基于矢量網(wǎng)絡分析儀R&SZNB的射頻變壓器測試

張德峰　羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

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基于矢量網(wǎng)絡分析儀R&SZNB的射頻變壓器測試

張德峰羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：射頻變壓器是能夠實現(xiàn)阻抗、電壓、電流變換的無源器件，而且具有隔直流、共模抑制及單端轉差分（或非平衡轉平衡）等功能，因此廣泛應用于射頻電路（如推挽放大器、雙平衡混頻器及ADC ICs）。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司張德峰所撰《基于矢量網(wǎng)絡分析儀R&S ZNB的射頻變壓器測試》一文介紹了一種基于矢量網(wǎng)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。

1　引言

射頻變壓器是能夠實現(xiàn)阻抗、電壓、電流變換的無源器件，而且具有隔直流、共模抑制及單端轉差分（或非平衡轉平衡）等功能，因此廣泛應用于射頻電路（如推挽放大器、雙平衡混頻器及ADCICs）。射頻變壓器具有一定的阻抗變換比，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)絡分析儀R&SZNB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。

2　基于矢量網(wǎng)絡分析儀R&SZNB的射頻變壓器測試

射頻變壓器具有阻抗變換、隔直流、抑制共模干擾及實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)為N1，次級線圈繞線匝數(shù)為N2，則滿足如下關系：

如何測試射頻變壓器的性能呢？

大多數(shù)射頻變壓器可以實現(xiàn)非平衡到平衡的轉換，可以將其當作一個巴倫，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。

對于單端阻抗為50Ohm、差分阻抗為100Ohm的射頻變壓器，可以直接在矢量網(wǎng)絡分析儀R&SZNB的虛擬差分測試模式下測試。在默認情況下，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。

圖1　射頻變壓器等效電路

但對于單端阻抗不是50Ohm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50Ohm，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，直接使用兩個相同的射頻變壓器按照Back-to-Back的方式布置，從而實現(xiàn)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(tǒng)Back-to-Back法射頻變壓器測試

或使用圖3所示的阻抗變換器，兩個電阻搭建Mini-Loss Matching PAD，將變壓器當作一個3端口單端器件處理。如果平衡端差分阻抗為200Ohm，則對應的單端阻抗為100Ohm。電阻R1和R2的取值要同時保證，從變壓器輸出向矢網(wǎng)看去的輸入阻抗為100Ohm，及從矢網(wǎng)向變壓器看去的輸入阻抗為50Ohm，即：

圖3　Mini-LossMatchingPAD

圖4給出了基于4端口矢網(wǎng)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，需要連接一個阻抗變換網(wǎng)絡，以實現(xiàn)端口之間的匹配。

校準完成后，測試了一款射頻變壓器，其標稱工作頻率至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(guī)格指標比較一致，但隨著頻率的升高，測量結果偏離規(guī)格指標越來越大。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，阻抗變換器所使用的電阻頻率特性較差，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。

矢量網(wǎng)絡分析儀R&SZNB支持更改端口參考阻抗，在一定條件下，允許測試非50Ohm系統(tǒng)阻抗下的S參數(shù)。測試過程為：首先測試50Ohm系統(tǒng)阻抗下的S參數(shù)，然后根據(jù)所設置的端口參考阻抗，對測試數(shù)據(jù)作相應的變換，從而得到其它系統(tǒng)阻抗對應的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(guī)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(zhí)行端口延伸功能，將校準參考面延伸至變壓器管腳（Pin）處（見圖6）。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50Ohm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50Ohm，如果不執(zhí)行端口延伸功能，則將測不出準確的性能。

圖4　采用阻抗變換器時的測試裝置

圖5　采用阻抗變換器時的測試結果

以R&S4端口矢網(wǎng)ZNB為例，通過實測兩個射頻變壓器，驗證該方法的有效性。

1#射頻變壓器參數(shù)：輸入單端阻抗：50Ohm；阻抗變換比：1：4；頻率范圍：0.5～600MHz；帶內插損（Spec）：≤3dB。

測試步驟：首先設定頻率范圍，并執(zhí)行系統(tǒng)誤差校準，此時按照默認的50Ohm端口參考阻抗即可；然后執(zhí)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50Ohm，建議對單端端口也作端口延伸；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（見圖7、8）。

圖6　矢網(wǎng)端口延伸示意圖

圖7　R&SZNB虛擬差分測試模式

圖8　設置差模、共模阻抗

圖9和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(guī)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。

2#射頻變壓器參數(shù)：輸入單端阻抗：50Ohm；阻抗變換比：1：1；頻率范圍：0.4～500MHz；帶內插損（Spec）：≤3dB。

按照上面所描述的測試步驟，經(jīng)校準、端口延伸，并將差模和共模阻抗分別設置為50和12.5Ohm后，測試結果如圖11、12所示，插損滿足規(guī)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(wǎng)的Trace Math功能得到的結果，現(xiàn)在R&S ZNB已經(jīng)支持直接顯示CMRR測試結果，使得測試更加方便。

通過以上兩個測試實例表明，對于這種單端阻抗非50Ohm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。

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

圖12　2#變壓器幅度和相位產(chǎn)平衡特性試結果

圖13　2#變壓器CMRR測試結果

3　結束語

本文介紹了基于矢網(wǎng)R&SZNB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50Ohm及非50Ohm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。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(jīng)比對與其規(guī)格值吻合，驗證了該方法的有效性。

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