CN101782609B

CN101782609B - 一种低射频阻抗测量装置

Info

Publication number: CN101782609B
Application number: CN2009103085602A
Authority: CN
Inventors: 钟名庆
Original assignee: NTS Technology Chengdu Co Ltd
Current assignee: Chengdu core software Co., Ltd.
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: CN101782609A

Abstract

本发明公开了一种用于辅助射频功率放大器开发的低射频阻抗测量装置，包括50Ω同轴匹配负载(1)、同轴一微带过渡连接器(2)、附加两节阻抗变换微带线的被测低射频阻抗电路(3)、微带OSL校准电路板(4)，两节阻抗变换微带线(b、c)把低射频阻抗微带电路(a)的阻抗水平提高到矢量网络分析仪能够精确测量的水平，从而消除了直接测量低射频阻抗误差大的问题；微带OSL校准件消除了同轴测试口与微带电路过渡部分引入的测试误差，使测量精度进一步提高。本发明具有结构简单、测量精度好、成本低廉等优点。

Description

一种低射频阻抗测量装置

技术领域

本发明涉及射频类，尤其是涉及一种低射频阻抗测量装置。

背景技术

在开发射频功率放大器过程中，为了减少需要在实际微带电路板上的调试量，常应用仿真软件来优化设计射频功率放大器匹配电路，使外部系统阻抗50Ω经微带匹配电路变换后在功率晶体管端面得到的阻抗尽量接近功率晶体管模型推导出的目标阻抗，把仿真给出的理论预期结果作为希望实际电路实现达到的终极目标。然而，由于功率晶体管模型固有的误差、仿真软件算法误差以及仿真电路模型与实际电路实现之间的差异，现实情况是新设计的射频功率放大器总是需要一定的电路参数调整才能达到接近理论预期的结果，而调试后是否已确实达到足够接近实际功率晶体管的性能极限仍然是未知的，这对于指标余量小的场合是不能令人满意的。

对一个射频功率放大器进行测量获得的结果反映的是功率晶体管与匹配电路共同作用的总效果，如果测量结果不达标，是很难从测量结果中判别问题是出在功率晶体管本身模型的误差还是出在匹配电路的匹配误差的；另一方面，匹配电路是以微带做为电路实现的方式，微带电路本身的调试手段如贴铜箔、贴电容、割微带、变换电容值都不是高效的操作，因此实际调试能够进行的这些尝试数量很有限，还极易出现无效的往复，结果导致无法获知功率晶体管的实测性能全貌、无法准确判断当前调试取得的性能水平离管子性能极限的差距，因而微带匹配电路参数调整在实际操作起来非常费时、低效。

根据功率放大器的负载线理论，功率放大器的性能与功率晶体管所看到的阻抗有一一对应的关系，因此只要能实际测出功率晶体管所看到的阻抗，那么就很容易从测量结果中分离出匹配电路误差与功率晶体管模型误差各自的效果，为准确定位故障根源、判别调试效果及确定电路调试方法提供可靠的数据支持，从而大幅度提高调试效率。

相对于常见测试系统的参考阻抗50Ω，与大功率功率晶体管相关联的阻抗水平是很低的。对常用的封装大功率晶体管，器件厂商已将部分匹配电路做到封装内部从而将封装端面的阻抗提高到1Ω量级以减小外匹配电路设计的困难。尽管这样，1Ω量级阻抗在50Ω系统下对应的电压驻波比为50∶1，如此高驻波的测量精度以及由高驻波换算出来的阻抗精度都是很差的。

本专利所提出装置的目标就是解决使用矢量网络分析仪测量1Ω量级低射频阻抗面临的精度问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量1Ω量级低射频阻抗时能提高测量精度的低射频阻抗测量装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低射频阻抗测量装置，在被测低射频阻抗电路与矢量网络分析仪的同轴测试口之间依次连接第一阻抗变换微带线、第二阻抗变换微带线以及同轴过渡微带线，在第二阻抗变换微带线端面上矢量网络分析仪测得的阻抗(Z_LM)与被测低射频阻抗电路的阻抗之间存在关系式：其中，Z_L为被测低射频阻抗电路的阻抗，Z₀₁为第一阻抗变换微带线的特性阻抗，Z02为第二阻抗变换微带线的特性阻抗，Z₀₂∶Z₀₁的比值大于1。

所述第一阻抗变换微带线的线宽为功率晶体管的引线宽度。

所述同轴测试口与同轴过渡微带线引入的测试误差由微带校准件消除，所述微带校准件由三个同轴-微带过渡连接器和微带校准件电路板构成，其中第一同轴-微带过渡连接器与第一个50Ω终端开路微带线一起构成Open校准件，第二同轴-微带过渡连接器与50Ω终端短路微带线一起构成Short校准件，第三同轴-微带过渡连接器与第二个50Ω终端开路微带线和两个100Ω接地表面安装电阻一起构成Load校准件，表面安装电阻的接地由微带校准件电路板上的6个金属化过孔来实现。

所述第一阻抗变换微带线为90o阻抗变换线；第二阻抗变换微带线为90o阻抗变换线。

所述同轴过渡微带线为50Ω微带线。

所述同轴测试口为50Ω同轴测试口。

本发明为了消除直接用50Ω测试系统测量1Ω量级阻抗存在的巨大测量误差，在被测低射频阻抗电路(如图1中输出匹配电路，即为低射频阻抗微带电路)端面附加两节四分之一波长阻抗变换微带线(即称之为90o阻抗变换线)将被测阻抗提高到更高的阻抗水平进行测量，其测量原理如图1所示。

图1所示是使用矢量网络分析仪测量功率晶体管输出端看到的负载阻抗Z_L的测试原理框图，Z_L是输出匹配电路将系统阻抗Z₀＝50Ω变换过来的。由于Z_L为1Ω量级的低射频阻抗，为了减小测试误差，在输出匹配电路与矢量网络分析仪的50Ω同轴测试口之间插入了90o阻抗变换线Z₀₁、90o阻抗变换线Z₀₂以及同轴-微带过渡(即50Ω同轴过渡微带线)。阻抗变换线都是用微带线实现的。

两节90o阻抗变换微带线用于将1Ω量级的低射频阻抗Z_L变换到10Ω量级，10Ω量级阻抗在50Ω测试系统中对应的电压驻波比为5∶1，远小于直接测量对应的电压驻波比50∶1，这样的驻波水平在50Ω测试系统下的测量精度是有保证的；同轴-微带过渡用于实现50Ω微带线到矢量网络分析仪50Ω同轴测试口之间的过渡，是用同轴测试系统测量微带电路不可避免的不连续结构。

为了准确模拟功率晶体管引线宽度与输出匹配电路微带线宽度之间连接处存在的宽度不连续性效应，与输出匹配电路连接的90o阻抗变换微带线Z₀₁的宽度限定为功率晶体管引线的宽度。根据传输线理论，经过两节90o阻抗变换微带线的阻抗变换作用，在90o阻抗变换微带线Z₀₂端面上矢量网络分析仪测得的阻抗为

Z_L为输出匹配电路的阻抗，Z₀₁为第一阻抗变换微带线的特性阻抗，Z₀₂为第二阻抗变换微带线的特性阻抗。为了将1Ω量级的低射频阻抗Z_L变换到10Ω量级，要求Z₀₂∶Z₀₁的比值大于1。微带线的特性阻抗取决于微带线宽、电路板介质厚度和介电常数，对选定的电路板材料和厚度，微带线越宽，特性阻抗越小，因此Z₀₂∶Z₀₁的比值由第二阻抗变换微带线宽度来决定。

由上式可见，两节阻抗变换微带线的特性阻抗比值的平方等于两节阻抗变换微带线实现的阻抗变换比，这个特点有利于降低微带线线宽制作误差所引起的阻抗变换比误差。同时，两节90o阻抗变换微带线方案降低了每一节阻抗变换微带线两端的阻抗差距，因此有更宽的工作带宽。根据公式，测出Z_LM即可轻而易举由公式解出Z_L。

基于同轴系统的矢量网络分析仪测量参考面在同轴测试电缆口(即同轴测试口处)，测试微带电路时结果中还包含有同轴-微带过渡的影响。为了消除这种影响带来的测试误差，需要将测量参考面移到微带参考面(见图1)，这就需要微带校准件来消除上述测试误差。

对3GHz以下频率，高质量微带负载是可以实现的，因此测量负载阻抗时使用包括开路(Open)、短路(Short)、负载(Load)三种校准件的OSL一端口校准算法。通过对微带Open、Short、Load校准件分别进行校准测量后，测量参考面被自动设定到图1中的微带参考面。

本发明的有益效果是：通过两节阻抗变换微带线把低射频阻抗微带电路的阻抗水平提高到矢量网络分析仪能够精确测量的水平，从而消除了直接测量低射频阻抗误差大的问题；微带校准件消除了同轴测试口与同轴-微带过渡部分引入的测试误差，使测量精度进一步提高。另外，本实用新型具有结构简单、测量精度好、成本低廉等优点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的测试原理示意图；

图2是低射频阻抗微带电路的版图a；

图3是附加两节阻抗变换微带线的低射频阻抗微带电路3的版图；

图4是微带校准件电路4的版图；

图5是本发明低射频阻抗微带电路具体的测量原理示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明一种低射频阻抗测量装置，在被测低射频阻抗电路与矢量网络分析仪的同轴测试口之间依次连接第一阻抗变换微带线、第二阻抗变换微带线以及同轴过渡微带线(即低射频阻抗微带电路的低射频阻抗端与两节阻抗变换微带线的低射频阻抗端联接在一起)，在第二阻抗变换微带线端面上矢量网络分析仪测得的阻抗Z_LM与被测低射频阻抗电路的阻抗之间存在关系式，即为：

其中，Z_L为输出匹配电路的阻抗，Z₀₁为第一阻抗变换微带线的阻抗，Z₀₂为第二阻抗变换微带线的阻抗，Z_LM为在第二阻抗变换微带线端面上矢量网络分析仪测得的阻抗，Z₀₂∶Z₀₁的比值大于1。

所述第一阻抗变换微带线的线宽为功率晶体管的引线宽度。

所述同轴过渡微带线为50Ω微带线。

所述同轴测试口为50Ω同轴测试口。

本发明中，

图2为低射频阻抗微带电路的版图a，是需要测知其阻抗的部分。

图3为附加两节90o阻抗变换微带线的低射频阻抗微带电路3的版图，它包括：低射频阻抗微带电路的版图a、90o阻抗变换微带线Z₀₁的版图b、90o阻抗变换微带线Z₀₂布版图c、50Ω微带线的版图d。

图4是微带校准件电路板4的版图，它包括：第一个50Ω终端开路微带线e、50Ω终端短路微带线f、第二个50Ω终端开路微带线g。第一个50Ω终端短路微带线f的终端对背面地的短路由金属化过孔i来实现。

图5是低射频阻抗微带电路的测量原理示意图。测量装置包括两个部分：50Ω同轴匹配负载1、低射频阻抗微带电路3左右两侧的2个同轴-微带过渡连接器2、附加两节微带阻抗变换微带线(第一阻抗变换微带线和第二阻抗变换微带线)的低射频阻抗微带电路3组成被测件；三个同轴-微带过渡连接器2、微带校准件电路板4构成完整的OSL校准件(微带校准件)，其中第一同轴-微带过渡连接器2与第一个50Ω终端开路微带线e一起构成Open校准件，第二同轴-微带过渡连接器2与50Ω终端短路微带线f一起构成Short校准件，第三同轴-微带过渡连接器2与第二个50Ω终端开路微带线g和两个100Ω接地表面安装电阻h一起构成Load校准件，表面安装电阻h的接地由微带校准件电路板4上的6个金属化过孔j来实现。同轴-微带过渡连接器2的同轴口与矢量网络分析仪的测试电缆端口重合，即同轴测试口，同轴测试口为图5中的同轴参考面。使用微带校准件消除同轴-微带过渡连接器2和50Ω微带线d组合在一起形成的不连续性对测量结果的影响。

整个阻抗测试过程分两步进行。

第一步，建立OSL微带校准数据文件。建立校准数据文件需要测量自制OSL微带校准件Open的边缘电容(电容系数)，这可利用矢量网络分析仪测出，基本步骤为：(1)在矢量网络分析仪的同轴测试口进行OSL一端口校准；(2)将Short接到矢量网络分析仪的同轴测试口测量S11的相位，然后更改端口扩展量直到S11的相位为180o；(3)换接Open到矢量网络分析仪的同轴测试口测量S11并以Smith导纳圆图显示格式，从圆图上读取电容值作为微带Open校准件的电容系数；(4)用测得的电容系数建立自制微带校准数据文件；(5)选用自制微带校准数据文件，用自制微带校准件进行OSL校准后进行阻抗测量。

第二步，阻抗测量。换接被测件到矢量网络分析仪的同轴测试口测量S11并以Smith阻抗圆图显示格式，从圆图上读取被测件在微带参考面的阻抗值Z_LM，然后用前面关于Z_LM和Z_L的关系式算出Z_L。

如：

Z₀₂∶Z₀₁的比值预先设定，假定该比值为5(改变第二微带线的宽度即Z₀₂可以调整该比值，该比值为大于1，调整微带线时，微带线越宽，特性阻抗Z₀₂越小)。为了提高测量精度，本发明引用了微带校准件，由于图5中采用微带校准件消除了同轴-微带过渡连接器2和50Ω微带线d组合在一起形成的不连续性对测量结果的影响，消除了同轴-微带过渡连接器2和50Ω微带线d带来的测试误差，因此矢量网络分析仪的测量参考面被自动设定到图5中的微带参考面，当矢量网络分析仪对在图5中在低射频阻抗微带电路3中连接的同轴-微带过渡连接器2端面进行测量时，矢量网络分析仪显示的值是微带参考面处的值，如果测试值为Z_LM＝10+j10Ω，那么根据公式

Z_L＝0.4+j0.4Ω。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种低射频阻抗测量装置，其特征在于：在被测低射频阻抗电路与矢量网络分析仪的同轴测试口之间依次连接第一阻抗变换微带线、第二阻抗变换微带线以及同轴过渡微带线，在第二阻抗变换微带线端面上矢量网络分析仪测得的阻抗Z_LM与被测低射频阻抗电路的阻抗之间存在关系式：

Figure 2009103085602100001DEST_PATH_IMAGE002

,其中，Z_L为被测低射频阻抗电路的阻抗，Z₀₁为第一阻抗变换微带线的特性阻抗，Z₀₂为第二阻抗变换微带线的特性阻抗，Z₀₂：Z₀₁的比值大于1；

所述第一阻抗变换微带线为90o阻抗变换线；第二阻抗变换微带线为90°阻抗变换线。

2.根据权利要求1所述的低射频阻抗测量装置，其特征在于：所述第一阻抗变换微带线的线宽为功率晶体管的引线宽度。

3.根据权利要求1所述的低射频阻抗测量装置，其特征在于：所述同轴测试口与同轴过渡微带线引入的测试误差由微带校准件消除，所述微带校准件由三个同轴－微带过渡连接器和微带校准件电路板构成，其中第一同轴－微带过渡连接器与第一个50Ω终端开路微带线一起构成Open校准件，第二同轴－微带过渡连接器与50Ω终端短路微带线一起构成Short校准件，第三同轴－微带过渡连接器与第二个50Ω终端开路微带线和两个100Ω接地表面安装电阻一起构成Load校准件，表面安装电阻的接地由微带校准件电路板上的6个金属化过孔来实现。

4.根据权利要求1或3所述的低射频阻抗测量装置，其特征在于：所述同轴过渡微带线为50Ω微带线。

5.根据权利要求1或3所述的低射频阻抗测量装置，其特征在于：所述同轴测试口为50Ω同轴测试口。