高功率电阻的直流功率和射频功率测试

电阻产品的特性随着市场需求的不断提高而越来越好。除了小尺寸上承受的高耗散功率外，无源器件还必须可以工作在高峰值功率的压力下。随着无线检测和测距的（雷达）应用在工业领域，包括商用部分，变得越来越流行，峰值功率的需求也持续发展，并且有希望在某些时候变得标准化。除了传统的雷达应用外，许多现代的无线通信也开始采用突发传输这样的技术。这就直接导致在传输的过程中会出现较高的峰值功率电平。为保证产品的寿命，按照产品需要所特别设计和生产的无源产品需要承受更高的峰值功率。

 

本文主要介绍世强代理的EMC-Rflabs相关电阻产品直流功率和射频功率的测试方法，希望能对工程师在通信系统中使用电阻类产品时提供一些帮助。

 

高功率电阻的直流测试方法

电阻的功率容量有多种测试方法。最常用的是直流功率测量法。由于在实际应用中，电阻是工作在射频功率下，因此这种方法不是最具有代表性的测试方法。然而在电阻的设计阶段，不仅可以获得相关的模型，而且相关的因子还可以应用到射频功率的测试结果中。正是这个相关的因子，可以允许直流功率测试用来代替射频功率测试。

当测试工作在高功率电平下的电阻时，测试设备需要外加衰减器。另外，只有专业的仪器操作人员才可以操作设备。常用的直流功率测试框图如图1。

图1：常用的直流功率测试框图

认证一个电阻需要严格的测试方法。首先，在加功率之前扫描器S参数，为以后的测试建立一个参照点。然后加合适的直流功率到电阻上进行功率耗散测试。法兰型电阻/负载需要安装在散热片上。散热片可以采用水冷或者放置在热/冷空气中的方式。无论哪种方式，散热路径都应该是通过法兰。见图2，是EMC Rflabs公司生产的料号为32-1123的法兰型负载。请特别注意法兰和散热片之间的导热硅脂，其主要是用来填充法兰和散热片之间的空气间隙。

图2：法兰型负载法兰和散热片之间的导热硅脂

在法兰和电阻片的连接处需放置一个温度探测器。其必须放置在法兰的温度最高点上，这非常重要。它是功率测试中的温度控制点，也常被称为基准特性温度。典型放置方式见图2。在图中，陶瓷上盖也有一个温度探测器，其同样出于参考的目的。随着耗散功率的增加，电阻的温度也逐渐上升，当到达测试计划需要的温度点后，开始保持温度不变。标准的基准特性温度一般定义为100℃±3℃，非标的测试温度，为满足专门的测试和客户需求，可以高达250℃。测试时间按照测试计划设定。一般新材料的验证为几千小时，新的PCB和原图的验证为几小时。测试数据的模板举例见图3。最后，高功率测试完成后，再次测试产品的S参数，并且和开始阶段的数据进行比对，确保电阻的射频特性没有改变。

图3：功率测试数据

直流功率和射频功率比较

 

典型的电阻功率测试，如图4，使用直流电流源进行测试就可以了。当在直流条件下进行测试时，穿过同质电阻膜的电流，会在方形的电阻上均匀流动。电阻是同质的材料，因此每个电阻区域的ΔA是相同的，也就具有相同的耗散功率ΔP。比如，如果全部的平均耗散功率为P瓦（W），表面面积为Acm²，那么电阻膜是一直在均匀的耗散着P/A W/cm²的功率。用热的理论来看，电阻膜就是一个均匀的、表面发热器。热能产生的速度等同于电能消耗的速度。只要穿过电阻的表面电流是均匀的，这样的直流测试条件就是符合要求的。

图4：使用直流电流源进行典型的电阻功率测试

当电阻的几何尺寸相较于工作频率的波长显得比较大，方形电阻上的电流密度就不是均匀的分布，需要更进一步的分析如何使直流功率的测试条件生效。因此，直流功率耗散无法完全代替实际的射频功率耗散。

具体的例子见下面的图。将EMC-Rflabs公司生产的料号为32-1123的法兰型负载图的电阻通过EM仿真来建立一个3D的模型。其在不同频率下的表面平均电流密度见图5。

图5：料号为32-1123的法兰型负载在不同频率下的表面平均电流密度

针对没有时变元件的信号系统，比如直流，其表面电流的形状就如同我们期望的，在最短的路径上分布着最高的电流密度，主要是由于其具有最短的电长度。然而，当工作频率增加到2GHz及其以上时，电流密度的分布发生了改变，其在电阻的表面形成了类似“热点”的形状。由于电阻的固定损耗，相比于其它区域，高电流集中的区域会消耗更多的射频能量。因此，在电阻的表面存在如此大的、不均匀的热分布需要对产品的发热性和机械性有更多的关注。