射頻變壓器網分測試方法

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

射頻變壓器是能夠實現阻抗、電壓、電流變換的無源器件,而且具有隔直流、共模抑制及單端轉差分(或稱為非平衡轉平衡)等功能,因此廣泛應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,這給其性能參數測試造成了一定的困難。

鑒于傳統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絡分析儀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。

射頻變壓器具有阻抗變換、隔直流、抑制共模干擾及實現平衡與非平衡轉換等功能,廣泛應用于各種射頻電路中。射頻變壓器一般由兩個或多個彼此絕緣的銅導線繞至在磁芯上而成,通過電磁耦合實現功率由初級線圈到次級線圈的傳輸。圖1給出了射頻變壓器的等效電路,假設初級線圈繞線匝數為N1,次級線圈繞線匝數為N2,則滿足如下關系:

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?

大多數射頻變壓器可以實現非平衡到平衡的轉換,可以將其當作一個巴倫,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,可以直接在矢量網絡分析儀R&S ZNB的虛擬差分測試模式下測試,因為默認情況下,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之間的端口匹配。傳統的測試方法是,直接使用兩個相同的射頻變壓器按照back-to-back的方式布置,從而實現阻抗的匹配,如圖2所示,測得的損耗取一半即為單個變壓器的插入損耗。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雜,需要更換測試裝置。

圖2. 傳統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,使用兩個電阻搭建Mini-Loss Matching PAD,將變壓器當作一個三端口單端器件處理。如果平衡端差分阻抗為200 Ohm,則對應的單端阻抗為100 Ohm。電阻R1和R2的取值要同時保證,從變壓器輸出向矢網看去的輸入阻抗為100 Ohm,及從矢網向變壓器看去的輸入阻抗為50 Ohm,式3給出了R1和R2的計算公式。圖4給出了基于四端口矢網的測試裝置示意圖,采用UOSM校準方式。Port1與Port2、Port4之間的直通校準,也需要連接一個阻抗變換網絡,以實現端口之間的匹配。

圖3. Mini-Loss Matching PAD

(式三)

圖4. 采用阻抗變換器時的測試裝置

校準完成后,測試了一款射頻變壓器,其標稱工作頻率到600MHz,測得的插入損耗、回波損耗如圖5所示。在低頻段,測試結果與規格指標比較一致,但是隨著頻率的升高,測量結果偏離規格指標越來越大。經實驗發現,這是因為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用。

圖5. 采用阻抗變換器時的測試結果

矢量網絡分析儀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系統阻抗下的S參數。測試過程為:首先測試50 Ohm系統阻抗下的S參數,然后根據所設置的端口參考阻抗,對測試數據作相應的變換,從而得到其它系統阻抗對應的S參數。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。

對于射頻變壓器,輸出為差分對形式,設計測試評估板時,PCB走線的阻抗及線間距均應按照一定的規則布置,以減少對測試結果的影響。但實際中,這一點往往很難滿足。為此,校準完成后,需要執行端口延伸功能,將校準參考面延伸至變壓器管腳(pin)處。這一點很重要,尤其對于差分端,因為評估板走線一般是按照50 Ohm進行阻抗控制的,而射頻變壓器差分輸出端的單端阻抗往往不是50 Ohm,如果不執行端口延伸功能,則將測不出準確的性能。

圖6. 矢網端口延伸示意圖

下面以R&S四端口矢網ZNB為例,通過實測兩個射頻變壓器,驗證該方法的有效性。

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

帶內插損 (Spec.):≤ 3dB

測試步驟:

① 首先設定頻率范圍,并執行系統誤差校準,此時按照默認的50 Ohm端口參考阻抗即可;

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

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

圖7. R&S ZNB虛擬差分測試模式

圖8. 設置差模、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果,其中插入損耗在全頻段滿足規格指標,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9. 1#變壓器插入損耗和回波損耗測試結果

圖10. 1#變壓器幅度和相位不平衡特性測試結果

圖11. 2#變壓器插入損耗和回波損耗測試結果

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
帶內插損 (Spec.):≤ 3dB

按照上面所描述的測試步驟,經校準、端口延伸,并將差模和共模阻抗分別設置為50 Ohm、12.5 Ohm后,測試結果如圖11、12所示,插損滿足規格指標,幅度和相位不平衡特性也相對較好。圖13給出了共模抑制比CMRR的測試結果,這是使用矢網的Trace Math功能得到的結果,現在R&S ZNB已經支持直接顯示CMRR測試結果,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果

圖13. 2#變壓器CMRR測試結果

通過以上兩個測試實例表明,對于這種單端阻抗非50 Ohm的射頻變壓器測試,與傳統的back-to-back測試法及阻抗變換器測試法相比,使用矢量網絡分析儀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。

結論

本文介紹了基于矢網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,不僅規避了傳統back-to-back測試法及阻抗變換器測試法的弊端,而且還有效規避了評估測試板布線的不理想給測試結果帶來的影響,能夠全面有效地評估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,經比對與其規格值吻合,驗證了該方法的有效性。

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