一種利用頻譜儀測(cè)試插入損耗的簡(jiǎn)單方法及其應(yīng)用[20220513]

插入損耗Insertion loss是衡量雙端口網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的重要參數(shù)。在EMC實(shí)踐中，了解我們所應(yīng)用的被動(dòng)部件的插損參數(shù)對(duì)于提高我們的EMC設(shè)計(jì)能力和診斷整改效率都有重要的作用。然而插損參數(shù)一般只有射頻工程師使用的昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀或信號(hào)分析儀的測(cè)量功能才能得到，非射頻開發(fā)的EMC工程師往往無法獲得插損數(shù)據(jù)，因此額外的低成本通用插損測(cè)試方法很有現(xiàn)實(shí)意義。

本文分享一種僅使用EMC工程師常備的頻譜儀和簡(jiǎn)單的夾具就能進(jìn)行插損測(cè)試的方法，能夠?qū)τ诟鞣N被動(dòng)器件如電容、電感、濾波器等的頻率響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單方便快捷的測(cè)試，能夠以極低成本投入提高我們的EMC設(shè)計(jì)和診斷整改效率，改善長(zhǎng)久以來EMC設(shè)計(jì)過程缺乏數(shù)據(jù)支撐的不利局面。該插損測(cè)試系統(tǒng)僅包含一臺(tái)帶跟蹤源的頻譜儀和兩種夾具以及所需的同軸線纜，實(shí)際配置如下圖所示。

簡(jiǎn)單插損測(cè)試系統(tǒng)布置圖

頻譜分析儀是EMC工程師用于EMI發(fā)射的測(cè)試和診斷必備的基礎(chǔ)測(cè)試工具。除利用頻譜儀的射頻信號(hào)測(cè)量功能之外，頻譜儀可以按如下要的要求進(jìn)行選型配置或選件功能以極低的成本投入擴(kuò)展得到插損測(cè)試功能：

典型的帶跟蹤源的頻譜儀打開跟蹤源并進(jìn)行歸一化之后的界面

插損測(cè)試的夾具有兩種，一種是設(shè)計(jì)為適用各種體積大小被測(cè)器件的寬度可調(diào)的夾具，但典型頻率應(yīng)用在200MHz以下；一種是采用同軸設(shè)計(jì)的小口徑夾具，僅適用小體積器件測(cè)試，但應(yīng)用頻率能到6GHz。實(shí)際中可以參考下圖的兩種夾具，或依據(jù)插損結(jié)果制作精度范圍更高的夾具。

頻譜儀插損測(cè)試方法非常簡(jiǎn)單，先利用歸一化功能將夾具和同軸電纜的損耗進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償（類似矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試之前的校準(zhǔn)，將夾具和引線的雜散參數(shù)補(bǔ)償歸零），然后要將測(cè)器件接入即可（如電容接在夾具芯線和地之間，電感串接在芯線中，三端口器件按功能接入等），歸一化水平線和頻譜軌跡線的差值即為器件接入產(chǎn)生的插損值。該方法也可以用于校準(zhǔn)衰減器、小功率放大器等。由于跟蹤源和頻譜儀射頻測(cè)量端口都是50?阻抗，因此這種方法測(cè)試出來的插損都是在50?源阻抗、負(fù)載阻抗下的結(jié)果，工程應(yīng)用中需要注意于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的阻抗差異。當(dāng)然也可以使用特制的探頭在線對(duì)板級(jí)或產(chǎn)品級(jí)的器件進(jìn)行實(shí)地插損測(cè)量，如板載濾波器的真實(shí)插損等。通過插損測(cè)試方法，我們可以方便快捷地驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐之間的差異并及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)改善，為我們EMC研發(fā)活動(dòng)提供強(qiáng)有力的過程數(shù)據(jù)支持。

以下分享些常用EMC元器件的插損實(shí)測(cè)結(jié)果，可以與EMC經(jīng)典書籍資料中的數(shù)據(jù)互相印證。

1、典型的SMD貼片電容測(cè)試結(jié)果

     3、典型的濾波器測(cè)試結(jié)果：

實(shí)際應(yīng)用中，我們可以因地制宜地使用網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)分析儀、帶跟蹤源的認(rèn)證接收機(jī)、帶跟蹤源的頻譜儀，外置跟蹤源、甚至信號(hào)源與功率計(jì)進(jìn)行插損測(cè)量。帶跟蹤源的頻譜儀測(cè)試能力也不局限于器件插損，對(duì)于EMC設(shè)備的耦合系數(shù)、轉(zhuǎn)移阻抗等校準(zhǔn)核查也有很好的應(yīng)用，但是對(duì)于微波、射頻等應(yīng)用中關(guān)心的相位、群時(shí)延等矢量參數(shù)，這種測(cè)試方法不能提供直觀的結(jié)果，然而某些型號(hào)的頻譜儀有簡(jiǎn)單的矢量網(wǎng)絡(luò)分析選件，能夠?qū)崿F(xiàn)低精度的S11阻抗，S21相位測(cè)量，也很值得有相關(guān)需求的EMC工程師在測(cè)試能力建設(shè)的時(shí)候留意。

小結(jié)：

Ø 提出了一種便于EMC工程師使用的插損測(cè)試方法并給出設(shè)備要求和操作方法

Ø 給出了頻譜儀選件和功能的建議

Ø 設(shè)計(jì)了兩種不同的夾具適配不同應(yīng)用場(chǎng)景

Ø 實(shí)測(cè)不同電容的插損曲線是不同的，電容量越大插損越大諧振頻率越低

Ø 實(shí)測(cè)不同材質(zhì)和封裝的電容插損曲線是不同的，ESL越大高頻插損越小

Ø 實(shí)測(cè)電感插損曲線

Ø 實(shí)測(cè)篩選合適的磁性材料是濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

Ø 實(shí)測(cè)容量成梯度電容并聯(lián)對(duì)優(yōu)化插損頻率范圍有作用

Ø 實(shí)測(cè)顯示電容是濾波器插損的主要提供器件

Ø 實(shí)測(cè)顯示LC濾波器的插損是L與C插損的相加

Ø 實(shí)測(cè)顯示CLC濾波器的插損是C+L+C的疊加

Ø 插損測(cè)量方法應(yīng)用不局限于器件測(cè)量

Ø 研發(fā)過程中應(yīng)用插損測(cè)量工具對(duì)元件級(jí)、板級(jí)、產(chǎn)品級(jí)全程跟蹤能極大提高EMC設(shè)計(jì)效率。