阻抗匹配電路在濾波器測試中的應用

汶迎春

(陜西凌云電器集團有限公司工藝所，陜西寶雞 721006)

某型導航設備帶通濾波器為20世紀80年代初設計定型的產品，輸入輸出阻抗為非50Ω標準阻抗，工作頻率150～1 749 kHz，分為Ⅰ～Ⅵ這6個波段，配套的測試儀表——掃頻儀JW1252W由于年代久遠，器件老化，故障率高，經常延誤生產進度。為尋求可替代的儀表進行濾波器測試，對現有儀表主要技術指標進行分析后，選用矢量網絡分析儀HP E5100B對濾波器進行了測試。

1 兩種儀表的工作原理

1.1 掃頻儀工作原理

掃頻儀由掃頻信號發生器、頻率標志電路、顯示器及外部檢波探頭組成，如圖1所示，掃頻信號發生器是正弦信號發生器，為掃頻儀提供激勵源。頻率標志電路產生具有頻率標志的圖形，以便于測量者能在熒光屏上直接讀測出某一點的頻率值或某一段曲線的頻率絕對值，顯示器實際是一個工作于X－Y方式的示波器，顯示測量波形。

圖1 掃頻儀的組成框圖

1.2 矢量網絡分析儀工作原理

矢量網絡分析儀由信號源、功率分配器、信號分離器、接收機和顯示系統組成，如圖2所示。

圖2 矢量網絡分析儀的組成框圖

信號源為網絡分析儀系統提供激勵源;功率分配器對信號源的功率進行分配，一路輸出信號送到被測件輸入端口，另一路輸出信號作為參考信號進行S參數計算;信號分離器分離被測件輸入端口的入射波和反射波;接收機接收參考信號、反射信號和傳輸信號，并下變頻為中頻信號，對中頻信號進行檢測，得到其幅度和相位值，以便于測量和控制單元進行測量參數的計算;顯示系統在屏幕上顯示測量波形及參數。

1.3 兩種儀表的區別

掃頻儀與矢量網絡分析儀都是測試網絡的幅頻特性，二者測試原理基本相同。兩種儀表的輸入輸出阻抗50Ω，掃頻儀輸出端用高阻探頭進行測試，被測件的輸出阻抗不影響測試值。由于配套網絡分析儀的高阻探頭低端頻率只能覆蓋到300 kHz，不能滿足測試要求，市面上配套網絡分析儀的低頻高阻探頭已瀕臨淘汰，而且價格昂貴，因此采用阻抗轉換方法實現濾波器的測試。由于網絡分析儀輸出端用50Ω高頻電纜進行測試，被測件的輸出阻抗必須為50Ω，否則影響測試的真實性。解決網絡分析儀的阻抗匹配問題，是用網絡分析儀替代掃頻儀的關鍵。

兩種儀表的顯示方式不同，掃頻儀顯示的是包絡信號，通過移動頻標可從頻率顯示窗口上讀出所需頻率值;網絡分析儀則顯示的是信號源經被測網絡后的波形，通過計算得到被測網絡的頻率值，并顯示到屏幕上，測量結果更直觀。

2 測試方法

2.1 掃頻儀測試方法

由于濾波器阻抗為非50Ω標準阻抗，濾波器輸入端接有源極跟隨器，輸出端接有等效負載。測試連接框圖如圖3所示，等效負載電路如圖4所示，其中C1是濾波器諧振回路的一部分。

圖3 掃頻儀測試連接框圖

圖4 濾波器等效負載電路圖

通過設置頻標可測量濾波器－3 dB帶寬、－20 dB帶寬等指標，傳輸衰減測試時改變探頭接法，將探頭分別接入輸入、輸出端，計算兩者之間的差值，即為濾波器自身的衰減。

2.2 網絡分析儀測試方法

圖3所示為掃頻儀測試包括源極跟隨器在內的電路，為等效掃頻儀的測試方法，輸入端阻抗匹配電路沿用原電路。

用網絡分析儀測試時，將濾波器輸出端等效負載電路轉換為50Ω，即可達到阻抗匹配的目的。為此設計了阻抗轉換電路，將濾波器輸出端的等效負載轉換為50Ω。測試連接框圖如圖5所示。

圖5 網絡分析儀測試連接框圖

利用網絡分析儀的濾波器測試功能鍵，即可測出濾波器的－3 dB帶寬、－20 dB帶寬和傳輸損耗等指標，此時測試的傳輸損耗是包括源極跟隨器和輸出端阻抗匹配電路在內的衰減。

3 阻抗轉換電路的原理及實現方法

由于濾波器是帶通濾波器，頻率較低，在150～1 749 kHz之間，因此選用L型電阻網絡進行阻抗轉換，此網絡具有寬帶特性，可以保證整個通帶內的阻抗、幅度響應、衰減的一致性。

假定電阻網絡的輸入電壓和輸出電壓分別為Vin和V0，如圖6所示，要使電路在兩側端口匹配，必須滿足以下條件:

(1)連接RL后從輸入端口看到的輸入電阻應為RS。

(2)輸入端口接RS，從輸出端口看到的輸出電阻必須為RL。

由條件(1)可得

圖6 L型電阻網絡匹配電路

由條件(2)可得

由式(1)、式(2)可解出R和R［1］12

阻抗轉換電路需將圖4中的等效負載1 kΩ轉換為50Ω，等效負載相當于圖6中的RS，將RS=1 kΩ，RL=50Ω 代入式(3)和式(4)，得 R1=975Ω，R2=51Ω，由此得阻抗轉換電路原理如圖7所示，其中47 pF電容為濾波器的諧振電容，是阻抗轉換電路的關鍵，對濾波器的性能起著重要作用。

圖7 濾波器輸出端阻抗轉換電路

實際測試時，用電位器RP1代替固定電阻R1對阻抗轉換電路進行微調，將5個濾波器用兩種儀表進行對比測試，反復調整RP1，使得網絡分析儀的測試值與掃頻儀的測試值基本吻合，將RP1調整為1 017Ω后達到了預期目的。濾波器的－3 dB帶寬、－20 dB帶寬等測試值滿足原技術指標，且與掃頻儀測試值基本一致，5個濾波器6個波段的測試值最大差異2.7 kHz，兩種儀表測試的矩形系數均約為1.4，波形基本吻合，認為此差異屬于儀表差異。按此方法調試的濾波器，經在整機試用后，滿足使用要求。

網絡分析儀的衰減測量值約為－13 dB，掃頻儀測量的濾波器傳輸衰減值為7 dB，相差－20 dB，這是因為網絡分析儀測量的是包括輸入輸出端阻抗轉換電路在內的衰減。經過對5個濾波器的測試試驗，網絡分析儀測量的衰減值均約為－13 dB，可認為測試系統輸入輸出阻抗轉換電路的固有傳輸衰減值為－20 dB。因此，濾波器的傳輸衰減值只需用網絡分析儀的測量值減去－20 dB即可。

4 結束語

儀表問題通過阻抗轉換器得以解決，節省了生產成本，而且用網絡分析儀測試值一致性好、操作簡單、精度高，減少了工作量，為其余非標準阻抗濾波器的測試提供了寶貴的經驗。

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