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如何測試射頻變壓器的性能呢？

 

大多數(shù)射頻變壓器可以實(shí)現(xiàn)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換，對于這樣的變壓器，可以將其當(dāng)作一個Balun，測試參數(shù)包括：插損、回?fù)p、CMMR、幅度和相位不平衡特性等。

 

對于單端阻抗為50 Ohm、差分阻抗為100 Ohm的變壓器，可以直接在矢網(wǎng)的虛擬差分測試模式下測試，因?yàn)槟J(rèn)情況下，失網(wǎng)在虛擬差分模式下的單端阻抗和差分阻抗是與待測射頻變壓器匹配的。但是對于單端阻抗不是50 Ohm的變壓器，如何有效測試其性能呢？

 

如果射頻變壓器的單端阻抗不是50 Ohm，需要考慮待測件與矢網(wǎng)之間的端口匹配。傳統(tǒng)的測試方法是，直接使用兩個相同的射頻變壓器back-to-back布置，從而實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，如下圖所示測得的插損取一半即為單個變壓器的插損。該方法能夠測試變壓器的插損和回?fù)p，但是無法有效測試CMMR和幅度、相位不平衡特性。

 

（傳統(tǒng)back-to-back法射頻變壓器測試）

 

或者使用如圖2所示的阻抗變換器，使用兩個電阻搭建Mini-Loss Matching PAD。如果平衡端差分阻抗為200 Ohm，則對應(yīng)的單端阻抗為100 Ohm。R1和R2的取值要同時保證，從DUT輸出向矢網(wǎng)看去的輸入阻抗為100 Ohm，及從矢網(wǎng)向DUT看去的輸入阻抗為50 Ohm。圖3給出了相應(yīng)的測試裝置示意圖，采用UOSM校準(zhǔn)方式。Port1與Port2、Port4之間的直通校準(zhǔn)，也需要連接一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)端口之間的匹配。

 

圖2.  Mini-Loss Matching PAD

 

圖3.  采用阻抗變換器的測試裝置示意圖

 

校準(zhǔn)完成后，測試了某一款射頻變壓器的插損、回?fù)p等參數(shù)，如圖4所示。低頻時，測試結(jié)果與規(guī)格指標(biāo)比較一致，但是隨著頻率的提高，偏離規(guī)格指標(biāo)越來越大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻抗變換器所使用的電阻的頻率特性較差，電阻值隨頻率的增加變化較大，這限制了該方法在高頻時的應(yīng)用。

 

圖4.  使用阻抗變換器時的測試結(jié)果

 

目前大部分矢網(wǎng)都支持更改端口參考阻抗，在一定條件下，這允許測試非50 Ohm系統(tǒng)阻抗下的S參數(shù)。其大致原理：首先測試50 Ohm系統(tǒng)阻抗下的S參數(shù)，然后根據(jù)所設(shè)置的端口參考阻抗，對測試數(shù)據(jù)作相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換，從而得到其它系統(tǒng)阻抗對應(yīng)的S參數(shù)。如此，就不需要外部的阻抗變換器，使得測試更加靈活。

 

對于射頻變壓器，輸出為差分形式，設(shè)計(jì)測試評估板時，PCB走線的阻抗及線間距均應(yīng)按照一定的規(guī)則布置，以減少對測試結(jié)果的影響。但實(shí)際中，這一點(diǎn)往往很難滿足。為此，校準(zhǔn)完成后，需要執(zhí)行Offset功能，將校準(zhǔn)參考面延伸至待測件pin處。這一點(diǎn)很重要，尤其對于差分端，因?yàn)樵u估板走線一般是按照50 Ohm進(jìn)行阻抗控制的，而射頻變壓器差分輸出端的單端阻抗往往不是50 Ohm，如果不作Offset，則測試結(jié)果將偏差很大。

 

圖5.  Offset示意圖

 

1射頻變壓器參數(shù)如下：

 

輸入單端阻抗：50 Ohm

阻抗變換比：1：4

頻率范圍：0.5MHz~600MHz

帶內(nèi)插損 (Spec.)：≤ 3dB

 

測試步驟：

 

① 首先設(shè)定頻率范圍，并執(zhí)行系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，此時按照默認(rèn)的50 Ohm端口參考阻抗即可；

② 然后執(zhí)行端口延伸功能，尤其是對差分端口；如果待測件輸入側(cè)單端阻抗不是50 Ohm，建議對單端端口也作端口延伸； 

③ 最后進(jìn)入虛擬差分測試模式，并將差模、共模阻抗按照變壓器的實(shí)際阻抗值輸入。

 

 

圖6和圖7分別給出了待測射頻變壓器的插入損耗、回波損耗及幅度和相位不平衡特性測試結(jié)果，其中插入損耗在全頻段滿足規(guī)格指標(biāo)，但是在高頻處，幅度和相位不平衡特性較差，這會影響對共模干擾信號的抑制能力。對于圖1所示的這種次級含有中心抽頭的射頻變壓器，一般建議將中心抽頭接地，可以改善幅度和相位不平衡特性。

 

圖6#變壓器插入損耗和回波損耗測試結(jié)果

 

圖7#變壓器幅度和相位不平衡特性測試結(jié)果

 

圖8#變壓器插入損耗和回波損耗測試結(jié)果

 

2射頻變壓器參數(shù)如下：

 

輸入單端阻抗：50 Ohm

阻抗變換比：1：1

頻率范圍：0.4MHz~500MHz

帶內(nèi)插損 (Spec.)：≤ 3dB

 

按照上面所描述的測試步驟，經(jīng)校準(zhǔn)、端口延伸，并將差模和共模阻抗分別設(shè)置為50 Ohm、12.5 Ohm后，測試結(jié)果如圖8、9所示，插損滿足規(guī)格指標(biāo)，幅度和相位不平衡特性也相對較好。圖10給出了共模抑制比CMRR的測試結(jié)果，這是使用矢網(wǎng)的Trace Math功能得到的結(jié)果，現(xiàn)在矢網(wǎng)已經(jīng)支持直接顯示CMRR測試結(jié)果，使得測試更加方便。

 

圖9#變壓器幅度和相位不平衡特性測試結(jié)果

 

圖10#變壓器CMRR測試結(jié)果

 

通過以上兩個測試實(shí)例表明，對于這種單端阻抗非50 Ohm的射頻變壓器測試，與傳統(tǒng)的back-to-back測試法及阻抗變換器測試法相比，使用矢網(wǎng)絡(luò)分的虛擬差分測試模式及端口延伸等功能將更加方便，可以在不改變測試裝置的情況下，直接測試變壓器的插入損耗、回波損耗、幅度和相位不平衡特性以及共模抑制比CMRR等，極大程度簡化了射頻變壓器的測試。

 

射頻變壓器的測試雖然可以當(dāng)做balun，射頻變壓器仍然比較特殊，因?yàn)榫哂凶杩棺儞Q比，比如1:1、1:2、1:4等，而且單端阻抗不一定為常用的50 Ohm系統(tǒng)阻抗。那么射頻變壓器的差分阻抗和共模阻抗是多少呢？

 

圖11給出了射頻變壓器的典型示意圖，初級線圈PRI端為單端，次級線圈SEC端為平衡端。假設(shè)輸入阻抗(單端阻抗)為50 Ohm，阻抗變換比為1:2，則差分阻抗為輸入阻抗與阻抗比之積，為100 Ohm，共模阻抗差分阻抗的四分之一，即25 Ohm。

 

圖11.  典型的射頻變壓器示意圖

 

這是射頻應(yīng)用中經(jīng)常用到的balun，單端50 Ohm/差分100 Ohm。射頻變壓器的阻抗比多種多樣，單端阻抗也不一定是50 Ohm，表1給出了幾個不同阻抗變換比和輸入阻抗的例子，以便于理解。

 

表1. 多種阻抗比和輸入阻抗對應(yīng)的差模和共模阻抗 

 

之所以關(guān)注這些參數(shù)，是因?yàn)樵谑妇W(wǎng)端口參考阻抗設(shè)置中需要分別設(shè)定。

 

介紹完差分阻抗和共模阻抗的計(jì)算方法之后，下面再聊一聊矢網(wǎng)的端口延伸技術(shù)——Offset。Offset功能是有一定前提的，即認(rèn)為被補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)(比如PCB走線)是理想的：(1) 非色散；(2) 在校準(zhǔn)參考面處理想匹配；(3) 互易。

 

Offset功能根據(jù)反射測試計(jì)算出待補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，從而使得測試參考面延伸至DUT的pin.  因其應(yīng)用基于一些理想的情況，所以是有局限性的，精度也是有限的。

 

除了使用Offset功能外，還有一種精度更高的校準(zhǔn)方法——自制TRL校準(zhǔn)件，可以直接將測試參考面校準(zhǔn)至DUT的pin處。圖12給出了自制TRL校準(zhǔn)件的示意圖，包含Through、Reflect(一般設(shè)計(jì)為開路)、Line校準(zhǔn)件及測試夾具。之所以將TRL校準(zhǔn)件與測試夾具制作在一起，是因?yàn)檫@樣可以最大程度規(guī)避加工誤差及介質(zhì)基板均勻性等因素給測試帶來的影響。

 

圖12.  自制TRL校準(zhǔn)件示意圖

 

關(guān)于TRL校準(zhǔn)，后面有時間會專門介紹，此處僅作簡要說明。TRL校準(zhǔn)方式非常適用于SMT表貼這種非同軸連接的DUT測試，這類器件的測試需要借助于測試夾具或者評估測試板，而TRL可以直接將測試參考面校準(zhǔn)至pin處，那么如何做到這一點(diǎn)呢？

 

能否校準(zhǔn)至pin處，與TRL校準(zhǔn)件的尺寸設(shè)計(jì)及矢網(wǎng)中設(shè)置的校準(zhǔn)件參數(shù)有關(guān)。比如，將Through的長度設(shè)計(jì)為為測試夾具中DUT兩側(cè)PCB走線的長度之和，此處假設(shè)這兩段走線長度相同；將反射校準(zhǔn)件Reflect的長度設(shè)計(jì)為Through長度的一半。

 

在矢網(wǎng)中將Through的電長度設(shè)置為0，就相當(dāng)于選擇pin處為校準(zhǔn)參考面。Reflect的參數(shù)可以不用設(shè)置，TRL校準(zhǔn)不需要已知其參數(shù)，只要保證校準(zhǔn)時，矢網(wǎng)的兩個端口是連接的同一個Reflect校準(zhǔn)件即可。一般將Reflect設(shè)計(jì)為開路。

 

TRL校準(zhǔn)件存在適用的校準(zhǔn)頻率范圍，這取決于Line與Through電長度的差異。該校準(zhǔn)方式要求Line與Through的電長度之差不能為中心頻率半波長的整數(shù)倍，否則校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中會存在壞值。從相位的角度講，在中心頻率處，一般建議二者的相差在20°~160°之間。由此可以推算出適用的頻率范圍為：

 

f_start=1/18 ∗ c/l ， f_stop=4/9 ∗ c/l 

 

式中，c為信號在基板中的相速度，l 為Line與Through的電長度之差。

 

為了擴(kuò)展適用的頻率范圍，還可以使用多條Line，例如圖10中使用兩條Line。甚至再引入Match校準(zhǔn)件，從而完成向更低頻率的擴(kuò)展。