一、為什么要對無源器件進行大功率實時測量?

如果你是個跑步愛好者，你一定希望在運動過程中實時監測自己的心率，而不是在運動結束后再用秒表來測量心率，因為后者不具備實時性，不能真實反映運動狀態下的心率。智能手表的出現使得人們可以在運動過程中實時監測自己的心率，讓我們更好地對自己的身體健康狀況進行科學管理。

微波無源器件的大功率性能測量也要具備實時性，如果將大功率加載到一個無源器件上持續一段時間（通常是達到熱平衡），然后再取下來用網絡分析儀測量其S參數，那么和心率例子一樣，也不具備實時性，不能真實反映這個器件的大功率性能。

微波無源器件的大功率實時測量這個話題很有意思，我們來分析一下上述大功率試驗方法可能出現的兩種情況：

大功率加載后，用網絡分析儀測量DUT的S參數指標不合格，這種結果意味著這個器件在大功率作用下失效了，并且不可恢復；

大功率加載后，用網絡分析儀測量DUT的S參數指標是合格的，但是你無法知道在大功率加載過程中究竟發生了什么？因此這種測量結果并不能對這個器件的大功率性能得出準確的結論。

我們從一個諧波濾波器來討論無源器件的功率容量與S參數之間的因果關系，其關鍵指標如下：

通帶頻率范圍：118-137MHz

通帶駐波：小于1.5

通帶插入損耗：小于1dB

功率容量：50W CW

工作溫度范圍：-30~+60℃

存儲溫度范圍：-40~+70℃

先看與溫度相關的射頻指標，可以理解為“在-30+60℃范圍內，濾波器在118-137MHz頻率范圍內的駐波應小于1.5，插損應小于1dB”，測試方法是將被測濾波器置入高低溫箱，連接好網絡分析儀，在改變溫度的條件下實時測量濾波器的射頻指標，結果都應滿足設計要求。對上述指標的理解和測試方法符合正常的思維邏輯，應該不會有人提出異議。如果有人說將濾波器置入高低溫箱進行溫度循環，拿出來后馬上接到網絡分析儀上進行測試，至少可以說這種方法不夠嚴謹，難以令人完全信服，在這里溫度和射頻指標是在同一時刻的因果關系。進一步看存儲溫度范圍，如果將濾波器從-40+70℃的存儲環境中取出到實驗室用網絡分析儀測試S參數，從因果關系看，這樣測試是正確的。

再來看與功率相關的射頻指標，這個濾波器是用于民航通信設備中的發射機輸出諧波抑制，與工作溫度范圍一樣，應理解為“在50W連續波的作用下，濾波器在118-137MHz頻率范圍內的駐波應小于1.5，插損應小于1dB”，但到了測試環節，可能會讓很多人犯了難：“網絡分析儀沒這么大的功率！沒辦法測。”也有人會說：“我們有功放，將濾波器在50W功率下加載一定時間，拿下來馬上在網絡分析儀上測試。”此時我們分別對照工作溫度范圍和存儲溫度范圍相對于S參數指標的定義，在工作溫度范圍內的S參數指標應該實時測量。同理，在功率加載下的S參數指標也要實時測量。

在無源器件的大功率應用中，上述情況具有普遍性，筆者遇到兩類情況，一是跟著最終用戶走，用戶沒提出要求就不測了。普遍現狀是，大多數廠家都沿用以往經驗進行設計和生產，并未在大功率條件下進行實時測量，有條件時，會采用功率加載的方式，再切換到網絡分析儀進行小信號測量；另一類情況是通過仿真或者經驗值來設計無源器件的功率容量，并且在樣品完成后進行大功率條件下的實時測量，本章中所要討論的是這種實時測量方法。

從應用角度出發，當一個無源器件用于接近其功率上限的場合時，設計者和使用者都會關注這個無源器件在大功率作用下的實時性能。因此可以說無源器件的大功率實時測量是一項應用于功率上升過程尤其是到達邊際條件下的測試需求。

二、回顧S參數

無源器件在大功率作用下可能會產生發熱、飛弧、擊穿甚至燒毀等現象，要準確表征無源器件的大功率性能，觀察其S參數在大功率作用下的實時變化量是一個普遍適用的方法。在討論無源器件的大功率實時測量方法之前，我們先來回顧一下S參數。

S參數即散射（Scattering）參數，其概念是在20世紀60年代提出并被業界所接受。如果我們任意取一個N端口的射頻網絡，而并不知道其中是一個什么樣的電路結構，也就是一個“黑盒子”，將一個射頻信號輸入到一個端口時，會發生什么呢？不難想象，這個輸入到多端口網絡的射頻信號會出現三種情況：其中一部分信號會從輸入端被反射回來，一部分信號會出現在其他端口（這部分信號也有可能被放大），還有一部分信號在傳輸過程中通過熱輻射或電磁輻射的方式耗散掉了。

當信號通過網絡后，其幅度和相位均發生了變化，用S參數可以精確描述上述多端口網絡中射頻能量的傳播和反射特性。S參數被定義為在給定頻率和系統阻抗的條件下，任何非理想多端口網絡的傳輸和反射特性。

S參數描述了輸入到一個N端口的信號到其中每個端口的響應。S參數下標中的第一位數字代表響應端，第二位數字代表激勵端。如S21表示端口2相對于端口1輸入信號的響應；S11代表端口1相對于端口1的輸入信號的響應。我們以圖1所示的通用二端口網絡為例來說明S參數的定義。其中輸入到網絡的信號標注為a，離開網絡的信號標注為b。

圖1 通用的雙端口S參數網絡

在圖1中，如果將信號發生器接到端口1，端口2接匹配負載，則二端口網絡的入射波為a1，從網絡返回端口1的反射波為b1；通過網絡到端口2的信號為b2，從負載返回網絡的反射波為a2（對于匹配負載，這個反射波數值為零）。用這些電壓波定義的端口1的S參數為：

其中S11表示當端口2接匹配負載時，端口1的電壓反射系數；S21表示當端口2接匹配負載時，從端口1到端口2的傳輸系數，即增益或損耗。

在圖1中將信號發生器移到端口2，而端口1接匹配負載，則二端口網絡的入射波為a2，從網絡返回端口2的反射波為b2；通過網絡到端口1的信號為b1，從負載返回網絡的反射波為a1。用這些電壓波定義的端口2的S參數為：

其中S22表示當端口1接匹配負載時，端口2的電壓反射系數；S12表示當端口1接匹配負載時，從端口2到端口1的傳輸系數，即反向隔離或損耗。

二端口網絡的S矩陣表示如下：

其中

如果要測量S11，我們會向端口1注入信號并測量端口1反射信號，在這種情況下，端口2是沒有信號輸入的，所以在式（2.1）中，a2 = 0。如果要測量S21，則向端口1注入信號，并測量出現在端口2的信號。同樣，測量S22時，會向端口2注入信號并測量端口2的反射信號，此時端口1沒有信號輸入，所以在式（2.3）中，a1 = 0。如果要測量S12，則向端口2注入信號，并測量出現在端口1的信號。

對于單端口網絡，S矩陣表示為：

三端口網絡的S矩陣為：

準確的S參數測量要依靠矢量或標量網絡分析儀來完成，無源器件的大功率實時測量則參照了S參數的測量原理，重點關注的是DUT在大功率作用下S參數的變化量。