射頻變壓器網(wǎng)分測試方法

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源: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)測試造成了一定的困難。

鑒于傳統(tǒng)back-to-back這種背靠背測試方法的局限性,本文介紹了一種基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZNB的測試方法,該方法使用虛擬差分測試模式及端口延伸(Offset)功能,能夠在不改變測試裝置的情況下測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的虛擬差分測試模式下測試,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試則異常復(fù)雜,需要更換測試裝置。

圖2. 傳統(tǒng)back-to-back法射頻變壓器測試

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)的測試裝置

校準(zhǔn)完成后,測試了一款射頻變壓器,其標(biāo)稱工作頻率到600MHz,測得的插入損耗、回波損耗如圖5所示。在低頻段,測試結(jié)果與規(guī)格指標(biāo)比較一致,但是隨著頻率的升高,測量結(jié)果偏離規(guī)格指標(biāo)越來越大。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,這允許測試非50 Ohm系統(tǒng)阻抗下的S參數(shù)。測試過程為: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(duì)測試數(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,通過實(shí)測兩個(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(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試結(jié)果

圖10. 1#變壓器幅度和相位不平衡特性測試結(jié)果

圖11. 2#變壓器插入損耗和回波損耗測試結(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測試結(jié)果,使得測試更加方便。

圖12. 2#變壓器幅度和相位不平衡特性測試結(jié)果

圖13. 2#變壓器CMRR測試結(jié)果

通過以上兩個(gè)測試實(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,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZNB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。

結(jié)論

本文介紹了基于矢網(wǎng)R&S ZNB的射頻變壓器測試方法,該方法通過采用虛擬差分測試模式和端口延伸等功能,不僅規(guī)避了傳統(tǒng)back-to-back測試法及阻抗變換器測試法的弊端,而且還有效規(guī)避了評(píng)估測試板布線的不理想給測試結(jié)果帶來的影響,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試更加靈活方便。文中最后測試了兩個(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。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才