張一治 任 翔 李 靜 程婷婷 馬帥帥 常慧娟

（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，接收微弱信號的能力越來越強(qiáng)，頻帶也越來越寬［1］，與此同時，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，對于干擾信號應(yīng)予以濾除或抑制到最小程度，對于參雜在其他信號中的有用信號，則應(yīng)設(shè)法分離出來［3］，這就對濾波器的設(shè)計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，除了對濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和精心制作外，對其電性參數(shù)的測試也是必不可少的［4］。在生產(chǎn)制造過程中往往會出現(xiàn)這種情況：原本出廠檢測合格的產(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)的原因之一就是測試失真，除了測試方法和測量儀器的因素外，測試夾具對測試結(jié)果也有著很大的影響。

2 濾波器的類別及關(guān)鍵參數(shù)

濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路，主要作用是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大地反射。濾波器一般有兩個端口，一端輸入信號、一端輸出信號，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)是否需要電源激勵可以分為有源濾波器和無源濾波器［5］；按照所處理的信號是模擬信號還是數(shù)字信號，可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器；按照處理信號的維度來講，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方向來的信號，同時盡可能地抑制其他方向來的信號，如雷達(dá)和聲納等探測設(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)對信號進(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、右相對下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。

插入損耗：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，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)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。

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 VSWR＞1。對于一個實(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回波損耗為無窮大。回波損耗（RL）和駐波比（VSWR）均反映濾波器通帶內(nèi)信號傳輸?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 濾波器的測試

3.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試基本原理

現(xiàn)代微波技術(shù)要求在微波電路的設(shè)計和計算中必須準(zhǔn)確快速地測量所設(shè)計和生產(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）是微波毫米波測試領(lǐng)域中十分重要的一種高精度、智能化的測試儀器［8］，它通過測量元件對頻率掃描和功率掃描測試信號幅度與相位的影響，來精確表征元件的特性，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是激勵信號源、S參數(shù)測量裝置（信號分離電路）、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，合成信號源產(chǎn)生掃頻信號，此信號與幅相接收機(jī)中心頻率實(shí)現(xiàn)同步掃描，S參數(shù)測試裝置用于分離被測件的入射信號A、反射信號B和傳輸信號C，幅相接收機(jī)將射頻信號轉(zhuǎn)化成頻率固定的中頻信號。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，處理顯示部分將測量結(jié)果以各種形式顯示出來。

3.2 夾具對濾波器測試的影響分析

要對濾波器進(jìn)行性能檢測，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)的夾具才能完成測試。測試夾具也叫測試適配器，夾具扮演的角色是測試儀器與被測器件間的橋梁［10］，它在測量過程中對濾波器起著夾持、固定以及信號傳輸?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，從而使測量過程中的信號穩(wěn)定。

我們用一種簡易制作的測試夾具來對兩只已經(jīng)過驗(yàn)證合格、中心頻率不同的LC濾波器進(jìn)行性能測試，同時通過對比結(jié)果說明夾具制作對濾波器測試性能的影響。

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

圖2、圖3為該種封裝形式的LC濾波器簡易測試夾具，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，其余四個插孔為濾波器管腳接地插口。兩個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SMA轉(zhuǎn)接頭相連，這也就將濾波器的信號引入了矢量網(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)測量。

表2 濾波器的合格判據(jù)

表3 出廠測試數(shù)據(jù)

圖2 簡易測試夾具正面

圖3 簡易測試夾具背面

利用簡易測試夾具對兩只濾波器進(jìn)行檢測結(jié)果如表4。

表4 利用簡易夾具對濾波器的測試結(jié)果

從表4中可以看出，利用簡易測試夾具對兩支LC濾波器進(jìn)行檢驗(yàn)時，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。對中心頻率為345MHz的LC濾波器進(jìn)行檢驗(yàn)時，-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試夾具的制作相對簡易，在進(jìn)行檢測時濾波器的輸入和輸出端夾持不牢，傳輸信號不夠穩(wěn)定，輸入、輸出端與網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻電纜簡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，輸入、輸出信號會產(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。從以上對比中可以看出，對于中心頻率較低的濾波器，雖可根據(jù)技術(shù)指標(biāo)利用該簡易測試夾具對濾波器進(jìn)行合格判斷，但測試準(zhǔn)確度肯定會有所偏差，同時當(dāng)濾波器的中心頻率較高時，上述夾具都無法滿足合格性判斷的檢測需求，更不用說準(zhǔn)確度要求，因此，必須制作精度更高的測試夾具。

4 一種高精度通用測試夾具的設(shè)計

通過上一節(jié)的對比和描述可知，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，所以測試夾具與微波器件的連接方法很重要，否則測試出來的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)可能相差較大，考慮到被測件類型品種多，封裝形式各異，所以測試夾具應(yīng)具有一定通用性［11］，同時為了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行夾具的制作時，需考慮以下三點(diǎn)：

1）為了提高檢測精度，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的反射和外界信號的干擾，同時保證輸入輸出接觸良好，使得信號得以順利通過。

2）阻抗匹配是無線電技術(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］。所以夾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區(qū)域向另外一個區(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)計如下。

圖4 特殊設(shè)計的SMA轉(zhuǎn)接頭

圖5 夾具設(shè)計正面效果圖

圖6 夾具設(shè)計背面效果圖

在測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（長度可根據(jù)夾具銅板厚度靈活設(shè)計），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，以保證被測濾波器的輸入、輸出管腳粗細(xì)略有差別時均可保證接觸良好。夾具銅板打孔時，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直接通過兩個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)計使得類似封裝形式的濾波器在管腳制作長度上略有差異時均可保證接地良好，以保證測試的準(zhǔn)確。用該測試夾具對上述兩只中心頻率不同的濾波器重新進(jìn)行測試的結(jié)果見表5。

表5 利用高精度夾具對濾波器的測試結(jié)果

從表5中可以看出，該測試夾具準(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，同時對兩種中心頻率不同的濾波器的性能檢測測試結(jié)果與生產(chǎn)廠家的給出的檢測數(shù)據(jù)更為接近，能夠準(zhǔn)確地反映出被測件的真實(shí)性能。該測試夾具在設(shè)計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，同時針對相似封裝形式濾波器的輸入、輸出管腳粗細(xì)長短的差異情況進(jìn)行了充分考慮，是一種精度較高的通用測試夾具。

5 結(jié)語

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，引入的各種干擾信號也就越來越大，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，就必須對濾波器進(jìn)行各種參數(shù)測試。而在測試的過程中，夾具的好壞對測試結(jié)果有很大影響，因此在夾具設(shè)計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試結(jié)果的準(zhǔn)確性。