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。