Pat Moore, MILMEGA有限公司,英国
介绍
随着最近IEC61000-4-3版的发布,许多EMC测试机构正在积极研究能够满足新的6 GHz上限测试需求的设备的可用性。EMC设备供应商提供的传统解决方案有几个主要缺点,特别是在频率和功率超杀方面。本文详细介绍了一种识别和利用喇叭天线增益/频率特性的有利属性的替代方法的设计原理和应用。
传统的方法
在理想的情况下,传统的方法将提供覆盖新旧频段(从80MHz到6GHz)的单放大器/单天线组合,该组合的特性与测试系统的需求相匹配。
单一放大器/天线解决方案是不可行的,因此测试设备供应商不可避免地会提供多放大器/多天线解决方案。至于为新的1-6GHz频段供电,最常见的产品包括1-4GHz固态放大器,其次是4-8GHz行波管放大器或4-10GHz固态放大器。
天线方案通常包括用超宽带天线取代现有天线,覆盖测试频段的旧部分(80MHz - 1GHz)和新频段的前4GHz。第二根天线覆盖新频段4GHz到6GHz的剩余频段。主要是由于在天线之间划分1-6GHz频段时选择不当,这种不理想的传统方法有几个弱点。
这可以用图画来解释。
图1(a)显示了测试场强为10v /m @ 3m时通常提供的功率放大器/天线选项。第一个天线覆盖80MHz至4GHz。两个放大器为这个新天线供电。第一个放大器(未描述)提供80MHz至1GHz的功率,第二个放大器(所示)提供1-4GHz的功率。使用超宽带天线的一个不幸的缺点是,在1 GHz以上需要异常高的功率。这是一个严重的副作用,因为喇叭微波天线1只需要这种功率的一小部分,并且没有利用微波喇叭天线所存在的所需输入功率的有利下降(淡紫色曲线:该曲线表示天线连接器产生10 v/m @3米的测试场所需的功率,振幅调制加上3dB的场变化)。
4-8GHz行波管放大器在频率和功率上都很浪费。只使用了放大器的一半频段,功率电平有显著的过杀,以弥补行波管放大器的线性度差,它无法承受大量的反射功率。请注意,行波管放大器必须以小于一半的功率工作才能在其线性范围内,而以大约四分之一的功率工作才能应对严重的错配。还要注意的是,即使行波管放大器工作在退切状态下,在第一个谐波频率上会产生第二个不需要的非平凡功率测试信号。
最后,作为行波管放大器的替代方案是4-10GHz固态放大器,也用于覆盖新频段剩余的4-6GHz。这在功率方面与系统设计要求更接近,但可以看到,出现了严重的频率过杀情况,因为测试系统不需要它的三分之二的频段。
替代方法
图1(b)显示了一种基于观测的替代方法,喇叭天线输入功率需求特性在1-2.5GHz期间急剧下降,然后在2.5-6GHz期间略微下降,使2.5GHz成为一个合理的带断点。
保留现有的80MHz -1GHz天线,并引入一个微波喇叭天线,以覆盖新的1-6 GHz频段。假设它有足够的功率开销来满足版本3中概述的新的线性要求,原来的功率放大器仍然为原来的天线供电。否则,放大器将被替换为合适的更高功率版本。两个固态放大器覆盖1-6GHz的适当功率级别为喇叭天线供电。
从图中可以看出,这种方法是一个精确的拟合频率,更接近天线对输入功率的要求。考虑到这种替代方法,MILMEGA推出了一系列固态双频内部开关放大器,专门设计用于匹配新的测试系统标准。
双频放大器
基于其公司结构放大器(CSA)拓扑结构,并利用这种设计方法所提供的所有优势,MILMEGA开发了一套固态放大器,在新测试频段的1-2.5GHz段提供更高的功率,在剩余的2.5-6GHz段提供更低的功率。图2显示了可用的功率配置文件。与传统方法不同,单独的放大器需要外部开关盒,内部开关允许非常短的内部电缆在开关之间运行,这几乎等于零损耗。放大器可以远程控制和监控,最重要的是应用,提供100%正向功率到任何负载。
集成的实用性
图3显示了集成到系统中用于1-6GHz测试的双频放大器。所选择的功率轮廓显然取决于所需的每米电压和特定系统的损耗。
尤其重要的是功率放大器和天线之间的电缆损耗。电缆损耗被最小化以保留尽可能多的系统功率预算,从而保持设计余量(即系统损耗的允许量加上慷慨的偶然性)。此外,非常重要的是,电缆的频率特性(损耗随频率增加)与微波喇叭天线的频率特性相反,而过长的互连电缆,除了浪费射频功率外,往往会抵消喇叭天线输入功率特性所呈现的巨大优势。
与任何功率放大器集成的情况一样,天线的输出电缆应该是优质的,并且在物理上尽可能短。如图所示,其中双频放大器位于靠近RF隔板连接器旁边的腔室墙壁附近。这里的帮助是,单射频输入/输出特性意味着不需要额外的外部电缆运行。
应尽一切努力尽量缩短从舱壁连接器到喇叭天线的电缆长度。喇叭天线尺寸小,允许天线相对靠近腔室壁。与腔壁的相互作用取决于任何后叶的方向和强度。这些应该是微不足道的,因此不是问题,但从制造商获得后瓣数据是一个很好的实践,以允许一个合理的最小分离距离可以确定。
连接信号发生器到放大器输入端的电缆损耗不太重要,因为简单地增加信号发生器的功率就可以补偿这些损耗。这意味着信号发生器可以被放置在测试操作员站的常规位置。然而,保持尽可能多的信号发生器功率开销仍然是良好的设计实践,因此电缆不应该不必要地长。遥控电缆的长度也不是很关键,只要不超过规定的最大电路长度。
双频放大器远程控制选项包括IEEE488/RS232和以太网/ USB(即插即用)。系统软件可以使用这些信号来切换频段(毫秒级),并监测重要的健康信号,如正向和反向功率水平。
集成的下一个层次是安排新旧硬件之间的切换,这样软件就可以连续无缝地进行低频和新的高频测试,而不需要测试人员的干预。这将需要在原来的低频放大器和新的双频放大器之间进行外部切换,并在低频天线和微波天线之间进行外部切换。
在这种情况下,为了最大限度地减少电缆损耗,高功率射频开关(放大器和天线)应该再次靠近射频隔板连接器,并且所有开关电缆的运行都应该尽可能短。双带放大器的低损耗开关优势波及到下一个集成级别。
结论
为IEC61000-4-3提供测试场的传统方法存在严重缺陷。为了解决这些不足,MILMEGA推出了一个新的放大器系列,当与微波喇叭天线结合使用时,可以提供:
•精确匹配的频率范围
•利用喇叭天线输入功率特性的波段功率电平
•通过高线性度和低谐波测试信号完整性
•最小的开关损耗
•100%的电力进入任何负载
•功率和频率均可升级
笔记
1.例如,AH系统模型SAS-571
2.MILMEGA的CSA模块化拓扑允许放大器在频率和功率上进行回顾性升级,提供高线性度,低谐波,高VSWR容差,并且它固有地使用多个相同模块,这使得它几乎是常规行业持续时间的两倍。
Pat Moore是Milmega Limited的董事总经理,宽带大功率放大器的设计者和制造商。(电子邮件保护)