插入损耗Insertion loss是衡量双端口网络传输特性的重要参数。在EMC实践中,了解我们所应用的被动部件的插损参数对于提高我们的EMC设计能力和诊断整改效率都有重要的作用。然而插损参数一般只有射频工程师使用的昂贵的网络分析仪或信号分析仪的测量功能才能得到,非射频开发的EMC工程师往往无法获得插损数据,因此额外的低成本通用插损测试方法很有现实意义。

 

本文分享一种仅使用EMC工程师常备的频谱仪和简单的夹具就能进行插损测试的方法,能够对于各种被动器件如电容、电感、滤波器等的频率响应参数进行简单方便快捷的测试,能够以极低成本投入提高我们的EMC设计和诊断整改效率,改善长久以来EMC设计过程缺乏数据支撑的不利局面。该插损测试系统仅包含一台带跟踪源的频谱仪和两种夹具以及所需的同轴线缆,实际配置如下图所示。

 

  

简单插损测试系统布置图

 

频谱分析仪是EMC工程师用于EMI发射的测试和诊断必备的基础测试工具。除利用频谱仪的射频信号测量功能之外,频谱仪可以按如下要的要求进行选型配置或选件功能以极低的成本投入扩展得到插损测试功能:

 

功能

要求

频率范围

频谱仪的测量频率范围应当能覆盖我们关注的插损测试频段

前置放大器

频谱仪建议内置预选放大器PA以便极端情况调整测试插损范围

跟踪源功能

频谱仪应当具有tracking generator 跟踪源功能(跟踪源可以是内置在频谱仪中的一个宽带噪声源,也可以是内部同步扫频单频率信号)

归一化功能

频谱仪建议带简单的类似网络分析仪的归一化功能,能够直接对夹具等分布参数进行补偿而无需再数据处理

频率对数轴

频谱仪应当具备对数频率轴(因为大部分的被动器件的响应都是指数或对数函数,对数频率轴上才能显示为直线,线性轴上的曲线不便于分析)

多个轨迹线

频谱仪建议有多个轨迹功能,方便进行测试比对

 

 

典型的带跟踪源的频谱仪打开跟踪源并进行归一化之后的界面

 

插损测试的夹具有两种,一种是设计为适用各种体积大小被测器件的宽度可调的夹具,但典型频率应用在200MHz以下;一种是采用同轴设计的小口径夹具,仅适用小体积器件测试,但应用频率能到6GHz。实际中可以参考下图的两种夹具,或依据插损结果制作精度范围更高的夹具。

 

  

 

频谱仪插损测试方法非常简单,先利用归一化功能将夹具和同轴电缆的损耗进行自动补偿(类似矢量网络分析仪测试之前的校准,将夹具和引线的杂散参数补偿归零),然后要将测器件接入即可(如电容接在夹具芯线和地之间,电感串接在芯线中,三端口器件按功能接入等),归一化水平线和频谱轨迹线的差值即为器件接入产生的插损值。该方法也可以用于校准衰减器、小功率放大器等。由于跟踪源和频谱仪射频测量端口都是50Ω阻抗,因此这种方法测试出来的插损都是在50Ω源阻抗、负载阻抗下的结果,工程应用中需要注意于实际应用环境的阻抗差异。当然也可以使用特制的探头在线对板级或产品级的器件进行实地插损测量,如板载滤波器的真实插损等。通过插损测试方法,我们可以方便快捷地验证理论设计与工程实践之间的差异并及时进行设计改善,为我们EMC研发活动提供强有力的过程数据支持。

 

以下分享些常用EMC元器件的插损实测结果,可以与EMC经典书籍资料中的数据互相印证。

 

1、典型的SMD贴片电容测试结果

 

 

 

 

     3、典型的滤波器测试结果:

 

 

实际应用中,我们可以因地制宜地使用网络分析仪、信号分析仪、带跟踪源的认证接收机、带跟踪源的频谱仪,外置跟踪源、甚至信号源与功率计进行插损测量。带跟踪源的频谱仪测试能力也不局限于器件插损,对于EMC设备的耦合系数、转移阻抗等校准核查也有很好的应用,但是对于微波、射频等应用中关心的相位、群时延等矢量参数,这种测试方法不能提供直观的结果,然而某些型号的频谱仪有简单的矢量网络分析选件,能够实现低精度的S11阻抗,S21相位测量,也很值得有相关需求的EMC工程师在测试能力建设的时候留意。

 

小结:

 

Ø 提出了一种便于EMC工程师使用的插损测试方法并给出设备要求和操作方法

Ø 给出了频谱仪选件和功能的建议

Ø 设计了两种不同的夹具适配不同应用场景

Ø 实测不同电容的插损曲线是不同的,电容量越大插损越大谐振频率越低

Ø 实测不同材质和封装的电容插损曲线是不同的,ESL越大高频插损越小

Ø 实测电感插损曲线

Ø 实测筛选合适的磁性材料是滤波器设计的关键

Ø 实测容量成梯度电容并联对优化插损频率范围有作用

Ø 实测显示电容是滤波器插损的主要提供器件

Ø 实测显示LC滤波器的插损是L与C插损的相加

Ø 实测显示CLC滤波器的插损是C+L+C的叠加

Ø 插损测量方法应用不局限于器件测量

Ø 研发过程中应用插损测量工具对元件级、板级、产品级全程跟踪能极大提高EMC设计效率。