張一治 任 翔 李 靜 程婷婷 馬帥帥 ?；劬?/p>

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）

1 引言

隨著射頻、微波電路的快速發(fā)展，各種設(shè)備發(fā)射功率越來越大，系統(tǒng)的靈敏度越來越高，接收微弱信號(hào)的能力越來越強(qiáng)，頻帶也越來越寬［1］，與此同時(shí)，空間的電磁環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，產(chǎn)品間也可能互相產(chǎn)生干擾導(dǎo)致其不能正常工作［2］，因此，“濾波”成了應(yīng)對(duì)此現(xiàn)象的重要方法，主要的目的是為了防止干擾和鑒別有用信號(hào)，對(duì)于干擾信號(hào)應(yīng)予以濾除或抑制到最小程度，對(duì)于參雜在其他信號(hào)中的有用信號(hào)，則應(yīng)設(shè)法分離出來［3］，這就對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)提出了前所未有的挑戰(zhàn)：更高的性能指標(biāo)、更小的尺寸重量、更低的成本已成為濾波器必須滿足的基本要求。但是，除了對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和精心制作外，對(duì)其電性參數(shù)的測(cè)試也是必不可少的［4］。在生產(chǎn)制造過程中往往會(huì)出現(xiàn)這種情況：原本出廠檢測(cè)合格的產(chǎn)品在交付用戶使用后卻發(fā)現(xiàn)為不合格產(chǎn)品，而本來測(cè)試不合格的產(chǎn)品經(jīng)別的廠家再次檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)為合格品。造成這種情況出現(xiàn)的原因之一就是測(cè)試失真，除了測(cè)試方法和測(cè)量?jī)x器的因素外，測(cè)試夾具對(duì)測(cè)試結(jié)果也有著很大的影響。

2 濾波器的類別及關(guān)鍵參數(shù)

濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路，主要作用是讓有用信號(hào)盡可能無(wú)衰減的通過，對(duì)無(wú)用信號(hào)盡可能大地反射。濾波器一般有兩個(gè)端口，一端輸入信號(hào)、一端輸出信號(hào)，其特性可以用頻率響應(yīng)來描述，濾波器的種類有很多種，按所采用的元件及工作狀態(tài)是否需要電源激勵(lì)可以分為有源濾波器和無(wú)源濾波器［5］；按照所處理的信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器；按照處理信號(hào)的維度來講，可分為一維濾波器和多維濾波器；按照進(jìn)行濾波處理的域是頻域還是空間域可分為頻域?yàn)V波器和空間濾波器，空間域?yàn)V波器的主要作用是保留某個(gè)方向來的信號(hào)，同時(shí)盡可能地抑制其他方向來的信號(hào)，如雷達(dá)和聲納等探測(cè)設(shè)備中的濾波器，頻域?yàn)V波器就是用我們平常所熟悉的選頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，按照選頻特性的不同，又可以分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等［6］。

濾波器的主要技術(shù)參數(shù)有：

中心頻率，濾波器通帶的中心頻率 f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對(duì)下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。

插入損耗：由于濾波器的引入對(duì)電路中原有信號(hào)帶來的衰耗，一般以中心頻率或截止頻率處損耗表征。

通帶帶寬：指需要通過的頻譜寬度，BW=f1-f2。 f1、f2為以中心頻率 f0處插入損耗為基準(zhǔn)，下降X（dB）處對(duì)應(yīng)的左、右邊頻點(diǎn)。通常有0.5dB帶寬、1dB帶寬、3dB帶寬等。

截止頻率：指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。通常以1dB或3dB相對(duì)損耗點(diǎn)來標(biāo)準(zhǔn)定義。

帶外抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)，該指標(biāo)越高說明對(duì)帶外干擾信號(hào)抑制的越好。

駐波比：也稱電壓駐波比，是衡量濾波器通帶內(nèi)信號(hào)是否良好匹配傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。在完全匹配情況下VSWR=1∶1，失配時(shí) VSWR＞1。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的濾波器而言，通常通帶內(nèi)的駐波比VSWR<1.5∶1。

回波損耗：端口信號(hào)輸入功率與反射功率之比的分貝數(shù)，輸入功率被端口全部吸收時(shí)回波損耗為無(wú)窮大?；夭〒p耗（RL）和駐波比（VSWR）均反映濾波器通帶內(nèi)信號(hào)傳輸?shù)钠ヅ涑潭?，它們之間的換算公式為：RL=20log10［（VSWR+1）/（VSWR-1）］，部分回波損耗和駐波比之間的換算值如表1。

表1 駐波比與回波損耗換算表

3 濾波器的測(cè)試

3.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試基本原理

現(xiàn)代微波技術(shù)要求在微波電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算中必須準(zhǔn)確快速地測(cè)量所設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的微波器件及微波網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)［7］，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是微波毫米波測(cè)試領(lǐng)域中十分重要的一種高精度、智能化的測(cè)試儀器［8］，它通過測(cè)量元件對(duì)頻率掃描和功率掃描測(cè)試信號(hào)幅度與相位的影響，來精確表征元件的特性，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是激勵(lì)信號(hào)源、S參數(shù)測(cè)量裝置（信號(hào)分離電路）、幅相接收機(jī)的有機(jī)結(jié)合［9］，其系統(tǒng)框圖如下。

圖1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理圖

如圖1所示，合成信號(hào)源產(chǎn)生掃頻信號(hào)，此信號(hào)與幅相接收機(jī)中心頻率實(shí)現(xiàn)同步掃描，S參數(shù)測(cè)試裝置用于分離被測(cè)件的入射信號(hào)A、反射信號(hào)B和傳輸信號(hào)C，幅相接收機(jī)將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻率固定的中頻信號(hào)。在頻率變換的過程中，需采用系統(tǒng)鎖相技術(shù)，以保證被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息不被丟失，處理顯示部分將測(cè)量結(jié)果以各種形式顯示出來。

3.2 夾具對(duì)濾波器測(cè)試的影響分析

要對(duì)濾波器進(jìn)行性能檢測(cè)，僅僅利用網(wǎng)絡(luò)分析儀是不夠的，還必須根據(jù)濾波器的封裝形式制作相應(yīng)的夾具才能完成測(cè)試。測(cè)試夾具也叫測(cè)試適配器，夾具扮演的角色是測(cè)試儀器與被測(cè)器件間的橋梁［10］，它在測(cè)量過程中對(duì)濾波器起著夾持、固定以及信號(hào)傳輸?shù)淖饔?，夾持的目的是使濾波器的輸入輸出與電纜線保持良好的接觸，固定的目的是使濾波器的外部與夾具接觸良好，從而使測(cè)量過程中的信號(hào)穩(wěn)定。

我們用一種簡(jiǎn)易制作的測(cè)試夾具來對(duì)兩只已經(jīng)過驗(yàn)證合格、中心頻率不同的LC濾波器進(jìn)行性能測(cè)試，同時(shí)通過對(duì)比結(jié)果說明夾具制作對(duì)濾波器測(cè)試性能的影響。

兩只濾波器的出廠檢測(cè)參數(shù)、合格判據(jù)及測(cè)試數(shù)據(jù)見表2、表3。

圖2、圖3為該種封裝形式的LC濾波器簡(jiǎn)易測(cè)試夾具，夾具銅板上帶絕緣介質(zhì)的兩插口分別接濾波器的輸入、輸出端，其余四個(gè)插孔為濾波器管腳接地插口。兩個(gè)SMA轉(zhuǎn)接頭分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩條射頻電纜相連，如圖2所示。在夾具的背面，通過兩根銅線將濾波器的輸入、輸出與兩個(gè)SMA轉(zhuǎn)接頭相連，這也就將濾波器的信號(hào)引入了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入、輸出端口，從而可以完成濾波器的S參數(shù)測(cè)量。

表2 濾波器的合格判據(jù)

表3 出廠測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 簡(jiǎn)易測(cè)試夾具正面

圖3 簡(jiǎn)易測(cè)試夾具背面

利用簡(jiǎn)易測(cè)試夾具對(duì)兩只濾波器進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果如表4。

表4 利用簡(jiǎn)易夾具對(duì)濾波器的測(cè)試結(jié)果

從表4中可以看出，利用簡(jiǎn)易測(cè)試夾具對(duì)兩支LC濾波器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，中心頻率為95MHz的LC濾波器各項(xiàng)指標(biāo)雖然可以符合合格檢驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)，但是與廠家出廠數(shù)據(jù)相比還有一定偏差。對(duì)中心頻率為345MHz的LC濾波器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，-1dB帶寬，帶內(nèi)插損、駐波比和帶外抑制各項(xiàng)指標(biāo)均不符合合格判定標(biāo)準(zhǔn)。

造成上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)闇y(cè)試夾具的制作相對(duì)簡(jiǎn)易，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)濾波器的輸入和輸出端夾持不牢，傳輸信號(hào)不夠穩(wěn)定，輸入、輸出端與網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻電纜簡(jiǎn)單的通過銅線相連傳輸阻抗匹配度差，且沒有做屏蔽處理。當(dāng)濾波器中心頻率較高時(shí)，輸入、輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，產(chǎn)生微小的分布電容，從而影響濾波器的性能檢測(cè)。從以上對(duì)比中可以看出，對(duì)于中心頻率較低的濾波器，雖可根據(jù)技術(shù)指標(biāo)利用該簡(jiǎn)易測(cè)試夾具對(duì)濾波器進(jìn)行合格判斷，但測(cè)試準(zhǔn)確度肯定會(huì)有所偏差，同時(shí)當(dāng)濾波器的中心頻率較高時(shí)，上述夾具都無(wú)法滿足合格性判斷的檢測(cè)需求，更不用說準(zhǔn)確度要求，因此，必須制作精度更高的測(cè)試夾具。

4 一種高精度通用測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)

通過上一節(jié)的對(duì)比和描述可知，想要完成中心頻率較高的濾波器的合格判定工作或者準(zhǔn)確地反映出濾波器的性能，測(cè)試夾具的制作十分重要。由于非同軸器件不能與同軸電纜直接相連，器件的工作頻率又較高，所以測(cè)試夾具與微波器件的連接方法很重要，否則測(cè)試出來的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)可能相差較大，考慮到被測(cè)件類型品種多，封裝形式各異，所以測(cè)試夾具應(yīng)具有一定通用性［11］，同時(shí)為了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行夾具的制作時(shí)，需考慮以下三點(diǎn)：

1）為了提高檢測(cè)精度，必須抑制系統(tǒng)的相干噪聲［12］。保證接地良好，接地是抑制噪聲的重要方法，良好的接地可以有效減小接地信號(hào)的反射和外界信號(hào)的干擾，同時(shí)保證輸入輸出接觸良好，使得信號(hào)得以順利通過。

2）阻抗匹配是無(wú)線電技術(shù)中常見的一種工作狀態(tài)［13］，使微波電路或是系統(tǒng)的反射，載行波盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施［14］。所以?shī)A具要有良好的傳輸阻抗匹配，避免傳輸線阻抗的不連續(xù)性，以減小能量的散射和終端反射系數(shù)，大多數(shù)的微波器件都是50Ω匹配。

3）電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁波由一個(gè)區(qū)域向另外一個(gè)區(qū)域感應(yīng)或傳播的方法［15］。做好屏蔽工作，使輸入端和輸出端之間不能直通，從而隔離端頭之間的互相輻射干擾，降低能量散射，提高傳輸效率。

根據(jù)上述三點(diǎn)考慮要素，對(duì)于相似封裝形式的LC濾波器的一種精度較高的通用夾具制作設(shè)計(jì)如下。

圖4 特殊設(shè)計(jì)的SMA轉(zhuǎn)接頭

圖5 夾具設(shè)計(jì)正面效果圖

圖6 夾具設(shè)計(jì)背面效果圖

在測(cè)試夾具的制作過程中，首先需要制作幾支特殊的SMA轉(zhuǎn)接頭，如圖4所示。該SMA轉(zhuǎn)接頭尺寸加長(zhǎng)（長(zhǎng)度可根據(jù)夾具銅板厚度靈活設(shè)計(jì)），且沒有法蘭盤，轉(zhuǎn)接頭上端打平至絕緣介質(zhì)處，插孔做收口處理，以保證被測(cè)濾波器的輸入、輸出管腳粗細(xì)略有差別時(shí)均可保證接觸良好。夾具銅板打孔時(shí)，將輸入輸出端口打成內(nèi)螺紋式，以便該SMA頭可以直接擰入銅板中，同時(shí)配以螺帽，方便固定，夾具中SMA轉(zhuǎn)接頭上端接濾波器的輸入輸出，下端與網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻電纜相連，如圖5、圖6所示。

夾具的表面做鍍金處理，濾波器的輸入輸出信號(hào)直接通過兩個(gè)SMA轉(zhuǎn)接頭與網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻電纜相連，可以有效的隔離干擾，保證屏蔽效果，同時(shí)又有良好的傳輸匹配。SMA轉(zhuǎn)接頭通過螺紋擰入夾具銅板中，擰入深度可調(diào)，這樣設(shè)計(jì)使得類似封裝形式的濾波器在管腳制作長(zhǎng)度上略有差異時(shí)均可保證接地良好，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確。用該測(cè)試夾具對(duì)上述兩只中心頻率不同的濾波器重新進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果見表5。

表5 利用高精度夾具對(duì)濾波器的測(cè)試結(jié)果

從表5中可以看出，該測(cè)試夾具準(zhǔn)確的完成了中心頻率為345MHz的濾波器電性能參數(shù)的合格性判定，同時(shí)對(duì)兩種中心頻率不同的濾波器的性能檢測(cè)測(cè)試結(jié)果與生產(chǎn)廠家的給出的檢測(cè)數(shù)據(jù)更為接近，能夠準(zhǔn)確地反映出被測(cè)件的真實(shí)性能。該測(cè)試夾具在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮了屏蔽、傳輸阻抗以及接地等因素的影響，同時(shí)針對(duì)相似封裝形式濾波器的輸入、輸出管腳粗細(xì)長(zhǎng)短的差異情況進(jìn)行了充分考慮，是一種精度較高的通用測(cè)試夾具。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代電子技術(shù)在面向高速度、高頻率、低功耗的發(fā)展的同時(shí)，引入的各種干擾信號(hào)也就越來越大，這就使得濾波器的運(yùn)用范圍越來越廣泛，為了研究濾波器的各種性能，保證制作質(zhì)量，就必須對(duì)濾波器進(jìn)行各種參數(shù)測(cè)試。而在測(cè)試的過程中，夾具的好壞對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響，因此在夾具設(shè)計(jì)制作過程中就必須充分考慮接地、屏蔽和傳輸匹配等因素，只有這樣才能保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。