射频电路测试原理_第三讲_射频测试原理_清华大学_52页.pdf

射频电路测试原理第三讲射频测试原理guolinli射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期2参考文献?李宗谦，佘京兆，高葆新，微波工程基础，清华大学出版社，2004?吕洪国，现代网络频谱测量技术，清华大学出版社，2000?Reinhold Ludwig,and Pavel Bretchko 著,王子宇 等译，射频电路设计理论与应用，电子工业出版社，2002?Guillermo Gonzalez著，白晓东译，微波晶体管放大器分析与设计，第2版，清华大学出版社，2003射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期3目录?以微波电路中最经典的概念为基础，阐述射频测试、射频电路设计和高速数字电路设计中遇到的基本问题?传输线基本概念?用电压、电流和功率来理解网络散射参数的含义?微波无源器件?传输线、匹配负载、接头、衰减器、耦合器?网络分析仪S参数测试的基本原理射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期4直通导线的短接功能还有吗？?一段普通导线可以有效地将两个电路短接，这是低频下才成立的结论，在高频，导线因导线电感的存在而无法完成短接功能?只有宽的扁平的导体才有可能完成连接功能?几乎没有哪个元器件在超过10个或20个十倍频程的频率范围内，其电气参数能够保持为常数?每个电气参数都需考虑其有效频率范围?10-12Hz：30000年完成一个周期?10+12Hz：元件参数急剧变化射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期5尺寸小于1/10波长的，该电路可视为集总参数电路集总参数和分布参数电路?集总参数和分布参数?当波长远大于器件尺寸时，器件可以被视为一个无尺寸大小的点，这就是集总参数器件，如电阻、电容、电感?集总参数电路系统可用微分方程描述?当器件尺寸可以和波长相比拟时，器件不能被当成一个点来处理，这就是分布参数器件，如传输线?分布参数电路系统需用偏微分方程描述?独立变量除了时间外，还有空间位置?传输线?双线、同轴线、微带线、射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期6一、传输线等效电路lz()()VzCjzGIIzLjzRV+=+=()()()()()()zVCjGdzzdIzILjRdzzdV+=+=zG zL zR zC II+I V VV+z zz+射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期7()()()()()()zVCjGdzzdIzILjRdzzdV+=+=,传输线上的电压电流()()()zzzzzzeVeVZeIeIzIeVeVzV+=+=+=00000001lz?传输线上的电压和电流可以分为沿正z方向传播的正向波和沿负z方向传播的反向波()()+=+=+=+=000 IVCjGLjRZjCjGLjR特征阻抗：传播常数：衰减系数：传播系数：射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期8 z O LZ?假设负载接在z0处，引入反射系数，表征反射电压波与入射电压波之比(),0Z()()()zzzzzzeVeVZeIeIzIeVeVzV+=+=+=00000001 电压反射系数()()()()zzzzeeZVzIeeVzV00000=+=+()()+=+=0000000VVVVV()()()zzzzeeeeZzIzVzZ000+=000ZZZZLL+=()000110+=ZZZL射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期9()()CLCjGLjRZjLCjCjGLjR=+=+=0特征阻抗：传播系数：2=任意点上的反射系数与电压电流()()zjzjeeVzV00+=+z O LZ d()()()()()dVeeVeeVdVddjdjdjdj+=+=+=+11 20000()()()()()dIdZVdIdd=+110()djed20=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期10()()()00ZdZZdZdinin+=()()()dVdVd+=+1()()()dZVdId=+10端接负载无损传输线的输入阻抗()()()()()djZZdjZZZddZdIdVdZLLintantan 110000+=+=z O LZ d2=LinZZZ204=?可以选择传输线的特征阻抗为两个实数阻抗的几何平均值以实现两个实数阻抗之间的匹配LinZZ=2射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期11归一化阻抗/导纳()()()()dz jdjzddZdZdzLLinintan1tan110+=+=()()()()dy jdjyddYdYdyLLinintan1tan110+=+=()()()1ctantan100=终端匹配：终端开路：终端短路：LLLzinyinzindzdjdzdjdz小于1/4波长的终端短路传输线可等效为电感；小于1/4波长的终端开路传输线可等效为电容。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期12irjZZZZ+=+=00在复反射系数平面上表示阻抗irirjjZZZ+=+=111100()2222012111iriiririrjjjZZjxrz+=+=+=()222211irirr+=222111+=+rrrir()222111=+xxir()2212irix+=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期13222111+=+rrrirSmith阻抗圆图1:022=+=irri2222121:1=+=irrr2224143:3=+=irr0=r5.0=r1=r3=r2223231:5.0=+=irr射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期14Smith阻抗圆图()222111=+xxirri()()111:122=+=irx()()2225.05.01:2=+=irx()()222221:5.0=+=irx2=x1=x5.0=x0=x短路点开路点射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期15用Smith圆图实现匹配?可以直接使用工具软件 匹匹 配配 网网 络络 LZ SZ SV 射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期161i2iN1v2v二、散射参数?多端口网络常用阻抗矩阵Z或导纳矩阵Y来描述其端口特性?这些参数的定义是基于电压电流的概念，因而测量需要在端口条件开路或短路情况下进行022220211201221011111122 =iiiiivzivzivzivz=212221121121iizzzzvv射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期17()接匹配负载端口2011112=aabs为什么用S参数?但在微波频率下，开路/短路测量电压/电流方法不再适用?一是电压、电流很难测量?二是短路开路容易引起网络不稳定?在微波频段，采用波的概念，用散射参数来描述一个网络的端口特性?测试是在匹配状态下进行DUT1a1b2a2b=212221121121aassssbb21s12s11s22s射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期18()()()zzzzeVeVZzIeVeVzV+=+=000001入射波和反射波是什么？?入射波a是归一化入射功率，反射波b是归一化反射功率nnnnnnZVbZVa00+=()nnnnnIZVZa0021+=()()()nnnnnnnnnnnnnbaZVVZIbaZVVV=+=+=+00011()nnnnnIZVZb0021=入射波功率2*21Re21nnnnaIVP=+反射波功率2*21Re21nnnnbIVP=()22*21Re21nnnnnbaIVP=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期19=212221121121aassssbbS参数DUT1a1b2a2b21s12s11s22s022220211201221011111122 =aaaaabsabsabsabs?S11是端口2匹配情况下端口1的反射系数?S22是端口1匹配情况下端口2的反射系数?S12是端口1匹配情况下端口2到端口1的传输系数?S21是端口2匹配情况下端口1到端口2的传输系数射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期20S参数的物理意义【S】022220211201221011111122 =aaaaabsabsabsabsGRGVLRGRZ=01LRZ=021a2b2a1b11s21s12s22s1l2l02l01l2V2I1V1I情况和网络两端接负载为一般情况下，二端口LGRRll:0,21=()()()000:0202222IZIZVzL=()()()()()()()0002100210202202022022022=+=+=IZIZZIZVZa负载ZL上没有产生反射波()()()()()0002102022022022IZIZVZb=()()()LLPIRIZb=22220222021021021射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期21【S】01ZRG=GV01Z02Z1a2b2a1b11s21s12s22s1l2l02l01l2V2I1V1I02ZRL=()()()000:0101111IZVIZVVzGGG=()()()()()()()011011010110110112 0021 00210ZVIZIZVZIZVZaGG=+=+=()()max,2012211880210GGGGPRVZVaP=+入射波功率等于信源的资用功率信源把自己能提供的最大功率以入射波形式向网络入射射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期22【S】01ZRG=GV01Z02Z1a2b2a1b11s21s12s22s1l2l02l01l2V2I1V1I02ZRL=()()()()()()2121*11102102100Re210baIVP=()()()()000210211max,12121PPPabG=()()11max,21121lPPlbG=信源把资用功率送到网络的输入端口，这个功率和网络输入阻抗无关显然，如果网络输入阻抗等于信源内阻（传输线1的特征阻抗），那么就是最大功率传输匹配，因而没有反射功率；否则，必有反射功率会反射回信号源射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期23【S】01ZRG=GV01Z02Z1a2b2a1b11s21s12s22s1l2l02l01l2V2I1V1I02ZRL=()()()()()()()()()010101111001110111011111122022222ZZZZlVlVZlVZlVlalbSininlVZlVla+=+=+=+()()()()max,11max,20111121122GGlaPlPPlalbS=()()()211max,11110SPPlPG=|S11|2表示端口1的反射功率与资用功率之比如果|S11|1，反射功率大于资用功率，端口1为功率源，从而产生振荡射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期24【S】01ZRG=GV01Z02Z1a2b2a1b11s21s12s22s1l2l02l01l2V2I1V1I02ZRL=()GVlVS=22212()()()()()()()()()0110122020110122020112221222222=+=+=+=lIlIlalIZlIZlIZlIZlalbS()()()()()()()()0111011010111011101011111221211ZeVlIZlIZVZlIZlVZZlalIljGG+=+=+=()()()()()022222222222ZlVlIlIlIlI=+|S21|2代表传递给负载的功率与信源资用功率之比，表示的是功率传输比()max,01202222221821GLGPPZVZlVS=()010222212ZVZlVSG=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期25【S】01ZRG=GV11s21s12s22s02ZRL=010111ZZZZSinin+=?S11代表输入阻抗的反射GGVVZVZVS2010222122=?S21代表正向电压传输函数?如：滤波器的电压传输函数max,1max,1max,2111GGGPPPPPS=?|S11|2代表端口1的反射功率与信源资用功率之比max,221GLPPS=?|S21|2代表负载消耗功率与信源资用功率之比射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期26LC滤波器综合，综合的就是S21滤波器的电压传输函数?滤波器的电压传输函数就是s21GVGRLRiVoV信号源测试仪器）水平线（校准为测试仪器上显示为一条校准校准121GGLGLioVVRRRVV=+=GLRR=假设GVGRLR()sHiVoV信号源测试仪器滤波器()2GoooooVVVVjHVV测试仪器显示的是校准测量校准测量=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期27S参数表示的优势?与习惯上经常使用的物理量关系密切，不会引入特别额外的理解上的负担21log20sG=增益：21log20sL=衰减：1221 ,sHsH=反向正向传输函数：1221arg ,argss=反向正向传输相移：dtd=群时延：1111011ssZZin+=输入阻抗：2222011ssZZout+=输出阻抗：2211 ssoutin=反射系数：2222111111 11ssSWRssSWRoutin+=+=驻波比：2211log20 log20sRLsRLoutin=回波损耗：()()10+=SISIZZ?易于用信号流图进行网络综合?便于测试射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期28测出器件S参数之后?利用S参数?了解DUT的网络性质?实现匹配?阻抗匹配?Smith圆图?最大增益传输?最小噪声系数射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期29三、微波无源器件?微波射频系统是由馈线、无源微波器件、有源微波电路以及天线构成的?了解微波无源器件的功能、结构及特性，有助于我们理解射频电路系统和射频测试系统的基本要素和原理?传输线、匹配负载、接头、衰减器、耦合器射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期30ababZrln600=3.1 同轴传输线?同轴电缆是一个TEM波传输系统，所有频率的信号都以同样的速度沿线传输?为了实现最大功率传输，对于空气介质同轴线，其最佳特征阻抗为30欧姆?为了实现最小功率损耗传输，同轴线的最佳特征阻抗为77欧姆?50欧姆传输系统是一个折衷?集成电路内部无需要求50欧姆阻抗3017750minmaxPP射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期31W00rth微带传输线+=+=1211041.01212121 1 4444.1ln667.0393.111201 25.08ln60212210WhhWWhhWhWhWhWhWWhZrreffeffeff?微带线是测试PCB板上最常见的传输线形式?准TEM波?其他的测试用传输线还有波导传输线?非TEM波射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期32常用的其他负载还有短路器，它反射全部的入射波能量。短路器一般为活塞形式，又称短路活塞。做为单端口网络，在理想条件下，s11=-1。3.2 匹配负载?匹配负载是微波系统中的一种终端器件，从能量的观点看，在理想情况下，它能吸收入射波的全部能量而不产生反射，故称匹配负载?可用乳聚乙烯、碳粉、铁氧体混合物压制成尖劈形或阶梯形，置于波导或同轴线末端，其波阻抗SQRT(/)保持和空气一致，从而达到无反射吸收电磁能量的功能?从网络的观点看，匹配负载为单端口网络，它只有一个散射参量，即s11=0?实际的匹配负载总有小量反射波，在精密的测试系统中，希望其驻波系数小于1.02（-40dB），一般的测试系统也希望其驻波系数小于1.10（-26dB）?对于大功率匹配负载，还需要考虑散热问题?通常采用水负载，流动的水作为吸收微波能量的物质，同时把热量带走+=11minmaxVV射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期333.3 接头?各种微波器件连接起来构成微波系统，这种连接主要倚靠接头来实现?可能是同性质传输线接头，也可能是不同性质传输线之间的转接头?对接头的要求是机械上连接可靠，电气上接近均匀无损?实际接头不可避免地存在做不同程度的反射和损耗?接头尺寸公差、表明光洁度和清洁度；接头错位；内外导体不连续和弹性接触不良?常用的同轴接头有L6（12GHz）、Q9（4GHz）、N（10,18GHz）、SMA（24GHz）等射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期343.4 衰减器?为了控制传输功率的大小，有必要在系统中接入衰减器?吸收式、截止式、旋转极化?数字步进衰减器?PIN可调衰减器射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期35()+=11 ,2031102ZRRZR1R2R3R2010=衰减器=15.71,25.9610,502310RRRdBZcontrolVVVCC5=68016401640270pF47000pF47000pF47000560560射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期363.5 耦合器?在RF电路和测量装置中，分支线耦合器和功率分配器起着重要的作用，因为它们能在固定参考相位条件下分开或组合RF信号?Wilkinson功率分配器?分支线耦合器?Lange耦合器?环行器射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期37Wilkinson功率分配器=0000021jjjjS0Z0Z0Z02Z02Z441端口2端口3端口02Z504715050100471射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期38分支线耦合器0Z0Z0Z0Z0Z0Z20Z20Z=0100011000102190jjjjS2端口1端口44端口3端口1端口2端口=01101001100101102180jS3端口4端口射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期39Lange耦合器dBdB51朗格耦合器主要贡献是宽带应用，4指、6指、8指射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期40Kss=4114221121Kjss=耦合器的指标1入射口2传输口4141log20log10sPPL=耦合度：314134log20log10ssPPD=方向性：4111111ss+=输入驻波比：4耦合口3隔离口?耦合度随要求而定?方向性越大越好?输入驻波比越接近1越好?工作频带视要求而定射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期412345n=1111jeS1环形器?一个理想的环形器是具有三个或更多匹配端口的器件，其中，入射到任一端口的功率无损耗地被引导到特定方向上的下一个端口输出，而与其他端口无耦合天线匹配负载接收机发射机信号输入放大器输入端N个三端口组成一个N+2端口环形器收发分离隔离器射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期42四、网络分析仪基本原理?无论任何电路网络，都可以用S参数来表示其特性?用来测量S参数的设备称为网络分析仪?只测量幅度：标量网络分析仪?幅度和相位都能测量：矢量网络分析仪射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期434.1 反射参数测量系统幅相接收机显示器信号源功分器耦合器DUT伸长线RefTestsEabbcT3=sEcR1=sEca2=abL=LcccRT=123射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期444.2 传输参数测量系统幅相接收机显示器信号源功分器DUTRefTestsE1a2bsEcR1=sEca21=Tasb=12122112sccRT=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期454.3 幅相接收机幅度检波相位检波RefDisplayerTest?固定中频上进行幅度和相位检波?幅度测量中采用对数放大器，显示为dB数?相位之差变化范围180180?取比值：消除信源电平影响射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期464.4 双向反射与传输测量幅相接收机显示器信号源RefTestDUT1211S2S2S1S2S11s1112s2121s1222s22射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期474.5 测量误差与修正1?以反射参数测量为例?方向性误差?定向耦合器隔离口隔离度不理想?转接头部件失配?频率响应误差?功分器、耦合器、接头、电缆的频率特性?源失配误差?功分器和耦合器不理想Ms1111sRT+1DsM()211111111111111sMsTDssMTsDssRsRM+=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期48()11111111sMTsDssRM+=()()sMRMMDsTDss+=1111111消除系统误差?用三个反射系数已知的标准件依次替代DUT进行测量，得到三个方程，求解获得三个误差项，即可消除系统误差?系统校准与误差修正?匹配负载?短路器?开路器()DmatchsM=11()sRMMTDshorts+=1111()sRMMTDopens+=1111()matchsDM11=BABAABTR+=2ABABMs+=()()()()matchsopensBshortsmatchsAMMMM11111111=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期49双口网络误差模型sMLMCTT+1()()122122112211212111ssssMMsMsMTsCssLLsTM+=D1RT+1?传输参数测量误差模型中有四个误差来源?源失配误差、负载失配误差、泄漏误差、传输频率响应误差?校准?移开网络，端口分别接匹配负载，获得泄漏误差?移开网络，两端口直通连接，测量反射系数和传输系数可获得负载失配误差和频率响应误差?源失配误差同反射参数测量?源失配误差在反射参数测量中和传输参数测量中是一个，因此，对一个端口，有六个误差参数，对两个端口，有十二个误差参数?十二误差模型?校准需要测量12次，把12个误差参数求出来?短路、偏离短路、开路、双匹配传输、直通反射、直通传输射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期50练习题1 传输线匹配电路4183,8101Y02Y03Y111jBGY+=222jBGY+=三段传输线的特征导纳应如何取值？射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期51练习题2 匹配衰减器?请用一个型电阻网络匹配两个电阻RS=50和RL=75，并同时具有=10dB的功率衰减。列出三个电阻的阻值与RS、RL、和的关系式，并求出具体阻值1R2R3RSRLR射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期52504715050100471练习题3 简单耦合器?某放大器非线性双音测试实验如图所示，假设信号源、放大器的阻抗均为50欧姆，请求出双音合成器电路中的电阻值大小，求1口和3口间的耦合度系数，以及1口和2口间的隔离度系数RRR123