阻抗匹配电路在滤波器测试中的应用

摘要 为解决扫频仪日趋老化带来的某型非标准阻抗滤波器测试问题，通过设计阻抗转换器实现了用网络分析仪对滤波器的测试。介绍了扫频仪与网络分析仪的测试原理和它们之间的区别，阐述了网络分析仪HP E5100B替代扫频仪JW1252W测试滤波器的实现方法，以及阻抗匹配电路的原理及其在滤波器测试中的应用。实验证明，用网络测试仪测试数值一致性好、操作简单、精度高、减少了工作量、降低了成本。
关键词 扫频仪；网络分析仪；滤波器；阻抗匹配

某型导航设备带通滤波器为20世纪80年代初设计定型的产品，输入输出阻抗为非50 Ω标准阻抗，工作频率150～1 749 kHz，分为I～Ⅵ这6个波段，配套的测试仪表——扫频仪JW1252W由于年代久远，器件老化，故障率高，经常延误生产进度。为寻求可替代的仪表进行滤波器测试，对现有仪表主要技术指标进行分析后，选用矢量网络分析仪HP E5100B对滤波器进行了测试。

1 两种仪表的工作原理
1．1 扫频仪工作原理
扫频仪由扫频信号发生器、频率标志电路、显示器及外部检波探头组成，如图1所示，扫频信号发生器是正弦信号发生器，为扫频仪提供激励源。频率标志电路产生具有频率标志的图形，以便于测量者能在荧光屏上直接读测出某一点的频率值或某一段曲线的频率绝对值，显示器实际是一个工作于X—Y方式的示波器，显示测量波形。

1．2 矢量网络分析仪工作原理
矢量网络分析仪由信号源、功率分配器、信号分离器、接收机和显示系统组成，如图2所示。

信号源为网络分析仪系统提供激励源；功率分配器对信号源的功率进行分配，一路输出信号送到被测件输入端口，另一路输出信号作为参考信号进行S参数计算；信号分离器分离被测件输入端口的入射波和反射波；接收机接收参考信号、反射信号和传输信号，并下变频为中频信号，对中频信号进行检测，得到其幅度和相位值，以便于测量和控制单元进行测量参数的计算；显示系统在屏幕上显示测量波形及参数。
1．3 两种仪表的区别
扫频仪与矢量网络分析仪都是测试网络的幅频特性，二者测试原理基本相同。两种仪表的输入输出阻抗50 Ω，扫频仪输出端用高阻探头进行测试，被测件的输出阻抗不影响测试值。由于配套网络分析仪的高阻探头低端频率只能覆盖到300 kHz，不能满足测试要求，市面上配套网络分析仪的低频高阻探头已濒临淘汰，而且价格昂贵，因此采用阻抗转换方法实现滤波器的测试。由于网络分析仪输出端用50 Ω高频电缆进行测试，被测件的输出阻抗必须为50 Ω，否则影响测试的真实性。解决网络分析仪的阻抗匹配问题，是用网络分析仪替代扫频仪的关键。
两种仪表的显示方式不同，扫频仪显示的是包络信号，通过移动频标可从频率显示窗口上读出所需频率值；网络分析仪则显示的是信号源经被测网络后的波形，通过计算得到被测网络的频率值，并显示到屏幕上，测量结果更直观。
[p]
2 测试方法
2．1 扫频仪测试方法
由于滤波器阻抗为非50 Ω标准阻抗，滤波器输入端接有源极跟随器，输出端接有等效负载。测试连接框图如图3所示，等效负载电路如图4所示，其中C1是滤波器谐振回路的一部分。

通过设置频标可测量滤波器-3 dB带宽、-20 dB带宽等指标，传输衰减测试时改变探头接法，将探头分别接人输入、输出端，计算两者之间的差值，即为滤波器自身的衰减。

2．2 网络分析仪测试方法
图3所示为扫频仪测试包括源极跟随器在内的电路，为等效扫频仪的测试方法，输入端阻抗匹配电路沿用原电路。
用网络分析仪测试时，将滤波器输出端等效负载电路转换为50 Ω，即可达到阻抗匹配的目的。为此设计了阻抗转换电路，将滤波器输出端的等效负载转换为50 Ω。测试连接框图如图5所示。

利用网络分析仪的滤波器测试功能键，即可测出滤波器的-3 dB带宽、-20 dB带宽和传输损耗等指标，此时测试的传输损耗是包括源极跟随器和输出端阻抗匹配电路在内的衰减。
[p]
3 阻抗转换电路的原理及实现方法
由于滤波器是带通滤波器，频率较低，在150～1 749 kHz之间，因此选用L型电阻网络进行阻抗转换，此网络具有宽带特性，可以保证整个通带内的阻抗、幅度响应、衰减的一致性。


假定电阻网络的输入电压和输出电压分别为Vin和V0，如图6所示，要使电路在两侧端口匹配，必须满足以下条件：

(1)连接RL后从输入端口看到的输入电阻应为RS。
(2)输入端口接RS，从输出端口看到的输出电阻必须为RL。
阻抗转换电路需将图4中的等效负载1 kΩ转换为50 Ω，等效负载相当于图6中的RS，将RS=1 kΩ，RL=50 Ω代入式(3)和式(4)，得R1=975 Ωn，R2=51 Ω，由此得阻抗转换电路原理如图7所示，其中47 pF电容为滤波器的谐振电容，是阻抗转换电路的关键，对滤波器的性能起着重要作用。

实际测试时，用电位器RP1代替固定电阻R1对阻抗转换电路进行微调，将5个滤波器用两种仪表进行对比测试，反复调整RP1，使得网络分析仪的测试值与扫频仪的测试值基本吻合，将RP1调整为1 017 Ω后达到了预期目的。滤波器的-3 dB带宽、-20 dB带宽等测试值满足原技术指标，且与扫频仪测试值基本一致，5个滤波器6个波段的测试值最大差异2．7 kHz，两种仪表测试的矩形系数均约为1．4，波形基本吻合，认为此差异属于仪表差异。按此方法调试的滤波器，经在整机试用后，满足使用要求。
网络分析仪的衰减测量值约为-13 dB，扫频仪测量的滤波器传输衰减值为7 dB，相差-20 dB，这是因为网络分析仪测量的是包括输入输出端阻抗转换电路在内的衰减。经过对5个滤波器的测试试验，网络分析仪测量的衰减值均约为-13 dB，可认为测试系统输入输出阻抗转换电路的固有传输衰减值为-20 dB。因此，滤波器的传输衰减值只需用网络分析仪的测量值减去-20 dB即可。

4 结束语
仪表问题通过阻抗转换器得以解决，节省了生产成本，而且用网络分析仪测试值一致性好、操作简单、精度高，减少了工作量，为其余非标准阻抗滤波器的测试提供了宝贵的经验。