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射频变压器阻抗不是常用50欧姆，该怎样高精度测试？ -1

2020.10.13

射频变压器能够实现阻抗、电压、电流的变换，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)功能，所以被广泛应用于射频电路诸如推挽放大器、双平衡混频器及A/D ICs中。对于这类阻抗变换器件，其单端阻抗往往不是50 Ohm，给性能测试制造了重重困难。

相对于传统back-to-back这种背靠背测试方法的局限性，下面将为大家展示一种基于矢量网络分析仪的测试方法。

使用这两项功能可以很有效地测试射频变压器的性能指标。

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(Primary)到次级(Secondary)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不平衡到平衡的转换，对于这样的变压器，可以将其当作一个Balun，测试参数包括：插损、回损、CMMR、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的变压器，可以直接在矢网的虚拟差分测试模式下测试，因为默认情况下，失网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，需要考虑待测件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back-to-back布置，从而实现阻抗的匹配，如下图所示测得的插损取一半即为单个变压器的插损。该方法能够测试变压器的插损和回损，但是无法有效测试CMMR和幅度、相位不平衡特性。

（传统back-to-back法射频变压器测试）

或者使用如图2所示的阻抗变换器，使用两个电阻搭建Mini-Loss Matching PAD。如果平衡端差分阻抗为200 Ohm，则对应的单端阻抗为100 Ohm。R1和R2的取值要同时保证，从DUT输出向矢网看去的输入阻抗为100 Ohm，及从矢网向DUT看去的输入阻抗为50 Ohm。图3给出了相应的测试装置示意图，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2. Mini-Loss Matching PAD

图3. 采用阻抗变换器的测试装置示意图

校准完成后，测试了某一款射频变压器的插损、回损等参数，如图4所示。低频时，测试结果与规格指标比较一致，但是随着频率的提高，偏离规格指标越来越大。经实验发现，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4. 使用阻抗变换器时的测试结果

目前大部分矢网都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。其大致原理：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数学变换，从而得到其它系统阻抗对应的S参数。如此，就不需要外部的阻抗变换器，使得测试更加灵活。

对于射频变压器，输出为差分形式，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Offset功能，将校准参考面延伸至待测件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，如果不作Offset，则测试结果将偏差很大。