高功率射频及微波无源器件中的思量和限定

RF和微波无源元件蒙受很多设计束缚和性能指标的包袱。依据应用的功率要求，对质料和设计性能的要求可以明显进步。比方，在高功率电信和军用雷达/滋扰应用中，必要高性能程度以及极高功率程度。很多质料和技能无法蒙受这些应用所需的功率程度，是以一定利用专门的组件，质料和技能来餍足这些极度的应用要求。

高程度的射频和微波功率是不行见的，难以检测，而且可以或许在小范畴内孕育发生令人难以置信的热量。通常，只有在组件产生妨碍或完全体系妨碍后才气检测到过功率压力。这种情形在电信和航空/国防应用中每每碰到，由于高功率程度的利用和袒露是餍足这些应用性能要求所必须的。

图1对付气候或军用雷达，高功率放大器通常会为雷达天线或天线阵列孕育发生数百至数千瓦的射频能量。

充足高的RF和微波功率程度会破坏信号路径中的元件，这大概是设计不良，质料老化/委顿乃至是计谋性电子打击的产品。任何大概碰到高功率射频和微波能量的要害体系都一定认真设计，并通过为最大潜伏功率程度指定的组件举行支持。其他题目，比方RF走漏，无源互调失真调和波失真，在高功率程度下会加剧，由于一定更多地思量组件的质量。

任何具有插入消耗的互连或组件都有大概汲取充足的RF和微波能量以造成破坏。这便是全部射频和微波元件具有最大额定功率的缘故原由。通常，因为RF能量有几种差别的事情模式，是以将为一连波（CW）或脉冲功率指定额定功率。别的，因为组成RF组件的种种质料可以转变差别功率，温度，电压，电流和年事的举动，是以通常还指定这些参数。与平常一样，一些制造商对其组件的指定功效越发大方，是以发起在现实操纵条件下测试特定组件以幸免现场妨碍。这是RF和微波组件格外存眷的题目，由于级联妨碍很常见。

图2可以利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

依据频率，功率程度和物理要求，同轴或波导互连用于高功率RF和微波应用。这两种技能的尺寸随频率而改变，必要更高精度的质料和制造来处置惩罚更高的功率程度。通常，作为RF能量通过具有氛围电介质的波导的方法的产品，波导偏向于可以或许处置惩罚比可比同轴技能更高的功率程度。另一方面，波导通常是比同轴技能更昂贵，定制安置和窄带办理方案。

这便是说，对付必要更低本钱，更高机动性安置，更高信号路由密度和中等功率程度的应用，同轴技能大概是首选。别的，因为低落了本钱和尺寸，是以在波导互连上利用同轴互连的组件选择更多。固然宽带和通常更直接的安置，在高性能，牢固性和可靠性方面，波导技能每每凌驾同轴。通常，这些互连技能串联利用，在大概的情形下，最高功率和保真度信号通过波导互连路由。

图3在衰减器之后，同轴毗连器范例可以减小尺寸和本钱，由于衰减后的信号功率程度大概充足低，以幸免破坏较小的同轴毗连器。

同轴技能必要细致的一个紧张特性是它们的功率和电压相干的介质击穿比雷同频率的波导互连要低得多。假如重量和本钱是高度存眷，这大概是可担当的。但是，在高和气高压下质料除气和质料性能改变的题目大概会低落航空航天应用中的同轴技能可行性。

适配器和终端

因为每个适配器和终端都市引入不须要的插入消耗和反射，是以认真选择精确的组件可以防备不须要的信号降级并大概对敏感电子设置装备摆设造 适配器和终端有多种情势，通常是同轴或波导，用于高功率应用。别的，适配器大概更庞大，由于适配器任一真个尺寸和范例大概差别。别的，适配器自己大概引入转弯或弯曲。

一定认真查抄适配器的功率和频率范畴，格外是假如适配器是波导到同轴转换。波导天然只能使频带范畴的带宽以高信号保真度传输，此中同轴技能仅具有停止频率。然而，差别的同轴毗连器范例也具有差别的功率和频率容量。假如适配器是两种差别同轴毗连器范例之间的过渡，则频率，功率处置惩罚，PIM，插入消耗和其他参数将受到影响。

图4当代模仿器如今包罗EM和热模仿，用于猜测滤波器或其他无源元件器件中的热举动和应力。

终端首当其冲地耗尽设置装备摆设内潜伏的极度RF能量。通常，用于高功率应用的终端将具有散热金属体而且大概逼迫氛围热治理。终真个阻抗立室和电压驻波比（VSWR）肯定至关紧张，由于不行猜测的反射大概导致上游电子设置装备摆设中的过功率和过压状态。在将高功率放大器（HPA）分流到不切合充足的VSWR规格的终真个情形下，这大概是伤害的，由于它大概永远性地破坏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，而不会孕育发生任何不必要的信号失真或反射。有牢固和可变衰减器。对付大多数极高功率应用，牢固衰减器更常见。像闭幕器一样，它们可所以波导或同轴的。别的，衰减器也可所以差别尺寸的同轴毗连器尺寸的适配器，只管这很罕用波导毗连器完成。

图5波导定向耦合器大概具有同轴输出，由于耦合信号的功率电平充足低，可以在较低重量和本钱的同轴传输线中传输。

依据衰减器设计耗散的功率量，金属辐射器通常会围绕身材，乃至逼迫冷却也是一种选择。频率，功率处置惩罚和衰减越高，RF能量就会转换成热量。安置衰减器时，确保衰减器得到充足的透风而且不安置在靠近其他散热电子设置装备摆设的位置至关紧张。

滤波器

因为滤波器可以作为频带选择性衰减器或带外信号的反射器，思量到上游电子设置装备摆设的范例和进入滤波器的信号是须要的。汲取滤波器将从带外信号中汲取RF能量并将其转换为热量。此中，反射滤波器将RF能量重定向回源。这种范例的滤波器大概因为过功率或过电压而破坏敏感的上游电子设置装备摆设。依据滤波器技能和布局，滤波器的功率处置惩罚本领通常高度依靠于频率。

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质料将对功率和频率限定孕育发生庞大影响。滤波器的通带天然地略微衰减信号，是以在RF能量汲取或反射方面，通带特性与带外滤波器特性同样紧张。

图6有多种功率安排器技能，每种技能都有本身的阻抗和性能特性。

定向耦合器和功率安排器/组合器

定向耦合用具有很多与适配器雷同的存眷点和束缚，增添了内置终端或前向/反向耦合信号路径的庞大性。并且，定向耦合器的耦合信号路径比通过主流传线的RF能量少数百，数千或数万倍。因为耦合线上的功率程度明显低落，纵然对付高功率波导耦合器，耦合线通常也是同轴毗连器。对付混淆耦合器或3dB 90°混淆耦合器来说，这明显不是这种情形，它们在两个相称的RF信号路径中匀称地安排信号的功率。

通常，定向耦合器设计成具有非常低的插入消耗和反射。在高功率程度下，假如不是准确设计，耦合要领会引入明显的插入消耗和反射。另一个必要思量的身分是耦合线的加载。固然在低功率程度下，简洁的停止大概就充足了。但是，在较高功率程度下，任何不立室或反射都大概导致大量功率奉送到主信号路径中。并且，取决于耦合强度，定向耦合器的终端大概必要比其低功率对应物具有更高的功率处置惩罚。

与定向耦合器非常相似，功率安排器沿多个路径分散RF信号能量。此中，功率合成器将RF信号能量奉送到一个主路径中。插入消耗和反射的题目与功率安排器/合成器大抵雷同，由于它们与偏向耦合器一样。重要区别在于功率安排器/合路器通常处于大抵相称的功率程度，但不是相位。作为其产品，毗连或馈电线中的任何阻抗或VSWR失配大概引起不盼望的信号劣化，相位毛病和反射。一些功率安排器/组合用具有作为波导或同轴毗连的输入或输出，而且输入和输出访用差别的毗连器尺寸或技能。

图7水分进入大概会通过转变电气特性和增添毗连中的功耗（比方扭转毗连器）而导致设置装备摆设妨碍。

高功率无源器件中的无源互调失真

PIM对无线网络性能有庞大影响，格外是对高功率射频电子设置装备摆设。因为PIM通常难以在完备的无源设置装备摆设体系中确定，假如PIM是设计题目，具有高精度和低PIM无源组件大概是确保较低PIM阈值的第一步。质料中的任何非线性或情况诱发的非线性都大概导致高程度的PIM。

无论是外貌缺陷，微缝隙照旧差别的质料毗连，高功率程度通常会加剧导致PIM的非线性效应。因为高功率应用通常也与更极度的情况相干联，是以温度改变，振动和质料老化也会导致导致PIM的非线性。为了淘汰PIM相应，可以验证每个单独的毗连和组件以淘汰的三阶交调截点操纵，从而低落失真。通过严厉的装置后测试，安置后也可以确认PIM相应。

热治理挑衅，寿命和质料降级

高频下的高功率程度偏向于在非抱负外貌和质料中引起RF能量耗散。RF能量消散到大多数外貌会引起加热。RF加热大概导致峰值功率操纵中的质料改变或在几个利用周期内质料劣化。

可以了解的是，设置装备摆设的温度和RF功率程度规格应在公道的范畴内连结公道。因为很多制造商对其产物的性能非常乐观，是以有来由许可在其他设计束缚条件下实现尽大概多的功率和热量余量。这在无法蒙受停机时间的要害应用中尤其紧张，由于热应力会导致热失控，从而导致设置装备摆设快速失效。

其他情况身分，比方湿气进入和打击/振动，也可以临时低落部件的功率和热处置惩罚本领。在盐雾，温度和机器应力测试台中对高功率元件举行彻底测试通常用于验证某些应用的极度情形下的元件设计。

参考资料：

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