厚膜电阻的阻抗与驻波比频率特性的新测量方法*

张逸松,林福民*,曾柳杏,张 俊

(1.广东工业大学物理与光电工程学院,广州 510006;2.广东风华高新科技股份有限公司,广东 肇庆 100083)

厚膜电阻的阻抗与驻波比频率特性的新测量方法*

张逸松1,林福民1*,曾柳杏1,张 俊2

(1.广东工业大学物理与光电工程学院,广州 510006;2.广东风华高新科技股份有限公司,广东 肇庆 100083)

随着电子信息技术和移动通信技术的发展,厚膜电阻的应用越来越广泛。然而,如何准确测量厚膜电阻的阻抗和驻波比频率特性成为了一个难点。建立和分析微带线终端加载厚膜电阻的电路模型,使电阻在电路中匹配,再对应地建立终端短路的电路,最后联合求解出厚膜电阻的阻抗和驻波比频率特性。实测表明,这种测量方法是可行、准确的,对射频厚膜电阻的制造工艺和质量检测有着重要意义。

厚膜电阻;终端加载;终端短路;阻抗;驻波比;测量方法

厚膜电阻是由电阻浆料经印刷和烧结等工序制成的元件,其具有膜的表面耐温高、电阻温度系数小、阻值范围宽、 表面比功率高、 耐潮湿等一系列优异的性能[1]。厚膜电阻自从20世纪50年代发展以来,其制造技术已经很成熟,在小型化、片式化、多功能化、高精度化等方面也得到了极大的发展,目前已广泛应用于厚膜及混合集成电路中[2-3]。对于普通应用的厚膜电阻,都是给出其直流电阻值及其误差范围,但是对于射频应用的厚膜电阻就有必要给出其在射频段的阻抗与驻波比的频率特性。然而,如何准确测量厚膜电阻的阻抗和驻波比频率特性成为了一个难点。著名的美国电子元器件厂商Vishay推出的FC、CHP、RCP等射频应用的电阻在数据手册里给出的在射频段阻抗与驻波比的频率特性是通过等效电路图仿真得出来的,并没有给出实际测量结果,也没有公开一种厚膜电阻实物测量方法。

可以利用非同轴微波器件测试夹具对厚膜电阻的传输特性进行测量[4-6],可以通过A参量矩阵求出出厚膜电阻的在射频段的阻抗与驻波比的频率特性。但是,这种实际测量方法存在两个问题:(1)引入了两个同轴接头,同轴接头与微带线连接,微带线夹着厚膜电阻,这样会使从片式电阻器外部引入的反射比较多,造成阻抗误差比较大;(2)微波测量夹具与厚膜电阻的连接不够紧凑会造成测量结果的不准确。另外,这种微波夹具工艺要求精密,造价非常昂贵。

本文,基于终端加载的无损耗传输线理论[7],利用HFSS仿真软件建立微带线终端加载厚膜电阻和微带线终端短路的电路模型,根据它们的输入阻抗联合求解出厚膜电阻的阻抗和驻波比频率特性,并通过了实测验证,但是至今尚未有类似测量方法和三维仿真方法。

1 测量原理与方法

本文的实测方法直接把厚膜电阻焊接在电路板上,测量其的S参量和输入阻抗,然后利用微波技术相关知识求出厚膜电阻的阻抗与驻波比的频率特性。这种测量方法简单易行,微带线与厚膜电阻接触紧密均匀,且电路板生产周期短。

终端短路的微带线[7-8]。特征阻抗Z0的大小与电路板材料、厚度以及微带线宽度有关,电路板与微带线一旦确定,Z0也就确定。微带线终端短路意味着负载为零,输入阻抗不存在电阻,只有电抗,可以根据输入阻抗确定其电长度。

Zshort=jZ0tan(βd)

(1)

终端加载的微带线。微带线终端加载意味着其输入阻抗与负载有关,可以根据输入阻抗与其电长度确定负载。

(2)

微带线的一端接一个SMA-KE同轴接头,用于矢量网络分析仪的测量。在微带线终端加载厚膜电阻的电路上测出它的输入阻抗Zin(d),但是要得到电阻阻抗,必须结合终端短路的微带线求出的电长度βd,然后求出厚膜电阻阻抗ZL。即综合式(1)和式(2),算出厚膜电阻的阻抗,如式(3)所示:

(3)

测量厚膜电阻阻抗的电路模型有3部分,分别是SMA同轴接头、微带线、厚膜电阻。为了量化厚膜电阻的不匹配程度,引入电压驻波比(VSWR),即传输线上电压最大幅度(或电流)与电压最小幅度(或电流)的比值,如式(4)。

(4)

电压驻波比可以由电路模型直接测出,但是包含了SMA同轴接头的电压波反射,不能代表厚膜电阻自身存在的反射,所以驻波比也需要由阻抗算出。电阻的反射系数和驻波比由下式确定:

(5)

(6)

2 匹配技术

把厚膜电阻焊接在电路板上进行测量,会产生多种寄生效应,例如,SMA-KE接头与微带线联接存在的电压波反射;厚膜电阻对地平面存在寄生电容;厚膜电阻接地存在的电感效应等。这些寄生效应会直接影响测量电路输入阻抗的准确性,从而使计算得到的厚膜电阻阻抗频率特性误差比较大。基于上述的测量原理,为了能够有效减少这些寄生效应的产生,必须建立等效电路图[9-10]进行定性分析;为了能够准确地得到厚膜电阻的阻抗与驻波比,必须基于从厚膜电阻外部引入的电压波反射尽可能少的原则建立测量方法。

图1中,R是指厚膜电阻的阻值,L2是指电流流过厚膜电阻产生的电感,C1是指厚膜电阻两个端电极形成的电容,L1和L3是指厚膜电阻的接触电感,L4是指厚膜电阻接地形成的串联电感,C2、C3和C4是指厚膜电阻对地平面形成的分布电容。

图1 电路板上贴装的厚膜电阻等效电路图

2.1 SMA-KE接头与微带线的匹配

SMA-KE接头与微带线理想匹配,则说明Z0=50 Ω的传输线是理想的。选用直式SMA-KE同轴接头有利于减少电压波的反射。SMA-KE接头与微带线的匹配一般有3种联接方法——正立接法、倒立接法、水平接法。

通过HFSS建模仿真优化[11],确定SMA-KE同轴接头与微带线联接方法。微带线一端接波端口,因为波端口与微带线理想匹配,另一端接SMA-KE同轴接头。如图2所示,SMA-KE同轴接头与微带线水平联接产生的电压驻波比最好,所以选用水平联接作为SMA-KE同轴接头与微带线的匹配方式。

图2 SMA-KE同轴接头与微带线正立联接、倒立联接、水平连接,以及它们所对应的电压驻波比频率特性

2.2 终端接地方式

在电路板上,电路的接地都是通过通孔实现的,通孔会产生寄生电容,也会产生寄生串联电感,但是寄生串联显得更为重要,所以图1中仅以电感L4表示通孔的寄生效应,可以用下面的公式来简单地计算一个通孔近似的寄生电感[12-13]。

(7)

式中:L/nH是指寄生电感,h/inch是指通孔长度,d/inch是指通孔直径。从式中可以看出,通孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是通孔的长度,即电路板的厚度。理想的接地应该在厚膜电阻末端接一个无穷大地平面,因此,本实测方法采用一种特殊的接地方式——接地截面全铺铜的形式,以尽可能的减少寄生效应。

电路板的厚度除了对通孔的寄生效应L4有影响外,还对厚膜电阻对地平面形成的分布电容(C2、C3和C4)有影响。接地的寄生效应L4,尤其是厚膜电阻的分布电容C2、C3和C4是不可消除的,所以,厚膜电阻在射频段的阻抗频率特性是随着参考地平面(电路板厚度)的变化而有所变化。

2.3 终端短路微带线长度

微带线的特征阻抗为50 Ω,与SMA-KE同轴接头匹配。考虑到表面贴装的厚膜电阻外尺寸的影响,终端短路微带线长度取d+l长度(d为终端加载厚膜电阻的微带线长度,l为厚膜电阻的长度)。l长度对应的微带线宽度为所接厚膜电阻的总宽度,这样求解出来的电阻阻抗可以有效地抵消部分微带线与电阻宽度结构上不连续的影响。

2.4 厚膜电阻联接方式

厚膜电阻的联接方式决定其总宽度与总长度。这个总宽度主要影响微带线与联接的厚膜电阻的结构不连续性。这个长度相当于一个有损耗的传输线,而在终端加载微带线的计算公式中没有考虑电阻的长度,相比之下,这个长度更为重要。所以,终端加载的微带线末端接上厚膜电阻,对于少于50 Ω的厚膜电阻不做联接处理,直接在微带线末端中间放置一个电阻;对于稍大于50 Ω的厚膜电阻器尽可能地通过并联方式靠近50 Ω,厚膜电阻在微带线末端等间隔放置;对于远大于50 Ω的厚膜电阻通过并联方式使电阻总宽度与微带线宽度基本一致。

3 实测验证

为了验证所提出的测量技术的可行性以及准确性,下面通过测量100 Ω 0402封装(1.0 mm×0.5 mm)的厚膜电阻进行验证。厚膜电阻及其结构模型资料由广东风华高科有限公司提供,电路板由深圳市鑫成尔电子有限公司制作。电路板材料选用FR4,厚度1 mm,微带线长度10 mm,宽度1.93 mm,终端加载两个并联的厚膜电阻,总阻值50 Ω与微带线阻抗匹配。

图3 厚膜电阻结构模型和测量用的PCB板

一共制作了5块电路板,利用矢量网络分析仪测出10组输入阻抗数据。对测量得到的数据作平均值处理,以减少测量误差。然后,按所提出的测量方法利用MATLAB[14]进行数据处理,可以得到厚膜电阻的阻抗与驻波比频率特性。通过实测与仿真数据对比,证明了这种实测方法是可行、准确的。

图4 100 Ω厚膜电阻仿真结果图与实物测量图

4 结论

通过上述实验数据的对比分析,利用终端加载电阻和终端短路两种测试方法联合求解出厚膜电阻阻抗和驻波比频率特性的测量方法是可行、准确的。所提出的测量方法对射频厚膜电阻的制造工艺和质量检测有着重要意义,使厚膜电阻更高质量地应用到低噪声放大器、衰减器、有线终端负载等射频电路和微波器件中。另外,本测量方法也可以应用到其他表面贴装的片式电阻器射频阻抗和驻波比频率特性的测量。

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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

项目来源:广州市科技计划项目(201510010093)

2016-09-01修改日期2016-10-26

TN06

A

1005-9490(2017)05-1068-04

张逸松(1992-),男,汉族,湖南邵阳人,广东工业大学硕士研究生,主要研究方向为射频电路,252344177@qq.com;

林福民(1964-),男,汉族,广东汕头人,2003年于中国科学院电子学研究所获博士学位,现为广东工业大学教授,硕士生导师,主要研究方向为大功率微波器件、微波滤波器与射频电路、卫星导航天线及接收终端系统等,linfumin@gdut.edu.cn。