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射频电路调试经验及问题分析1前言文档总结了我工作一年半以来的一些射频（Radio Frequency）调试（以下称为Debug）经验，记录的是我在实际项目开发中遇到并解决问题的过程。
现在我想利用这份文档与大家分享这些经验，如果这份文档能够对大家的工作起到一定的帮助作用，那将是我最大的荣幸。
个人感觉，Debug过程用的都是最简单的基础知识，如果能够对RF的基础知识有极为深刻（注意，是极为深刻）的理解，我相信，所有的Bug解起来都会易如反掌。
同样，我的这篇文档也将会以最通俗易懂的语言，讲述最通俗易懂的Debug技巧。
在本文中，我尽量避免写一些空洞的理论知识，但是第二章的内容除外。
“微波频率下的无源器件”这部分的内容截取自我尚未完成的“长篇大论”——Wi-Fi产品的一般射频电路设计（第二版）。
我相信这份文档有且不只有一处错误，如果能够被大家发现，希望能够提出，这样我们就能够共同进步。
2微波频率下的无源器件在这一章中，主要讲解微波频率下的无源器件。
一个简单的问题：一个1K的电阻在直流情况下的阻值是1K，在频率为10MHz的回路中可能还是1K，但是在10GHz的情况下呢？它的阻值还会是1K吗？答案是否定的。
在微波频率下，我们需要用另外一种眼光来看待无源器件。
2.1.微波频率下的导线微波频率下的导线可以有很多种存在方式，可以是微带线，可以是带状线，可以是同轴电缆，可以是元件的引脚等等。
2.1.1.趋肤效应在低频情况下，导线内部的电流是均匀的，但是在微波频率下，导线内部会产生很强的磁场，这种磁场迫使电子向导体的边缘聚集，从而使电流只在导线的表面流动，这种现象就称为趋肤效应。
趋肤效应导致导线的电阻增大，结果会怎样？当信号沿导体传输时衰减会很严重。
在实际的高频场合，如收音机的感应线圈，为了减少趋肤效应造成的信号衰减，通常会使用多股导线并排绕线，而不会使用单根的导线。
射频微波仪器行业行业痛点与解决措施汇报人：2023-12-28•行业痛点•解决措施•具体实施方案目录•成功案例分享01行业痛点技术门槛高总结词射频微波仪器行业技术门槛高，涉及复杂的电磁场理论、微波传输线理论、微波网络理论等，需要具备深厚的专业知识和技术积累。
详细描述由于射频微波仪器主要涉及高频电磁波的传输、辐射、测量等领域，其技术门槛较高，需要具备深厚的电磁场理论、微波传输线理论、微波网络理论等专业知识和技术积累。
此外，随着通信技术的发展，射频微波仪器行业的技术要求也在不断提高，需要不断更新和升级相关技术和产品。
成本压力大总结词射频微波仪器行业成本压力大，由于技术门槛高，研发周期长，需要投入大量的人力、物力和财力。
详细描述由于射频微波仪器行业技术门槛高，研发周期长，需要投入大量的人力、物力和财力。
此外，射频微波仪器行业的原材料采购、生产制造、品质检测等环节也需要较高的成本投入。
同时，随着市场竞争的加剧，价格战也使得成本压力进一步加大。
市场竞争激烈总结词射频微波仪器行业市场竞争激烈，国内外众多企业都在该领域展开竞争，市场份额争夺激烈。
详细描述随着通信技术的不断发展，射频微波仪器行业市场规模不断扩大，吸引了越来越多的企业加入竞争。
国内外众多企业都在该领域展开激烈竞争，市场份额争夺激烈。
为了在竞争中脱颖而出，企业需要不断提高自身的技术实力和产品品质，同时还需要加强市场营销和品牌建设。
射频微波仪器行业客户需求多样化，不同客户对产品的性能、规格、价格等方面的要求各不相同。
总结词由于射频微波仪器在通信、雷达、电子对抗、卫星导航等领域具有广泛的应用，不同客户对产品的性能、规格、价格等方面的要求各不相同。
为了满足客户的多样化需求，企业需要加强市场调研和客户需求分析，不断推出符合市场需求的新产品和技术。
同时，还需要加强客户服务和技术支持，提高客户满意度和忠诚度。
详细描述客户需求多样化02解决措施通过加大研发投入，提高技术创新能力，解决行业技术瓶颈。
高功率微波武器技术综述高功率微波武器是利用非核方式在极短时间内产生非常高的微波功率以极窄的定向波束直接射向目标雷达等微波电子设备，摧毁敌方雷达等微波电子设备和杀伤敌方人员的一种定向能武器。
高功率微波源一般采用虚阴极振荡器，能产生吉瓦以上的高功率微波，微波源产生的微波经天线发射出去。
一、驱动源技术（一）脉冲形成线脉冲形成线（PFL）是传输线的一种，主要用来将高电压静电储能转换为一定脉宽、一定幅值的高电压脉冲，与普通的传输线最大的区别在于其可以产生高电压脉冲。
PFL是脉冲功率装置的重要组成部分，它的发展与应用，与脉冲功率技术联系紧密。
早期的脉冲功率装置，由于受电感、电容的限制，输出脉冲的脉宽较长，上升时间也较长，功率较低，如果直接连接负载，不但得不到高功率，而且负载往往也不能正常工作。
因此，人们将传输线引入脉冲功率装置，得到了脉宽为十纳秒到百纳秒量级，上升时间为一纳秒到十纳秒量级的脉冲高电压。
匹配阻抗和输出脉宽是脉冲形成线的两个重要技术参数，设计脉冲形成线的难点是保证其在额定电压内不被击穿。
随着人们对脉冲功率技术研究的不断深入，PFL在民用和军事领域的应用价值也变得越来越重要。
目前，最常用的PFL是同轴PFL和螺旋PFL。
同轴PFL 又分为两种：单同轴PFL和双同轴PFL。
一般来说，单同轴PFL的同轴结构由两个互相绝缘的同轴直导体筒构成，其中外筒接地，内筒与充电电源相接；而双同轴PFL的同轴结构由三个相互绝缘的同轴直导体筒构成，其中外筒接地，内筒通过一定电感与外筒相接，中筒与充电电源相接。
双同轴PFL 也被称为Blumlein线。
如果将单同轴PFL的内筒或者Blumlein线的中筒（有时还包括Blumlein线的内筒），换成螺旋线或螺旋带绕制而成的螺旋线筒，其他部分仍旧使用直导体筒，同轴PFL就变成了螺旋PFL。
与普通的同轴PFL相比，螺旋PFL拥有较高的特征阻抗，可以产生较长的脉冲，因此，使用了螺旋PFL 的脉冲功率装置可以产生更长的脉冲高电压。
微波无源器件的设计与优化在现代通信和雷达系统中，微波无源器件扮演着至关重要的角色。
它们作为微波信号的传输、调制和处理的关键组成部分，直接影响着系统的性能和效率。
因此，对微波无源器件的设计与优化显得尤为重要。
本文将探讨微波无源器件的设计原理、优化方法以及应用前景。
设计原理微波无源器件的设计原理涉及电磁场理论、微波传输线理论以及微波元件的电路模型等多个方面。
其中，电磁场理论用于分析微波在器件内部的传播和耦合特性，微波传输线理论则用于描述微波在导波结构中的传输规律。
此外，微波元件的电路模型则是将微波器件抽象为电路元件，用于建立数学模型以实现仿真和优化。
优化方法针对不同类型的微波无源器件，存在着各种不同的优化方法。
例如，在微波滤波器的设计中，可以通过优化电路拓扑结构、调整元件参数以及优化耦合方式来实现性能的提升。
而对于微波功分器件的优化，则需要考虑功分平衡性、传输损耗以及频率响应等因素。
此外，利用计算机辅助设计（CAD）工具进行仿真和优化也是常见的方法之一。
应用前景随着通信技术的不断发展，微波无源器件在通信、雷达、无线电频谱监测等领域的应用前景十分广阔。
在5G通信系统中，微波滤波器、功分器件等无源器件的优化将对系统的性能和覆盖范围起到关键作用。
同时，在雷达系统中，微波无源器件的高性能和稳定性要求将进一步推动其在目标识别、跟踪和导引等方面的应用。
此外，随着物联网、车联网等新兴应用的兴起，微波无源器件的需求将持续增长。
结论微波无源器件的设计与优化是一个综合性的课题，涉及多个学科领域的知识和技术。
通过深入研究微波器件的设计原理，采用合适的优化方法，并结合实际应用需求，可以不断提升微波无源器件的性能和可靠性，推动微波技术在通信、雷达等领域的发展。
微波无源器件的研究与应用微波无源器件是目前电子通信领域中应用广泛的一种器件，在天线设计、射频信号放大、高频测量等领域都有着重要的应用。
本文将对微波无源器件的研究与应用进行探讨。
一、微波无源器件的基本原理微波无源器件是指不需要电源驱动和功率放大的微波器件，主要用于信号分配和频率选择。
它采用无源元件的特性，如反射、耦合和分配等，实现微波信号的处理和控制。
这种器件主要有以下几种类型：1. 方向耦合器方向耦合器是一种被广泛应用的无源器件，主要用于频率分配和功率分配。
它的工作原理是将输入信号分为两个输出端，其中一个输出端用于采样，另一个输出端则输出信号的一部分。
2. 功率分配器功率分配器是一种被广泛应用的无源器件，主要用于接收和分配微波信号。
它的工作原理是将一个输入端的信号分为多个输出端，每个输出端的功率相等。
3. 线性耦合器线性耦合器是一种无源器件，主要用于将微波信号在两个传输线之间进行转移，同时可以实现向不同方向的耦合和不同大小的功率分配。
以上三种器件是常用的无源器件，它们共同的特点是不需要电源驱动和功率放大，且具有高度的可靠性和长寿命。
这些特性使得微波无源器件在各种应用场合中具备重要的地位。
二、微波无源器件的应用领域微波无源器件广泛用于天线设计、射频信号放大、高频测量、信号分配和频率选择等领域。
下面分别介绍一下这些应用场景。
1. 天线设计在天线设计中，微波无源器件被广泛应用于辐射模式的测量和角度测量。
人造卫星和通信地面站的收发天线中，均采用方向耦合器、功率分配器和线性耦合器等无源器件，用于实现辐射模式的测量和天线角度的控制。
2. 射频信号放大在射频信号放大中，微波无源器件被广泛应用于射频功率的分配和控制。
由于微波无源器件具有高度的可靠性和长寿命，可以减少系统故障率和维修成本。
3. 高频测量在高频测量领域中，微波无源器件可以用于信号分配和频率选择。
例如，在频率分析和谐波振荡器测量中，需要使用功率分配器将信号分配到多个检测器上进行分析。
详解微波射频器件极限功率损耗与分散每个器件都有一个最大的功率极限，不管是有源器件（如放大器），还是无源器件（如电缆或滤波器）。
理解功率在这些器件中如何流淌有助于在设计电路与系统时处理更高的功率电平。
它能处理多大的功率这是对放射机中的大多数器件不行避开要问的一个问题，而且通常问的是无源器件，比如滤波器、耦合器和天线。
但随着微波真空管（如行波管（TWT））和核心有源器件（如硅横向集中金属氧化物半导体（LDMOS）晶体管和氮化钱（GaN）场效应晶体管（FET））的功率电平的日益增加，当安装在细心设计的放大器电路中时，它们也将受到连接器等器件甚至印刷电路板（PCB）材料的功率处理力量的限制。
了解组成大功率器件或系统的不同部件的限制有助于回答这个长期以来的问题。
放射机要求功率在限制范围内。
一般来说，这些限制范围由政府机构规定，例如美国联邦通信委员会（FeC）制定的通信标准。
但在“不受管制”系统中，比如雷达和电子战（EW）平台中，限制主要来自于系统中的电子器件。
每个器件都有一个最大的功率极限，不管是有源器件（如放大器），还是无源器件（如电缆或滤波器）。
理解功率在这些器件中如何流淌有助于在设计电路与系统时处理更高的功率电平。
当电流流过电路时，部分电能将被转换成热能。
处理足够大电流的电路将发热一一特殊是在电阻高的地方，如分立电阻。
对电路或系统设定功率极限的基本思路是采用低工作温度防止任何可能损坏电路或系统中器件或材料的温升，例如印刷电路板中使用的介电材料。
电流/热量流经电路时发生中断（例如松散的或虚焊连接器），也可能导致热量的不连续性或热点，进而引起损坏或牢靠性问题。
温度效应，包括不同材料间热膨胀系数（CTE）的不同，也可能导致高频电路和系统中发生牢靠性问题。
热量总是从更高温度的区域流向较低温度的区域,这个原则可以用来将大功率电路产生的热量传离发热源，如晶体管或TWT。
当然，从热源开头的散热路径应当包括由能够疏通或耗散热量的材料组成的目的地，比如金属接地层或散热器。
高功率射频及微波无源器件中的考虑和限制
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着提高。
例如，在高功率电信和军用雷达/干扰应用中，需要高性能水平以及极高功率水平。
许多材料和技术无法承受这些应用所需的功率水平，因此必须使用专门的组件，材料和技术来满足这些极端的应用要求。
高水平的射频和微波功率是不可见的，难以检测，并且能够在小范围内产生令人难以置信的热量。
通常，只有在组件发生故障或完全系统故障后才能检测到过功率压力。
这种情况在电信和航空/国防应用中经常遇到，因为高功率水平的使用和暴露是满足这些应用性能要求所必需的。
图1对于天气或军用雷达，高功率放大器通常会为雷达天线或天线阵列产生数百至数千瓦的
射频能量。
足够高的RF和微波功率水平会损坏信号路径中的元件，这可能是设计不良，材料老化/疲劳甚至是战略性电子攻击的产物。
任何可能遇到高功率射频和微波能量的关键系统都必须仔细设计，并通过为最大潜在功率水平指定的组件进行支持。
其他问题，例如RF泄漏，无源互调失真和谐波失真，在高功率水平下会加剧，因为必须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可能吸收足够的RF和微波能量以造成损坏。
这就是所有射频和微波元件具有最大额定功率的原因。
通常，由于RF能量
有几种不同的工作模式，因此将为连续波（CW）或脉冲功率指定额定功率。
另外，由于构成RF组件的各种材料可以改变不同功率，温度，电压，电流和年龄的行为，因此通常还指定这些参数。
与往常一样，一些制造商对其组件的指定功能更加慷慨，因此建议在实际操作条件下测试特定组件以避免现场故障。
这是RF和微波组件特别关注的问题，因为级联故障很常见。
图2可以使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
根据频率，功率水平和物理要求，同轴或波导互连用于高功率RF和微波应用。
这两种技术的尺寸随频率而变化，需要更高精度的材料和制造来处理更高的功率水平。
通常，作为RF能量通过具有空气电介质的波导的方式的产物，波导倾向于能够处理比可比同轴技术更高的功率水平。
另一方面，波导通常是比同轴技术更昂贵，定制安装和窄带解决方案。
这就是说，对于需要更低成本，更高灵活性安装，更高信号路由密度和中等功率水平的应用，同轴技术可能是首选。
另外，由于降低了成本和尺寸，因此在波导互连上使用同轴互连的组件选择更多。
虽然宽带和通常更直接的安装，在高性能，坚固性和可靠性方面，波导技术往往超过同轴。
通常，这些互连技术串联使用，在可能的情况下，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，同轴连接器类型可以减小尺寸和成本，因为衰减后的信号功率水平可能
足够低，以避免损坏较小的同轴连接器。
同轴技术需要注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。
如果重量和成本是高度关注，这可能是可接受的。
但是，在高温和高压下材料除气和材料性能变化的问题可能会降低航空航天应用中的同轴技术可行性。
适配器和终端
由于每个适配器和终端都会引入不必要的插入损耗和反射，因此仔细选择正确的组件可以防止不必要的信号降级并可能对敏感电子设备造 适配器和终端有多种形式，通常是同轴或波导，用于高功率应用。
另外，适配器可能更复杂，因为适配器任一端的尺寸和类型可能不同。
此外，适配器本身可能引入转弯或弯曲。
必须仔细检查适配器的功率和频率范围，特别是如果适配器是波导到同轴转换。
波导自然只能使频带范围的带宽以高信号保真度传输，其中同轴技术仅具有截止频率。
然而，不同的同轴连接器类型也具有不同的功率和频率容量。
如果适配器是两种不同同轴连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现代模拟器现在包括EM和热模拟，用于预测滤波器或其他无源元件器件中的热行为和
应力。
终端首当其冲地耗尽设备内潜在的极端RF能量。
通常，用于高功率应用的终端将具有散热金属体并且可能强制空气热管理。
终端的阻抗匹配和电压驻波比（VSWR）绝对至关重要，因为不可预测的反射可能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）分流到不符合足够的VSWR规格的终端的情况下，这可能是危险的，因为它可能永久性地损坏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，而不会产生任何不需要的信号失真或反射。
有固定和可变衰减器。
对于大多数极高功率应用，固定衰减器更常见。
像终结器一样，它们可以是波导或同轴的。
另外，衰减器也可以是不同尺寸的同轴连接器尺寸的适配器，尽管这很少用波导连接器完成。
图5波导定向耦合器可能具有同轴输出，因为耦合信号的功率电平足够低，可以在较低重量
和成本的同轴传输线中传输。
根据衰减器设计耗散的功率量，金属辐射器通常会围绕身体，甚至强制冷却也是一种选择。
频率，功率处理和衰减越高，RF能量就会转换成热量。
安装衰减器
时，确保衰减器获得足够的通风并且不安装在靠近其他散热电子设备的位置至关重要。
滤波器
由于滤波器可以作为频带选择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能量并将其转换为热量。
其中，反射滤波器将RF能量重定向回源。
这种类型的滤波器可能由于过功率或过电压而损坏敏感的上游电子设备。
根据滤波器技术和结构，滤波器的功率处理能力通常高度依赖于频率。
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材料将对功率和频率限制产生重大影响。
滤波器的通带自然地略微衰减信号，因此在RF能量吸收或反射方面，通带特性与带外滤波器特性同样重要。
图6有多种功率分配器技术，每种技术都有自己的阻抗和性能特征。
定向耦合器和功率分配器/组合器
定向耦合器具有许多与适配器相同的关注点和约束，增加了内置终端或前向/反向耦合信号路径的复杂性。
而且，定向耦合器的耦合信号路径比通过主传播线的RF能量少数百，数千或数万倍。
由于耦合线上的功率水平显着降低，即使对于高功率波导耦合器，耦合线通常也是同轴连接器。
对于混合耦合器或3dB 90°混合耦合器来说，这显然不是这种情况，它们在两个相等的RF信号路径中均匀地分配信号的功率。
通常，定向耦合器设计成具有非常低的插入损耗和反射。
在高功率水平下，如果不是精确设计，耦合方法会引入显着的插入损耗和反射。
另一个需要考虑的因素
是耦合线的加载。
虽然在低功率水平下，简单的终止可能就足够了。
但是，在较高功率水平下，任何不匹配或反射都可能导致大量功率馈送到主信号路径中。
而且，取决于耦合强度，定向耦合器的终端可能需要比其低功率对应物具有更高的功率处理。
与定向耦合器非常相似，功率分配器沿多个路径分离RF信号能量。
其中，功率合成器将RF信号能量馈送到一个主路径中。
插入损耗和反射的问题与功率分配器/合成器大致相同，因为它们与方向耦合器一样。
主要区别在于功率分配器/合路器通常处于大致相等的功率水平，但不是相位。
作为其产物，连接或馈电线中的任何阻抗或VSWR失配可能引起不期望的信号劣化，相位偏差和反射。
一些功率分配器/组合器具有作为波导或同轴连接的输入或输出，并且输入和输出使用不同的连接器尺寸或技术。
图7水分进入可能会通过改变电气特性和增加连接中的功耗（例如旋转连接器）而导致设备
故障。
高功率无源器件中的无源互调失真
PIM对无线网络性能有重大影响，特别是对高功率射频电子设备。
由于PIM通常难以在完整的无源设备系统中确定，如果PIM是设计问题，具有高精度和低PIM 无源组件可能是确保较低PIM阈值的第一步。
材料中的任何非线性或环境诱发的非线性都可能导致高水平的PIM。
无论是表面缺陷，微裂缝还是不同的材料连接，高功率水平通常会加剧导致PIM 的非线性效应。
由于高功率应用通常也与更极端的环境相关联，因此温度变化，
振动和材料老化也会导致导致PIM的非线性。
为了减少PIM响应，可以验证每个单独的连接和组件以减少的三阶交调截点操作，从而降低失真。
通过严格的装配后测试，安装后也可以确认PIM响应。
热管理挑战，寿命和材料降级
高频下的高功率水平倾向于在非理想表面和材料中引起RF能量耗散。
RF能量消散到大多数表面会引起加热。
RF加热可能导致峰值功率操作中的材料变化或在几个使用周期内材料劣化。
可以理解的是，设备的温度和RF功率水平规格应在合理的范围内保持合理。
由于许多制造商对其产品的性能非常乐观，因此有理由允许在其他设计约束条件下实现尽可能多的功率和热量余量。
这在无法承受停机时间的关键应用中尤其重要，因为热应力会导致热失控，从而导致设备快速失效。
其他环境因素，例如湿气进入和冲击/振动，也可以暂时降低部件的功率和热处理能力。
在盐雾，温度和机械应力测试台中对高功率元件进行彻底测试通常用于验证某些应用的极端情况下的元件设计。
