无源器件串联状态下的VSWR问题

前言

我们所遇到的射频和微波测量系统几乎都是50Ω的串联系统，这些测试系统都是由衰减器、功率分配器器、耦合器、开关等器件组成，其中当然少不了电缆组件。

驻波（VSWR）是考核系统性能的基本指标，通常我们会测试每个器件的VSWR，判定合格后装入系统，最终测量各个面向用户的端口的VSWR，以此作为测试系统的出厂指标。

但是最近我们遇到了一个奇怪的现象，两个VSWR分别都合格的微波器件——电缆组件和开关串联后的VSWR产生的较大的变化，经过各种实验，基本上找到了原因，本文介绍描述了问题的现象、实验方法及结果。

问题现象描述

问题出现在一个SP18T的40GHz微波开关电路中。由于频率比较高，我们在设计中将开关直接露出机箱面板，这样可以最大限度地保证系统指标，同时也能降低成本，这也是设计开关矩阵的一般性方法。系统采用了一个SP3T和三个SP6T来组成一个SP18T的电路结构（图1）。

图1a) 电原理图

图1b) 面板结构

图1.40GHz的SP18T微波电路

这个电路的结构非常简单，只是在两个开关之间采用微波电缆跳线组成可切换的微波通路。其中微波电缆采用了0.086”规格的半刚电缆组件，接头为2.92mm，而开关采用了40GHz的机械开关。

但问题还就出在这里。

首先我们分别测试了微波电缆组件和开关的VSWR指标，都是在设计要求的范围之内，图2显示了两类器件的实测典型值。

图2a) 电缆组件

图2b) SP3T开关

图2c) SP6T开关

图2组成微波开关电路的器件VSWR实测值

图2所示的电缆组件的VSWR表现非常好，只有1.26左右，而开关的指标虽然不是很理想，但也可达到1.95。而当将电缆和开关串联起来后，在SP3T的Com端测试VSWR时，出现了奇怪的现象——VSWR居然达到了2.78（图3）。

图3 开关和电缆串联后系统的VSWR表现

问题的分析过程

1

从相位角度着手分析

我们首先想到的是从相位角度着手分析，考虑到可能原因是在传输通路上产生了某个波峰或者波谷点的叠加而造成VSWR的恶化。

如果这种可能性存在，根据微波传输线的二分之一波长的重复性和四分之一波长的变换性原理，只要在0~1/4波长范围内变化电缆的长度，如果VSWR发生显著变化，即可证实上述设想。

因为问题出在35.4GHz附近，首先要计算这个频率的波长约为8.4mm，按照介电常数为2.1折算波导波长约为5.8mm，1/4波长约为1.45mm。也就是说，要在0~1.45mm范围内变化电缆的长度来验证。从工艺上看，这么小的尺寸范围很难掌握相位的变化，即使尺寸很准确，焊接工艺所导致的相位变化也是无法控制的。

因此我们只能在通路中传入一个转接器来改变传输线的电长度，同时重新做了一条电缆组件，分别进行测试，虽然这两种方法具有随机性，但是也可以通过VSWR的变化来分析。实测结果表明，两种情况下，系统的VSWR和图3相比并无太多的变化（图4）。

图4a) 增加一个转接器

图4b) 更换新的电缆组件

图4.改变电缆的长度后系统的VSWR表现

从图3的结果看，相位的变化似乎和VSWR没有直接关系。

2

从复数阻抗角度的分析

另外一种分析方法就是从复数阻抗角度考虑，我们知道微波器件的复数阻抗可以表达为Z0=R+jX，其中实数部分R即为电阻；虚数部分X为电抗，容抗表示为XC，感抗表示为XL。如果两种器件均呈现容抗或者感抗，那么容抗或者感抗会产生叠加，使得Z0产生变化从而导致VSWR的恶化；如果两种器件分别呈现容抗和感抗，那么就会产生抵消从而导致VSWR变得更好。这实际上就是共轭匹配的情况。

我们分别对电缆组件和开关在阻抗圆图上观察其复数阻抗，结果发现两种器件均出现容性（图5）；继续将两种器件串联后进行测试，结果显示其发生了很大的变化（图6）！

图5a) 电缆组件

图5b) 开关

图5.电缆组件和开关的复数阻抗

图6.电缆组件和开关串联后的复数阻抗

我们以35.4GHz的情况进行分析（图中均标注为1）。图5a所示的电缆组件特性阻抗为48.408Ω，折算成驻波约为1.26，注意其虚数部分呈现789.52fF的容性；图5b所示的开关特性阻抗为72.459Ω，折算成驻波约为1.95，同样请注意其虚数部分呈现237.89fF的容性。两者串联后（图6）的特性阻抗为93.415Ω，折算成驻波约为2.78。

结论

至此，我们可以得出以下结论：

两种器件——电缆组件和开关串联后，由于其均出现容性，因此导致了特性阻抗的变化，从而表现为VSWR相对于单只器件的恶化。

问题原因找到了，接下来如何解决？如果这个问题出现在微带电路结构中，可以通过改变电路结构来调节电抗从而改善VSWR。但是对于一个同轴系统，似乎没有很好的解决办法。

对于一个微波路由电路而言，VSWR会造成额外的插入损耗，这部分插入损耗有一些波动并且无法修正，从而造成测试误差。本案例中，在VSWR较大的位置，插入损耗会有约±0.5dB的波动。对于这种情况，通常可以在测试通路中加一些衰减来加以改善。比如利用测试电缆自身的损耗，或者加一个3dB的衰减器，具体可以根据测试要求来考虑。

作者简介：朱辉，资深从业人士，福州博讯通总经理，著有《实用射频测试和测量》一书。

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