阻抗匹配電路在濾波器測試中的應(yīng)用

　　阻抗匹配（impedance matching） 信號源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。否則，便稱為阻抗失配。有時(shí)也直接叫做匹配或失配。

　　阻抗匹配條件

　?、儇?fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

　?、谪?fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。

　　阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

　　當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共軛匹配。

　　阻抗匹配（Impedance matching）是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達(dá)到所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會有信號反射回來源點(diǎn)，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

　　阻抗匹配電路在濾波器測試中的應(yīng)用

　　某型導(dǎo)航設(shè)備帶通濾波器為20世紀(jì)80年代初設(shè)計(jì)定型的產(chǎn)品，輸入輸出阻抗為非50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，工作頻率150～1 749 kHz，分為I～Ⅵ這6個(gè)波段，配套的測試儀表——掃頻儀JW1252W由于年代久遠(yuǎn)，器件老化，故障率高，經(jīng)常延誤生產(chǎn)進(jìn)度。為尋求可替代的儀表進(jìn)行濾波器測試，對現(xiàn)有儀表主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析后，選用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀HP E5100B對濾波器進(jìn)行了測試。

　　1 兩種儀表的工作原理

　　1．1 掃頻儀工作原理

　　掃頻儀由掃頻信號發(fā)生器、頻率標(biāo)志電路、顯示器及外部檢波探頭組成，如圖1所示，掃頻信號發(fā)生器是正弦信號發(fā)生器，為掃頻儀提供激勵(lì)源。頻率標(biāo)志電路產(chǎn)生具有頻率標(biāo)志的圖形，以便于測量者能在熒光屏上直接讀測出某一點(diǎn)的頻率值或某一段曲線的頻率絕對值，顯示器實(shí)際是一個(gè)工作于X—Y方式的示波器，顯示測量波形。

　　1．2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理

　　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由信號源、功率分配器、信號分離器、接收機(jī)和顯示系統(tǒng)組成，如圖2所示。

　　信號源為網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)提供激勵(lì)源；功率分配器對信號源的功率進(jìn)行分配，一路輸出信號送到被測件輸入端口，另一路輸出信號作為參考信號進(jìn)行S參數(shù)計(jì)算；信號分離器分離被測件輸入端口的入射波和反射波；接收機(jī)接收參考信號、反射信號和傳輸信號，并下變頻為中頻信號，對中頻信號進(jìn)行檢測，得到其幅度和相位值，以便于測量和控制單元進(jìn)行測量參數(shù)的計(jì)算；顯示系統(tǒng)在屏幕上顯示測量波形及參數(shù)。

　　1．3 兩種儀表的區(qū)別

　　掃頻儀與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都是測試網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，二者測試原理基本相同。兩種儀表的輸入輸出阻抗50 Ω，掃頻儀輸出端用高阻探頭進(jìn)行測試，被測件的輸出阻抗不影響測試值。由于配套網(wǎng)絡(luò)分析儀的高阻探頭低端頻率只能覆蓋到300 kHz，不能滿足測試要求，市面上配套網(wǎng)絡(luò)分析儀的低頻高阻探頭已瀕臨淘汰，而且價(jià)格昂貴，因此采用阻抗轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)濾波器的測試。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出端用50 Ω高頻電纜進(jìn)行測試，被測件的輸出阻抗必須為50 Ω，否則影響測試的真實(shí)性。解決網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗匹配問題，是用網(wǎng)絡(luò)分析儀替代掃頻儀的關(guān)鍵。

　　兩種儀表的顯示方式不同，掃頻儀顯示的是包絡(luò)信號，通過移動(dòng)頻標(biāo)可從頻率顯示窗口上讀出所需頻率值；網(wǎng)絡(luò)分析儀則顯示的是信號源經(jīng)被測網(wǎng)絡(luò)后的波形，通過計(jì)算得到被測網(wǎng)絡(luò)的頻率值，并顯示到屏幕上，測量結(jié)果更直觀。

　　2 測試方法

　　2．1 掃頻儀測試方法

　　由于濾波器阻抗為非50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，濾波器輸入端接有源極跟隨器，輸出端接有等效負(fù)載。測試連接框圖如圖3所示，等效負(fù)載電路如圖4所示，其中C1是濾波器諧振回路的一部分。

　　通過設(shè)置頻標(biāo)可測量濾波器-3 dB帶寬、-20 dB帶寬等指標(biāo)，傳輸衰減測試時(shí)改變探頭接法，將探頭分別接人輸入、輸出端，計(jì)算兩者之間的差值，即為濾波器自身的衰減。

　　2．2 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試方法

　　圖3所示為掃頻儀測試包括源極跟隨器在內(nèi)的電路，為等效掃頻儀的測試方法，輸入端阻抗匹配電路沿用原電路。

　　用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試時(shí)，將濾波器輸出端等效負(fù)載電路轉(zhuǎn)換為50 Ω，即可達(dá)到阻抗匹配的目的。為此設(shè)計(jì)了阻抗轉(zhuǎn)換電路，將濾波器輸出端的等效負(fù)載轉(zhuǎn)換為50 Ω。測試連接框圖如圖5所示。

　　利用網(wǎng)絡(luò)分析儀的濾波器測試功能鍵，即可測出濾波器的-3 dB帶寬、-20 dB帶寬和傳輸損耗等指標(biāo)，此時(shí)測試的傳輸損耗是包括源極跟隨器和輸出端阻抗匹配電路在內(nèi)的衰減。

　　3 阻抗轉(zhuǎn)換電路的原理及實(shí)現(xiàn)方法

　　由于濾波器是帶通濾波器，頻率較低，在150～1 749 kHz之間，因此選用L型電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，此網(wǎng)絡(luò)具有寬帶特性，可以保證整個(gè)通帶內(nèi)的阻抗、幅度響應(yīng)、衰減的一致性。

　　假定電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓和輸出電壓分別為Vin和V0，如圖6所示，要使電路在兩側(cè)端口匹配，必須滿足以下條件：

　?。?）連接RL后從輸入端口看到的輸入電阻應(yīng)為RS。

　　（2）輸入端口接RS，從輸出端口看到的輸出電阻必須為RL。

　　阻抗轉(zhuǎn)換電路需將圖4中的等效負(fù)載1 kΩ轉(zhuǎn)換為50 Ω，等效負(fù)載相當(dāng)于圖6中的RS，將RS=1 kΩ，RL=50 Ω代入式（3）和式（4），得R1=975 Ωn，R2=51 Ω，由此得阻抗轉(zhuǎn)換電路原理如圖7所示，其中47 pF電容為濾波器的諧振電容，是阻抗轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵，對濾波器的性能起著重要作用。

　　實(shí)際測試時(shí)，用電位器RP1代替固定電阻R1對阻抗轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行微調(diào)，將5個(gè)濾波器用兩種儀表進(jìn)行對比測試，反復(fù)調(diào)整RP1，使得網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試值與掃頻儀的測試值基本吻合，將RP1調(diào)整為1 017 Ω后達(dá)到了預(yù)期目的。濾波器的-3 dB帶寬、-20 dB帶寬等測試值滿足原技術(shù)指標(biāo)，且與掃頻儀測試值基本一致，5個(gè)濾波器6個(gè)波段的測試值最大差異2．7 kHz，兩種儀表測試的矩形系數(shù)均約為1．4，波形基本吻合，認(rèn)為此差異屬于儀表差異。按此方法調(diào)試的濾波器，經(jīng)在整機(jī)試用后，滿足使用要求。

　　網(wǎng)絡(luò)分析儀的衰減測量值約為-13 dB，掃頻儀測量的濾波器傳輸衰減值為7 dB，相差-20 dB，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀測量的是包括輸入輸出端阻抗轉(zhuǎn)換電路在內(nèi)的衰減。經(jīng)過對5個(gè)濾波器的測試試驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的衰減值均約為-13 dB，可認(rèn)為測試系統(tǒng)輸入輸出阻抗轉(zhuǎn)換電路的固有傳輸衰減值為-20 dB。因此，濾波器的傳輸衰減值只需用網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量值減去-20 dB即可。