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 也说明了微波器件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。