一種利用頻譜儀測試插入損耗的簡單方法及其應用[20220513]

插入損耗Insertion loss是衡量雙端口網(wǎng)絡傳輸特性的重要參數(shù)。在EMC實踐中，了解我們所應用的被動部件的插損參數(shù)對于提高我們的EMC設計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)絡分析儀或信號分析儀的測量功能才能得到，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試方法很有現(xiàn)實意義。

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

簡單插損測試系統(tǒng)布置圖

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

典型的帶跟蹤源的頻譜儀打開跟蹤源并進行歸一化之后的界面

插損測試的夾具有兩種，一種是設計為適用各種體積大小被測器件的寬度可調(diào)的夾具，但典型頻率應用在200MHz以下；一種是采用同軸設計的小口徑夾具，僅適用小體積器件測試，但應用頻率能到6GHz。實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。

頻譜儀插損測試方法非常簡單，先利用歸一化功能將夾具和同軸電纜的損耗進行自動補償（類似矢量網(wǎng)絡分析儀測試之前的校準，將夾具和引線的雜散參數(shù)補償歸零），然后要將測器件接入即可（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衰減器、小功率放大器等。由于跟蹤源和頻譜儀射頻測量端口都是50?阻抗，因此這種方法測試出來的插損都是在50?源阻抗、負載阻抗下的結(jié)果，工程應用中需要注意于實際應用環(huán)境的阻抗差異。當然也可以使用特制的探頭在線對板級或產(chǎn)品級的器件進行實地插損測量，如板載濾波器的真實插損等。通過插損測試方法，我們可以方便快捷地驗證理論設計與工程實踐之間的差異并及時進行設計改善，為我們EMC研發(fā)活動提供強有力的過程數(shù)據(jù)支持。

以下分享些常用EMC元器件的插損實測結(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貼片電容測試結(jié)果

     3、典型的濾波器測試結(jié)果：

實際應用中，我們可以因地制宜地使用網(wǎng)絡分析儀、信號分析儀、帶跟蹤源的認證接收機、帶跟蹤源的頻譜儀，外置跟蹤源、甚至信號源與功率計進行插損測量。帶跟蹤源的頻譜儀測試能力也不局限于器件插損，對于EMC設備的耦合系數(shù)、轉(zhuǎn)移阻抗等校準核查也有很好的應用，但是對于微波、射頻等應用中關心的相位、群時延等矢量參數(shù)，這種測試方法不能提供直觀的結(jié)果，然而某些型號的頻譜儀有簡單的矢量網(wǎng)絡分析選件，能夠?qū)崿F(xiàn)低精度的S11阻抗，S21相位測量，也很值得有相關需求的EMC工程師在測試能力建設的時候留意。

小結(jié)：

Ø 提出了一種便于EMC工程師使用的插損測試方法并給出設備要求和操作方法

Ø 給出了頻譜儀選件和功能的建議

Ø 設計了兩種不同的夾具適配不同應用場景

Ø 實測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 實測不同材質(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 實測電感插損曲線

Ø 實測篩選合適的磁性材料是濾波器設計的關鍵

Ø 實測容量成梯度電容并聯(lián)對優(yōu)化插損頻率范圍有作用

Ø 實測顯示電容是濾波器插損的主要提供器件

Ø 實測顯示LC濾波器的插損是L與C插損的相加

Ø 實測顯示CLC濾波器的插損是C+L+C的疊加

Ø 插損測量方法應用不局限于器件測量

Ø 研發(fā)過程中應用插損測量工具對元件級、板級、產(chǎn)品級全程跟蹤能極大提高EMC設計效率。