2019年12月16日 | 关于矢量网络分析仪的介绍和应用

射频变压器是能够实现阻抗、电压、电流变换的无源器件，而且具有隔直流、共模抑制及单端转差分(或称为非平衡转平衡)等功能，因此广泛应用于射频电路诸如推挽放大器、双平衡混频器及ADC ICs。射频变压器具有一定的阻抗变换比，而且其单端阻抗往往不是50 Ohm，这给其性能参数测试造成了一定的困难。

鉴于传统back-to-back这种背靠背测试方法的局限性，本文介绍了一种基于矢量网络分析仪R&S ZNB的测试方法，该方法使用虚拟差分测试模式及端口延伸(Offset)功能，能够在不改变测试装置的情况下测试射频变压器的插入损耗、回波损耗、共模抑制比等性能指标。

正文
射频变压器具有阻抗变换、隔直流、抑制共模干扰及实现平衡与非平衡转换等功能，广泛应用于各种射频电路中。射频变压器一般由两个或多个彼此绝缘的铜导线绕至在磁芯上而成，通过电磁耦合实现功率由初级线圈到次级线圈的传输。图1给出了射频变压器的等效电路，假设初级线圈绕线匝数为N1，次级线圈绕线匝数为N2，则满足如下关系：

N2 / N1 = n， V2 = n × V1， I1 = n × I2      (式1)

输入、输出阻抗变换比为：Zout / Zin = (N2 / N1)2       (式2)

图1. 射频变压器等效电路

如何测试射频变压器的性能呢？

大多数射频变压器可以实现非平衡到平衡的转换，可以将其当作一个巴伦，如图1所示，左边为单端形式，右边为差分形式，典型的测试参数包括：插入损耗、回波损耗、CMRR(共模抑制比)、幅度和相位不平衡特性等。

对于单端阻抗为50 Ohm、差分阻抗为100 Ohm的射频变压器，可以直接在矢量网络分析仪R&S ZNB的虚拟差分测试模式下测试，因为默认情况下，ZNB在虚拟差分模式下的单端阻抗和差分阻抗是与待测射频变压器匹配的。

但是对于单端阻抗不是50 Ohm的射频变压器，如何有效测试其性能呢？

如果射频变压器的单端阻抗不是50 Ohm，需要考虑变压器与矢网之间的端口匹配。传统的测试方法是，直接使用两个相同的射频变压器按照back-to-back的方式布置，从而实现阻抗的匹配，如图2所示，测得的损耗取一半即为单个变压器的插入损耗。该方法能够测试变压器的插入损耗和单端端口的回波损耗，但是共模抑制比CMRR、幅度和相位不平衡特性的测试则异常复杂，需要更换测试装置。

图2. 传统back-to-back法射频变压器测试

或者使用图3所示的阻抗变换器，使用两个电阻搭建Mini-Loss Matching PAD，将变压器当作一个三端口单端器件处理。如果平衡端差分阻抗为200 Ohm，则对应的单端阻抗为100 Ohm。电阻R1和R2的取值要同时保证，从变压器输出向矢网看去的输入阻抗为100 Ohm，及从矢网向变压器看去的输入阻抗为50 Ohm，式3给出了R1和R2的计算公式。 图4给出了基于四端口矢网的测试装置示意图，采用UOSM校准方式。Port1与Port2、Port4之间的直通校准，也需要连接一个阻抗变换网络，以实现端口之间的匹配。

图3. Mini-Loss Matching PAD

（式三）

图4. 采用阻抗变换器时的测试装置

校准完成后，测试了一款射频变压器，其标称工作频率到600MHz，测得的插入损耗、回波损耗如图5所示。在低频段，测试结果与规格指标比较一致，但是随着频率的升高，测量结果偏离规格指标越来越大。经实验发现，这是因为阻抗变换器所使用的电阻的频率特性较差，电阻值随频率的增加变化较大，这限制了该方法在高频时的应用。

图5. 采用阻抗变换器时的测试结果

矢量网络分析仪R&S ZNB支持更改端口参考阻抗，在一定条件下，这允许测试非50 Ohm系统阻抗下的S参数。测试过程为：首先测试50 Ohm系统阻抗下的S参数，然后根据所设置的端口参考阻抗，对测试数据作相应的变换，从而得到其它系统阻抗对应的S参数。这样就不需要使用外部的阻抗变换器，使得测试更加方便灵活。

对于射频变压器，输出为差分对形式，设计测试评估板时，PCB走线的阻抗及线间距均应按照一定的规则布置，以减少对测试结果的影响。但实际中，这一点往往很难满足。为此，校准完成后，需要执行端口延伸功能，将校准参考面延伸至变压器管脚(pin)处。这一点很重要，尤其对于差分端，因为评估板走线一般是按照50 Ohm进行阻抗控制的，而射频变压器差分输出端的单端阻抗往往不是50 Ohm，如果不执行端口延伸功能，则将测不出准确的性能。

图6. 矢网端口延伸示意图

下面以R&S四端口矢网ZNB为例，通过实测两个射频变压器，验证该方法的有效性。

1#射频变压器参数如下：

输入单端阻抗：50 Ohm

阻抗变换比：1：4

频率范围：0.5MHz~600MHz

带内插损 (Spec.)：≤ 3dB

测试步骤：

① 首先设定频率范围，并执行系统误差校准，此时按照默认的50 Ohm端口参考阻抗即可；

② 然后执行端口延伸功能，尤其是对差分端口；如果待测件输入侧单端阻抗不是50 Ohm，建议对单端端口也作端口延伸； 

③ 最后进入虚拟差分测试模式，并将差模、共模阻抗按照变压器的实际阻抗值输入。

图7. R&S ZNB虚拟差分测试模式

图8. 设置差模、共模阻抗

图9和图10分别给出了待测射频变压器的插入损耗、回波损耗及幅度和相位不平衡特性测试结果，其中插入损耗在全频段满足规格指标，但是在高频处，幅度和相位不平衡特性较差，这会影响对共模干扰信号的抑制能力。对于图1所示的这种次级含有中心抽头的射频变压器，一般建议将中心抽头接地，可以改善幅度和相位不平衡特性。

图9. 1#变压器插入损耗和回波损耗测试结果

图10. 1#变压器幅度和相位不平衡特性测试结果

图11. 2#变压器插入损耗和回波损耗测试结果

2#射频变压器参数如下：
        输入单端阻抗：50 Ohm
        阻抗变换比：1：1
        频率范围：0.4MHz~500MHz
        带内插损 (Spec.)：≤ 3dB

按照上面所描述的测试步骤，经校准、端口延伸，并将差模和共模阻抗分别设置为50 Ohm、12.5 Ohm后，测试结果如图11、12所示，插损满足规格指标，幅度和相位不平衡特性也相对较好。图13给出了共模抑制比CMRR的测试结果，这是使用矢网的Trace Math功能得到的结果，现在R&S ZNB已经支持直接显示CMRR测试结果，使得测试更加方便。

图12. 2#变压器幅度和相位不平衡特性测试结果

图13. 2#变压器CMRR测试结果

通过以上两个测试实例表明，对于这种单端阻抗非50 Ohm的射频变压器测试，与传统的back-to-back测试法及阻抗变换器测试法相比，使用矢量网络分析仪R&S ZNB的虚拟差分测试模式及端口延伸等功能将更加方便，可以在不改变测试装置的情况下，直接测试变压器的插入损耗、回波损耗、幅度和相位不平衡特性以及共模抑制比CMRR等，极大程度简化了射频变压器的测试。

结论
本文介绍了基于矢网R&S ZNB的射频变压器测试方法，该方法通过采用虚拟差分测试模式和端口延伸等功能，不仅规避了传统back-to-back测试法及阻抗变换器测试法的弊端，而且还有效规避了评估测试板布线的不理想给测试结果带来的影响，能够全面有效地评估50 Ohm及非50 Ohm单端阻抗射频变压器的性能，使得射频变压器的测试更加灵活方便。文中最后测试了两个不同阻抗变换比的射频变压器的插入损耗、回波损耗等指标，经比对与其规格值吻合，验证了该方法的有效性。