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高功率射頻及微波無源器件中的考慮和限製

發表時間:2020/6/20  來源:RF技術社區,與非網  瀏覽次數:3675  
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RF和微波無源元件承受許多設計約束和性能指標的負擔。根據應用的功率要求,對材料和設計性能的要求可以顯著提高。例如,在高功率電信和軍用雷達/幹擾應用中,需要高性能水平以及極高功率水平。許多材料和技術無法承受這些應用所需的功率水平,因此必須使用專門的組件,材料和技術來滿足這些極端的應用要求。
高水平的射頻和微波功率是不可見的,難以檢測,並且能夠在小範圍內產生令人難以置信的熱量。通常,隻有在組件發生故障或完全係統故障後才能檢測到過功率壓力。這種情況在電信和航空/國防應用中經常遇到,因為高功率水平的使用和暴露是滿足這些應用性能要求所必需的。
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對於天氣或軍用雷達,高功率放大器通常會為雷達天線或天線陣列產生數百至數千瓦的射頻能量。
足夠高的RF和微波功率水平會損壞信號路徑中的元件,這可能是設計不良,材料老化/疲勞甚至是戰略性電子攻擊的產物。任何可能遇到高功率射頻和微波能量的關鍵係統都必須仔細設計,並通過為最大潛在功率水平指定的組件進行支持。其他問題,例如RF泄漏,無源互調失真和諧波失真,在高功率水平下會加劇,因為必須更多地考慮組件的質量。
任何具有插入損耗的互連或組件都有可能吸收足夠的RF和微波能量以造成損壞。這就是所有射頻和微波元件具有最大額定功率的原因。通常,由於RF能量有幾種不同的工作模式,因此將為連續波(CW)或脈衝功率指定額定功率。另外,由於構成RF組件的各種材料可以改變不同功率,溫度,電壓,電流和年齡的行為,因此通常還指定這些參數。與往常一樣,一些製造商對其組件的指定功能更加慷慨,因此建議在實際操作條件下測試特定組件以避免現場故障。這是RF和微波組件特別關注的問題,因為級聯故障很常見。
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可以使用磁環或電場探頭分接波導,將TE或TM波導模式轉換為TEM同軸傳輸模式。
同軸或波導互連
根據頻率,功率水平和物理要求,同軸或波導互連用於高功率RF和微波應用。這兩種技術的尺寸隨頻率而變化,需要更高精度的材料和製造來處理更高的功率水平。通常,作為RF能量通過具有空氣電介質的波導的方式的產物,波導傾向於能夠處理比可比同軸技術更高的功率水平。另一方麵,波導通常是比同軸技術更昂貴,定製安裝和窄帶解決方案。
這就是說,對於需要更低成本,更高靈活性安裝,更高信號路由密度和中等功率水平的應用,同軸技術可能是首選。另外,由於降低了成本和尺寸,因此在波導互連上使用同軸互連的組件選擇更多。雖然寬帶和通常更直接的安裝,在高性能,堅固性和可靠性方麵,波導技術往往超過同軸。通常,這些互連技術串聯使用,在可能的情況下,最高功率和保真度信號通過波導互連路由。
在衰減器之後,同軸連接器類型可以減小尺寸和成本,因為衰減後的信號功率水平可能足夠低,以避免損壞較小的同軸連接器。
同軸技術需要注意的一個重要特征是它們的功率和電壓相關的介質擊穿比類似頻率的波導互連要低得多。如果重量和成本是高度關注,這可能是可接受的。但是,在高溫和高壓下材料除氣和材料性能變化的問題可能會降低航空航天應用中的同軸技術可行性。
適配器和終端
由於每個適配器和終端都會引入不必要的插入損耗和反射,因此仔細選擇正確的組件可以防止不必要的信號降級並可能對敏感電子設備造 適配器和終端有多種形式,通常是同軸或波導,用於高功率應用。另外,適配器可能更複雜,因為適配器任一端的尺寸和類型可能不同。此外,適配器本身可能引入轉彎或彎曲。
必須仔細檢查適配器的功率和頻率範圍,特別是如果適配器是波導到同軸轉換。波導自然隻能使頻帶範圍的帶寬以高信號保真度傳輸,其中同軸技術僅具有截止頻率。然而,不同的同軸連接器類型也具有不同的功率和頻率容量。如果適配器是兩種不同同軸連接器類型之間的過渡,則頻率,功率處理,PIM,插入損耗和其他參數將受到影響。
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現代模擬器現在包括EM和熱模擬,用於預測濾波器或其他無源元件器件中的熱行為和應力。
終端首當其衝地耗盡設備內潛在的極端RF能量。通常,用於高功率應用的終端將具有散熱金屬體並且可能強製空氣熱管理。終端的阻抗匹配和電壓駐波比(VSWR)絕對至關重要,因為不可預測的反射可能導致上遊電子設備中的過功率和過壓狀況。在將高功率放大器(HPA)分流到不符合足夠的VSWR規格的終端的情況下,這可能是危險的,因為它可能永久性地損壞HPA。
衰減器
像終端器一樣,衰減器設計用於在器件主體內消散RF能量,而不會產生任何不需要的信號失真或反射。有固定和可變衰減器。對於大多數極高功率應用,固定衰減器更常見。像終結器一樣,它們可以是波導或同軸的。另外,衰減器也可以是不同尺寸的同軸連接器尺寸的適配器,盡管這很少用波導連接器完成。
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波導定向耦合器可能具有同軸輸出,因為耦合信號的功率電平足夠低,可以在較低重量和成本的同軸傳輸線中傳輸。
根據衰減器設計耗散的功率量,金屬輻射器通常會圍繞身體,甚至強製冷卻也是一種選擇。頻率,功率處理和衰減越高,RF能量就會轉換成熱量。安裝衰減器時,確保衰減器獲得足夠的通風並且不安裝在靠近其他散熱電子設備的位置至關重要。
濾波器
由於濾波器可以作為頻帶選擇性衰減器或帶外信號的反射器,考慮到上遊電子設備的類型和進入濾波器的信號是必要的。吸收濾波器將從帶外信號中吸收RF能量並將其轉換為熱量。其中,反射濾波器將RF能量重定向回源。這種類型的濾波器可能由於過功率或過電壓而損壞敏感的上遊電子設備。根據濾波器技術和結構,濾波器的功率處理能力通常高度依賴於頻率。
與大多數RF和微波組件一樣,較高頻率組件的功率閾值低於其低功率組件。濾波器的相對尺寸和材料將對功率和頻率限製產生重大影響。濾波器的通帶自然地略微衰減信號,因此在RF能量吸收或反射方麵,通帶特性與帶外濾波器特性同樣重要。
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有多種功率分配器技術,每種技術都有自己的阻抗和性能特征。
定向耦合器和功率分配器/組合器
定向耦合器具有許多與適配器相同的關注點和約束,增加了內置終端或前向/反向耦合信號路徑的複雜性。而且,定向耦合器的耦合信號路徑比通過主傳播線的RF能量少數百,數千或數萬倍。由於耦合線上的功率水平顯著降低,即使對於高功率波導耦合器,耦合線通常也是同軸連接器。對於混合耦合器或3dB 90°混合耦合器來說,這顯然不是這種情況,它們在兩個相等的RF信號路徑中均勻地分配信號的功率。
通常,定向耦合器設計成具有非常低的插入損耗和反射。在高功率水平下,如果不是精確設計,耦合方法會引入顯著的插入損耗和反射。另一個需要考慮的因素是耦合線的加載。雖然在低功率水平下,簡單的終止可能就足夠了。但是,在較高功率水平下,任何不匹配或反射都可能導致大量功率饋送到主信號路徑中。而且,取決於耦合強度,定向耦合器的終端可能需要比其低功率對應物具有更高的功率處理。
與定向耦合器非常相似,功率分配器沿多個路徑分離RF信號能量。其中,功率合成器將RF信號能量饋送到一個主路徑中。插入損耗和反射的問題與功率分配器/合成器大致相同,因為它們與方向耦合器一樣。主要區別在於功率分配器/合路器通常處於大致相等的功率水平,但不是相位。作為其產物,連接或饋電線中的任何阻抗或VSWR失配可能引起不期望的信號劣化,相位偏差和反射。一些功率分配器/組合器具有作為波導或同軸連接的輸入或輸出,並且輸入和輸出使用不同的連接器尺寸或技術。

水分進入可能會通過改變電氣特性和增加連接中的功耗(例如旋轉連接器)而導致設備故障。
高功率無源器件中的無源互調失真
PIM對無線網絡性能有重大影響,特別是對高功率射頻電子設備。由於PIM通常難以在完整的無源設備係統中確定,如果PIM是設計問題,具有高精度和低PIM無源組件可能是確保較低PIM閾值的第一步。材料中的任何非線性或環境誘發的非線性都可能導致高水平的PIM。
無論是表麵缺陷,微裂縫還是不同的材料連接,高功率水平通常會加劇導致PIM的非線性效應。由於高功率應用通常也與更極端的環境相關聯,因此溫度變化,振動和材料老化也會導致導致PIM的非線性。為了減少PIM響應,可以驗證每個單獨的連接和組件以減少的三階交調截點操作,從而降低失真。通過嚴格的裝配後測試,安裝後也可以確認PIM響應。
熱管理挑戰,壽命和材料降級
高頻下的高功率水平傾向於在非理想表麵和材料中引起RF能量耗散。RF能量消散到大多數表麵會引起加熱。RF加熱可能導致峰值功率操作中的材料變化或在幾個使用周期內材料劣化。
可以理解的是,設備的溫度和RF功率水平規格應在合理的範圍內保持合理。由於許多製造商對其產品的性能非常樂觀,因此有理由允許在其他設計約束條件下實現盡可能多的功率和熱量餘量。這在無法承受停機時間的關鍵應用中尤其重要,因為熱應力會導致熱失控,從而導致設備快速失效。

其他環境因素,例如濕氣進入和衝擊/振動,也可以暫時降低部件的功率和熱處理能力。在鹽霧,溫度和機械應力測試台中對高功率元件進行徹底測試通常用於驗證某些應用的極端情況下的元件設計。

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