片式电阻器阻抗和驻波比频率特性的测量装置及方法

摘要

本发明公开了片式电阻器阻抗和驻波比频率特性的测量装置及方法，测量装置包括终端加载片式电阻器的微带线电路、终端短路的微带线电路及网络矢量分析仪；利用网络矢量分析仪测量出终端加载片式电阻器的微带线电路和终端短路的微带线电路的输入阻抗，进而求出片式电阻器的阻抗Z

说明书

技术领域

本发明涉及射频微波技术领域，具体涉及一种在射频领域测量片式电阻器阻抗和驻波比频率特性的装置及方法。

背景技术

随着微电子电路、表面安装技术(SMT)的应用和不断发展完善,电阻产业整体呈现出向片式化、小型化方向发展趋势。要使电子设备小型化，首先要考虑的是电子元件的小型化。片式、小型化已经成为电阻元件近些年发展的主要方向。

为了降低成本和提高电阻阻值精度，片式电阻器普遍使用激光调阻的方式使片式电阻在直流上达到预期的阻值。

片式电阻上给定的电阻阻值都是直流段的阻值，一些电子元器件厂商生产的射频应用片式电阻一般只是以驻波比(VSWR)的形式来给出片式电阻的频率特性。

对于射频应用的片式电阻器阻抗和驻波比(VSWR)频率特性的测量，许多电子元器件厂商一般都是采用等效电路图和三维建模的办法通过各类仿真软件，如Advanced Design System(ADS)、High Frequency Structure Simulator(HFSS)、Computer Simulation Technology(CST)等仿真得到。这种做法主要不足在于：等效电路图和三维建模仿真得到的数据都是一种近似结果，适宜作为参考数据。为了弥补这种不足，应该给出片式电阻器在电路板上的实际测量结果。

可以利用现有的微波测量夹具对表面贴装的器件进行测量，测量出其驻波比(VSWR)、插入损耗、幅频响应等射频参量。微波夹具测试系统如图1所示。这种现有的微波夹具并不能直接测出片式电阻器的阻抗和驻波比频率特性，只能再利用A参量矩阵推算出片式电阻器的阻抗和驻波比频率特性。上述这种现有的测量方法存在以下缺陷：

1.这种微波夹具从片式电阻器外部引入的反射比较多，引入了两个同轴接头的本身反射以及同轴接头与微带线连接由于电磁波模式转换产生的反射，从而使得出的片式电阻器驻波比(VSWR)频率响应误差比较大。

2.这种微波夹具的部件精度要求高，制造工艺要求非常高，制造的成本非常昂贵。

3.微波测量夹具与片式电阻器的连接紧凑性也是一个不足，不如把片式电器直接焊在电路板上，使其接触更加紧密。

发明内容

为了解决现有微波测量技术所存在的问题，本发明提供片式电阻器阻抗和驻波比频率特性的测量装置及方法，将片式电阻器直接焊在电路板上，可以快捷高效测量出其输入阻抗，再利用微波技术知识推算出其阻抗和驻波比频率特性。

本发明测量装置通过下述技术方案实现：片式电阻器阻抗和驻波比频率特性的测量装置，包括终端加载电阻器的微带线电路、终端短路的微带线电路及网络矢量分析仪；所述终端加载电阻器的微带线电路在微带线末端接上片式电阻器；所述终端短路的微带线电路，其微带线与终端加载电阻的微带线等长等宽；所述微带线的测量端接一个用于PCB焊接的同轴接头，微带线与所述同轴接头匹配，同轴接头还用于与网络矢量分析仪连接；

所述网络矢量分析仪测量出终端加载电阻器的微带线电路的输入阻抗Z_{in_circuit}和终端短路的微带线电路的输入阻抗Z_{short_circuit}，进而求出电阻器的阻抗Z_L，Z_L再乘以并联的电阻器个数以得到电阻器的阻抗频率特性；根据电阻器的阻抗频率特性求出电阻器的驻波比。

所述终端短路的微带线电路采用以下结构：微带线末端接一个与终端加载片式电阻器总长度、总宽度一致的小型微带线。

所述终端短路的微带线电路采用以下结构：在终端加载电阻器的微带线电路基础上实现终端短路的微带线电路，即在焊接上片式电阻器且测量数据后拆下片式电阻器，然后对焊上一片与片式电阻器总长、总宽一致的铜皮。

本发明测量方法通过下述技术方案实现：基于前述测量装置的片式电阻器阻抗和驻波比频率特性的测量方法，包括以下步骤：制造终端短路的微带线电路和终端加载电阻器的微带线电路后，利用矢量网络分析仪分别测量其输入阻抗；根据终端短路的微带线电路的输入阻抗和终端加载电阻器的微带线电路的输入阻抗计算电阻器的阻抗；根据电阻器的阻抗进一步求出电阻器的驻波比。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、微带线电路中使用一个SMA直式同轴接头，减少了从测量结构(片式电阻外部)引入的电磁波反射。截面全铺铜的接地方式减少了接地的寄生电感效应，使得测出来的片式电阻器输入阻抗更准确。

2、通过终端加载电阻和终端短路的微带线电路联合求解出片式电阻器的阻抗和驻波比频率特性与驻波比的方法，可以抵消部分测量电路引入电磁波反射的影响，测量结果更可靠。

附图说明

图1是非同轴微波器件测试夹具系统的结构示意图；

图2是本发明终端加载片式电阻器的微带线示意图；

图3是本发明终端短路的微带线示意图；

图4是终端加载片式电阻器的等效电路图；

图5中，(a)为终端加载的无损耗传输线等效模型图，(b)为终端短路的无损耗传输线等效模型图；

图6是终端加载片式电阻器的微带线等效模型图；

图7是终端短路的微带线等效模型图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明测量方法使用到两个电路，一个是终端加载电阻的微带线电路，一个是终端短路的微带线电路。终端加载电阻的微带线电路：微带线末端接上片式电阻器，大于50Ω的片式电阻器阻值尽可能地通过并联方式靠近50Ω，片式电阻器在微带线末端等间隔放置；对于小于50Ω的片式电阻器不做联接处理，直接在微带线末端中间放置一个电阻。终端短路的微带线电路：其微带线要与终端加载电阻的微带线长度等长等宽，其微带线末端接一个与终端加载片式电阻器总长度、总宽度一致的小型微带线。对于终端短路的微带线电路另一种实现方式，可以在终端加载电阻的微带线电路基础上实现终端短路的微带线电路；即在焊接上片式电阻器且测量数据后拆下片式电阻器，然后对焊上一片与片式电阻器总长、总宽一致的薄铜皮，保证铜皮与微带线接触良好，但焊点不宜堆得很厚。

微带线的特征阻抗为50Ω，微带线的测量端接一个用于PCB焊接的50ΩSMA直式同轴接头，微带线与SMA同轴接头匹配，同时同轴接头也用于与网络矢量分析仪连接测量。测量端的微带线要伸到电路板的边沿，与SMA直式同轴接头伸出的内导体焊接均匀，接触良好。

终端加载电阻和终端短路的微带线电路的接地采用接地截面全铺铜的方式与电路板底部的地平面接触，没有采用过孔的方式，以减少因为过孔而产生的寄生电感效应。使用矢量网络分析仪测出终端加载电阻和终端短路微带线电路的输入阻抗，然后再利用射频微波技术相关知识推算出片式电阻器的阻抗和驻波比(VSWR)频率特性。

片式电阻器即表面贴装的电阻器，其一般为膜电阻，例如厚膜电阻、薄膜电阻、金属膜电阻等，区别于线绕电阻、直插电阻。厚膜电阻器的电阻膜厚大于10微米，是片式电阻器的一种。下面以测量0402封装的100Ω厚膜片式电阻器的阻抗以及驻波比(VSWR)频率特性为例进行说明。

本发明要求选用的SMA同轴接头与微带线连接时产生的电磁波反射尽可能少，所以选择SMA-KE3直式同轴接头；还必须尽可能地减少接地的寄生效应对测量片式电阻器阻抗频率特性的影响，所以选择接地平面全铺铜的方式接地。本发明利用终端短路的微带线电路和终端加载片式电阻器的微带线电路，联合求解出片式电阻器的阻抗与驻波比(VSWR)频率特性。参照图2和图3，制造出对应的终端短路的微带线电路和终端加载片式电阻器的微带线电路。

另外，可以在终端加载电阻的微带线电路基础上实现终端短路的微带线电路。即在测量完厚膜电阻器的输入阻抗后拆下电阻，焊接上一个薄铜片形成终端短路的微带线电路。实验测量表明，这两种方式的测量结果误差可以忽略。

电路板材料取FR4，介电常数4.4；微带线宽度取1.93mm；电路板厚度取1mm，使微带线的特征阻抗为50Ω。SMA同轴接头选择同一生产批次的SMA-KE3直式同轴接头，使其与微带线特征阻抗匹配。此时，SMA同轴接头与微带线可以看作是理想的无损耗传输线。把SMA-KE3直式同轴接头与微带线同一平面的两个脚减掉，有利于TEM波转换到准TEM波。

电路板底部和短路截面全部铺铜。电路板长*宽*高＝10mm*22mm*1mm。电路板的长度适宜取10倍的片式电阻器的长度；电路板的宽度适宜取大于11倍微带线宽度且大于6倍电路板厚度；电路板的厚度可结合微带线的特征阻抗做改变。参照图4，可以看出电路板的厚度会影响电容C2、C3、C4和电感L4的参数，也就是说，不同的电路板厚度，片式电阻器所表现出来的阻抗会有所不同。

两个0402封装的100Ω厚膜电阻器等间隔地焊在终端加载的微带线末端，减少非连续电抗的产生。两个100Ω厚膜电阻器与微带线进行平焊，焊点不宜高于电阻高度。两个100Ω厚膜电阻器与短路截面的焊点不宜宽于厚膜电阻器的宽度，也不宜高于厚膜电阻高度。焊接要保证紧凑、接触良好。

制造好终端短路的微带线电路和终端加载片式电阻器的微带线电路后，利用矢量网络分析仪对其进行测量。可以测量出终端加载厚膜电阻器和终端短路的输入阻抗，分别用Z_{in_circuit}和Z_{short_circuit}表示，也可以测量出终端加载厚膜电阻器在输入端的驻波比，用VSWR_in表示。

参考图5的终端加载的无损耗传输线等效模型，可得到其输入阻抗：

参考图5的终端短路的无损耗传输线等效模型，可得到其输入阻抗：

Z_in(d)＝jZ₀tan(βd)………………………………………………等式②

其实要求的是厚膜电阻器的阻抗Z_L,由等式①和等式②可以联合求解出Z_L：

由等式③算出的Z_L再乘以并联的厚膜电阻器个数即可得到厚膜电阻器的阻抗(包括电阻和电抗)频率特性。

在求出厚膜电阻器的阻抗频率特性后，可以进一步求出厚膜电阻器的驻波比(VSWR)。

厚膜电阻器的反射系数：

等式④中的Z₀不是指终端加载厚膜电阻器微带线的特征阻抗，而是指与加载的厚膜电阻器匹配的微带线特征阻抗，在数值上等于所加载厚膜电阻器在直流时的总阻值。

由等式⑤可以求出厚膜电阻器的驻波比，用VSWR_L表示。

如果加载的片式电阻器与微带线匹配，则驻波比VSWR_in和VSWR_L几乎相等；如果加载的片式电阻器与微带线不匹配，则驻波比VSWR_in和VSWR_L不相等；本实施例中的驻波比VSWR_in和VSWR_L是几乎相等的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。