测试技术
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12-19
2023
射频探针承载功率浅析.V1.0
目录
1.射频探针承载功率含义
2.射频探针承载功率的频率相关性
3.占空比模式下探针载波等效功率
1.射频探针承载功率含义
在射频探针的众多指标中可以看到这么一条，某某型号的探针承载的功率值。举个例子，可能是30W。这个值就是探针的载波功率，和频率相关，依和探针最高工作温度相关。试问，为何探针具有载波功率的限制呢，因为探针在传递载波的过程中也会损耗，会产生热量。当热量聚集到一定程度不能有效释放，会导致探针发生某些物理上的不可逆损伤。这其实和一段射频电缆，一个连接器的载波原理相同的。射频探针是三种传输结构的转变，同轴结构-微带/带状-空气介质的共面波导结构。由于模场的非连续性，因此理论上不是一个完全的50ohm系统，因此存在串联电阻、寄生感性和容性参数。射频探针承受功率能力很大程度上与针尖关系十分大，纯电阻部分通过射频功率时会生热，属于有功损耗，寄生电容、电感仅做无功功率转换和调节。
图1各种探针承受载波功率参数
进一步地看，探针可以等效一个集总无源网络，由于探针具有十分宽的带宽，因此可能是需要等效一个N节网络才能表征其带宽。输入到探针的电压、功率为U1、S1，从探针针尖输出的功率为U2，S2。探针承载的功率用S1来表征。其中这些均为复功率、复电压，也就是说即包含有功功率，也含有无功功率，电压也可能含有相位。举个例子，输入电压112.14∠0.62°V，11.95+j4.3 VA，输出电压11∠0°V，11.95.5j VA。
2.射频探针承载功率的频率相关性
探针承载的射频功率与频率是相关的，频率越高，承载的功率会降低。
以ACP探针为例，给出了这一段描述：
造成这种现象主要原因是频率越高，导体的趋肤效应更明显了，流动的自由电荷被束缚在了距离导体表层一定深度的区域内，减小了自由电荷流动的截面积，相当于增大了电阻。另外一点是，在趋肤深度内，电荷密度也不是沿截面均匀分布，而是随着趋肤深度的增加呈现指数低减小。另外一点，趋肤深度δ越薄，与频率的平方根成反比。
以ACP探针为例，手册给出30W 2.4 GHz,>10W 18 GHz,>7.5W 26.5 GHz
以30W 2.4GHz为基础，来推算18GHz的情况：
首先，趋肤深度减小(18/2.4)^0.5=2.74倍，那么意味着通过探针针尖处的射频电流横截面积减小至1/2.74,相当于电阻增大2.74倍，那么当频率为18GHz时，承载功率为30W/2.74=10.9W。由于我们是用线性方式简单地推算的，探针针尖两侧的电荷密度减小应该是指数关系，通过积分可以计算出严格的截面积，显然这个值比2.74大一些。频率越高，使用线性方式计算的误差越大。
以10W 18GHz为基础，来推算26.5GHz的情况：
(26.5/18)^0.5=1.21，10W/1.21=8.2W，显然大了一点。与手册上给出的有一定偏差，与将趋肤效应深度内的电荷等效为均匀的有关，因为本质上是指数递减的。
3.占空比模式下探针载波等效功率
问题，当输入到探针的功率S1为100W，持续率10%的载波，那么等效持续100%的载波的功率相当于多大？
通过一个无源网络，其中电阻部分为R,有两种模式。第一种模式电流为i1，持续率为e1第二种模式电流为i2，持续率为e2。两种模式下等效焦耳热相等，那么电流i1和i2之间的关系如下：
R*i1*i1*e1=R*i2*i2*e2，那么i1/i2=（e2/e1）0.5。
那么两种模式下的功率关系：
P1/P2=（U*i1）/（U*i2）=i1/i2=（e2/e1）0.5。
如果第一种模式是持续率100%（占空比100%），那么得出P1=P2*（e2）0.5。
回到初始问题上来，P1=100W*0.10.5=31.6W。
下面看三个应用：
1.5GHz-6GHz，占空比10%，功率100W,等效连续波模式下功率100W*0.10.5=31.6W 5-6GHz；
2.2GHz-4GHz，占空比10%，功率200W,等效连续波模式下功率200W*0.10.5=63.2W 3-4GHz；
3.1GHz-2GHz，占空比40%，功率30W,等效连续波模式下功率30W*0.40.5=19.0W 1-2GHz；
考虑到频率的影响，结合趋肤效应计算，分别计算中心频点附近5.5GHz、3.5GHz、1.5GHz承受的功率如下：
1.5GHz下：(1.5/2.4)^0.5=0.79,30W/0.79=37.9W>19.0W,ACP探针OK。
3.5GHz下：(3.5/2.4)^0.5=1.21,30W/1.21=24.8W<63.2W,ACP探针不满足。
5.5GHz下：(5.5/2.4)^0.5=1.51,30W/1.51=19.8W<31.6W,ACP探针不满足。
若选择Z High Power型探针，手册上给出在2GHz时可以耐受65W。
1.5GHz下：(1.5/2.0)^0.5=0.87,65W/0.87=75.1W>19.0W,Z High Power探针OK.
3.5GHz下：(3.5/2.0)^0.5=1.32,65W/1.32=49.2W<63.2W,Z High Power不满足。
3.0GHz下：(3.0/2.0)^0.5=1.22,65W/1.22=53.2W<63.2W,Z High Power不满足，相差10W.左右。If 200W降低到150W附近，可以满足。
5.5GHz下：(5.5/2.0)^0.5=1.66,65W/2.74=39.2W＞31.6W,Z High Power探针OK.。
总结：上述三种应用，建议选择Z High Power探针，但是针对200W，占空比为10%的载波信号而言，还是不能很好地满足。要么降功率至150W，要么重新调整占空比更低。但是总的来说，Z High Power是比较好的选择。
最后一点，探针承载100W/200W/30W功率，是有功功率还是视在功率也是有区别的。
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