如何測(cè)試射頻變壓器？

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，這給其性能測(cè)試造成了困難。鑒于傳統(tǒng)測(cè)試方法的局限性，本文介紹了一種基于矢網(wǎng)的新穎測(cè)試方法，使用虛擬差分模式及Offset功能，能夠有效地測(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(guò)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，電壓和電流分別為V1和I1；次級(jí)線圈繞線匝數(shù)為N2，電壓和電流分別為V2和I2，則滿足如下關(guān)系：

中n為線圈比(N2/N1)。

阻抗變換比為：

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？射頻變壓器有哪些參數(shù)？

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)槭妇W(wǎng)本身就是50 Ohm系統(tǒng)阻抗，而且目前業(yè)界大部分矢網(wǎng)都具有虛擬差分測(cè)試模式。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，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(wú)法有效測(cè)試CMMR和幅度、相位不平衡特性。

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(lái)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

下面通過(guò)一個(gè)射頻變壓器測(cè)試實(shí)例，詳述其測(cè)試過(guò)程。待測(cè)射頻變壓器的指標(biāo)為：?jiǎn)味俗杩篂?0Ohm，阻抗變換比為1:1，頻率范圍0.4MHz~500MHz，帶內(nèi)插損不超過(guò)3dB。

測(cè)試步驟：①首先設(shè)定頻率范圍，并作系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，此時(shí)按照默認(rèn)的端口參考阻抗50 Ohm 即可；②然后執(zhí)行Offset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DUT實(shí)際阻抗值輸入。

圖6.射頻變壓器的典型參數(shù)指標(biāo)

圖7和圖8分別給出了待測(cè)件的插損、回?fù)p及幅度和相位不平衡特性測(cè)試結(jié)果，其中插損在全頻段滿足規(guī)格指標(biāo)，幅度和相位不平衡特性也相對(duì)較好。對(duì)于次級(jí)含有中心抽頭的射頻變壓器，一般建議將中心抽頭接地，這樣可以改善幅度和相位不平衡特性。

圖7.插損和回?fù)p測(cè)試結(jié)果

圖8.幅度和相位不平衡特性

在前面介紹的《如何測(cè)試射頻變壓器》一文中提到，射頻變壓器的測(cè)試可以當(dāng)做balun處理，結(jié)合矢網(wǎng)的端口延伸(offset)及虛擬差分模式即可完成測(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1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1. 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2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(kāi)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(lái)的影響。

圖2. 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(shuō)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(kāi)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2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。

審核編輯：湯梓紅