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RF和微波无源元件规划的考虑和约束

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

RF和微波无源元件接受许多规划束缚和功用指标的担负。依据运用的功率要求,对资料和规划功用的要求能够明显进步。例如,在高功率电信和军用雷达/搅扰运用中,需求高功用水平以及极高功率水平。许多资料和技能无法接受这些运用所需的功率水平,因而有必要运用专门的组件,资料和技能来满意这些极点的运用要求。
高水平的射频和微波功率是不行见的,难以检测,而且能够在小规模内发生令人难以置信的热量。一般,只要在组件发生毛病或完全体系毛病后才干检测到过功率压力。这种状况在电信和航空/国防运用中常常遇到,由于高功率水平的运用和露出是满意这些运用功用要求所必需的。

图1关于气候或军用雷达,高功率放大器一般会为雷达天线或天线阵列发生数百至数千瓦的射频能量。

        满足高的RF和微波功率水平会损坏信号途径中的元件,这或许是规划不良,资料老化/疲惫乃至是战略性电子进犯的产品。任何或许遇到高功率射频和微波能量的要害体系都有必要细心规划,并经过为最大潜在功率水平指定的组件进行支撑。其他问题,例如RF走漏,无源互调失真和谐波失真,在高功率水平下会加重,由于有必要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或许吸收满足的RF和微波能量以形成损坏。这便是一切射频和微波元件具有最大额定功率的原因。一般,由于RF能量有几种不同的作业形式,因而将为接连波(CW)或脉冲功率指定额定功率。别的,由于构成RF组件的各种资料能够改动不同功率,温度,电压,电流和年纪的行为,因而一般还指定这些参数。与平常相同,一些制作商对其组件的指定功用愈加大方,因而主张在实际操作条件下测验特定组件以避免现场毛病。这是RF和微波组件特别重视的问题,由于级联毛病很常见。

图2能够运用磁环或电场探头分接波导,将TE或TM波导形式转化为TEM同轴传输形式。

同轴或波导互连
        依据频率,功率水平缓物理要求,同轴或波导互连用于高功率RF和微波运用。这两种技能的尺度随频率而改动,需求更高精度的资料和制作来处理更高的功率水平。一般,作为RF能量经过具有空气电介质的波导的方法的产品,波导倾向于能够处理比可比同轴技能更高的功率水平。另一方面,波导一般是比同轴技能更贵重,定制装置和窄带解决方案。
        这便是说,关于需求更低本钱,更高灵活性装置,更高信号路由密度和中等功率水平的运用,同轴技能或许是首选。别的,由于下降了本钱和尺度,因而在波导互连上运用同轴互连的组件挑选更多。虽然宽带和一般更直接的装置,在高功用,巩固性和可靠性方面,波导技能往往超越同轴。一般,这些互连技能串联运用,在或许的状况下,最高功率和保真度信号经过波导互连路由。

图3在衰减器之后,同轴衔接器类型能够减小尺度和本钱,由于衰减后的信号功率水平或许满足低,以避免损坏较小的同轴衔接器。

同轴技能需求留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。假如分量和本钱是高度重视,这或许是可接受的。可是,在高温文高压下资料除气和资料功用改动的问题或许会下降航空航天运用中的同轴技能可行性。
适配器和终端
        由于每个适配器和终端都会引进不必要的插入损耗和反射,因而细心挑选正确的组件能够避免不必要的信号降级并或许对灵敏电子设备造 适配器和终端有多种形式,一般是同轴或波导,用于高功率运用。别的,适配器或许更杂乱,由于适配器任一端的尺度和类型或许不同。此外,适配器自身或许引进转弯或曲折。
有必要细心检查适配器的功率和频率规模,特别是假如适配器是波导到同轴转化。波导天然只能使频带规模的带宽以高信号保真度传输,其间同轴技能仅具有截止频率。可是,不同的同轴衔接器类型也具有不同的功率和频率容量。假如适配器是两种不同同轴衔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。

图4现代模仿器现在包含EM和热模仿,用于猜测滤波器或其他无源元件器材中的热行为和应力。

终端首战之地地耗尽设备内潜在的极点RF能量。一般,用于高功率运用的终端将具有散热金属体而且或许强制空气热办理。终端的阻抗匹配和电压驻波比(VSWR)肯定至关重要,由于不行猜测的反射或许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)分流到不符合满足的VSWR标准的终端的状况下,这或许是风险的,由于它或许永久性地损坏HPA。
衰减器
像终端器相同,衰减器规划用于在器材主体内散失RF能量,而不会发生任何不需求的信号失真或反射。有固定和可变衰减器。关于大多数极高功率运用,固定衰减器更常见。像完结器相同,它们能够是波导或同轴的。别的,衰减器也能够是不同尺度的同轴衔接器尺度的适配器,虽然这很少用波导衔接器完结。

图5波导定向耦合器或许具有同轴输出,由于耦合信号的功率电平满足低,能够在较低分量和本钱的同轴传输线中传输。

依据衰减器规划耗散的功率量,金属辐射器一般会环绕身体,乃至强制冷却也是一种挑选。频率,功率处理和衰减越高,RF能量就会转化成热量。装置衰减器时,保证衰减器取得满足的通风而且不装置在接近其他散热电子设备的方位至关重要。
滤波器
由于滤波器能够作为频带挑选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能量并将其转化为热量。其间,反射滤波器将RF能量重定向回源。这种类型的滤波器或许由于过功率或过电压而损坏灵敏的上游电子设备。依据滤波器技能和结构,滤波器的功率处理才能一般高度依赖于频率。
与大多数RF和微波组件相同,较高频率组件的功率阈值低于其低功率组件。滤波器的相对尺度和资料将对功率和频率束缚发生严重影响。滤波器的通带天然地稍微衰减信号,因而在RF能量吸收或反射方面,通带特性与带外滤波器特性相同重要。

图6有多种功率分配器技能,每种技能都有自己的阻抗和功用特征。

定向耦合器和功率分配器/组合器
定向耦合用具有许多与适配器相同的重视点和束缚,添加了内置终端或前向/反向耦合信号途径的杂乱性。而且,定向耦合器的耦合信号途径比经过主传达线的RF能量少量百,数千或数万倍。由于耦合线上的功率水平明显下降,即便关于高功率波导耦合器,耦合线一般也是同轴衔接器。关于混合耦合器或3dB 90°混合耦合器来说,这明显不是这种状况,它们在两个持平的RF信号途径中均匀地分配信号的功率。
一般,定向耦合器规划成具有十分低的插入损耗和反射。在高功率水平下,假如不是准确规划,耦合方法会引进明显的插入损耗和反射。另一个需求考虑的要素是耦合线的加载。虽然在低功率水平下,简略的停止或许就满足了。可是,在较高功率水平下,任何不匹配或反射都或许导致很多功率馈送到主信号途径中。而且,取决于耦合强度,定向耦合器的终端或许需求比其低功率对应物具有更高的功率处理。
与定向耦合器十分类似,功率分配器沿多个途径别离RF信号能量。其间,功率合成器将RF信号能量馈送到一个主途径中。插入损耗和反射的问题与功率分配器/合成器大致相同,由于它们与方向耦合器相同。首要差异在于功率分配器/合路器一般处于大致持平的功率水平,但不是相位。作为其产品,衔接或馈电线中的任何阻抗或VSWR失配或许引起不希望的信号劣化,相位误差和反射。一些功率分配器/组合用具有作为波导或同轴衔接的输入或输出,而且输入和输出运用不同的衔接器尺度或技能。

图7水分进入或许会经过改动电气特性和添加衔接中的功耗(例如旋转衔接器)而导致设备毛病。

高功率无源器材中的无源互调失真
PIM对无线网络功用有严重影响,特别是对高功率射频电子设备。由于PIM一般难以在完好的无源设备体系中承认,假如PIM是规划问题,具有高精度和低PIM无源组件或许是保证较低PIM阈值的第一步。资猜中的任何非线性或环境诱发的非线性都或许导致高水平的PIM。
无论是外表缺点,微裂缝仍是不同的资料衔接,高功率水平一般会加重导致PIM的非线性效应。由于高功率运用一般也与更极点的环境相关联,因而温度改动,振荡和资料老化也会导致导致PIM的非线性。为了削减PIM呼应,能够验证每个独自的衔接和组件以削减的三阶交调截点操作,然后下降失真。经过严厉的装置后测验,装置后也能够承认PIM呼应。
热办理应战,寿数和资料降级
高频下的高功率水平倾向于在非抱负外表和资猜中引起RF能量耗散。RF能量散失到大多数外表会引起加热。RF加热或许导致峰值功率操作中的资料改动或在几个运用周期内资料劣化。
能够了解的是,设备的温度和RF功率水平标准应在合理的规模内坚持合理。由于许多制作商对其产品的功用十分达观,因而有理由答应在其他规划束缚条件下完成尽或许多的功率和热量余量。这在无法接受停机时刻的要害运用中特别重要,由于热应力会导致热失控,然后导致设备快速失效。
其他环境要素,例如湿气进入和冲击/振荡,也能够暂时下降部件的功率和热处理才能。在盐雾,温度和机械应力测验台中对高功率元件进行完全测验一般用于验证某些运用的极点状况下的元件规划。

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