一、為什么要對無源器件進行大功率實時測量?

如果你是個跑步愛好者，你一定希望在運動過程中實時監(jiān)測自己的心率，而不是在運動結(jié)束后再用秒表來測量心率，因為后者不具備實時性，不能真實反映運動狀態(tài)下的心率。智能手表的出現(xiàn)使得人們可以在運動過程中實時監(jiān)測自己的心率，讓我們更好地對自己的身體健康狀況進行科學(xué)管理。

微波無源器件的大功率性能測量也要具備實時性，如果將大功率加載到一個無源器件上持續(xù)一段時間（通常是達到熱平衡），然后再取下來用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其S參數(shù)，那么和心率例子一樣，也不具備實時性，不能真實反映這個器件的大功率性能。

微波無源器件的大功率實時測量這個話題很有意思，我們來分析一下上述大功率試驗方法可能出現(xiàn)的兩種情況：

大功率加載后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量DUT的S參數(shù)指標(biāo)不合格，這種結(jié)果意味著這個器件在大功率作用下失效了，并且不可恢復(fù)；

大功率加載后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量DUT的S參數(shù)指標(biāo)是合格的，但是你無法知道在大功率加載過程中究竟發(fā)生了什么？因此這種測量結(jié)果并不能對這個器件的大功率性能得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

我們從一個諧波濾波器來討論無源器件的功率容量與S參數(shù)之間的因果關(guān)系，其關(guān)鍵指標(biāo)如下：

通帶頻率范圍：118-137MHz

通帶駐波：小于1.5

通帶插入損耗：小于1dB

功率容量：50W CW

工作溫度范圍：-30~+60℃

存儲溫度范圍：-40~+70℃

先看與溫度相關(guān)的射頻指標(biāo)，可以理解為“在-30+60℃范圍內(nèi)，濾波器在118-137MHz頻率范圍內(nèi)的駐波應(yīng)小于1.5，插損應(yīng)小于1dB”，測試方法是將被測濾波器置入高低溫箱，連接好網(wǎng)絡(luò)分析儀，在改變溫度的條件下實時測量濾波器的射頻指標(biāo)，結(jié)果都應(yīng)滿足設(shè)計要求。對上述指標(biāo)的理解和測試方法符合正常的思維邏輯，應(yīng)該不會有人提出異議。如果有人說將濾波器置入高低溫箱進行溫度循環(huán)，拿出來后馬上接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上進行測試，至少可以說這種方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)，難以令人完全信服，在這里溫度和射頻指標(biāo)是在同一時刻的因果關(guān)系。進一步看存儲溫度范圍，如果將濾波器從-40+70℃的存儲環(huán)境中取出到實驗室用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試S參數(shù)，從因果關(guān)系看，這樣測試是正確的。

再來看與功率相關(guān)的射頻指標(biāo)，這個濾波器是用于民航通信設(shè)備中的發(fā)射機輸出諧波抑制，與工作溫度范圍一樣，應(yīng)理解為“在50W連續(xù)波的作用下，濾波器在118-137MHz頻率范圍內(nèi)的駐波應(yīng)小于1.5，插損應(yīng)小于1dB”，但到了測試環(huán)節(jié)，可能會讓很多人犯了難：“網(wǎng)絡(luò)分析儀沒這么大的功率！沒辦法測?！币灿腥藭f：“我們有功放，將濾波器在50W功率下加載一定時間，拿下來馬上在網(wǎng)絡(luò)分析儀上測試。”此時我們分別對照工作溫度范圍和存儲溫度范圍相對于S參數(shù)指標(biāo)的定義，在工作溫度范圍內(nèi)的S參數(shù)指標(biāo)應(yīng)該實時測量。同理，在功率加載下的S參數(shù)指標(biāo)也要實時測量。

在無源器件的大功率應(yīng)用中，上述情況具有普遍性，筆者遇到兩類情況，一是跟著最終用戶走，用戶沒提出要求就不測了。普遍現(xiàn)狀是，大多數(shù)廠家都沿用以往經(jīng)驗進行設(shè)計和生產(chǎn)，并未在大功率條件下進行實時測量，有條件時，會采用功率加載的方式，再切換到網(wǎng)絡(luò)分析儀進行小信號測量；另一類情況是通過仿真或者經(jīng)驗值來設(shè)計無源器件的功率容量，并且在樣品完成后進行大功率條件下的實時測量，本章中所要討論的是這種實時測量方法。

從應(yīng)用角度出發(fā)，當(dāng)一個無源器件用于接近其功率上限的場合時，設(shè)計者和使用者都會關(guān)注這個無源器件在大功率作用下的實時性能。因此可以說無源器件的大功率實時測量是一項應(yīng)用于功率上升過程尤其是到達邊際條件下的測試需求。

二、回顧S參數(shù)

無源器件在大功率作用下可能會產(chǎn)生發(fā)熱、飛弧、擊穿甚至燒毀等現(xiàn)象，要準(zhǔn)確表征無源器件的大功率性能，觀察其S參數(shù)在大功率作用下的實時變化量是一個普遍適用的方法。在討論無源器件的大功率實時測量方法之前，我們先來回顧一下S參數(shù)。

S參數(shù)即散射（Scattering）參數(shù)，其概念是在20世紀(jì)60年代提出并被業(yè)界所接受。如果我們?nèi)我馊∫粋€N端口的射頻網(wǎng)絡(luò)，而并不知道其中是一個什么樣的電路結(jié)構(gòu)，也就是一個“黑盒子”，將一個射頻信號輸入到一個端口時，會發(fā)生什么呢？不難想象，這個輸入到多端口網(wǎng)絡(luò)的射頻信號會出現(xiàn)三種情況：其中一部分信號會從輸入端被反射回來，一部分信號會出現(xiàn)在其他端口（這部分信號也有可能被放大），還有一部分信號在傳輸過程中通過熱輻射或電磁輻射的方式耗散掉了。

當(dāng)信號通過網(wǎng)絡(luò)后，其幅度和相位均發(fā)生了變化，用S參數(shù)可以精確描述上述多端口網(wǎng)絡(luò)中射頻能量的傳播和反射特性。S參數(shù)被定義為在給定頻率和系統(tǒng)阻抗的條件下，任何非理想多端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸和反射特性。

S參數(shù)描述了輸入到一個N端口的信號到其中每個端口的響應(yīng)。S參數(shù)下標(biāo)中的第一位數(shù)字代表響應(yīng)端，第二位數(shù)字代表激勵端。如S21表示端口2相對于端口1輸入信號的響應(yīng)；S11代表端口1相對于端口1的輸入信號的響應(yīng)。我們以圖1所示的通用二端口網(wǎng)絡(luò)為例來說明S參數(shù)的定義。其中輸入到網(wǎng)絡(luò)的信號標(biāo)注為a，離開網(wǎng)絡(luò)的信號標(biāo)注為b。

圖1 通用的雙端口S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)

在圖1中，如果將信號發(fā)生器接到端口1，端口2接匹配負(fù)載，則二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為a1，從網(wǎng)絡(luò)返回端口1的反射波為b1；通過網(wǎng)絡(luò)到端口2的信號為b2，從負(fù)載返回網(wǎng)絡(luò)的反射波為a2（對于匹配負(fù)載，這個反射波數(shù)值為零）。用這些電壓波定義的端口1的S參數(shù)為：

其中S11表示當(dāng)端口2接匹配負(fù)載時，端口1的電壓反射系數(shù)；S21表示當(dāng)端口2接匹配負(fù)載時，從端口1到端口2的傳輸系數(shù)，即增益或損耗。

在圖1中將信號發(fā)生器移到端口2，而端口1接匹配負(fù)載，則二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為a2，從網(wǎng)絡(luò)返回端口2的反射波為b2；通過網(wǎng)絡(luò)到端口1的信號為b1，從負(fù)載返回網(wǎng)絡(luò)的反射波為a1。用這些電壓波定義的端口2的S參數(shù)為：

其中S22表示當(dāng)端口1接匹配負(fù)載時，端口2的電壓反射系數(shù)；S12表示當(dāng)端口1接匹配負(fù)載時，從端口2到端口1的傳輸系數(shù)，即反向隔離或損耗。

二端口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣表示如下：

其中

如果要測量S11，我們會向端口1注入信號并測量端口1反射信號，在這種情況下，端口2是沒有信號輸入的，所以在式（2.1）中，a2 = 0。如果要測量S21，則向端口1注入信號，并測量出現(xiàn)在端口2的信號。同樣，測量S22時，會向端口2注入信號并測量端口2的反射信號，此時端口1沒有信號輸入，所以在式（2.3）中，a1 = 0。如果要測量S12，則向端口2注入信號，并測量出現(xiàn)在端口1的信號。

對于單端口網(wǎng)絡(luò)，S矩陣表示為：

三端口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣為：

準(zhǔn)確的S參數(shù)測量要依靠矢量或標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成，無源器件的大功率實時測量則參照了S參數(shù)的測量原理，重點關(guān)注的是DUT在大功率作用下S參數(shù)的變化量。