微波电阻对射频系统的稳定性分析

张 诚，孙列鹏，杨化路，程宇峰，肖 薇

（1.北广科技股份有限公司，北京101312；2北京航空航天大学，北京100082）

0 引 言

微波电阻在射频系统中起着十分重要的角色，可充当分配器、合成器的匹配电阻和射频放大器链路中环行器的吸收负载角色，还可以用于开关的负载。随着系统功率等级的加大，微波电阻是保证射频系统正常运行的第一保障。当系统反射功率超出正常值时，微波电阻会吸收反射功率，以损坏的形式换取系统调整功率时间。换句话说，微波电阻良劣直接决定着射频系统的稳定性。

1 原理介绍

在射频系统中，射频功率放大器是射频系统最重要的组成部分，组成电路如图1所示。

图1 组成电路

1.1 环行器工作原理

环行器输入端连接功率放大器，输出端连接承受负载，隔离端连接吸收负载。环行器能够在负载阻抗变化甚至开路或短路的情况下，不影响功率放大器的工作状态。电流无变化，保证了整机产品安全。

在实际使用过程中，微波电阻功率一般按极端情况——高频电路进行全反射情况进行计算与实验。

对Z轴任意位置的行进电流与电压波用公式表示为[1]：

行进波在工作过程中会通过环行器。当环行器输出端处于短路或者开路时，反射系数会变为1，放大器的输出功率全反射给微波电阻。短路时，电压、电流为：

1.2 开路时电压电流

当开路时，电压、电流为：

当开路与短路时，传输线路的功率为：

求式（7）的最大值为：

所以，图1中，对于环行器的吸收负载，考虑功率容限的情况，一般微波电阻厂家功率参数为平均值或者有效值。因此，选择微波电阻时，需考虑峰值功率，而恰恰就是峰值功率出现的瞬间将损坏微波电阻，致使射频系统瘫痪。

2 实 验

2.1 测试相关设备

2.1.1 微波电阻

微波电阻是电阻的一种，能够在微波频率下保持固定阻值。在射频电路中，一般是吸收负载，有时为电路匹配，可充当分配器、合成器的匹配电阻。

2.1.2 散热设备

为保证微波电阻的工作温度，将微波电阻固定在铝制散热架上，用水冷散热方式对散热架进行散热。水冷机利用循环水，将散热架的热量带走。

2.1.3 功率源

可输出连续单频信号的设备称为功率源，一般等级都在千瓦以上。可调功率等级为测试微波电阻的可靠性，选用40 kW的162.5 MHz功率源。

2.2 测试平台

162.5 MHz功率源输出信号经过环行器，在环行器匹配端连接微波电阻，水冷机利用循环水将微波电阻热量散去，如图2所示。

图2 测试平台

2.3 测试微波电阻的匹配性能

用网络分析仪测试微波电阻的性能，选取一款微波电阻，在工作范围内测试微波电阻的射频性能，测试数据如图3、图4所示。

图3 史密斯图测试

图4 回波损耗

从图3、图4测试数据分析，在30 kHz～300 MHz内，微波电阻匹配性能良好。因为选用162.5 MHz功率源作为激励源[2]。所以，选择162.5 MHz为重点测试频率。

2.4 匹配状态测试

分别用不同等级功率进行测试。将功率源功率步进增长，分别计录相关参数。同时，观察微波电阻的外观情况，以微波电阻壳体实际温度与电阻规格书推荐温度进行比较。当超过厂家推荐温度240°时，认为微波电阻损坏。微波电阻测量温度与功率变化关系，如图5所示。

图5 微波电阻温度变化关系

2.5 开路状态测试

将可调功率等级的功率源作为射频源，信号通过环行器进行开路状态，微波电阻连接环行器的匹配端。为保证微波电阻工作温度，将微波电阻固定在铝制散热架上，水冷散热方式对散热架进行散热。调整功率源与微波电阻间长度为0.23 m（2倍1/16的波长）)，进行上述测试。开路状态微波电阻测量温度与功率变化关系，如图6所示。

图6 开路状态时壳体温度变化关系

3 结 论

从数据来分析，可以得出以下结论：

（1）开路状态时，信号线连接长度的变化会影响输出功率变化，当距离开路为1/16波长时，信号功率会产生叠加作用，叠加功率会损坏微波电阻；

（2）功率没有2倍关系，主要原因是环行器会有隔离度，反射功率会泄露；

（3）工程设计中，因为存在环行器开路与短路的风险因素，为了保证射频系统与人身安全，需要将相关微波电阻耐功率值提高到工作功率的2倍以上。