微波電阻對射頻系統的穩定性分析

張 誠，孫列鵬，楊化路，程宇峰，肖 薇

（1.北廣科技股份有限公司，北京101312；2北京航空航天大學，北京100082）

0 引 言

微波電阻在射頻系統中起著十分重要的角色，可充當分配器、合成器的匹配電阻和射頻放大器鏈路中環行器的吸收負載角色，還可以用于開關的負載。隨著系統功率等級的加大，微波電阻是保證射頻系統正常運行的第一保障。當系統反射功率超出正常值時，微波電阻會吸收反射功率，以損壞的形式換取系統調整功率時間。換句話說，微波電阻良劣直接決定著射頻系統的穩定性。

1 原理介紹

在射頻系統中，射頻功率放大器是射頻系統最重要的組成部分，組成電路如圖1所示。

圖1 組成電路

1.1 環行器工作原理

環行器輸入端連接功率放大器，輸出端連接承受負載，隔離端連接吸收負載。環行器能夠在負載阻抗變化甚至開路或短路的情況下，不影響功率放大器的工作狀態。電流無變化，保證了整機產品安全。

在實際使用過程中，微波電阻功率一般按極端情況——高頻電路進行全反射情況進行計算與實驗。

對Z軸任意位置的行進電流與電壓波用公式表示為[1]：

行進波在工作過程中會通過環行器。當環行器輸出端處于短路或者開路時，反射系數會變為1，放大器的輸出功率全反射給微波電阻。短路時，電壓、電流為：

1.2 開路時電壓電流

當開路時，電壓、電流為：

當開路與短路時，傳輸線路的功率為：

求式（7）的最大值為：

所以，圖1中，對于環行器的吸收負載，考慮功率容限的情況，一般微波電阻廠家功率參數為平均值或者有效值。因此，選擇微波電阻時，需考慮峰值功率，而恰恰就是峰值功率出現的瞬間將損壞微波電阻，致使射頻系統癱瘓。

2 實 驗

2.1 測試相關設備

2.1.1 微波電阻

微波電阻是電阻的一種，能夠在微波頻率下保持固定阻值。在射頻電路中，一般是吸收負載，有時為電路匹配，可充當分配器、合成器的匹配電阻。

2.1.2 散熱設備

為保證微波電阻的工作溫度，將微波電阻固定在鋁制散熱架上，用水冷散熱方式對散熱架進行散熱。水冷機利用循環水，將散熱架的熱量帶走。

2.1.3 功率源

可輸出連續單頻信號的設備稱為功率源，一般等級都在千瓦以上?？烧{功率等級為測試微波電阻的可靠性，選用40 kW的162.5 MHz功率源。

2.2 測試平臺

162.5 MHz功率源輸出信號經過環行器，在環行器匹配端連接微波電阻，水冷機利用循環水將微波電阻熱量散去，如圖2所示。

圖2 測試平臺

2.3 測試微波電阻的匹配性能

用網絡分析儀測試微波電阻的性能，選取一款微波電阻，在工作范圍內測試微波電阻的射頻性能，測試數據如圖3、圖4所示。

圖3 史密斯圖測試

圖4 回波損耗

從圖3、圖4測試數據分析，在30 kHz～300 MHz內，微波電阻匹配性能良好。因為選用162.5 MHz功率源作為激勵源[2]。所以，選擇162.5 MHz為重點測試頻率。

2.4 匹配狀態測試

分別用不同等級功率進行測試。將功率源功率步進增長，分別計錄相關參數。同時，觀察微波電阻的外觀情況，以微波電阻殼體實際溫度與電阻規格書推薦溫度進行比較。當超過廠家推薦溫度240°時，認為微波電阻損壞。微波電阻測量溫度與功率變化關系，如圖5所示。

圖5 微波電阻溫度變化關系

2.5 開路狀態測試

將可調功率等級的功率源作為射頻源，信號通過環行器進行開路狀態，微波電阻連接環行器的匹配端。為保證微波電阻工作溫度，將微波電阻固定在鋁制散熱架上，水冷散熱方式對散熱架進行散熱。調整功率源與微波電阻間長度為0.23 m（2倍1/16的波長）)，進行上述測試。開路狀態微波電阻測量溫度與功率變化關系，如圖6所示。

圖6 開路狀態時殼體溫度變化關系

3 結 論

從數據來分析，可以得出以下結論：

（1）開路狀態時，信號線連接長度的變化會影響輸出功率變化，當距離開路為1/16波長時，信號功率會產生疊加作用，疊加功率會損壞微波電阻；

（2）功率沒有2倍關系，主要原因是環行器會有隔離度，反射功率會泄露；

（3）工程設計中，因為存在環行器開路與短路的風險因素，為了保證射頻系統與人身安全，需要將相關微波電阻耐功率值提高到工作功率的2倍以上。