用功率計測量插入損耗

時間：2017-12-12 11:31:15

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[導(dǎo)讀]本文解釋了產(chǎn)生誤差的原因，并描述了一種在工程中極為實用的雙功率計測試法，用這種方法所得的測試結(jié)果與在實驗室用網(wǎng)絡(luò)分析儀所得的結(jié)果幾乎一致。

1、摘要

通帶插入損耗是無源射頻器件(如濾波器，發(fā)射合路器，電纜)的重要指標(biāo)。而用常見的單臺功率計輸入輸出測試法卻不能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。本文解釋了產(chǎn)生誤差的原因，并描述了一種在工程中極為實用的雙功率計測試法，用這種方法所得的測試結(jié)果與在實驗室用網(wǎng)絡(luò)分析儀所得的結(jié)果幾乎一致。

另外，本文還強調(diào)了測試電纜和接頭對測試精度的重要作用，而這些問題在工程中是往往容易被忽略的。

2、引言

通帶插入損耗是無源射頻器件的主要指標(biāo)。典型的插入損耗值相對較小，因此用普通的測量方法很難達(dá)到實驗室的測試精度。在實驗室和工廠，通常采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量插入損耗。用常見的無線電發(fā)射機作為信號源和射頻功率計如BIRD43 或同類的儀器很難精確地測量出大功率狀態(tài)下的插入損耗值。實際上，在大功率狀態(tài)下不能直接測量插入損耗，插入損耗值必須通過被測器件(以下簡稱DUT)的輸出輸入射頻功率比進(jìn)行計算而得，公式如下：

IL(dB)=10 lg (Po / Pi )

其中Pi 和Po 分別為DUT 的輸入和輸出射頻功率。

3、單臺功率計測試法

通常用一臺功率計來測量器件的輸入輸出功率不可能有足夠的精度來校驗插入損耗的出廠指標(biāo)，產(chǎn)生誤差的原因有很多。

圖1描述了一種功率測量的常見方法。DUT 在工作頻率上的插入損耗的插入損耗指標(biāo)是-1.5dB。功率計采用帶50W 探頭的BIRD43 型，發(fā)射機則采用30W 移動收發(fā)信機，用于連接設(shè)備的是任意長度的同軸電纜。

在圖1A 中，發(fā)射機通過功率計和測試電纜1,2 連接到DUT。當(dāng)發(fā)射機打開時，功率計指示32.3W 的正向功率,記為Pi=32.3W。在圖1B 中，發(fā)射機通過電纜1 與DUT 連接，而此時DUT 的輸出則通過電纜3，功率計和電纜2 與負(fù)載連接。此時功率計指示20W 的正向功率。記為P o=20.0W。

經(jīng)過上述的測量，可將插入損耗計算如下：

IL(dB)=10 lg (20/32.3)= - 2.1dB

顯然這個結(jié)果與出廠指標(biāo)不符，是指標(biāo)錯了嗎?在下任何結(jié)論之前，讓我們來看看單功率計測量法所固有的可能產(chǎn)生誤差的原因。

3.1、產(chǎn)生測量誤差的原因

3.1.1、發(fā)射機負(fù)載阻抗的變化

在圖1A 和1B 中，不同長度的電纜被用于連接DUT 和發(fā)射機。如果DUT 的輸入阻抗不是純阻并且不等于50 歐，則如改變DUT 和發(fā)射機之間的電纜長度，也會引起呈現(xiàn)在發(fā)射機的負(fù)載阻抗的幅度和相位的改變。因此，當(dāng)從DUT 的輸入輸出端移動功率計和電纜而引起阻抗變化時，發(fā)射機的輸出功率也將隨之而變化。

3.1.2、功率計的位置

在端接失配或電抗性負(fù)載的傳輸線上存在著駐波。由于負(fù)載駐波的存在，在不同的點上，用功率計進(jìn)行的功率測量所得的結(jié)果也不同。

3.1.3、電纜及固有插入損耗

在計算插入損耗時，必須考慮到會影響功率測量的內(nèi)部連接電纜的損耗。在上述測量中，出廠指標(biāo)和現(xiàn)場測試的誤差為0.6dB。如果測試發(fā)射機不穩(wěn)定，誤差將會更大。

3.1.4、發(fā)射機的不穩(wěn)定性

如果負(fù)載阻抗不是50 歐純阻，可能引起某些發(fā)射機的功率放大器的不穩(wěn)定。尤其是諧振器件(如腔體濾波器)，會在截止響應(yīng)頻率上產(chǎn)生一個很大的電抗。這可能會引起參量振蕩，從而在DUT 的通帶以外產(chǎn)生很大的輸出功率。如果發(fā)射機產(chǎn)生振蕩，則功率計所測得的發(fā)射機輸出功率將會包括雜散功率。如果大部分雜散功率被DUT 衰減掉，則結(jié)果將會產(chǎn)生一個“假的插入損耗”。根據(jù)雜散載波功率比和DUT 的響應(yīng)，甚至可能會產(chǎn)生更大的插入損耗測量誤差。

在圖1C 中，發(fā)射機通過一條更短的、不規(guī)則長度的電纜與DUT(濾波器)連接，于是，產(chǎn)生了振蕩，DUT(濾波器)輸出端上功率計和正向功率讀數(shù)僅為15.5W，因為大約有4.5W 的雜散功率沒有通過DUT(濾波器)。此時可求得插入損耗為：

IL =10Lg(15.5/32.5)=-3.2dB

這個結(jié)果當(dāng)然是完全錯誤的。

4、推薦的測試方法

我們推薦一種雙功率計測量法，這種方法將會避免上述的大部分問題。首先用圖2A 的測試步驟獲得用于校正測試設(shè)備的插入損耗和功率計的相對校正誤差的功率計讀數(shù)。而圖2B的步驟則用于測量輸入和輸出功率。

電纜1 被切割成一定的長度，從而保證從發(fā)射機的輸出到功率計的輸出之間的總傳輸線長度為測試頻率的半波長的整數(shù)倍。這樣可以保證由發(fā)射機看去的負(fù)載阻抗與連接在功率計1 上的DUT 的阻抗相等。在功率計的操作手冊上，通常包括了對于不同的頻率范圍所需的測試電纜的最佳長度。

在圖2B 中，功率計1 和2 用一條很短的電纜或N(M)-N(M)轉(zhuǎn)接器與DUT 的輸入和輸出連接，也可用90 度彎角的N(M)-N(F)轉(zhuǎn)接器以便于功率計與DUT 之間的連接。在圖2A中，功率計之間的連接與圖2B 相同，只是中間附加了一個N(F)-N(F)轉(zhuǎn)接器代替DUT。

在圖1 和2 中，50 歐負(fù)載電阻應(yīng)通過一條短同軸電纜或N(M)-N(M)轉(zhuǎn)接器與功率計2的輸出連接。如果負(fù)載的回波損耗為-30dB(駐波比小于1.06)或更好，則功率計與負(fù)載電阻之間的傳輸線的長度不需要特別要求。

測試步驟如下：

1). 如圖2A 所示，將功率計1 和功率計2 直接相連，打開發(fā)射機并記下正向功率讀數(shù)P1 和P2。

2). 關(guān)閉發(fā)射機，并在功率計1 和2 之間接入DUT，如圖2B 所示。

3). 再打開發(fā)射機并記下正向功率讀數(shù)P3 和P4。

4). 插入損耗計算如下：

IL(dB)=10lg(P1×P4 / P2×P3)

在前述例子中，所獲得的腔體濾波器的測量結(jié)果如下：

P1=28.7W P3=28.0W

P2=24.0W P4=16.8W

所求得的插入損耗為：

Po / Pi =(28.7×16.8/24.0×28.0)=0.7175