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【Tech Tip】什麼是 RF 負載:射頻負載的複雜傳承和技術演進

Bird RF 生產各種不同種類的負載!從低功率實驗室用負載到高功率負載,風冷和水冷負載,脈衝負載、和連續訊號負載,滿足各種測試情境與應用所需,因此,可以說 Bird RF 對負載非常了解!

大多數使用者將負載視為線路末端的電阻器,只有這樣而已;Bird RF 作為負載專家,在這裡與您分享,負載比表面上看到的要多得多,所以讓我們更深入地了解一下這個謙卑的負載,探索這個無價的元件。


關於負載的簡史

要真正了解負載,必須了解負載的由來以及理解射頻能量傳輸線的概念,讓我們從圖 1 中看到的射頻能量傳輸線開始,一個用於射頻能量傳輸的線路可視為由無限多個增量串聯的電感所組成,每個電感都由一個電容器分流;這些電感和電容的值取決於線路的物理結構,但無論如何,但任何一種構造都具有一個特徵阻抗,其公式為 Z0=√(L/C),在沒有能量損耗的情況下,這個特徵阻抗將是純電阻。

任何一種構造都具有一個特徵阻抗,其公式為 Z0=√(L/C)

如果線路是空氣填充的,它由一個位於直徑比為 2.3 的中空管中心的導體組成,每英寸具有4.2 nh (nanohenries) 的串聯電感和1.69 pF (picofarads) 的分流電容。


當射頻波沿著這條線行進時,如果它在整個路徑上都遇到了50歐姆的阻抗 (對於50歐姆的同軸電纜來說,特性阻抗就是50歐姆),那麼它將以無反射的方式傳播,有許多方法可以確保這一點;最簡單的方法,也可能是最早的方法,是將線路無限延長(或幾乎如此),由於電纜永遠不是無損耗的,當工程師需要對發射機進行「停用」維護或調整時,他們會在天線的位置上連接一條大綑的電纜,希望大部分能量會在電纜損耗中被消耗,而不會到達線捆的開放端,這種方式確保了在調整或維護過程中,不會產生任何干擾的射頻訊號,因為它們會被吸收或耗散在電纜中,而不會傳送到天線上;雖然這種方法起到了作用,然而,這個方法的問題是,它仍然是一個開放的線路,射頻能量可能會在電纜中產生反射,尤其是當導體結束時。為了解決這個問題,改進的技術包括將電纜的中心導體做成具有電阻性,在射頻能量到達電纜結束時,它會被中心導體中的電阻所吸收,而不會反射回去,從而將無限縮小到可控範圍內!工程師可以更可控地進行調整或維護,而不必擔心射頻能量的反射問題。


然而,實際上,真正的無限長線路是不存在的,無論多長的電纜都會有損耗,因此無法提供完全無限的特性阻抗;所以,工程師們開始尋找一種方法,即如何用一個可用的元件模擬近似無限長線路的特性阻抗,而那個時候,可用的電阻無法完美地達到這一目標;唯一的問題是,在當時沒有可用的電阻看起來像無限長的線路,換句話說,像純電阻。

固體棒狀電阻因為射頻頻率的增加而改變阻值,這是因為電流會集中在表面;為了克服這個問題,業界很快開發了帶有塗層的薄膜電阻器,這些表面塗層具有非常低的射頻電流穿透深度,是射頻電流的1/100甚至1/1000以下;唯一剩下的問題是如何將電阻器安裝在線路的末端而不產生任何不希望的電抗,幸運的是,專利記錄中有許多解決這個問題的方法。

固體棒狀電阻

首先,在中心導體的末端安裝了一個電阻器,然後線路突然終止(見圖2),這對低頻運作良好,因為在低頻時,電阻器末端的阻抗變化較小,而且電感和電容的影響相對較小;當圍繞電阻器的線路尺寸被選定為 R/√3 (例如 50/√3= 29 歐姆)時,這種設計在最小波長的15倍長度範圍內有效;換句話說,一個12英寸長的電阻器,它的性能可以保持到大約65 MHz 的頻率,然而,隨著頻率的增加,電感和電容的影響變得更加顯著;當尺寸為R/√5(例如50/√5= 22歐姆),但反應的特性稍有變化,因為阻值設計為22歐姆,這導致阻抗的實部保持穩定,並且在比之前高約2.5倍的頻率範圍內仍然維持在50歐姆,但此時也引入了一個電容性反應,這表示阻抗不僅包括一個純電阻性成分,還包括一個電容性成分,這將對高頻訊號產生影響,因為電容性反應會導致相位失真和反射;這一問題可透過添加一個短的串聯電感來校正(見圖3)並擴展電阻器的工作頻率範圍,這樣12英寸長的電阻器現在可用於160 MHz。

添加一個短的串聯電感來校正
添加一個短的串聯電感來校正

到了這個時候,顯然地為了建造一個頻率無關的匹配終端,電阻的外殼應在其任何一點都與之匹配;這推動了圖 4 和圖 5 的發展,在這裡,線路在電阻的起始處具有 50 歐姆的阻抗,在中點為 25 歐姆,結束處為0歐姆,直徑比例是根據 er/60 計算的,其中 r 代表從任何橫截面到電阻結束之間的剩餘電阻;對於圓柱形中央電阻的外殼(圖4),其形狀呈指數型;直到今天,這仍然是我們幾乎所有負載、瓦特表、和衰減器的製造方式!(圖5則是一個理論上的概念,雖然不太實用,其中使用了指數型的內導體,並將其包圍在一個外部的電阻中,但這種設計並不常見,因為它在實際應用中存在挑戰。)

圓柱形中央電阻
圓柱形中央電阻
圖5則是一個理論上的概念
圖5則是一個理論上的概念

在厘米波段 (centimeter) 的頻率(3 GHz及以上),固體吸收性材料在提高功率額定值 (高功率負載) 方面具有一些優勢,在可用的微波吸收材料之前,一些實驗者自己混合材料,如圖 7 和 8 所示的錐形結構所使用的材料。我們在本文末提供了一份使用 Aquadag 塗層砂的配方(如果您有自行實驗的興趣!),這種材料曾用於第一個高功率的10厘米波負載。

較低功率負載的一個有趣且幾乎理想的配置是錐形電阻器(如圖6所示)和圓盤電阻器,在這兩種設計中,它們的形狀類似錐形,或者圓盤電阻器的情況下,形狀是一個包括角度增加到180度的錐形;然而,這些設計存在一個主要缺點,即功率的散熱不均勻分布,大部分的熱量會產生在靠近中心導體的地方,因為那裡的表面積相對較小,熱傳導較困難;這可能導致中心部分的溫度升高,而不均勻的熱量分佈可能對某些應用造成問題,特別是在高功率或長時間操作的情況下;因此,在選擇負載元件時,需要考慮功率分佈以確保正確的操作和散熱。

錐形電阻器
錐形電阻器

現代的負載元件


儘管貌似簡單,負載元件卻在我們的行業中擁有複雜的遺產,有著許多變體,但我們更偏好圖4中的精簡版本;指數外殼非常接近理論或期望的形狀,以實現特定的性能或功能,而雖然不是完美的,但已經足夠接近以達到預期的效果,特別是當電阻器比外殼直徑長得多時。當電阻器很短時,外殼內部的電場線,它們是垂直於外殼表面的,並且幾乎垂直於電阻膜(負載的一部分)的方向,其曲率成為一個重要考慮因素且不能再被忽略,外殼的設計可能需要更複雜,以考慮這些曲率效應。外殼的形狀被描述為一種曲線,這種曲線的特點是,從曲線上的任何一點到曲線的軸(中心線)上的點的切線長度保持不變,軸的切線長度是一個常數,這種形狀被描述為一個拋物線。

儘管它們有許多名稱,包括“終端電阻器 (termination resistors)”和“虛擬電阻 (dummies)”,負載可能看起來很簡單,但在我們的產業中擁有豐富而複雜的歷史! 進一步了解 Bird RF 所提供適合各種應用的負載 (終端器) 解決方案


錐形結構
錐形結構
Aquadag 塗層砂的配方
Aquadag 塗層砂的配方

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