材料老化/疲勞甚至是戰(zhàn)略性電子攻擊的產(chǎn)物。任何可能遇到高功率射頻和微波能量的關(guān)鍵系統(tǒng)都必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，并通過(guò)為最大潛在功率水平指定的組件進(jìn)行支持。其他問(wèn)題，例如RF泄漏，無(wú)源互調(diào)失真和諧波失真，在高功率水平下會(huì)加劇，因?yàn)楸仨毟嗟乜紤]組件的質(zhì)量。

任何具有插入損耗的互連或組件都有可能吸收足夠的RF和微波能量以造成損壞。這就是所有射頻和微波元件具有最大額定功率的原因。通常，由于RF能量有幾種不同的工作模式，因此將為連續(xù)波（CW）或脈沖功率指定額定功率。另外，由于構(gòu)成RF組件的各種材料可以改變不同功率，溫度，電壓，電流和年齡的行為，因此通常還指定這些參數(shù)。與往常一樣，一些制造商對(duì)其組件的指定功能更加慷慨，因此建議在實(shí)際操作條件下測(cè)試特定組件以避免現(xiàn)場(chǎng)故障。這是RF和微波組件特別關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)榧?jí)聯(lián)故障很常見。

圖2可以使用磁環(huán)或電場(chǎng)探頭分接波導(dǎo)，將TE或TM波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換為TEM同軸傳輸模式。

同軸或波導(dǎo)互連

根據(jù)頻率，功率水平和物理要求，同軸或波導(dǎo)互連用于高功率RF和微波應(yīng)用。這兩種技術(shù)的尺寸隨頻率而變化，需要更高精度的材料和制造來(lái)處理更高的功率水平。通常，作為RF能量通過(guò)具有空氣電介質(zhì)的波導(dǎo)的方式的產(chǎn)物，波導(dǎo)傾向于能夠處理比可比同軸技術(shù)更高的功率水平。另一方面，波導(dǎo)通常是比同軸技術(shù)更昂貴，定制安裝和窄帶解決方案。

這就是說(shuō)，對(duì)于需要更低成本，更高靈活性安裝，更高信號(hào)路由密度和中等功率水平的應(yīng)用，同軸技術(shù)可能是首選。另外，由于降低了成本和尺寸，因此在波導(dǎo)互連上使用同軸互連的組件選擇更多。雖然寬帶和通常更直接的安裝，在高性能，堅(jiān)固性和可靠性方面，波導(dǎo)技術(shù)往往超過(guò)同軸。通常，這些互連技術(shù)串聯(lián)使用，在可能的情況下，最高功率和保真度信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)互連路由。

圖3在衰減器之后，同軸連接器類型可以減小尺寸和成本，因?yàn)樗p后的信號(hào)功率水平可能足夠低，以避免損壞較小的同軸連接器。

同軸技術(shù)需要注意的一個(gè)重要特征是它們的功率和電壓相關(guān)的介質(zhì)擊穿比類似頻率的波導(dǎo)互連要低得多。如果重量和成本是高度關(guān)注，這可能是可接受的。但是，在高溫和高壓下材料除氣和材料性能變化的問(wèn)題可能會(huì)降低航空航天應(yīng)用中的同軸技術(shù)可行性。

適配器和終端

由于每個(gè)適配器和終端都會(huì)引入不必要的插入損耗和反射，因此仔細(xì)選擇正確的組件可以防止不必要的信號(hào)降級(jí)并可能對(duì)敏感電子設(shè)備造 適配器和終端有多種形式，通常是同軸或波導(dǎo)，用于高功率應(yīng)用。另外，適配器可能更復(fù)雜，因?yàn)檫m配器任一端的尺寸和類型可能不同。此外，適配器本身可能引入轉(zhuǎn)彎或彎曲。

必須仔細(xì)檢查適配器的功率和頻率范圍，特別是如果適配器是波導(dǎo)到同軸轉(zhuǎn)換。波導(dǎo)自然只能使頻帶范圍的帶寬以高信號(hào)保真度傳輸，其中同軸技術(shù)僅具有截止頻率。然而，不同的同軸連接器類型也具有不同的功率和頻率容量。如果適配器是兩種不同同軸連接器類型之間的過(guò)渡，則頻率，功率處理，PIM，插入損耗和其他參數(shù)將受到影響。

圖4現(xiàn)代模擬器現(xiàn)在包括EM和熱模擬，用于預(yù)測(cè)濾波器或其他無(wú)源元件器件中的熱行為和應(yīng)力。

終端首當(dāng)其沖地耗盡設(shè)備內(nèi)潛在的極端RF能量。通常，用于高功率應(yīng)用的終端將具有散熱金屬體并且可能強(qiáng)制空氣熱管理。終端的阻抗匹配和電壓駐波比（VSWR）絕對(duì)至關(guān)重要，因?yàn)椴豢深A(yù)測(cè)的反射可能導(dǎo)致上游電子設(shè)備中的過(guò)功率和過(guò)壓狀況。在將高功率放大器（HPA）分流到不符合足夠的VSWR規(guī)格的終端的情況下，這可能是危險(xiǎn)的，因?yàn)樗赡苡谰眯缘負(fù)p壞HPA。

衰減器

像終端器一樣，衰減器設(shè)計(jì)用于在器件主體內(nèi)消散RF能量，而不會(huì)產(chǎn)生任何不需要的信號(hào)失真或反射。有固定和可變衰減器。對(duì)于大多數(shù)極高功率應(yīng)用，固定衰減器更常見。像終結(jié)器一樣，它們可以是波導(dǎo)或同軸的。另外，衰減器也可以是不同尺寸的同軸連接器尺寸的適配器，盡管這很少用波導(dǎo)連接器完成。

波導(dǎo)定向耦合器可能具有同軸輸出，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合信號(hào)的功率電平足夠低，可以在較低重量和成本的同軸傳輸線中傳輸。

根據(jù)衰減器設(shè)計(jì)耗散的功率量，金屬輻射器通常會(huì)圍繞身體，甚至強(qiáng)制冷卻也是一種選擇。頻率，功率處理和衰減越高，RF能量就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量。安裝衰減器時(shí)，確保衰減器獲得足夠的通風(fēng)并且不安裝在靠近其他散熱電子設(shè)備的位置至關(guān)重要。

濾波器

由于濾波器可以作為頻帶選擇性衰減器或帶外信號(hào)的反射器，考慮到上游電子設(shè)備的類型和進(jìn)入濾波器的信號(hào)是必要的。吸收濾波器將從帶外信號(hào)中吸收RF能量并將其轉(zhuǎn)換為熱量。其中，反射濾波器將RF能量重定向回源。這種類型的濾波器可能由于過(guò)功率或過(guò)電壓而損壞敏感的上游電子設(shè)備。根據(jù)濾波器技術(shù)和結(jié)構(gòu)，濾波器的功率處理能力通常高度依賴于頻率。

與大多數(shù)RF和微波組件一樣，較高頻率組件的功率閾值低于其低功率組件。濾波器的相對(duì)尺寸和材料將對(duì)功率和頻率限制產(chǎn)生重大影響。濾波器的通帶自然地略微衰減信號(hào)，因此在RF能量吸收或反射方面，通帶特性與帶外濾波器特性同樣重要。

圖5有多種功率分配器技術(shù)，每種技術(shù)都有自己的阻抗和性能特征。

定向耦合器和功率分配器/組合器

定向耦合器具有許多與適配器相同的關(guān)注點(diǎn)和約束，增加了內(nèi)置終端或前向/反向耦合信號(hào)路徑的復(fù)雜性。而且，定向耦合器的耦合信號(hào)路徑比通過(guò)主傳播線的RF能量少數(shù)百，數(shù)千或數(shù)萬(wàn)倍。由于耦合線上的功率水平顯著降低，即使對(duì)于高功率波導(dǎo)耦合器，耦合線通常也是同軸連接器。對(duì)于混合耦合器或3dB 90°混合耦合器來(lái)說(shuō)，這顯然不是這種情況，它們?cè)趦蓚€(gè)相等的RF信號(hào)路徑中均勻地分配信號(hào)的功率。

通常，定向耦合器設(shè)計(jì)成具有非常低的插入損耗和反射。在高功率水平下，如果不是精確設(shè)計(jì)，耦合方法會(huì)引入顯著的插入損耗和反射。另一個(gè)需要考慮的因素是耦合線的加載。雖然在低功率水平下，簡(jiǎn)單的終止可能就足夠了。但是，在較高功率水平下，任何不匹配或反射都可能導(dǎo)致大量功率饋送到主信號(hào)路徑中。而且，取決于耦合強(qiáng)度，定向耦合器的終端可能需要比其低功率對(duì)應(yīng)物具有更高的功率處理。

與定向耦合器非常相似，功率分配器沿多個(gè)路徑分離RF信號(hào)能量。其中，功率合成器將RF信號(hào)能量饋送到一個(gè)主路徑中。插入損耗和反射的問(wèn)題與功率分配器/合成器大致相同，因?yàn)樗鼈兣c方向耦合器一樣。主要區(qū)別在于功率分配器/合路器通常處于大致相等的功率水平，但不是相位。作為其產(chǎn)物，連接或饋電線中的任何阻抗或VSWR失配可能引起不期望的信號(hào)劣化，相位偏差和反射。一些功率分配器/組合器具有作為波導(dǎo)或同軸連接的輸入或輸出，并且輸入和輸出使用不同的連接器尺寸或技術(shù)。

高功率無(wú)源器件中的無(wú)源互調(diào)失真

PIM對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能有重大影響，特別是對(duì)高功率射頻電子設(shè)備。由于PIM通常難以在完整的無(wú)源設(shè)備系統(tǒng)中確定，如果PIM是設(shè)計(jì)問(wèn)題，具有高精度和低PIM無(wú)源組件可能是確保較低PIM閾值的第一步。材料中的任何非線性或環(huán)境誘發(fā)的非線性都可能導(dǎo)致高水平的PIM。

無(wú)論是表面缺陷，微裂縫還是不同的材料連接，高功率水平通常會(huì)加劇導(dǎo)致PIM的非線性效應(yīng)。由于高功率應(yīng)用通常也與更極端的環(huán)境相關(guān)聯(lián)，因此溫度變化，振動(dòng)和材料老化也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致PIM的非線性。為了減少PIM響應(yīng)，可以驗(yàn)證每個(gè)單獨(dú)的連接和組件以減少的三階交調(diào)截點(diǎn)操作，從而降低失真。通過(guò)嚴(yán)格的裝配后測(cè)試，安裝后也可以確認(rèn)PIM響應(yīng)。

熱管理挑戰(zhàn)，壽命和材料降級(jí)

高頻下的高功率水平傾向于在非理想表面和材料中引起RF能量耗散。RF能量消散到大多數(shù)表面會(huì)引起加熱。RF加熱可能導(dǎo)致峰值功率操作中的材料變化或在幾個(gè)使用周期內(nèi)材料劣化。

可以理解的是，設(shè)備的溫度和RF功率水平規(guī)格應(yīng)在合理的范圍內(nèi)保持合理。由于許多制造商對(duì)其產(chǎn)品的性能非常樂(lè)觀，因此有理由允許在其他設(shè)計(jì)約束條件下實(shí)現(xiàn)盡可能多的功率和熱量余量。這在無(wú)法承受停機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)闊釕?yīng)力會(huì)導(dǎo)致熱失控，從而導(dǎo)致設(shè)備快速失效。

其他環(huán)境因素，例如濕氣進(jìn)入和沖擊/振動(dòng)，也可以暫時(shí)降低部件的功率和熱處理能力。在鹽霧，溫度和機(jī)械應(yīng)力測(cè)試臺(tái)中對(duì)高功率元件進(jìn)行徹底測(cè)試通常用于驗(yàn)證某些應(yīng)用的極端情況下的元件設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷