張逸松,林福民*,曾柳杏,張 俊

(1.廣東工業(yè)大學物理與光電工程學院,廣州 510006;2.廣東風華高新科技股份有限公司,廣東 肇慶 100083)

厚膜電阻的阻抗與駐波比頻率特性的新測量方法*

張逸松1,林福民1*,曾柳杏1,張 俊2

(1.廣東工業(yè)大學物理與光電工程學院,廣州 510006;2.廣東風華高新科技股份有限公司,廣東 肇慶 100083)

隨著電子信息技術和移動通信技術的發(fā)展,厚膜電阻的應用越來越廣泛。然而,如何準確測量厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性成為了一個難點。建立和分析微帶線終端加載厚膜電阻的電路模型,使電阻在電路中匹配,再對應地建立終端短路的電路,最后聯(lián)合求解出厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性。實測表明,這種測量方法是可行、準確的,對射頻厚膜電阻的制造工藝和質量檢測有著重要意義。

厚膜電阻;終端加載;終端短路;阻抗;駐波比;測量方法

厚膜電阻是由電阻漿料經印刷和燒結等工序制成的元件,其具有膜的表面耐溫高、電阻溫度系數(shù)小、阻值范圍寬、 表面比功率高、 耐潮濕等一系列優(yōu)異的性能[1]。厚膜電阻自從20世紀50年代發(fā)展以來,其制造技術已經很成熟,在小型化、片式化、多功能化、高精度化等方面也得到了極大的發(fā)展,目前已廣泛應用于厚膜及混合集成電路中[2-3]。對于普通應用的厚膜電阻,都是給出其直流電阻值及其誤差范圍,但是對于射頻應用的厚膜電阻就有必要給出其在射頻段的阻抗與駐波比的頻率特性。然而,如何準確測量厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性成為了一個難點。著名的美國電子元器件廠商Vishay推出的FC、CHP、RCP等射頻應用的電阻在數(shù)據(jù)手冊里給出的在射頻段阻抗與駐波比的頻率特性是通過等效電路圖仿真得出來的,并沒有給出實際測量結果,也沒有公開一種厚膜電阻實物測量方法。

可以利用非同軸微波器件測試夾具對厚膜電阻的傳輸特性進行測量[4-6],可以通過A參量矩陣求出出厚膜電阻的在射頻段的阻抗與駐波比的頻率特性。但是,這種實際測量方法存在兩個問題:(1)引入了兩個同軸接頭,同軸接頭與微帶線連接,微帶線夾著厚膜電阻,這樣會使從片式電阻器外部引入的反射比較多,造成阻抗誤差比較大;(2)微波測量夾具與厚膜電阻的連接不夠緊湊會造成測量結果的不準確。另外,這種微波夾具工藝要求精密,造價非常昂貴。

本文,基于終端加載的無損耗傳輸線理論[7],利用HFSS仿真軟件建立微帶線終端加載厚膜電阻和微帶線終端短路的電路模型,根據(jù)它們的輸入阻抗聯(lián)合求解出厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性,并通過了實測驗證,但是至今尚未有類似測量方法和三維仿真方法。

1 測量原理與方法

本文的實測方法直接把厚膜電阻焊接在電路板上,測量其的S參量和輸入阻抗,然后利用微波技術相關知識求出厚膜電阻的阻抗與駐波比的頻率特性。這種測量方法簡單易行,微帶線與厚膜電阻接觸緊密均勻,且電路板生產周期短。

終端短路的微帶線[7-8]。特征阻抗Z0的大小與電路板材料、厚度以及微帶線寬度有關,電路板與微帶線一旦確定,Z0也就確定。微帶線終端短路意味著負載為零,輸入阻抗不存在電阻,只有電抗,可以根據(jù)輸入阻抗確定其電長度。

Zshort=jZ0tan(βd)

(1)

終端加載的微帶線。微帶線終端加載意味著其輸入阻抗與負載有關,可以根據(jù)輸入阻抗與其電長度確定負載。

(2)

微帶線的一端接一個SMA-KE同軸接頭,用于矢量網(wǎng)絡分析儀的測量。在微帶線終端加載厚膜電阻的電路上測出它的輸入阻抗Zin(d),但是要得到電阻阻抗,必須結合終端短路的微帶線求出的電長度βd,然后求出厚膜電阻阻抗ZL。即綜合式(1)和式(2),算出厚膜電阻的阻抗,如式(3)所示:

(3)

測量厚膜電阻阻抗的電路模型有3部分,分別是SMA同軸接頭、微帶線、厚膜電阻。為了量化厚膜電阻的不匹配程度,引入電壓駐波比(VSWR),即傳輸線上電壓最大幅度(或電流)與電壓最小幅度(或電流)的比值,如式(4)。

(4)

電壓駐波比可以由電路模型直接測出,但是包含了SMA同軸接頭的電壓波反射,不能代表厚膜電阻自身存在的反射,所以駐波比也需要由阻抗算出。電阻的反射系數(shù)和駐波比由下式確定:

(5)

(6)

2 匹配技術

把厚膜電阻焊接在電路板上進行測量,會產生多種寄生效應,例如,SMA-KE接頭與微帶線聯(lián)接存在的電壓波反射;厚膜電阻對地平面存在寄生電容;厚膜電阻接地存在的電感效應等。這些寄生效應會直接影響測量電路輸入阻抗的準確性,從而使計算得到的厚膜電阻阻抗頻率特性誤差比較大?；谏鲜龅臏y量原理,為了能夠有效減少這些寄生效應的產生,必須建立等效電路圖[9-10]進行定性分析;為了能夠準確地得到厚膜電阻的阻抗與駐波比,必須基于從厚膜電阻外部引入的電壓波反射盡可能少的原則建立測量方法。

圖1中,R是指厚膜電阻的阻值,L2是指電流流過厚膜電阻產生的電感,C1是指厚膜電阻兩個端電極形成的電容,L1和L3是指厚膜電阻的接觸電感,L4是指厚膜電阻接地形成的串聯(lián)電感,C2、C3和C4是指厚膜電阻對地平面形成的分布電容。

圖1 電路板上貼裝的厚膜電阻等效電路圖

2.1 SMA-KE接頭與微帶線的匹配

SMA-KE接頭與微帶線理想匹配,則說明Z0=50 Ω的傳輸線是理想的。選用直式SMA-KE同軸接頭有利于減少電壓波的反射。SMA-KE接頭與微帶線的匹配一般有3種聯(lián)接方法——正立接法、倒立接法、水平接法。

通過HFSS建模仿真優(yōu)化[11],確定SMA-KE同軸接頭與微帶線聯(lián)接方法。微帶線一端接波端口,因為波端口與微帶線理想匹配,另一端接SMA-KE同軸接頭。如圖2所示,SMA-KE同軸接頭與微帶線水平聯(lián)接產生的電壓駐波比最好,所以選用水平聯(lián)接作為SMA-KE同軸接頭與微帶線的匹配方式。

圖2 SMA-KE同軸接頭與微帶線正立聯(lián)接、倒立聯(lián)接、水平連接,以及它們所對應的電壓駐波比頻率特性

2.2 終端接地方式

在電路板上,電路的接地都是通過通孔實現(xiàn)的,通孔會產生寄生電容,也會產生寄生串聯(lián)電感,但是寄生串聯(lián)顯得更為重要,所以圖1中僅以電感L4表示通孔的寄生效應,可以用下面的公式來簡單地計算一個通孔近似的寄生電感[12-13]。

(7)

式中:L/nH是指寄生電感,h/inch是指通孔長度,d/inch是指通孔直徑。從式中可以看出,通孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是通孔的長度,即電路板的厚度。理想的接地應該在厚膜電阻末端接一個無窮大地平面,因此,本實測方法采用一種特殊的接地方式——接地截面全鋪銅的形式,以盡可能的減少寄生效應。

電路板的厚度除了對通孔的寄生效應L4有影響外,還對厚膜電阻對地平面形成的分布電容(C2、C3和C4)有影響。接地的寄生效應L4,尤其是厚膜電阻的分布電容C2、C3和C4是不可消除的,所以,厚膜電阻在射頻段的阻抗頻率特性是隨著參考地平面(電路板厚度)的變化而有所變化。

2.3 終端短路微帶線長度

微帶線的特征阻抗為50 Ω,與SMA-KE同軸接頭匹配?？紤]到表面貼裝的厚膜電阻外尺寸的影響,終端短路微帶線長度取d+l長度(d為終端加載厚膜電阻的微帶線長度,l為厚膜電阻的長度)。l長度對應的微帶線寬度為所接厚膜電阻的總寬度,這樣求解出來的電阻阻抗可以有效地抵消部分微帶線與電阻寬度結構上不連續(xù)的影響。

2.4 厚膜電阻聯(lián)接方式

厚膜電阻的聯(lián)接方式決定其總寬度與總長度。這個總寬度主要影響微帶線與聯(lián)接的厚膜電阻的結構不連續(xù)性。這個長度相當于一個有損耗的傳輸線,而在終端加載微帶線的計算公式中沒有考慮電阻的長度,相比之下,這個長度更為重要。所以,終端加載的微帶線末端接上厚膜電阻,對于少于50 Ω的厚膜電阻不做聯(lián)接處理,直接在微帶線末端中間放置一個電阻;對于稍大于50 Ω的厚膜電阻器盡可能地通過并聯(lián)方式靠近50 Ω,厚膜電阻在微帶線末端等間隔放置;對于遠大于50 Ω的厚膜電阻通過并聯(lián)方式使電阻總寬度與微帶線寬度基本一致。

3 實測驗證

為了驗證所提出的測量技術的可行性以及準確性,下面通過測量100 Ω 0402封裝(1.0 mm×0.5 mm)的厚膜電阻進行驗證。厚膜電阻及其結構模型資料由廣東風華高科有限公司提供,電路板由深圳市鑫成爾電子有限公司制作。電路板材料選用FR4,厚度1 mm,微帶線長度10 mm,寬度1.93 mm,終端加載兩個并聯(lián)的厚膜電阻,總阻值50 Ω與微帶線阻抗匹配。

圖3 厚膜電阻結構模型和測量用的PCB板

一共制作了5塊電路板,利用矢量網(wǎng)絡分析儀測出10組輸入阻抗數(shù)據(jù)。對測量得到的數(shù)據(jù)作平均值處理,以減少測量誤差。然后,按所提出的測量方法利用MATLAB[14]進行數(shù)據(jù)處理,可以得到厚膜電阻的阻抗與駐波比頻率特性。通過實測與仿真數(shù)據(jù)對比,證明了這種實測方法是可行、準確的。

圖4 100 Ω厚膜電阻仿真結果圖與實物測量圖

4 結論

通過上述實驗數(shù)據(jù)的對比分析,利用終端加載電阻和終端短路兩種測試方法聯(lián)合求解出厚膜電阻阻抗和駐波比頻率特性的測量方法是可行、準確的。所提出的測量方法對射頻厚膜電阻的制造工藝和質量檢測有著重要意義,使厚膜電阻更高質量地應用到低噪聲放大器、衰減器、有線終端負載等射頻電路和微波器件中。另外,本測量方法也可以應用到其他表面貼裝的片式電阻器射頻阻抗和駐波比頻率特性的測量。

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ANovelMeasurementMethodfortheImpedanceandSWRFrequencyCharacteristicofThickFilmResistors*

ZHANGYisong1,LINFumin1*,ZENGLiuxing1,ZHANGJun2

(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.Guangdong Fenghua Advanced Technology Holding CO.,LTD,Zhaoqing Guangdong 100083,China)

With the development of electronic information technology and mobile communication technology,thick film resistors have been more and more widely applied. However,how to accurately measure the impedance and standing wave ratio(SWR)of the thick film resistors has become a difficult problem. A matched terminated circuit model and a corresponding short circuit model are established and analysed,with which the impedance and SWR frequency characteristics of TFR are jointly resolved. The measurement results show that the method is feasible and accurate,which has important sense for the manufacturing process and quality detection of RF thick film resistors.

thick film resistors;terminated circuit;short circuit;impedance;standing wave ratio;measurement method

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.004

項目來源:廣州市科技計劃項目(201510010093)

2016-09-01修改日期2016-10-26

TN06

A

1005-9490(2017)05-1068-04

張逸松(1992-),男,漢族,湖南邵陽人,廣東工業(yè)大學碩士研究生,主要研究方向為射頻電路,252344177@qq.com;

林福民(1964-),男,漢族,廣東汕頭人,2003年于中國科學院電子學研究所獲博士學位,現(xiàn)為廣東工業(yè)大學教授,碩士生導師,主要研究方向為大功率微波器件、微波濾波器與射頻電路、衛(wèi)星導航天線及接收終端系統(tǒng)等,linfumin@gdut.edu.cn。