射頻變壓器網(wǎng)分測(cè)試方法

2016-12-27 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

射頻變壓器是能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗、電壓、電流變換的無(wú)源器件,而且具有隔直流、共模抑制及單端轉(zhuǎn)差分(或稱為非平衡轉(zhuǎn)平衡)等功能,因此廣泛應(yīng)用于射頻電路諸如推挽放大器、雙平衡混頻器及ADC ICs。射頻變壓器具有一定的阻抗變換比,而且其單端阻抗往往不是50Ohm,這給其性能參數(shù)測(cè)試造成了一定的困難。

鑒于傳統(tǒng)back-to-back這種背靠背測(cè)試方法的局限性,本文介紹了一種基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZNB的測(cè)試方法,該方法使用虛擬差分測(cè)試模式及端口延伸(Offset)功能,能夠在不改變測(cè)試裝置的情況下測(cè)試射頻變壓器的插入損耗、回波損耗、共模抑制比等性能指標(biāo)。

射頻變壓器具有阻抗變換、隔直流、抑制共模干擾及實(shí)現(xiàn)平衡與非平衡轉(zhuǎn)換等功能,廣泛應(yīng)用于各種射頻電路中。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(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)功率由初級(jí)線圈到次級(jí)線圈的傳輸。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)非平衡到平衡的轉(zhuǎn)換,可以將其當(dāng)作一個(gè)巴倫,如圖1所示,左邊為單端形式,右邊為差分形式,典型的測(cè)試參數(shù)包括:插入損耗、回波損耗、CMRR(共模抑制比)、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的射頻變壓器,可以直接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZNB的虛擬差分測(cè)試模式下測(cè)試,因?yàn)槟J(rèn)情況下,ZNB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的射頻變壓器,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,需要考慮變壓器與矢網(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)相同的射頻變壓器按照back-to-back的方式布置,從而實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配,如圖2所示,測(cè)得的損耗取一半即為單個(gè)變壓器的插入損耗。該方法能夠測(cè)試變壓器的插入損耗和單端端口的回波損耗,但是共模抑制比CMRR、幅度和相位不平衡特性的測(cè)試則異常復(fù)雜,需要更換測(cè)試裝置。

圖2. 傳統(tǒng)back-to-back法射頻變壓器測(cè)試

或者使用圖3所示的阻抗變換器,使用兩個(gè)電阻搭建Mini-Loss Matching PAD,將變壓器當(dāng)作一個(gè)三端口單端器件處理。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。電阻R1和R2的取值要同時(shí)保證,從變壓器輸出向矢網(wǎng)看去的輸入阻抗為100 Ohm,及從矢網(wǎng)向變壓器看去的輸入阻抗為50 Ohm,式3給出了R1和R2的計(jì)算公式。圖4給出了基于四端口矢網(wǎng)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3. Mini-Loss Matching PAD

(式三)

圖4. 采用阻抗變換器時(shí)的測(cè)試裝置

校準(zhǔn)完成后,測(cè)試了一款射頻變壓器,其標(biāo)稱工作頻率到600MHz,測(cè)得的插入損耗、回波損耗如圖5所示。在低頻段,測(cè)試結(jié)果與規(guī)格指標(biāo)比較一致,但是隨著頻率的升高,測(cè)量結(jié)果偏離規(guī)格指標(biāo)越來(lái)越大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這是因?yàn)樽杩棺儞Q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5. 采用阻抗變換器時(shí)的測(cè)試結(jié)果

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZNB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)。測(cè)試過(guò)程為: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)的變換,從而得到其它系統(tǒng)阻抗對(duì)應(yīng)的S參數(shù)。這樣就不需要使用外部的阻抗變換器,使得測(cè)試更加方便靈活。

對(duì)于射頻變壓器,輸出為差分對(duì)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)行端口延伸功能,將校準(zhǔn)參考面延伸至變壓器管腳(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,如果不執(zhí)行端口延伸功能,則將測(cè)不出準(zhǔn)確的性能。

圖6. 矢網(wǎng)端口延伸示意圖

下面以R&S四端口矢網(wǎng)ZNB為例,通過(guò)實(shí)測(cè)兩個(gè)射頻變壓器,驗(yàn)證該方法的有效性。

1#射頻變壓器

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7. R&S ZNB虛擬差分測(cè)試模式

圖8. 設(shè)置差模、共模阻抗

圖9和圖10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9. 1#變壓器插入損耗和回波損耗測(cè)試結(jié)果

圖10. 1#變壓器幅度和相位不平衡特性測(cè)試結(jié)果

圖11. 2#變壓器插入損耗和回波損耗測(cè)試結(jié)果

2#射頻變壓器

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11、12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13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R&S ZNB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12. 2#變壓器幅度和相位不平衡特性測(cè)試結(jié)果

圖13. 2#變壓器CMRR測(cè)試結(jié)果

通過(guò)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,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZNB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。

結(jié)論

本文介紹了基于矢網(wǎng)R&S ZNB的射頻變壓器測(cè)試方法,該方法通過(guò)采用虛擬差分測(cè)試模式和端口延伸等功能,不僅規(guī)避了傳統(tǒng)back-to-back測(cè)試法及阻抗變換器測(cè)試法的弊端,而且還有效規(guī)避了評(píng)估測(cè)試板布線的不理想給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響,能夠全面有效地評(píng)估50 Ohm及非50 Ohm單端阻抗射頻變壓器的性能,使得射頻變壓器的測(cè)試更加靈活方便。文中最后測(cè)試了兩個(gè)不同阻抗變換比的射頻變壓器的插入損耗、回波損耗等指標(biāo),經(jīng)比對(duì)與其規(guī)格值吻合,驗(yàn)證了該方法的有效性。

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