CN101672874B - 微带传输线阻抗参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带传输线阻抗参数测试方法，通过工作频率

的小电感小电容精密参数测试仪和包含两对具有测试探针和接地探针的测试电缆，以及由两条间距大于2倍线宽的无耦合微带传输线组成的单端阻抗测试条和两条相互耦合的微带传输线组成的差分阻抗测试条的使用，通过本发明的测试方法可准确地测出计算微带传输线阻抗的全部分布参数，实现用分布参数法精确测试微带传输线特性阻抗的目的。

Description

微带传输线阻抗参数测试方法

技术领域

本发明涉及电变量参数测试技术领域，尤其是一种微带传输线阻抗参数测试方法。

背景技术

PCB电路中由于阻抗线通常很短，直接从PCB电路中进行阻抗测试是很困难的，因此便在加工PCB电路的印制板上专门设计了一定长度的阻抗线，用于测试，它们的物理尺寸和PCB电路中相应阻抗线相同，而且又是在相同工艺条件下同时与PCB电路一起加工的，这种专供测试用的阻抗线被切割下来形成阻抗测试条，通过对其阻抗线的阻抗特性的测试便反映了PCB电路中相应阻抗线的特性。阻抗测试条有单端阻抗测试条和耦合差分阻抗测试条之分(见图1，图2图3，图4)。因此PCB电路阻抗的测试主要是对阻抗测试条中微带传输线样件阻抗的测试。

阻抗测试可采用TDR时域反射法和分布参数测试法。

分布参数测试法中遇到的最大困难是微带传输线接地板存在回路电感，且回路电感与微带传输线介质高度成正比，与长度和带线宽度之比成正比，由于地线上存在电感，用图1所示的阻抗测试条对单端阻抗进行测试，两测试探针连接微带传输线两端，两接地探针接地，将会有地线上的电感引入，测出的电感将大于微带传输线上的电感，这种单端阻抗测试条只适宜时域反射法测试。

参数测试法的理论根据是微波传输线理论，根据微波传输线理论，微带传输线的阻抗值有

$Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(1\right)$

式中L和C分别为微带传输线的单位长度分布电感和单位长度分布电容。耦合微带传输线差分阻抗线的差分阻抗有

$Z_{\mathrm{diff}}=2\sqrt{\frac{L_{\mathrm{self}}-L_m}{C_{\mathrm{self}}+2C_m}}---\left(2\right)$

式中L_self，C_self分别是每条耦合线的单位长度分布自电感和单位长度分布自电容；L_m，C_m分别是两耦合线之间的单位长度分布互电感和单位长度分布互电容。

只要能测准这些分布参数值，便能准确计算出PCB电路的传输线阻抗，因此关键在于对PCB电路阻抗线分布参数的准确测试，图5参数测试仪中连接待测器件DUT的高电位点Hp，高电流点Hc和低电位点Lp，低电流点Lc由4根同轴电缆引出，为扩展测试阻抗范围和消除各种寄生参数的影响4根同轴电缆与待测器件的连接方式以图6所示4TP(4 terminal pair)结构为最佳，即将Hc，Hp引出的两同轴电缆的内导体和Lc，Lp引出的两同轴电缆内导体分别焊接在一起作为两测试端与待测器件连接，4根同轴电缆的外导体在靠近测试端一端分别连接在一起。用这种性能良好的4TP结构能否测出PCB电路阻抗条中的微带传输线和耦合微带传输线差分阻抗线的分布参数呢？实际情况是除了能测准微带传输线分布电容和耦合微带传输线差分阻抗线分布自电容参数外，对其它参数都是测不了或测不准的，如对微带传输线的电感和耦合微带传输线差分阻抗线的自电感存在测不准，对耦合微带传输线差分阻抗线的互电感，互电容参数则是测不了的，这是因为用于测试PCB电路单端阻抗测试条和耦合差分阻抗测试条中，阻抗线通常长度都在15cm左右，在4TP结构Hp、Hc电缆对与Lp、Lc电缆对之间外导体要连接长于15cm的导线，会带来较大寄生电感，同时该连接线位置不同，形状有异，其寄生电感数值都会发生变化，因而很难测准只有几十nH的微带传输线分布电感和耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电感，耦合微带传输线差分阻抗线的互电感更小，要单独测出更是不可能的，测试耦合微带传输线差分阻抗线的互电容，只能将4TP结构两测试端分别连接在两耦合线上，但这样测出的不是互电容，而是两耦合线间互电容与两耦合线自电容串联后相并联的结果，同时还要受到与阻抗条金属接地板接触的支撑物介质性能的影响。因此必须寻找一种适合测试微带传输线分布参数的新的测试电缆和测试方法。

发明内容

本发明的目的是要克服公知技术的缺陷，提供一种微带传输线阻抗参数测试方法。

本发明采用的技术方案是：

微带传输线阻抗参数测试方法，包括下列步骤：

a、采用工作频率

(式中R为微带传输线单位长度分布损耗电阻，L为微带传输线单位长度发布电感)的小电感小电容精密参数测试仪和两对分布参数阻抗测试电缆，每对电缆具有测试探针和接地探针，用以对单端阻抗测试条和耦合差分阻抗测试条的微带传输线分布参数进行测试，进而计算出微带传输线单端阻抗和耦合差分阻抗；

b、对参数测试仪进行短路和开路校正；

c、确定接地探针当作测试测针使用时的校正系数K值：将两测试探针接地，两接地探针连接任-微带传输线两端测其电感值，然后两接地探针接地，两测试探针测试相同微带传输线的电感值，有：K＝接地探针测试值/测试探针测试值；

d、测试微带传输线单端阻抗的分布电感值L，测试耦合微带传输线差分阻抗的分布自电感L_self与分布耦合互电感L_m之差值L_self-L_m时：两接地探针和两测试探针分别连接一条微带传输线进行测试，分别得到(1+K)L和(1+K)(L_self-Lm)；

e、测试微带传输线单端阻抗的分布电容C，测试耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电容C_self时，将两测试探针分别连接单端阻抗测试条或耦合差分阻抗测试条中任一微带线的测试孔和接地孔，并将两接地探针短接即可测得单端阻抗的分布电容C和耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电容C_self；

f、测试耦合微带传输线差分阻抗线的互电容C_m时，将两测试探针分别连接一条微带线的测试孔，两接地探针分别连接接地孔，测出两线之间的互电容C_m；

g、根据公式计算出单端阻抗Z和耦合微带传输线差分阻抗线的差分阻抗Z_diff，

$Z=\sqrt{\frac{(1+K)L}{(1+K)C}}=\sqrt{\frac{L}{C}},$ $Z_{\mathrm{diff}}=2\sqrt{\frac{(1+K)(L_{\mathrm{self}}-L_m)}{(1+K)(C_{\mathrm{self}}+2C_m)}}=2\sqrt{\frac{L_{\mathrm{self}}-L_m}{C_{\mathrm{self}}+2C_m}}.$

所述两对分布参数阻抗测试电缆(1)中的每对测试电缆包含有两根同轴电缆，每根同轴电缆的一端分别连接有一个BNC电缆连接头，同轴电缆的内导体的一端与BNC电缆的中心导体相连，同轴电缆的外导体的一端与BNC电缆连接头的外导体相连；两同轴电缆的另一端的内导体与一测试探针合焊在一起，两同轴电缆的外导体与一接地探针合焊在一起，接地探针及测试探针分别焊接在一绝缘介质板的两金属化孔上，一塑料件绝缘体将测试探针、接地探针和绝缘介质板包裹为一体而构成电缆测试头。

在所述电缆测试头之接地探针的一侧，设有接地标识。

所述单端阻抗测试条由含有同一金属接地板的两根平行，彼此无耦合且完全相同的微带传输线组成，在两微带传输线的两端分别设有测试孔，在每端测试孔的外侧设有与金属接地板相连的接地孔，各端对应的两测试孔与接地孔呈等边三角形分布，等边三角形的边长与所述测试探针和所述接地探针之间的间距相等。

所述耦合差分阻抗测试条，包括含有同一金属接地板的两根完全相同的相互耦合的微带传输线组成，其特征是：在两耦合微带传输线的两端分别设有测试孔，在每端测试孔的外侧设有与金属接地板相连的接地孔，每端对应的两测试孔与接地孔呈等边三角形分布，等边三角形的边长与所述测试探针和所述接地探针之间的间距相等。

众所周知，微带传输线接地板具有回路电感，其回路电感的大小与介质高度成正比，与微带传输线的长度与宽度之比成正比，因此在测试过程中，接地探针是不能接地的，否则会带来接地电感，造成微带传输线电感测不准。为了克服这一严重问题，我们采用了把接地探针当作测试探针使用，为此把单端阻抗条改变成由两根完全相同的彼此无耦合的微带传输线组成，这样，测分布电感时，两测试探针和两接地探针分别连接一条微带传输线进行测试，测试耦合微带传输线差分阻抗线的分布电感时，也照此处理。由于测试电缆是非平衡线，因此，将接地探针当作测试探针处理，其测试出的数值和测试探针测试出的数值是不同的，所得数据必须进行修正，求出修正系数K。我们定义K＝接地探针测得的电感值/测试探针测得的电感值。根据实验研究，K值不是一个常数，而是微带传输线物理参数的函数，但是，只要微带传输线结构一定，便有确定的K值相对应。K值可以通过实验的方法求出，其方法是：将两接地探针连接阻抗条中任一微带传输线的两端，两测试探针接地，测出电感值L1，然后将两测试探针连接同一条微带传输线的两端，两接地探针接地，测出相应电感值L2，则有K＝L1/L2。

确定出K之后，两测试探针和两接地探针分别连接单端阻抗条上两微带线，测出的电感值为(1+K)L，测试耦合差分阻抗条照此办理，可以直接得到计算差分阻抗的分布自电感Lself与分布互电感Lm的差值.即Lself-Lm。这是因为测试电感时两测试探针和两接地探针分别连接一条耦合微带传输线，而流过两测试探针和两接地探针的电流是相反的，因此流过两耦合微带传输线的电流也是相反的，根据右手螺旋法则，两带线产生的磁场是相反的.有减小对方磁场的作用，因此测出的电感不是自电感的(1+K)倍，而是自电感与互电感之差的(1+K)倍，即(1+K)(Lself-Lm)。而要单独测试互电感的值是很困难的，也可以说是测不了的，用本发明解决了这一难题。

鉴于4TP(4 terminal pair，或说4对端)电缆在参数测试中具有良好的性能，因此我们在测试中，也尽量确保4TP结构的实现，如测电容时，两接地探针短接，测互电容时，两接地探针连接接地板，虽然接地板具有回路电感，但数值很小，其感抗比互电容的容抗要小得多，因而可忽略不计。测电感时，两接地探针也通过一传输线电感连接在一起。虽然有影响，而我们就是通过测其影响来测试其电感值的。

综上所述，利用本发明所提出的微带传输线分布参数测试方法，可准确测出计算单端阻抗和耦合差分阻抗的全部分布参数，从而达到了用分布参数法精确测试PCB微带传输线阻抗参数的目的。

附图说明

图1、2是普通单端阻抗测试条的示意图；

其中：18-微带传输线；19-金属接地板；20-印制板基材；21-测试孔；22-接地孔。

图3、4是普通耦合差分阻抗测试条的示意图；

其中：23-印制板基材；24-耦合差分阻抗测试条；25-金属接地板；27-测试孔；28-接地孔。

图5是用Agilent E4980A型小电感小电容精密精密参数测试仪构成的自动测试电桥的示意图；

图6是4TP结构阻抗测试示意图；

其中：29-同轴电缆外导体；30-同轴电缆内导体；DOUT-待测器件。

图7是本发明PCB分布参数阻抗测试电缆之示意图；

其中：1-测试电缆；2-同轴电缆；4-内导体；5-测试探针；6-接地探针；61-外导体；7-介质板；8-金属化孔；9-注塑绝缘体；10-电缆测试头；3-BNC电缆连接头；31-BNC电缆中心导体；32-BNC电缆连接头的外导体。

图8、9是本发明单端阻抗测试条的示意图；

其中：11-测试孔；12-接地孔；15-微带传输线；17-金属接地板；33-PCB基板。

图10是本发明测试微带传输线电感L测试示意图；

其中：5-测试探针；6-接地探针；12-接地孔；15-微带传输线。

图11是本发明测试耦合微带传输线差分阻抗线电感时的电流流向图；

其中：5-测试探针；6-接地探针；13-测试孔；14-接地孔；16-微带传输线。

图12是本发明测试线电容时测试探针与接地探针的连接示意图；

图13是本发明测试耦合微带传输线差分阻抗线互电容时测试探针与接地探针的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

微带传输线阻抗参数测试方法，包括下列步骤：

a、采用工作频率

的小电感小电容精密参数测试仪和两对分布参数阻抗测试电缆，每对电缆具有测试探针和接地探针，用以对单端阻抗测试条和耦合差分阻抗测试条的微带传输线分布参数进行测试，进而计算出微带传输线单端阻抗和耦合差分阻抗。

b、对参数测试仪进行短路和开路校正；

c、确定接地探针当作测试测针使用时的校正系数K值：将两测试探针接地，两接地探针连接任-微带传输线两端测其电感值，然后两接地探针接地，两测试探针测试相同微带传输线的电感值，有：K＝接地探针测试值/测试探针测试值；

d、测试微带传输线单端阻抗的分布电感值L，测试耦合微带传输线差分阻抗的分布自电感L_self与分布耦合互电感L_m之差值L_self-L_m时：两接地探针和两测试探针分别连接一条微带传输线进行测试，分别得到(1+K)L和(1+K)(L_self-Lm)；

e、测试微带传输线单端阻抗的分布电容C，测试耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电容C_self时，将两测试探针分别连接单端阻抗测试条或耦合差分阻抗测试条中任一微带线的测试孔和接地孔，并将两接地探针短接即可测得单端阻抗的分布电容C和耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电容C_self；

f、测试耦合微带传输线差分阻抗线的互电容C_m时，将两测试探针分别连接一条微带线的测试孔，两接地探针分别连接接地孔，测出两线之间的互电容C_m；

g、根据公式计算出单端阻抗Z和耦合微带传输线差分阻抗线的差分阻抗Z_diff，

$Z=\sqrt{\frac{(1+K)L}{(1+K)C}}=\sqrt{\frac{L}{C}}$ 和 $Z_{\mathrm{diff}}=2\sqrt{\frac{(1+K)(L_{\mathrm{self}}-L_m)}{(1+K)(C_{\mathrm{self}}+2C_m)}}=2\sqrt{\frac{L_{\mathrm{self}}-L_m}{C_{\mathrm{self}}+2C_m}}.$

图7所示的是PCB分布参数阻抗测试电缆，该电缆包括两对分布参数阻抗测试电缆1，每对测试电缆都设有两根同轴电缆2，这两根同轴电缆的一端分别连接有一个BNC电缆连接头3。同轴电缆中的内导体4的一端与BNC电缆中心导体31相连，另一端的都与一测试探针5合焊在一起；同轴电缆的外导体61的一端与BNC电缆连接头的外导体32相连，另一端都与一接地探针6合焊在一起。接地探针6及测试探针5则分别焊接在一绝缘介质板7的两个金属化孔8上。

本实施例中，绝缘体9为塑料件，经注塑工艺将测试探针5、接地探针6和绝缘介质板7塑封连接为一体而制成电缆测试头10。

单端阻抗测试条的结构，如图8-10、12所示，印制电路板一面为金属接地板17，另一面上由两平行彼此无耦合且完全相同的微带传输线15组成，即两根微带传输线的线间距离大于微带传输线的2倍线宽，目的是使两微带传输线间无耦合。在两微带传输线的两端设有测试孔11，在两测试孔的外侧设有接地孔12，两测试孔与接地孔构成成等边三角形，边长等于接地探针和测试探针之间的间距。

耦合差分阻抗测试条的结构如图11、13所示，印制电路板一面为金属接地板17，另一面上由两彼此相互耦合且完全13，在两测试孔13的外侧设有接地孔14，两测试孔与接地孔构成成等边三角形，边长等于接地探针和测试探针之间的间距。

本发明中分布参数阻抗测试电缆，在使用中它保持了4TP结构的优点，但它比4TP结构使用更加灵活，并通过这种结构能准确测出单端阻抗线分布电容C和耦合微带传输线差分阻抗线分布自电容Cself，能准确测出单端阻抗线分布电感L和耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电感与分布互电感的差值Lself-Lm以及分布互电容Cm，从而能根据(1)和(2)式准确计算出微带传输线特性阻抗和耦合微带传输线差分阻抗线的差分阻抗。

为适宜参数法测阻抗，本发明对单端阻抗测试条进行了重新设计，排除了地线上回路电感的影响：单端阻抗测试条设计成由两根无耦合(两线间距大于两倍线宽)、相互独立的完全相同的微带传输线组成，两微带传输线的两端设计有供测试用的测试孔及一接地孔，两测试孔之间的间距和接地孔到两测试孔之间的间距设计来和两测试电缆的电缆测试头的测试探针5与接地探针6之间的间距相等。耦合差分阻抗条两耦合线两端供测试用的测试孔和接地孔也按此情况处理。测试微带传输线分布电感时，为了不引入接地回路电感，接地探针6是不接地的，而当作测试探针使用，即两接地探针6与两测试探针5分别连接一条微带传输线进行测试，如图10所示，测试的结果为(1+k)L。将接地探针用作测试探针的前提条件是在测试前的短路校正时，除了测试探针进行短接外，接地探针也必须进行短接校正。在测试耦合微带传输线差分阻抗线电感时同样是两接地探针和两测试探针分别连接一条微带传输线，但测出的参数是(1+K)(Lself-Lm)，如图11所示，在图11中测试探针中的电流方向和接地探针之间的电流方向是相反的，根据右手螺旋定则，它们产生的磁场方向是相反的，有减小对方磁场的趋向，因此测出的电感值是(1+K)(Lself-Lm)，Lm数值很小，要单独进行测试是完全不可能的，但用我们这种结构，却能成功地测出计算差分阻抗所需的Lself-Lm参数，但要注意的是用上述方法测出的单端阻抗条微带传输线的分布电感是(1+K)L，测出的耦合差分阻抗条微带线的分布电感为(1+K)(Lself-Lm)，因此上述测试结果必须除以(1+K)才能得到微带传输线分布电感值L和耦合微带传输线差分阻抗线每条线的Lself-Lm。

测试微带传输线的分布电容参数C，可对单端阻抗测试条中任1条线进行测试，测试方法是两测试探针分别连接微带传输线的测试孔和接地孔，两接地探针短接。如图12所示，这相当于变成了4TP结构，测试耦合微带传输线差分阻抗线自电容Cself也可对耦合差分阻抗条中任一条微带传输线进行测试，方法同测微带传输线的电容分布参数完全一样。

测试耦合微带传输线差分阻抗线的互电容，方法是两测试探针分别连接一条微带传输线的测试孔，两接地探针分别与接地孔连接，如图13所示，由于是共地连接，因此测出的电容便是两线之间的互电容。

需要说明一点的是在上述测试中，参数测试仪的工作频率必须满足

$f>\frac{R}{2.81L}---\left(5\right)$

本实例选择2MHZ足以满足该公式所限定的条件。

由上述方案可知，通过上述方法结合使用本发明分布参数阻抗测试电缆及配用的阻抗测试条可准确测出计算单端阻抗和耦合差分阻抗的全部分布参数，从而达到了用参数法精确测试分布参数阻抗的目的。

Claims (5)

1.微带传输线阻抗参数测试方法，包括下列步骤：

a、采用工作频率 

的小电感小电容精密参数测试仪和两对分布参数阻抗测试电缆，每对电缆具有测试探针和接地探针，用以对单端阻抗测试条和耦合差分阻抗测试条的微带传输线分布参数进行测试，进而计算出微带传输线单端阻抗和耦合差分阻抗；

b、对参数测试仪进行短路和开路校正；

c、确定接地探针当作测试测针使用时的校正系数K值：将两测试探针接地，两接地探针连接任一微带传输线两端测其电感值，然后两接地探针接地，两测试探针测试相同微带传输线的电感值，有：K＝接地探针测试值/测试探针测试值；

d、测试微带传输线单端阻抗的分布电感值L，测试耦合微带传输线差分阻抗的分布自电感L_self与分布耦合互电感L_m之差值L_self-L_m时：两接地探针和两测试探针分别连接一条微带传输线进行测试，分别得到(1+K)L和(1+K)(L_self-Lm)；

e、测试微带传输线单端阻抗的分布电容C，测试耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电容C_self时，将两测试探针分别连接单端阻抗测试条或耦合差分阻抗测试条中任一微带线的测试孔和接地孔，并将两接地探针短接即可测得单端阻抗的分布电容C和耦合微带传输线差分阻抗线的分布自电容C_self；

f、测试耦合微带传输线差分阻抗线的互电容C_m时，将两测试探针分别连接一条微带线的测试孔，两接地探针分别连接接地孔，测出两线之间的互电容C_m；

g、根据公式计算出单端阻抗Z和耦合微带传输线差分阻抗线的差分阻 抗Z_diff，

2.依照权利要求1所述的微带传输线阻抗参数测试方法，其特征在于：所述两对分布参数阻抗测试电缆(1)中的每对测试电缆包含有两根同轴电缆(2)，每根同轴电缆的一端分别连接有一个BNC电缆连接头(3)，同轴电缆的内导体(4)的一端与BNC电缆的中心导体(31)相连，同轴电缆的外导体(61)的一端与BNC电缆连接头的外导体(32)相连；两同轴电缆的另一端的内导体(4)与一测试探针(5)合焊在一起，两同轴电缆的外导体(61)与一接地探针(6)合焊在一起，接地探针及测试探针分别焊接在一绝缘介质板(7)的两金属化孔(8)上，一塑料件绝缘体(9)将测试探针(5)、接地探针(6)和绝缘介质板(7)包裹为一体而构成电缆测试头(10)。

3.依照权利要求2所述的微带传输线阻抗参数测试方法，其特征在于：在所述电缆测试头(10)之接地探针(6)的一侧，设有接地标识。

4.依照权利要求1所述的微带传输线阻抗参数测试方法，其特征是：所述单端阻抗测试条由含有同一金属接地板(17)的两根平行，彼此无耦合且完全相同的微带传输线(15)组成，在两微带传输线的两端分别设有测试孔(11)，在每端测试孔(11)的外侧设有与金属接地板(17)相连的接地孔(12)，各端对应的两测试孔(11)与接地孔(12)呈等边三角形分布，等边三角形的边长与所述测试探针(5)和所述接地探针(6)之间的间距相等。

5.依照权利要求1所述的微带传输线阻抗参数测试方法，其特征是：所述耦合差分阻抗测试条，包括含有同一金属接地板(25)的两根完全相同的相互耦合的微带传输线(24、16)组成，其特征是：在两耦合微带传输线(16)的两端分别设有测试孔(13)，在每端测试孔(13)的外侧设有 与金属接地板相连的接地孔(14)，每端对应的两测试孔(13)与接地孔(14)呈等边三角形分布，等边三角形的边长与所述测试探针(5)和所述接地探针(6)之间的间距相等。 

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