模拟射频测试和测量的真实环境怎么做?
FindRF 2022-11-29

概述

本文试图阐述这样一个观点——射频测试和测量应遵循“你怎么用,我怎么测”的原则。

测试和测量的原则大致是相通的。比如说要测量一个潜水员在水下10米的心律,那么这项测试就应该在水下10米处完成,这种条件下获得的测试结果是真实可信的;除此以外的其他测试方法,即使是等这个潜水员上岸后马上测,所获得的结果也是与真实数据有偏差的,原因很简单——测试条件变了。

射频测试和测量也是如此,类似的案例比比皆是。比如一个滤波器的VSWR要求小于1.5,插入损耗要求小于1dB,同时要求工作温度范围是-30~+60ºC。上述条件下测试者除了在常温下采用矢量网络分析仪测试VSWR和插入损耗,还会将被测滤波器置于高低温箱内进行同样的测试。合格与否的判定条件是在规定的温度范围内电性能指标都满足要求。

上述滤波器的测试案例是再平常不过的,但仔细审视这个滤波器的指标,我们发现还有一些需要有进步探讨的话题。

我们的习惯思维

我们列出上述案例中滤波器的主要指标如下:

1.  工作频率范围:118-137MHz;
2.  VSWR:不大于1.5;
3.  带内插入损耗:不大于1dB;
4.  功率容量:50W(CW);
5.  工作温度范围:-30~+60ºC

换一种方式来描述上述五项指标:在118-137MHz频率范围内、-30~+60ºC温度范围内以及50W连续波的作用下,这个滤波器的VSWR要小于1.5,插入损耗要小于1dB。

这下问题来了,可能有人会说“我们以前都是用网络分析仪测的,50W条件下的VSWR和损耗怎么测?”。于是上述的五项指标的描述被改为:在118-137MHz频率范围内、-30~+60ºC温度范围内,这个滤波器的VSWR要小于1.5,插入损耗要小于1dB;同时这个滤波器可以承受50W的连续波。对此,我们可以称之为“选择性失明”吗?显然,这是长期以来的习惯思维,因为获得一个高低温箱很容易,而搭建一个50W的测试环境不容易。然而对以下问题,我们又该如何回答呢?

☑ 既然规定了功率容量为50W,那么合格与否的判定条件是什么?

☑ 既然要求在规定的温度范围内的VSWR和损耗都要满足要求,那么从逻辑上来说,在50W的连续波功率作用下,这些指标也要满足要求,为什么就视而不见了呢?

☑ 在实际使用中,当50W的连续波功率长期作用于这个滤波器中,可能会发生什么?VSWR和损耗变差?还是会导致器件的打火、击穿乃至失效?

也许你会用一个50W的放大器对这个滤波器进行“烤机”,然后再马上用网络分析仪测试VSWR和损耗,但这就像潜水员的案例,测试条件变了,测试结果不可信。

以下我们可以再举两个案例来描述射频测试中的习惯思维。

无源互调的测试条件

案例一来自于复杂的无源互调测试。

我们知道,无源互调要在规定的频率和功率条件下进行测试。比如典型的无源互调指标可以表达为:-153dBc@2×43dBm,925和960MHz。关于无源互调测试,我们的习惯思维是:

☑ 无源互调必须在两个20W的载频作用下进行测试;
☑ 载频幅度与无源互调的大小呈1:3(dBm)的关系;
☑  无源互调的幅度与工作频率有关,必须在相关的工作频率下进行测试;
☑ 无源互调与频率之间没有推算关系,也就是说,在900MHz频段测得的互调值不能代表1800MHz频段的互调,反之亦然。

这个案例常见的“选择性失明”现象表现在测试功率。我们时常可以听到以下的说法:

☑ 2×20W是无源互调的测试标准;
☑ 如果DUT用于2W的环境下,可以将测试功率降到2×2W来测试其无源互调;如果DUT要应用于1kW,则先用2×20W来测试其无源互调,然后再推算1kW条件下的互调值。

无源互调2×20W的测试功率起初是来自于GSM基站的标称输出功率20W,如今已经成为行业普遍认同的“标准”。实际上,在IEC62037标准中是这样描述的:

对于移动通信系统,除非有其他要求,推荐在DUT测试端加载2×20W(43dBm)。而其他系统则可能需要不同的功率电平。

这段描述清晰阐明了无源互调的测试条件应符合真实的使用环境。

射频连接器和电缆的功率容量问题

案例2则来自我们经常遇到的、并且有些疑惑的连接器和电缆等微波路由器件的功率容量问题。

图1摘自一个微波机械开关的产品手册,描述了不同规格的开关在不同频率下的功率容量。

图1、微波机械开关的功率容量

我们可以推测,图1可能来自某种仿真结果,可能是经验值,可能在某些频段上进行了实验验证。但是并没有发现具有说服力的实验数据来支撑。

另外,图1也说明了的功率容量与频率有关,这一点也否定了以往的直流替代法,在微波频段,电压和电流已失去其确切的意义。

思路回到前面的滤波器的案例,同样的问题是在规定的功率容量时,判定这个器件合格的条件是什么?

我们曾经做过一个实验来观察0.086”电缆组件在不同功率和温度条件下VSWR和插入损耗的变化关系,测试频率为900MHz。

图2显示了一条0.16m长的电缆组件在常温条件下加载不同功率时其损耗的变化情况,功率越大,损耗也越大。图3则显示了相同功率作用下,VSWR与环境温度的关系,温度越高,VSWR也越大。

图2、常温下电缆输入功率与插入损耗的关系

图3、相同功率下温度与驻波的关系

也许你会说,上述的指标变化不大。但实验结果显示其毕竟是有变化,何况在0.086”电缆手册上说明了其在900MHz时的功率容量约为170W。受条件限制,实验只是在100W时进行的,谁能说清楚在接近其功率极限时会发生什么情况?这些都需要依靠实验来验证。

结束语

本文希望表述的观点是——射频测试和测量应尽可能的模拟真实的使用环境,这样得出来的测试结论会更加有实用意义。随着微波技术、工艺、材料以及各种测试仪器的不断发展,各种细分测试系统的搭建也成为可能。当然,也不能光提出问题而没有解决方案,实际上BXT开发的PM2000系列大功率测试平台就是本文观点的实验诠释,在后续我们会不断发布实验结果,希望得到同行的指导。下一篇我们会来跟大家一起探讨对本文提出问题的解决方案,敬请期待。

作者简介:朱辉,资深从业人士,福州博讯通总经理,著有《实用射频测试和测量》一书。

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