2.1 衰减器
射频衰减器是一种无源器件,其基本作用是降低射频信号的幅度,这一点与放大器恰好相反。图2.1所示是几种射频衰减器的基本工作原理图。
图2.1 射频衰减器的基本工作原理图
2.1.1 射频衰减器的主要指标和定义
衰减量
衰减量是最常用的术语,用于描述传输过程中从衰减器的一端到另一端的信号减小的量值,即S 21 参数,可用倍数或分贝数来表达:
式中,A为衰减量(dB);P out 为输出信号电平;P in 为输入信号电平。注意,P out 和P in 均采用同一单位的功率值(W,mW或µW)。
常见的衰减量为3 dB,6 dB,10 dB,15 dB,20 dB,30 dB和40 dB,在一些小功率衰减器(2 W以下)中,可以见到1 dB,2 dB,…,10 dB的衰减量;少数特大功率的衰减器有50 dB以上的衰减量;精密衰减器则可以做到小数点后一位的衰减量,如3.3 dB。
衰减量的频率响应
在25 ℃时,整个频率范围内衰减量的变化量(dB),也被称为衰减量的平坦度。
频率响应是衰减器的重要指标,如在放大器或发射机的谐波测量中,衰减器的频率响应指标将会影响到谐波测量的相对值误差。图2.2是一个典型的衰减器(50 W,4 GHz,20 dB,BXT P/N20A-504-44)频率响应曲线。
图2.2 射频衰减器的典型频率响应曲线
衰减量的偏差
在25 ℃,输入功率10 mW时测得的插入损耗和标称值的偏差。
VSWR
VSWR即S 11 /S 22 参数,等于特性阻抗与衰减器的输入/输出阻抗的比值。对于微波/射频路由器件,如电缆和转接器,其输入阻抗和输出阻抗几乎相等,而衰减器则不同,这是由于其存在衰减特性的缘故。衰减器的这种特性可被用于射频系统中的阻抗匹配,详见第2.1.4节中衰减器的应用描述。衰减器有较好的VSWR表现,其典型值小于1.1。图2.3是一个衰减器的典型VSWR指标。
图2.3 射频衰减器的典型VSWR
平均功率容量
即在衰减器输出端接特性阻抗,环境温度为25 ℃时可长期加到衰减器输入端的最大平均功率。当工作温度升至125 ℃时,允许的输入功率降到额定功率的10%(见图2.4),衰减器的其他指标不应该发生变化。需要注意的是,输入到衰减器中的绝大部分射频能量均被转换成热能并通过散热片消耗掉,所以衰减器在工作时具有较高的表面工作温度。
图2.4 功率容量和环境温度的关系
最大峰值功率
最大峰值功率的定义和最大平均功率类似,但所加功率的脉冲宽度和峰值功率的关系通常由制造商自行定义。
功率系数
当输入功率从10 mW变化到额定功率时,衰减量的变化系数,表示为dB/(dB·W)。衰减量的变化值的具体计算方式是将功率系数乘以总衰减量(dB)和功率(W)。例如,一个功率容量为50 W、标称衰减量为40 dB的衰减器的功率系数为0.001dB/(dB·W),意味着输入功率从10 mW加到50 W时,其衰减量会变化0.001×40×50=2(dB)之多!
在测试和测量中,这项指标将直接影响到最终的精度,尤其是大功率测量时。如用上述衰减器来测量蜂窝基站的输出功率,当被测功率为20 W(43 dBm)时,衰减器的衰减量变化了0.001×40×20=0.8(dB),这意味着最终测试结果可能是43 dBm±0.8 dBm,仅衰减器误差就高达-17%和+20%,这还未计算失配误差和功率计误差。尽管如此,这项指标却被大多数衰减器生产厂家和使用者所忽视,只有少数厂家在其产品手册中提到了功率系数指标。在2.1.3节将详细讨论衰减器的大功率特性。
温度系数
温度系数是指在最大工作温度范围内插入损耗的最大变化,用dB/(dB·℃)表示,其典型值为0.000 4 dB/(dB·℃)。例如,在25~125 ℃范围内,一个标称值为30 dB的衰减器的衰减量变化为0.0004×30×100=1.2(dB)。
工作温度极限
工作温度极限是衰减器工作在最大输入功率时的最高温度(℃)。
连接器的寿命
连接器的寿命是指正常连接/断开的次数。在规定的连接器寿命内,衰减器的所有电气和机械指标应该满足产品手册中规定的要求。
无源互调失真
无源互调失真是由于器件中的非线性因素而产生的。尤其需要关注的是三阶互调失真,因为三阶互调产物最大而且会干扰系统的正常工作,距离载频很近的三阶互调很难被滤除。三阶互调电平的测试方法是将两个等幅的纯净信号(f 1 和f 2 )注入到被测衰减器中,三阶互调将以传输互调的形式出现在输出端;并以反射互调的形式出现在输入端,三阶互调的频率为2f 1 - f 2 和2f 2 - f 1 。三阶互调产物由相对于f 1 或f 2 的大小来定义,用-dBc来表示。
无源互调是近年来才被认识并重视的指标,而定义集总参数衰减器无源互调指标的厂家则更少。笔者对集总参数衰减器的无源互调特性进行了试验(见图2.5),结果发现采取了低互调设计的集总参数衰减器的典型指标可达到-120 dBc(@2 × 43 dBm),而未采取低互调设计的同类产品要相差30 dB以上,二者有较大的差异。
图2.5 集总参数衰减器的无源互调特性
2.1.2 衰减器的分类
固定衰减器
固定衰减器分为片状、同轴和波导衰减器,又称为集总(Lumped)参数衰减器(其尺寸小于工作波长的1/10)。1952年,Weinschel Engineering Co.(现Aeroflex-Weinschel)首次设计并制造了商用的固定同轴衰减器 [1] 。在测试和测量中,同轴集总参数衰减器是应用最为广泛的射频器件之一。有两项指标是测试工程师们必须考虑的,即工作频率范围和功率容量。常见的商用固定同轴衰减器的功率从0.5 W开始,最大可到4 kW,而最高频率则可以做到67 GHz。固定衰减器的冷却方式分为自然冷却、油冷和强制风冷三种。图2.6是一些常用固定衰减器的外形。
图2.6 常用固定衰减器的外形
在国内,常用的移动通信频段(至4 GHz)的衰减器已经非常成熟,完全可以替代进口的同类产品。但是国内的生产企业基本上都处于低价竞争的状态,很少有精力和实力来研发更高频率和更大功率的产品。看似简单而且低价值的衰减器,却需要昂贵的验证和测试手段,比如要验证一个衰减器的功率容量,要有相应功率和频率的射频放大器,国内很多生产企业都采用直流替代法,但这种方法显然存在不合理性,因为射频和微波信号的传输遵循“趋肤效应”;要验证衰减器的“功率系数”指标,需要一套带有自动数据记录功能的,解析度为0.01 dB的精密大功率测量系统;要生产低互调衰减器,则需具备无源互调测量手段。
手动可调衰减器
手动可调衰减器可分为连续可调衰减器和步进衰减器两种。
按照设计方法,连续可调衰减器可分为活塞、薄膜电阻、三通和电阻中心导体型式。图2.7所示为薄膜电阻型连续可调衰减器的原理图和结构图,这种衰减器类似于滑动电位器。其工作频率可以做到4 GHz,衰减量可以超过100 dB,通过一个刻度盘来读取衰减值,通过功率可达5 W。
图2.7 连续可调衰减器的原理图和结构图
与连续可调衰减器不同,步进衰减器的衰减量以额定值进行变化,常见的步进量为0.1 dB,0.5 dB,1 dB和10 dB四种。因为可以精确的定位衰减量,所以在测试和测量中,步进衰减器更为常用。步进衰减器可分为串联结构和星形结构,见图2.8和图2.9。
图2.8 串联式步进衰减器的原理图和外形图
在串联式步进衰减器中,各衰减器的衰减值遵循二次幂规律,通过开关可以选取信号的通路是通过衰减器还是直通,所以这种衰减器又被称为可开关的衰减器。图2.8(a)所示的电路是一个最大衰减量为31 dB、步进量为1 dB的步进衰减器(图中衰减量为26 dB)。这种衰减器的串联级数不宜过多,因为开关插入损耗的积累误差会逐渐增加,从而导致总衰减量误差的增加。此外,这种衰减器常用于1 GHz以下的频段,更高频率时,需要采用昂贵的微波开关而增加成本。在目前的商用市场上,除了少数领域(如广播电视)以外,这种衰减器已逐渐被淘汰。
目前大量应用的是一种旋钮式步进衰减器,其内部呈星形结构,见图2.9(a)。这种衰减器中有一个旋钮开关来控制输入通路,而输出端则并联了不同的衰减器。从传输线原理看,这些衰减器必须是集总参数器件,否则输出端的阻抗很难保证50Ω。旋钮式衰减器的最高工作频率可以做到40 GHz,最大功率通常为2 W。从外部结构看,旋钮式步进衰减器有单旋钮和双旋钮两种。单旋钮只有一种步进量,如:0.1 dB,0.2 dB,…,1.0 dB;1 dB,2 dB,…,10 dB;10 dB,20 dB,…,100 dB等。双旋钮结合了两种步进量以扩大应用范围。实验室应用时,也常将两个或多个单旋钮的衰减器组成桌面型的步进衰减器,不仅使用起来更加灵活,而且可以扩展新的功能,如在前级增加大功率衰减器。
图2.9 旋钮式步进衰减器
大功率步进衰减器
前述的步进衰减器都是小功率容量的,这是为什么呢?除了体积的限制以外,笔者认为还有一个更重要的原因,就是当步进衰减器在切换衰减量时是呈开路状态的。假如这样的大功率衰减器作为被测发射机的负载,在衰减器切换过程中,有可能导致末级放大器的烧毁或者发射机的失配保护,从而使得测试无法进行下去,所以即使存在这样的大功率步进衰减器,也没有实用意义。真正的大功率步进衰减器,可以通过图2.10这样的射频系统来实现。
图2.10 大功率步进衰减器工作原理
在图2.10中,通过开关S 1 至S 5 的不同切换组合,将以1 dB的步进量产生0~31 dB的衰减。注意系统中采用了大功率的微波“热”开关(S 6 )。所谓“热”开关,意味着在切换过程中允许大功率存在于开关的输入端,也就是说从被测放大器或发射机的输出端向开关输入端看去始终呈现一个阻抗,而不会是无穷大。当需要进行衰减量切换时,开关S 6 首先动作,将大功率输入信号切换到100 W负载上,然后开关S 1 到S 5 可以进行切换,获得需要的衰减量后,S 6 再切换到衰减通路上,这样就实现了大功率步进衰减。
由于目前市面上很少有商用的微波“热”开关出售,在图2.10的系统中也可以不用“热”开关,但在切换衰减量时必须先切断被测放大器的射频输出,待S 1 至S 5 完成切换后再开启被测放大器的射频输出。当然,在自动化测量系统中,这些步骤可以由软件控制完成。
可编程衰减器
可编程衰减器的电路结构与图2.8(a)所示的串联式步进衰减器类似,只是将手动开关改为了并口控制。图2.11是一个典型的可编程衰减器的原理图,其中包括了5个衰减器,可以实现从0~15.5 dB的可调范围,步进量为0.5 dB。衰减量的控制不是依靠手动开关,而是靠内部的逻辑控制电路来实现。通常,这种电路有着较大的插入损耗和较小的功率容量。
图2.11 可编程衰减器工作原理
低互调衰减器
在这里,低互调衰减器有两种定义,一种是厂家自定义的集总参数的低互调衰减器,这类衰减器在两个20 W的连续波作用下所产生的反射互调为-100 dBc,传输互调为-110 dBc。这类“低互调衰减器”用来测量射频放大器的互调指标是够了,但是要测量无源器件的互调产物,这种衰减器是远远不够的,严格来说,采用低互调设计的集总参数衰减器是不能被称为低互调衰减器的。
随着移动通信的发展,这种集总衰减器已经不能满足某些特定条件的低互调性能测量,应运而生的是经过特别设计的,无源互调指标可达-163 dBc(@2×43 dBm)的专用低互调衰减器(见图2.12)。
图2.12 专用低互调衰减器
专用的低互调衰减器通常由低互调电缆绕制而成,电缆的频响特性决定了这类专用低互调衰减器的频响特性曲线不如集总参数衰减器那样平坦。在实际应用中,可以对某个特定频段的损耗进行校准并补偿。也可以巧妙利用低互调电缆和定向耦合器的特性组成具有平坦频率响应特性曲线的低互调衰减器。
2.1.3 进一步讨论射频衰减器的功率系数
在射频衰减器的各项指标中,功率系数是一项评估衰减器在大功率状态下衰减精度的重要指标,但这项指标却被大多数的制造商和使用者所忽视。只有少数制造商在其部分衰减器产品中标注了这项指标。
衰减器的功率系数定义如下:当输入功率从10 mW变化到额定功率时衰减量的变化系数,表示为dB/(dB·W)。衰减量的变化值的具体计算方式是将功率系数乘以总衰减量(dB)和功率(W)。
以一个50 W衰减器为例,如果其功率系数指标为0.000 3 dB/(dB/W),那么一个30 dB的衰减器从初始状态到50 W满负荷工作并到达平衡时,衰减量会变化0.000 3×30×50=0.45(dB)。
功率系数的意义和应用
在测试和测量中,了解衰减器的功率系数有什么意义呢?让我们用图2.13的案例来说明在测试和测量中如何应用衰减器的功率系数指标。
图2.13是一个简单而十分常见的放大器或发射机功率测量系统,其中衰减器被用于降低被测信号的电平以适应终端式功率计的测试范围。假设被测功率为50 W,衰减器的衰减量为40 dB,其功率系数为0.000 3 dB/(dB·W),终端式功率计的测试范围是-30~+20 dBm。
图2.13 衰减器的典型应用
系统的测试误差来自四个方面:
(1)所有连接端口的失配误差;
(2)衰减器的标称衰减量偏差;
(3)衰减器的衰减量随功率的变化,即功率系数所起到的作用;
(4)功率计的误差。
上述误差中,失配误差不能被修正,所以要选择VSWR低的测试器件,包括电缆和衰减器,通常要选择VSWR小于1.1的器件并不困难;衰减器和测试电缆的标称衰减量偏差可以通过网络分析仪来精确测量,如40.5 dB,并将这个数值输入到功率计的偏置值中,也就是说这个偏差可以被修正;功率计的误差不可修正,但是终端式功率计的精度很高,可以做到1%~3%。
最后一个不能修正的误差就是衰减器的衰减量随功率的变化,通过功率系数指标可以计算出衰减量的变化为0.000 3×40×50=0.6(dB),换算成功率的测试误差高达-12.7%/+15.1%。
从这个例子中,我们发现在所有的测试误差中,最大的误差来自衰减器的衰减量不稳定性,也就是功率系数的作用所产生的影响。这个误差可以预见,但是不可修正,最终的结果显然差强人意。
接下来的问题是,就像用网络分析仪精确测量常温小信号条件下衰减器的实际衰减量那样,衰减器的功率系数可以被精确测量出来吗?如果可以的话,那么上述由于功率的变化所产生的误差就可以被进一步缩小。
功率系数的测量
根据衰减器功率系数的定义,笔者设计了一个测试电路,见图2.14。其测试原理是:以1 W的步进量逐步增加放大器的输出,一直到衰减器的额定功率为止,计算机同时记录两个检波器的读数,之所以采用两个检波器,是为了抵消放大器的输出幅度波动。而为了进一步提高测试精度,在测试前,首先对系统进行了校准(图中的校准电缆),并得到两个检波器的偏差值。最终的测试结果是输出检波器的读数减去输入检波器的读数,再扣除校准电缆的修正值。
图2.14 衰减器的功率系数测量
要得到精确的测量结果,必须注意输入和输出检波器的测试解析度必须是0.01 dB,否则无法评估衰减器的功率系数。在实际的测试系统中,采用了以下设备:
(1)820~960 MHz、100 W功率放大器(BXT P/N PA082096-49);
(2)820~2200 MHz、200 W大功率测量系统(BXT P/N PM2000A53)。
被测衰减器分别是BXT的30A-5011-44(50 W,30 dB),某进口品牌的47-20-33(50 W,20 dB)和BXT的15A-504-34(50 W,15 dB),最终测试结果如图2.15所示,分析结果列于表2.1中,可以发现三个不同衰减量的被测衰减器的实测功率系数惊人地相似!
图2.15 衰减器的功率系数测试结果
表2.1 功率系数的测试结果分析
结论
(1)任何场合,当用衰减器进行大功率精密测量时,需要考虑功率系数指标。
(2)精确测量衰减器的功率系数可以修正大功率测量的误差。在图2.13的例子中,如果实测衰减器的功率系数为0.000 21 dB/(dB·W),则由功率系数所导致的测量不确定度修正为0.42 dB,最终测试误差修正为-9%/+10.4%。
(3)尽量采用通过式功率计而不是终端式功率计加衰减器的方法来测试发射机的功率。如果必须用终端式功率计,建议用定向耦合器来降低信号电平,或者采用更大功率容量的衰减器。
2.1.4 衰减器的应用
衰减器的典型应用有以下三大类:
(1)降低信号或功率电平;
(2)改善源和负载之间的阻抗匹配;
(3)用替代法测量增益或损耗。
改善信号发生器或频谱分析仪的失配损耗
如果负载和信号发生器之间的阻抗不匹配,就会产生失配误差。在任何射频和微波系统中,最大功率传输的条件是阻抗匹配。但实际上,无论是信号发生器还是负载,连接电缆或是其他器件都存在失配的问题。
利用衰减器的匹配特性,可以在很大程度上改善系统的失配。图2.16是一个10 dB衰减器的匹配特性测试结果,当一个10 dB的衰减器在输出端接匹配负载时,输入端的VSWR均小于1.05;而当输出端开路即VSWR为无穷大时,输入端的VSWR仍有较好的表现(典型值为1.3)。这种现象可以用回波损耗的概念来解释:在图2.16(b)中,当信号从输入端经过衰减器到输出端时,被损耗了10 dB,由于输出端开路,信号被全部反射回来并经过衰减器回到输入端,又被损耗了10 dB,这样一来一回就产生了20 dB的回波损耗。
图2.16 衰减器的匹配特性
衰减器的这种特性可以被巧妙地用于某些测试和测量场合,如改善信号发生器或频谱分析仪的匹配。举例说明,假设一个信号发生器的VSWR是1.9,被测器件(DUT)的VSWR是1.6,它们按照常规的方式连接(见图2.17)。
图2.17 信号发生器与DUT直接连接
通过反射系数可以计算失配损耗:
源反射系数:
DUT反射系数:
系统失配损耗:
图2.18是解决这个失配问题的一种方法。即在信号发生器和DUT之间串入一个10 dB的固定衰减器。可以将信号发生器的输出电平提高10 dB,以补偿外加的衰减。这种方法可以得到很低的系统反射系数。
图2.18 用衰减器改善信号发生器与DUT的匹配
假设图2.18中的其他条件和图2.17一样,只是外加了一个反射系数为 0.31的衰减器,则系统失配损耗变成:
失配损耗存在于任何的射频测量系统中,它将直接造成测量误差。我们将上述的计算结果换算成匹配效率,可以更直观的表达失配误差(见表2.2)。
表2.2 失配损耗和匹配效率的换算
由此可见,衰减器对于减小射频测试和测量中的失配误差有着显著的作用。在下一个应用案例中要讨论的是如何利用衰减器来提高网络分析仪的插入损耗测试精度。
改善网络分析仪的插入损耗测量精度
在用网络分析仪测量无源器件(尤其是低损耗的器件如电缆组件,空气线等)的插入损耗时,在通路上插入固定衰减器可以提高测量精度。
如图2.19所示,在测试通路中插入两个6 dB(或10 dB)衰减器,在通路校准时,将这两个衰减器作为测试电缆的一部分进行校准,使测试通路的插入损耗归一化到0 dB,然后接入DUT进行测试。从图2.20的测试结果可以发现,当不加衰减器时(见图2.20(a)),DUT的插入损耗曲线存在波动;而加入衰减器后(见图2.20(b)),曲线变得平滑了。这是因为由于衰减器的存在,改善了测试通路的失配损耗。
图2.19 用衰减器提高网络分析仪的插入损耗测试精度
图2.20 用衰减器改善网络分析仪的插入损耗测试精度
用于上述用途的衰减器,并不需要十分平坦的衰减量频率响应,因为在通路校准时,这些频响误差都被校准了,但衰减器的VSWR则越低越好。
衰减器在大功率测试中的应用
在大功率测试和测量中,将大功率信号电平降低到频谱分析仪或者终端式功率计适应的电平,这可能是集总参数射频衰减器最为广泛的应用了,如配合终端式功率计测量功率放大器或发射机的输出功率(参见图2.13),或测量直放站的互调特性(见图2.21)。
在集总参数衰减器的大功率应用中,建议注意下列问题:
(1)不推荐采用衰减器加终端式功率计的方式来测量放大器或发射机的功率,如果必须这样,应充分考虑衰减器的功率系数,以正确评估由此而带来的测量误差。
图2.21 用衰减器测量直放站的互调特性
(2)用衰减器可以准确测量放大器或发射机的谐波相对值,但是在测量互调时,必须慎重审视衰减器自身的无源互调指标,从测试原理上讲,衰减器的自身无源互调指标必须比被测放大器或发射机的要求指标高10 dB以上。
(3)大部分的射频能量通过衰减器后,都被衰减器转换为热能并消耗到环境中,因此衰减器是个发热器件,其表面温度会高达几十甚至一百摄氏度,在使用中应充分注意。有条件时,可选择比被测放大器或发射机的功率容量更大的衰减器,或者采用强制风冷的手段来降低衰减器的表面温度。
图2.22是一个大功率测试应用的衰减器组件的案例。其中,A是固定大功率衰减器(如18 GHz,50 W,20 dB),而开关控制的衰减器A1~A6可以任意选择(如3 dB,6 dB,10 dB,20 dB,30 dB,40 dB)。经过这样的组合,可以生成6种不同衰减量的大功率衰减器。
图2.22 开关预选的大功率衰减器组件
这种设计充分利用了衰减器的各种属性,产生了诸多优点:
(1)在测试和开关过程中,不需要切断被测放大器或发射机的电源和射频输出,这相当于实现了“热”切换。同时,通过微波开关切换衰减量,具有很好的可重复性(约0.05 dB),这些都保证了测试精度。
(2)可以对输入的大功率衰减器A进行强制风冷,保证其表面温度的稳定。实验结果(见图2.23)表明,当没有冷却风扇时,衰减器A的表面温度在约20分钟内缓慢升高至约90 ℃;而当开启冷却风扇时,衰减器的表面温度在10分钟内升至54 ℃并稳定下来。同时,有无冷却时,衰减器也会产生约0.15 dB的偏差。
图2.23 有无冷却风扇时衰减器参数的变化
(3)测试者不会接触到高温器件A。
(4)是一种高效率的组合。测试者可以获得6种不同衰减量的大功率衰减器,相对降低了测试成本。可以发现,在这种电路结构下,功率越大,频率越高,则相对成本越低。
通过上述案例,笔者希望说明的是,如果你充分了解了衰减器的各种属性,就可以设计出各种实用的测试系统。