Некоторые аспекты измерений параметров пассивных компонентов с высокой частотой собственного резонанса

07.10.2019

Ивко А. М.

Калмыкова Л. В.

Для проведения прецизионных измерений параметров пассивных компонентов в современной испытательной лаборатории необходимы средства измерения, обеспечивающие необходимый диапазон и точность. Пассивные компоненты общего применения имеют сравнительно низкую частоту собственного резонанса, и тестовая частота не превышает 1 МГц, в редких случаях 100 МГц. Для измерений в этих диапазонах применяются мостовые схемы, реализованные в приборах GW Instek LCR-78110G (20 Гц – 10 МГц) и Wayne Kerr 6500P (до 120 МГц), которыми располагает ИЛ ООО «РАДИОАВТОМАТИКА». Однако для проверки конденсаторов и катушек индуктивности с высокой частотой собственного резонанса требуются более высокочастотные приборы и другие методы измерения. В качестве примера можно привести анализатор импеданса E4991B от Keysight Technologies, любезно предоставленный компанией Keysight Technologies во временное пользование, имеющий диапазон частот испытательного сигнала от 1 МГц до 3 ГГц. E4991B построен на основе RF I-V метода, который заключается в прямом измерении тока и напряжения на тестируемом устройстве.

Анализатор импеданса с такими рабочими частотами является достаточно дорогостоящим измерительным прибором, и покупка его весьма затруднительна. В большинстве ИЛ, в том числе и в ООО «РАДИОАВТОМАТИКА», имеется участок СВЧ измерений, включающий в себя векторный анализатор цепей, который может быть применен для измерения емкости, индуктивности, частоты собственного резонанса и полного комплексного сопротивления. В данной статье описывается проведение измерений с помощью векторного анализатора ZNB 20 и сравнительный анализ полученных данных с результатами E4991B Keysight Technologies.

При использовании векторного анализатора возникает проблема контактирования измеряемого ЭКБ с фазостабильными кабелями. Для проверки данного метода измерения параметров конденсаторов и катушек индуктивности с высокой частотой собственного резонанса была разработана измерительная оснастка. В этих целях было решено применить коаксиальный соединитель типа SMA (Рисунок 1).

 1.png

Рисунок 1

Поскольку измерения будут проводиться в СВЧ диапазоне, то потребуется пайка тестируемого ЭКБ к соединителю, так как с увеличением частоты зондирующего сигнала возрастают требования к линии передачи. Это связано с возрастанием КСВН, увеличением частотной неравномерности, проявлении различных паразитных эффектов.

Для удобства монтажа, а также чтобы исключить паразитное влияние крепежных выводов SMA разъема, их (выводы) потребуется удалить, аккуратно спилив до уровня тела соединителя. Тестируемый компонент запаивается между корпусом и центральной жилой разъема. Таким образом в 50 омный тракт, параллельно, с минимальными искажениями линии передачи, подключается тестируемое изделие.

С целью минимизировать систематическую погрешность измерений был создан калибровочный набор типа OSM (Open – холостой ход, Short – короткое замыкание, Match – согласованная нагрузка) из аналогичных измерительной оснастке разъемов. Для изготовления согласованной нагрузки был применен 1% резистор с номинальной емкостью 49,9 Ом, включенный параллельно линии передачи. Результаты калибровки представлены на рисунке 2.

2.png

Рисунок 2 – Результаты калибровки

     3.jpg

Рисунок 3 – Калибровочный набор типа OSM

Учтя влияние технологической оснастки на СВЧ тракт, можно приступать к измерениям. В качестве образцов возьмем керамические конденсаторы Murata различных номиналов емкости; используемый векторный анализатор цепей – Rohde & Schwarz ZNB 20.

Измеренные параметры отражены на диаграмме Смита. Диаграмма Смита представляет собой круговую диаграмму, которая связывает комплексные коэффициенты отражения с нормализованными значениями полного сопротивления. В данном случае используется для отображения значения комплексного полного сопротивления Z = R + j X и эквивалентной емкости С.

4.png

Рисунок 4 – Керамический конденсатор 3,3 пФ (ZNB 20)

Таблица 1

Маркер

Частота, МГц

Емкость, пФ

M1

6,75

3,38

M2

128,9

3,44

M3

1299

4,26

M4

2982

2

   

Отображение отрицательных значений (маркер М3) вне области построения диаграммы вероятнее всего связано с не идеальностью изготовленных калибровочных мер.

 5.png

Рисунок 5 – Керамический конденсатор 3,3 пФ (E4991B)

Таблица 2

Маркер

Частота, МГц

Емкость, пФ

M1

188

3,37

M2

1116

3,58

M3

2019

4,19

   

 6.png

Рисунок 6 – Керамический конденсатор 10 пФ (ZNB 20)

Таблица 3

Маркер

Частота, МГц

Емкость, пФ

M1

1

14,39

M2

20

10,05

M3

169

10,21

M4

491

11,02

M5

1375

26,43

 

   

7.png  

Рисунок 7 – Керамический конденсатор 10 пФ (E4991B)

Таблица 4

Маркер

Частота, МГц

Емкость, пФ

M1

200

10,17

M2

2376

60,3

M3

2561

-50

M4

923,28

29,7

     

 8.png

Рисунок 8 – Керамический конденсатор 39 пФ (ZNB 20)

Таблица 5

Маркер

Частота, МГц

Емкость, пФ

M1

1,6

37

M2

32,1

37,63

M3

960,1

10,58

    

9.png 

Рисунок 9 – Керамический конденсатор 39 пФ (E4991B)

Таблица 6

Маркер

Частота, МГц

Емкость, пФ

M1

200

38,55

M2

1345

257

M3

1464

-223


На представленных выше графиках маркерами отмечены точки, где параметры конденсатора соответствуют заявленным, а также частота собственного резонанса. На графике измерительного прибора E4991B частотой собственного резонанса является резкое возрастание емкости с последующим переходом в отрицательное значение. На диаграмме Смита частотой собственного резонанса будет точка, где кривая графика переходит из емкостной области диаграммы в индуктивную.

Оценивая результаты можно сказать, что погрешность измерений с помощью векторного анализатора цепей составляет порядка 10 – 15 %. Такая погрешность может быть вызвана разницей методов измерения. Принцип действия анализатора импеданса основан на измерении токов и напряжений, в то время как векторный анализатор цепей измеряет характеристики прохождения сигнала через тестируемое устройство и характеристики отражения сигнала от его портов и далее, из полученной S матрицы, математический аппарат вычисляет значения комплексного полного сопротивления, емкости и индуктивности.

Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что рассмотренный метод может применяться для оценочного измерения параметров, в условиях отсутствия специализированного оборудования.

Итоги:

1)    Метод с большой точностью совпадает с результатами измерений на фабрично изготовленной оснастке;

2)    Погрешность 10 – 15 % достаточна для большинства применений в сфере разработки СВЧ аппаратуры, где зачастую необходимо быстро оценить номинал и собственную резонансную частоту компонентов;

3)    Необходимо разработать и опробовать оснастку и калибровочный набор для измерений последовательно включенных компонентов;

4)    На частотах выше 3 ГГц это единственный метод измерения частоты собственного резонанса и полного комплексного сопротивления СВЧ компонентов.