無源器件串聯狀態下的VSWR問題

前言

我們所遇到的射頻和微波測量系統幾乎都是50Ω的串聯繫統，這些測試系統都是由衰減器、功率分配器器、耦合器、開關等器件組成，其中當然少不了電纜組件。

駐波（VSWR）是考核系統性能的基本指標，通常我們會測試每個器件的VSWR，判定合格后裝入系統，最終測量各個面向用戶的埠的VSWR，以此作為測試系統的出廠指標。

但是最近我們遇到了一個奇怪的現象，兩個VSWR分別都合格的微波器件——電纜組件和開關串聯后的VSWR產生的較大的變化，經過各種實驗，基本上找到了原因，本文介紹描述了問題的現象、實驗方法及結果。

問題現象描述

問題出現在一個SP18T的40GHz微波開關電路中。由於頻率比較高，我們在設計中將開關直接露出機箱面板，這樣可以最大限度地保證系統指標，同時也能降低成本，這也是設計開關矩陣的一般性方法。系統採用了一個SP3T和三個SP6T來組成一個SP18T的電路結構（圖1）。

這個電路的結構非常簡單，只是在兩個開關之間採用微波電纜跳線組成可切換的微波通路。其中微波電纜採用了0.086」規格的半剛電纜組件，接頭為2.92mm，而開關採用了40GHz的機械開關。

但問題還就出在這裡。

圖1a) 電原理圖

圖1b) 面板結構

圖1.40GHz的SP18T微波電路

首先我們分別測試了微波電纜組件和開關的VSWR指標，都是在設計要求的範圍之內，圖2顯示了兩類器件的實測典型值。

圖2a) 電纜組件

圖2b) SP3T開關

圖2c) SP6T開關

圖2 組成微波開關電路的器件VSWR實測值

圖2所示的電纜組件的VSWR表現非常好，只有1.26左右，而開關的指標雖然不是很理想，但也可達到1.95。而當將電纜和開關串聯起來后，在SP3T的Com端測試VSWR時，出現了奇怪的現象——VSWR居然達到了2.78（圖3）。

圖3開關和電纜串聯后系統的VSWR表現

問題的分析過程

從相位角度著手分析

我們首先想到的是從相位角度著手分析，考慮到可能原因是在傳輸通路上產生了某個波峰或者波谷點的疊加而造成VSWR的惡化。

如果這種可能性存在，根據微波傳輸線的二分之一波長的重複性和四分之一波長的變換性原理，只要在0~1/4波長範圍內變化電纜的長度，如果VSWR發生顯著變化，即可證實上述設想。

因為問題出在35.4GHz附近，首先要計算這個頻率的波長約為8.4mm，按照介電常數為2.1折算波導波長約為5.8mm，1/4波長約為1.45mm。也就是說，要在0~1.45mm範圍內變化電纜的長度來驗證。從工藝上看，這麼小的尺寸範圍很難掌握相位的變化，即使尺寸很準確，焊接工藝所導致的相位變化也是無法控制的。

因此我們只能在通路中傳入一個轉接器來改變傳輸線的電長度，同時重新做了一條電纜組件，分別進行測試，雖然這兩種方法具有隨機性，但是也可以通過VSWR的變化來分析。實測結果表明，兩種情況下，系統的VSWR和圖3相比並無太多的變化（圖4）。

圖4a) 增加一個轉接器

圖4b) 更換新的電纜組件

圖4.改變電纜的長度后系統的VSWR表現

從圖3的結果看，相位的變化似乎和VSWR沒有直接關係。

從複數阻抗角度的分析

另外一種分析方法就是從複數阻抗角度考慮，我們知道微波器件的複數阻抗可以表達為Z0=R+jX，其中實數部分R即為電阻；虛數部分X為電抗，容抗表示為XC，感抗表示為XL。如果兩種器件均呈現容抗或者感抗，那麼容抗或者感抗會產生疊加，使得Z0產生變化從而導致VSWR的惡化；如果兩種器件分別呈現容抗和感抗，那麼就會產生抵消從而導致VSWR變得更好。這實際上就是共軛匹配的情況。

我們分別對電纜組件和開關在阻抗圓圖上觀察其複數阻抗，結果發現兩種器件均出現容性（圖5）；繼續將兩種器件串聯後進行測試，結果顯示其發生了很大的變化（圖6）！

圖5a) 電纜組件

圖5b) 開關

圖5.電纜組件和開關的複數阻抗

圖6.電纜組件和開關串聯后的複數阻抗

我們以35.4GHz的情況進行分析（圖中均標註為1）。圖5a所示的電纜組件特性阻抗為48.408Ω，折算成駐波約為1.26，注意其虛數部分呈現789.52fF的容性；圖5b所示的開關特性阻抗為72.459Ω，折算成駐波約為1.95，同樣請注意其虛數部分呈現237.89fF的容性。兩者串聯后（圖6）的特性阻抗為93.415Ω，折算成駐波約為2.78。

結論

至此，我們可以得出以下結論：

兩種器件——電纜組件和開關串聯后，由於其均出現容性，因此導致了特性阻抗的變化，從而表現為VSWR相對於單隻器件的惡化。

問題原因找到了，接下來如何解決？如果這個問題出現在微帶電路結構中，可以通過改變電路結構來調節電抗從而改善VSWR。但是對於一個同軸系統，似乎沒有很好的解決辦法。

對於一個微波路由電路而言，VSWR會造成額外的插入損耗，這部分插入損耗有一些波動並且無法修正，從而造成測試誤差。本案例中，在VSWR較大的位置，插入損耗會有約±0.5dB的波動。對於這種情況，通常可以在測試通路中加一些衰減來加以改善。比如利用測試電纜自身的損耗，或者加一個3dB的衰減器，具體可以根據測試要求來考慮。