高水平的射頻和微波功率是不可見的，難以檢測，并且能夠在小范圍內(nèi)產(chǎn)生令人難以置信的熱量。通常，只有在組件發(fā)生故障或完全系統(tǒng)故障后才能檢測到過功率壓力。這種情況在電信和航空/國防應(yīng)用中經(jīng)常遇到，因?yàn)楦吖β仕降氖褂煤捅┞妒菨M足這些應(yīng)用性能要求所必需的。

 

圖1對(duì)于天氣或軍用雷達(dá)，高功率放大器通常會(huì)為雷達(dá)天線或天線陣列產(chǎn)生數(shù)百至數(shù)千瓦的射頻能量。

 

足夠高的RF和微波功率水平會(huì)損壞信號(hào)路徑中的元件，這可能是設(shè)計(jì)不良，材料老化/疲勞甚至是戰(zhàn)略性電子攻擊的產(chǎn)物。任何可能遇到高功率射頻和微波能量的關(guān)鍵系統(tǒng)都必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，并通過為最大潛在功率水平指定的組件進(jìn)行支持。其他問題，例如RF泄漏，無源互調(diào)失真和諧波失真，在高功率水平下會(huì)加劇，因?yàn)楸仨毟嗟乜紤]組件的質(zhì)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，由于RF能量有幾種不同的工作模式，因此將為連續(xù)波（CW）或脈沖功率指定額定功率。另外，由于構(gòu)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(shù)。與往常一樣，一些制造商對(duì)其組件的指定功能更加慷慨，因此建議在實(shí)際操作條件下測試特定組件以避免現(xiàn)場故障。這是RF和微波組件特別關(guān)注的問題，因?yàn)榧?jí)聯(lián)故障很常見。

 

圖2可以使用磁環(huán)或電場探頭分接波導(dǎo)，將TE或TM波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換為TEM同軸傳輸模式。

 

同軸或波導(dǎo)互連

 

根據(jù)頻率，功率水平和物理要求，同軸或波導(dǎo)互連用于高功率RF和微波應(yīng)用。這兩種技術(shù)的尺寸隨頻率而變化，需要更高精度的材料和制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(zhì)的波導(dǎo)的方式的產(chǎn)物，波導(dǎo)傾向于能夠處理比可比同軸技術(shù)更高的功率水平。另一方面，波導(dǎo)通常是比同軸技術(shù)更昂貴，定制安裝和窄帶解決方案。

 

這就是說，對(duì)于需要更低成本，更高靈活性安裝，更高信號(hào)路由密度和中等功率水平的應(yīng)用，同軸技術(shù)可能是首選。另外，由于降低了成本和尺寸，因此在波導(dǎo)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(jiān)固性和可靠性方面，波導(dǎo)技術(shù)往往超過同軸。通常，這些互連技術(shù)串聯(lián)使用，在可能的情況下，最高功率和保真度信號(hào)通過波導(dǎo)互連路由。

 

圖3在衰減器之后，同軸連接器類型可以減小尺寸和成本，因?yàn)樗p后的信號(hào)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(shù)需要注意的一個(gè)重要特征是它們的功率和電壓相關(guān)的介質(zhì)擊穿比類似頻率的波導(dǎo)互連要低得多。如果重量和成本是高度關(guān)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(huì)降低航空航天應(yīng)用中的同軸技術(shù)可行性。

 

適配器和終端

 

由于每個(gè)適配器和終端都會(huì)引入不必要的插入損耗和反射，因此仔細(xì)選擇正確的組件可以防止不必要的信號(hào)降級(jí)并可能對(duì)敏感電子設(shè)備造 適配器和終端有多種形式，通常是同軸或波導(dǎo)，用于高功率應(yīng)用。另外，適配器可能更復(fù)雜，因?yàn)檫m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(zhuǎn)彎或彎曲。

 

必須仔細(xì)檢查適配器的功率和頻率范圍，特別是如果適配器是波導(dǎo)到同軸轉(zhuǎn)換。波導(dǎo)自然只能使頻帶范圍的帶寬以高信號(hào)保真度傳輸，其中同軸技術(shù)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(shù)將受到影響。

 

圖4現(xiàn)代模擬器現(xiàn)在包括EM和熱模擬，用于預(yù)測濾波器或其他無源元件器件中的熱行為和應(yīng)力。

 

終端首當(dāng)其沖地耗盡設(shè)備內(nèi)潛在的極端RF能量。通常，用于高功率應(yīng)用的終端將具有散熱金屬體并且可能強(qiáng)制空氣熱管理。終端的阻抗匹配和電壓駐波比（VSWR）絕對(duì)至關(guān)重要，因?yàn)椴豢深A(yù)測的反射可能導(dǎo)致上游電子設(shè)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(guī)格的終端的情況下，這可能是危險(xiǎn)的，因?yàn)樗赡苡谰眯缘負(fù)p壞HPA。

 

衰減器

 

像終端器一樣，衰減器設(shè)計(jì)用于在器件主體內(nèi)消散RF能量，而不會(huì)產(chǎn)生任何不需要的信號(hào)失真或反射。有固定和可變衰減器。對(duì)于大多數(shù)極高功率應(yīng)用，固定衰減器更常見。像終結(jié)器一樣，它們可以是波導(dǎo)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(dǎo)連接器完成。

 

圖5波導(dǎo)定向耦合器可能具有同軸輸出，因?yàn)轳詈闲盘?hào)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(jù)衰減器設(shè)計(jì)耗散的功率量，金屬輻射器通常會(huì)圍繞身體，甚至強(qiáng)制冷卻也是一種選擇。頻率，功率處理和衰減越高，RF能量就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量。安裝衰減器時(shí)，確保衰減器獲得足夠的通風(fēng)并且不安裝在靠近其他散熱電子設(shè)備的位置至關(guān)重要。

 

濾波器

 

由于濾波器可以作為頻帶選擇性衰減器或帶外信號(hào)的反射器，考慮到上游電子設(shè)備的類型和進(jìn)入濾波器的信號(hào)是必要的。吸收濾波器將從帶外信號(hào)中吸收RF能量并將其轉(zhuǎn)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于過功率或過電壓而損壞敏感的上游電子設(shè)備。根據(jù)濾波器技術(shù)和結(jié)構(gòu)，濾波器的功率處理能力通常高度依賴于頻率。

 

與大多數(shù)RF和微波組件一樣，較高頻率組件的功率閾值低于其低功率組件。濾波器的相對(duì)尺寸和材料將對(duì)功率和頻率限制產(chǎn)生重大影響。濾波器的通帶自然地略微衰減信號(hào)，因此在RF能量吸收或反射方面，通帶特性與帶外濾波器特性同樣重要。

 

圖6有多種功率分配器技術(shù)，每種技術(shù)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(guān)注點(diǎn)和約束，增加了內(nèi)置終端或前向/反向耦合信號(hào)路徑的復(fù)雜性。而且，定向耦合器的耦合信號(hào)路徑比通過主傳播線的RF能量少數(shù)百，數(shù)千或數(shù)萬倍。由于耦合線上的功率水平顯著降低，即使對(duì)于高功率波導(dǎo)耦合器，耦合線通常也是同軸連接器。對(duì)于混合耦合器或3dB 90°混合耦合器來說，這顯然不是這種情況，它們?cè)趦蓚€(gè)相等的RF信號(hào)路徑中均勻地分配信號(hào)的功率。

 

通常，定向耦合器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，耦合方法會(huì)引入顯著的插入損耗和反射。另一個(gè)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(dǎo)致大量功率饋送到主信號(hào)路徑中。而且，取決于耦合強(qiáng)度，定向耦合器的終端可能需要比其低功率對(duì)應(yīng)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(gè)路徑分離RF信號(hào)能量。其中，功率合成器將RF信號(hào)能量饋送到一個(gè)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?yàn)樗鼈兣c方向耦合器一樣。主要區(qū)別在于功率分配器/合路器通常處于大致相等的功率水平，但不是相位。作為其產(chǎn)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(hào)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(dǎo)或同軸連接的輸入或輸出，并且輸入和輸出使用不同的連接器尺寸或技術(shù)。

 

圖7水分進(jìn)入可能會(huì)通過改變電氣特性和增加連接中的功耗（例如旋轉(zhuǎn)連接器）而導(dǎo)致設(shè)備故障。

 

高功率無源器件中的無源互調(diào)失真

 

PIM對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能有重大影響，特別是對(duì)高功率射頻電子設(shè)備。由于PIM通常難以在完整的無源設(shè)備系統(tǒng)中確定，如果PIM是設(shè)計(jì)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(huán)境誘發(fā)的非線性都可能導(dǎo)致高水平的PIM。

 

無論是表面缺陷，微裂縫還是不同的材料連接，高功率水平通常會(huì)加劇導(dǎo)致PIM的非線性效應(yīng)。由于高功率應(yīng)用通常也與更極端的環(huán)境相關(guān)聯(lián)，因此溫度變化，振動(dòng)和材料老化也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致PIM的非線性。為了減少PIM響應(yīng)，可以驗(yàn)證每個(gè)單獨(dú)的連接和組件以減少的三階交調(diào)截點(diǎn)操作，從而降低失真。通過嚴(yán)格的裝配后測試，安裝后也可以確認(rèn)PIM響應(yīng)。

 

熱管理挑戰(zhàn)，壽命和材料降級(jí)

 

高頻下的高功率水平傾向于在非理想表面和材料中引起RF能量耗散。RF能量消散到大多數(shù)表面會(huì)引起加熱。RF加熱可能導(dǎo)致峰值功率操作中的材料變化或在幾個(gè)使用周期內(nèi)材料劣化。

 

可以理解的是，設(shè)備的溫度和RF功率水平規(guī)格應(yīng)在合理的范圍內(nèi)保持合理。由于許多制造商對(duì)其產(chǎn)品的性能非常樂觀，因此有理由允許在其他設(shè)計(jì)約束條件下實(shí)現(xiàn)盡可能多的功率和熱量余量。這在無法承受停機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)闊釕?yīng)力會(huì)導(dǎo)致熱失控，從而導(dǎo)致設(shè)備快速失效。

 

其他環(huán)境因素，例如濕氣進(jìn)入和沖擊/振動(dòng)，也可以暫時(shí)降低部件的功率和熱處理能力。在鹽霧，溫度和機(jī)械應(yīng)力測試臺(tái)中對(duì)高功率元件進(jìn)行徹底測試通常用于驗(yàn)證某些應(yīng)用的極端情況下的元件設(shè)計(jì)。

 

參考資料：

 

http://www.odyseus.nildram.co.uk/Systems_And_Devices_Files/Component%20Reliability%20Tutorial.pdf

http://www.asc-i.com/pdf/Thermal_Management_for_Power_Electronics.pdf

 

 

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