2.2 负载
负载是一种单端口无源器件,当功率输入到负载时,被传输线末端的一段有耗传输线吸收。负载必须是纯阻性的,不能存在电抗分量。负载通常也被称为匹配负载,因为不论传输线的特性阻抗如何,其功率大部分被负载吸收,而反射则很小。与二端口的衰减器相比,负载的分析要简单得多,它只有一个S参数——S 11 。图2.24是负载的原理图。
图2.24 负载的原理图
2.2.1 负载的主要指标和定义
VSWR
VSWR即S 11 参数,等于特性阻抗与负载的输入阻抗的比值。与衰减器相比,负载有着更好的VSWR表现。图2.25是一个负载的典型VSWR指标,其典型值小于1.06。
图2.25 负载的典型VSWR
平均功率容量
当环境温度为25 ℃时,可长期加到负载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2.26),负载的其他指标不应该发生变化。需要注意的是,输入到负载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,所以负载在工作时具有较高的表面工作温度。
图2.26 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厂家自行定义。
连接器的寿命
正常连接/断开的次数。在规定的连接器寿命内,负载所有的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
负载的互调仅指反射互调,集总参数负载的无源互调和集总参数衰减器接近(参见2.1.1节)。
2.2.2 负载的分类
匹配负载
除非特别说明,通常所说的负载均指匹配负载。匹配负载的功率可从0.5 W至80 kW或更大,从冷却方式,可以分为自然冷却、油冷、风冷和水冷。图2.27是一些常见匹配负载的外形。
图2.27 常见匹配负载的外形
中小功率负载常用自然冷却的方式,这种冷却方式不需要维护。数百瓦至数千瓦的负载常采用油冷的方式,在负载芯和散热片之间填充矿物油(如硅油)来加快导热速度。长期使用后,冷却油会减少和被氧化,从而降低冷却效果,因此油冷负载需要定期加油或更换冷却油。10 kW量级的负载常采用强制风冷方式。而数十千瓦的负载则需要采用水冷方式,水冷负载采用循环电离水进行冷却,维护较为麻烦。
失配负载
失配负载是相对于匹配负载而言的。失配负载是为特种场合应用而设计的,如放大器的输出VSWR保护电平设置等。失配负载的VSWR并不是按照1来设计的,而是根据要求来设计,如1.5,2.0,3.0和5.0等。
低互调负载
和衰减器一样,集总参数负载的无源互调特性不会有太好的表现。真正的低互调负载也需要经过特别设计(可以参见2.1.2节中低互调衰减器的描述),在无源互调测试的场合,任何被测器件的任何空闲端口必须接上低互调负载。
2.2.3 负载的应用
作为实验室标准
作为网络分析仪的校准器件,实验室应用的精密负载的VSWR可低至1.01以下。
用于被测器件的任何空闲端口
在射频测试和测量中,被测器件的任何空闲端口都必须接上负载。图2.28是一个无源互调测量系统,被测器件是二路功率分配器,其中的一个端口接上了低互调负载,否则测试将无法进行。同样,在S参数测量时,所有空闲端口也必须接上匹配负载。
图2.28 负载在测试中的应用
调试定向耦合器的方向性
在定向耦合器的方向性调试中(见图2.29),耦合端的匹配负载的VSWR必须非常小,这样才能保证方向性指标。这种应用也同样适用于Wilkinson耦合器(即功率分配/合成器)的隔离度调试。
图2.29 调试定向耦合器的方向性
大功率放大器或发射机的测量
在大功率放大器或者发射机的测量中(见图2.30),负载被用来代替天线将载频功率全部吸收。
图2.30 大功率负载用于发射机测量