高功率射频及微波无源器件中的考虑及限制

来源：RF技术社区 

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RF和微波无源元件承受许多设计约束和性能指标的负担。根据应用的功率要求，对材料和设计性能的要求可以显着提高。例如，在高功率电信和军用雷达/干扰应用中，需要高性能水平以及极高功率水平。许多材料和技术无法承受这些应用所需的功率水平，因此必须使用专门的组件，材料和技术来满足这些极端的应用要求。

 

高水平的射频和微波功率是不可见的，难以检测，并且能够在小范围内产生令人难以置信的热量。通常，只有在组件发生故障或完全系统故障后才能检测到过功率压力。这种情况在电信和航空/国防应用中经常遇到，因为高功率水平的使用和暴露是满足这些应用性能要求所必需的。

 

对于天气或军用雷达，高功率放大器通常会为雷达天线或天线阵列产生数百至数千瓦的射频能量。

 

足够高的RF和微波功率水平会损坏信号路径中的元件，这可能是设计不良，材料老化/疲劳甚至是战略性电子攻击的产物。任何可能遇到高功率射频和微波能量的关键系统都必须仔细设计，并通过为最大潜在功率水平指定的组件进行支持。其他问题，例如RF泄漏，无源互调失真和谐波失真，在高功率水平下会加剧，因为必须更多地考虑组件的质量。

 

任何具有插入损耗的互连或组件都有可能吸收足够的RF和微波能量以造成损坏。这就是所有射频和微波元件具有最大额定功率的原因。通常，由于RF能量有几种不同的工作模式，因此将为连续波（CW）或脉冲功率指定额定功率。另外，由于构成RF组件的各种材料可以改变不同功率，温度，电压，电流和年龄的行为，因此通常还指定这些参数。与往常一样，一些制造商对其组件的指定功能更加慷慨，因此建议在实际操作条件下测试特定组件以避免现场故障。这是RF和微波组件特别关注的问题，因为级联故障很常见。

 

可以使用磁环或电场探头分接波导，将TE或TM波导模式转换为TEM同轴传输模式。

 

同轴或波导互连

 

根据频率，功率水平和物理要求，同轴或波导互连用于高功率RF和微波应用。这两种技术的尺寸随频率而变化，需要更高精度的材料和制造来处理更高的功率水平。通常，作为RF能量通过具有空气电介质的波导的方式的产物，波导倾向于能够处理比可比同轴技术更高的功率水平。另一方面，波导通常是比同轴技术更昂贵，定制安装和窄带解决方案。

 

这就是说，对于需要更低成本，更高灵活性安装，更高信号路由密度和中等功率水平的应用，同轴技术可能是首选。另外，由于降低了成本和尺寸，因此在波导互连上使用同轴互连的组件选择更多。虽然宽带和通常更直接的安装，在高性能，坚固性和可靠性方面，波导技术往往超过同轴。通常，这些互连技术串联使用，在可能的情况下，最高功率和保真度信号通过波导互连路由。

 

在衰减器之后，同轴连接器类型可以减小尺寸和成本，因为衰减后的信号功率水平可能足够低，以避免损坏较小的同轴连接器。

 

同轴技术需要注意的一个重要特征是它们的功率和电压相关的介质击穿比类似频率的波导互连要低得多。如果重量和成本是高度关注，这可能是可接受的。但是，在高温和高压下材料除气和材料性能变化的问题可能会降低航空航天应用中的同轴技术可行性。

 

适配器和终端

 

由于每个适配器和终端都会引入不必要的插入损耗和反射，因此仔细选择正确的组件可以防止不必要的信号降级并可能对敏感电子设备造 适配器和终端有多种形式，通常是同轴或波导，用于高功率应用。另外，适配器可能更复杂，因为适配器任一端的尺寸和类型可能不同。此外，适配器本身可能引入转弯或弯曲。

 

必须仔细检查适配器的功率和频率范围，特别是如果适配器是波导到同轴转换。波导自然只能使频带范围的带宽以高信号保真度传输，其中同轴技术仅具有截止频率。然而，不同的同轴连接器类型也具有不同的功率和频率容量。如果适配器是两种不同同轴连接器类型之间的过渡，则频率，功率处理，PIM，插入损耗和其他参数将受到影响。

 

现代模拟器现在包括EM和热模拟，用于预测滤波器或其他无源元件器件中的热行为和应力。

 

终端首当其冲地耗尽设备内潜在的极端RF能量。通常，用于高功率应用的终端将具有散热金属体并且可能强制空气热管理。终端的阻抗匹配和电压驻波比（VSWR）绝对至关重要，因为不可预测的反射可能导致上游电子设备中的过功率和过压状况。在将高功率放大器（HPA）分流到不符合足够的VSWR规格的终端的情况下，这可能是危险的，因为它可能永久性地损坏HPA。

 

衰减器

 

像终端器一样，衰减器设计用于在器件主体内消散RF能量，而不会产生任何不需要的信号失真或反射。有固定和可变衰减器。对于大多数极高功率应用，固定衰减器更常见。像终结器一样，它们可以是波导或同轴的。另外，衰减器也可以是不同尺寸的同轴连接器尺寸的适配器，尽管这很少用波导连接器完成。

 

波导定向耦合器可能具有同轴输出，因为耦合信号的功率电平足够低，可以在较低重量和成本的同轴传输线中传输。

 

根据衰减器设计耗散的功率量，金属辐射器通常会围绕身体，甚至强制冷却也是一种选择。频率，功率处理和衰减越高，RF能量就会转换成热量。安装衰减器时，确保衰减器获得足够的通风并且不安装在靠近其他散热电子设备的位置至关重要。

 

滤波器

 

由于滤波器可以作为频带选择性衰减器或带外信号的反射器，考虑到上游电子设备的类型和进入滤波器的信号是必要的。吸收滤波器将从带外信号中吸收RF能量并将其转换为热量。其中，反射滤波器将RF能量重定向回源。这种类型的滤波器可能由于过功率或过电压而损坏敏感的上游电子设备。根据滤波器技术和结构，滤波器的功率处理能力通常高度依赖于频率。

 

与大多数RF和微波组件一样，较高频率组件的功率阈值低于其低功率组件。滤波器的相对尺寸和材料将对功率和频率限制产生重大影响。滤波器的通带自然地略微衰减信号，因此在RF能量吸收或反射方面，通带特性与带外滤波器特性同样重要。

 

有多种功率分配器技术，每种技术都有自己的阻抗和性能特征。

 

定向耦合器和功率分配器/组合器

 

定向耦合器具有许多与适配器相同的关注点和约束，增加了内置终端或前向/反向耦合信号路径的复杂性。而且，定向耦合器的耦合信号路径比通过主传播线的RF能量少数百，数千或数万倍。由于耦合线上的功率水平显着降低，即使对于高功率波导耦合器，耦合线通常也是同轴连接器。对于混合耦合器或3dB 90°混合耦合器来说，这显然不是这种情况，它们在两个相等的RF信号路径中均匀地分配信号的功率。

 

通常，定向耦合器设计成具有非常低的插入损耗和反射。在高功率水平下，如果不是精确设计，耦合方法会引入显着的插入损耗和反射。另一个需要考虑的因素是耦合线的加载。虽然在低功率水平下，简单的终止可能就足够了。但是，在较高功率水平下，任何不匹配或反射都可能导致大量功率馈送到主信号路径中。而且，取决于耦合强度，定向耦合器的终端可能需要比其低功率对应物具有更高的功率处理。

 

与定向耦合器非常相似，功率分配器沿多个路径分离RF信号能量。其中，功率合成器将RF信号能量馈送到一个主路径中。插入损耗和反射的问题与功率分配器/合成器大致相同，因为它们与方向耦合器一样。主要区别在于功率分配器/合路器通常处于大致相等的功率水平，但不是相位。作为其产物，连接或馈电线中的任何阻抗或VSWR失配可能引起不期望的信号劣化，相位偏差和反射。一些功率分配器/组合器具有作为波导或同轴连接的输入或输出，并且输入和输出使用不同的连接器尺寸或技术。

 

水分进入可能会通过改变电气特性和增加连接中的功耗（例如旋转连接器）而导致设备故障。

 

高功率无源器件中的无源互调失真

 

PIM对无线网络性能有重大影响，特别是对高功率射频电子设备。由于PIM通常难以在完整的无源设备系统中确定，如果PIM是设计问题，具有高精度和低PIM无源组件可能是确保较低PIM阈值的第一步。材料中的任何非线性或环境诱发的非线性都可能导致高水平的PIM。

 

无论是表面缺陷，微裂缝还是不同的材料连接，高功率水平通常会加剧导致PIM的非线性效应。由于高功率应用通常也与更极端的环境相关联，因此温度变化，振动和材料老化也会导致导致PIM的非线性。为了减少PIM响应，可以验证每个单独的连接和组件以减少的三阶交调截点操作，从而降低失真。通过严格的装配后测试，安装后也可以确认PIM响应。

 

热管理挑战，寿命和材料降级

 

高频下的高功率水平倾向于在非理想表面和材料中引起RF能量耗散。RF能量消散到大多数表面会引起加热。RF加热可能导致峰值功率操作中的材料变化或在几个使用周期内材料劣化。

 

可以理解的是，设备的温度和RF功率水平规格应在合理的范围内保持合理。由于许多制造商对其产品的性能非常乐观，因此有理由允许在其他设计约束条件下实现尽可能多的功率和热量余量。这在无法承受停机时间的关键应用中尤其重要，因为热应力会导致热失控，从而导致设备快速失效。

 

其他环境因素，例如湿气进入和冲击/振动，也可以暂时降低部件的功率和热处理能力。在盐雾，温度和机械应力测试台中对高功率元件进行彻底测试通常用于验证某些应用的极端情况下的元件设计。

审核编辑 黄昊宇