射頻變壓器阻抗不是常用50歐姆,該怎樣高精度測(cè)試?
發(fā)布時(shí)間:2020-07-30 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】射頻變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗、電壓、電流的變換,且具有隔直(流)、共模抑制及單端轉(zhuǎn)差分(或稱為非平衡轉(zhuǎn)平衡)功能,所以被廣泛應(yīng)用于射頻電路諸如推挽放大器、雙平衡混頻器及A/D ICs中。對(duì)于這類阻抗變換器件,其單端阻抗往往不是50 Ohm,給性能測(cè)試制造了重重困難。
射頻變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗、電壓、電流的變換,且具有隔直(流)、共模抑制及單端轉(zhuǎn)差分(或稱為非平衡轉(zhuǎn)平衡)功能,所以被廣泛應(yīng)用于射頻電路諸如推挽放大器、雙平衡混頻器及A/D ICs中。對(duì)于這類阻抗變換器件,其單端阻抗往往不是50 Ohm,給性能測(cè)試制造了重重困難。
相對(duì)于傳統(tǒng)back-to-back這種背靠背測(cè)試方法的局限性,下面將為大家展示一種基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試方法。
使用這兩項(xiàng)功能可以很有效地測(cè)試射頻變壓器的性能指標(biāo)。
射頻變壓器一般由兩個(gè)或多個(gè)彼此絕緣的銅導(dǎo)線繞至在磁芯上而成,通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)功率由初級(jí)(Primary)到次級(jí)(Secondary)的傳輸。圖1給出了射頻變壓器的等效電路,假設(shè)初級(jí)線圈繞線匝數(shù)為N1,次級(jí)線圈繞線匝數(shù)為N2,則滿足如下關(guān)系:
N2 / N1 = n, V2 = n × V1, I1 = n × I2 (式1)
輸入、輸出阻抗變換比為:Zout / Zin = (N2 / N1)2 (式2)
圖1. 射頻變壓器等效電路
如何測(cè)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(duì)于這樣的變壓器,可以將其當(dāng)作一個(gè)Balun,測(cè)試參數(shù)包括:插損、回?fù)p、CMMR、幅度和相位不平衡特性等。
對(duì)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(cè)試模式下測(cè)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(cè)射頻變壓器匹配的。但是對(duì)于單端阻抗不是50 Ohm的變壓器,如何有效測(cè)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(cè)件與矢網(wǎng)之間的端口匹配。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是,直接使用兩個(gè)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(cè)得的插損取一半即為單個(gè)變壓器的插損。該方法能夠測(cè)試變壓器的插損和回?fù)p,但是無法有效測(cè)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(cè)試)
或者使用如圖2所示的阻抗變換器,使用兩個(gè)電阻搭建Mini-Loss Matching PAD。如果平衡端差分阻抗為200 Ohm,則對(duì)應(yīng)的單端阻抗為100 Ohm。R1和R2的取值要同時(shí)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(cè)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(gè)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(cè)試裝置示意圖
校準(zhǔn)完成后,測(cè)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(shí),測(cè)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(shí)的應(yīng)用。
圖4. 使用阻抗變換器時(shí)的測(cè)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(cè)試非50 Ohm系統(tǒng)阻抗下的S參數(shù)。其大致原理:首先測(cè)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(duì)測(cè)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(duì)應(yīng)的S參數(shù)。如此,就不需要外部的阻抗變換器,使得測(cè)試更加靈活。
對(duì)于射頻變壓器,輸出為差分形式,設(shè)計(jì)測(cè)試評(píng)估板時(shí),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(duì)測(cè)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(cè)件pin處。這一點(diǎn)很重要,尤其對(duì)于差分端,因?yàn)樵u(píng)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(cè)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(cè)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(shí)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(duì)差分端口;如果待測(cè)件輸入側(cè)單端阻抗不是50 Ohm,建議對(duì)單端端口也作端口延伸;
③ 最后進(jìn)入虛擬差分測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)影響對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制能力。對(duì)于圖1所示的這種次級(jí)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(cè)試結(jié)果
圖7#變壓器幅度和相位不平衡特性測(cè)試結(jié)果
圖8#變壓器插入損耗和回波損耗測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)較好。圖10給出了共模抑制比CMRR的測(cè)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(cè)試結(jié)果,使得測(cè)試更加方便。
圖9#變壓器幅度和相位不平衡特性測(cè)試結(jié)果
圖10#變壓器CMRR測(cè)試結(jié)果
通過以上兩個(gè)測(cè)試實(shí)例表明,對(duì)于這種單端阻抗非50 Ohm的射頻變壓器測(cè)試,與傳統(tǒng)的back-to-back測(cè)試法及阻抗變換器測(cè)試法相比,使用矢網(wǎng)絡(luò)分的虛擬差分測(cè)試模式及端口延伸等功能將更加方便,可以在不改變測(cè)試裝置的情況下,直接測(cè)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(jiǎn)化了射頻變壓器的測(cè)試。
射頻變壓器的測(cè)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(jí)線圈PRI端為單端,次級(jí)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(gè)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(duì)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(cè)試計(jì)算出待補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性,從而使得測(cè)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(cè)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(cè)試夾具。之所以將TRL校準(zhǔn)件與測(cè)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(cè)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(shí)間會(huì)專門介紹,此處僅作簡(jiǎn)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(cè)試,這類器件的測(cè)試需要借助于測(cè)試夾具或者評(píng)估測(cè)試板,而TRL可以直接將測(cè)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(zhǎng)度設(shè)計(jì)為為測(cè)試夾具中DUT兩側(cè)PCB走線的長(zhǎng)度之和,此處假設(shè)這兩段走線長(zhǎng)度相同;將反射校準(zhǔn)件Reflect的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為Through長(zhǎng)度的一半。
在矢網(wǎng)中將Through的電長(zhǎng)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(shí),矢網(wǎng)的兩個(gè)端口是連接的同一個(gè)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(zhǎng)度的差異。該校準(zhǔn)方式要求Line與Through的電長(zhǎng)度之差不能為中心頻率半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,否則校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中會(huì)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(hào)在基板中的相速度,l 為L(zhǎng)ine與Through的電長(zhǎng)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。
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