厚膜電阻的阻抗與駐波比頻率特性的新測(cè)量方法*

張逸松,林福民*,曾柳杏,張 俊

(1.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,廣州 510006;2.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司,廣東 肇慶 100083)

厚膜電阻的阻抗與駐波比頻率特性的新測(cè)量方法*

張逸松1,林福民1*,曾柳杏1,張 俊2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,廣州 510006;2.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司,廣東 肇慶 100083)

隨著電子信息技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,厚膜電阻的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而,如何準(zhǔn)確測(cè)量厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性成為了一個(gè)難點(diǎn)。建立和分析微帶線終端加載厚膜電阻的電路模型,使電阻在電路中匹配,再對(duì)應(yīng)地建立終端短路的電路,最后聯(lián)合求解出厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性。實(shí)測(cè)表明,這種測(cè)量方法是可行、準(zhǔn)確的,對(duì)射頻厚膜電阻的制造工藝和質(zhì)量檢測(cè)有著重要意義。

厚膜電阻;終端加載;終端短路;阻抗;駐波比;測(cè)量方法

厚膜電阻是由電阻漿料經(jīng)印刷和燒結(jié)等工序制成的元件,其具有膜的表面耐溫高、電阻溫度系數(shù)小、阻值范圍寬、 表面比功率高、 耐潮濕等一系列優(yōu)異的性能[1]。厚膜電阻自從20世紀(jì)50年代發(fā)展以來(lái),其制造技術(shù)已經(jīng)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極大的發(fā)展,目前已廣泛應(yīng)用于厚膜及混合集成電路中[2-3]。對(duì)于普通應(yīng)用的厚膜電阻,都是給出其直流電阻值及其誤差范圍,但是對(duì)于射頻應(yīng)用的厚膜電阻就有必要給出其在射頻段的阻抗與駐波比的頻率特性。然而,如何準(zhǔn)確測(cè)量厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性成為了一個(gè)難點(diǎn)。著名的美國(guó)電子元器件廠商Vishay推出的FC、CHP、RCP等射頻應(yīng)用的電阻在數(shù)據(jù)手冊(cè)里給出的在射頻段阻抗與駐波比的頻率特性是通過(guò)等效電路圖仿真得出來(lái)的,并沒(méi)有給出實(shí)際測(cè)量結(jié)果,也沒(méi)有公開(kāi)一種厚膜電阻實(shí)物測(cè)量方法。

可以利用非同軸微波器件測(cè)試夾具對(duì)厚膜電阻的傳輸特性進(jìn)行測(cè)量[4-6],可以通過(guò)A參量矩陣求出出厚膜電阻的在射頻段的阻抗與駐波比的頻率特性。但是,這種實(shí)際測(cè)量方法存在兩個(gè)問(wèn)題:(1)引入了兩個(gè)同軸接頭,同軸接頭與微帶線連接,微帶線夾著厚膜電阻,這樣會(huì)使從片式電阻器外部引入的反射比較多,造成阻抗誤差比較大;(2)微波測(cè)量夾具與厚膜電阻的連接不夠緊湊會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。另外,這種微波夾具工藝要求精密,造價(jià)非常昂貴。

本文,基于終端加載的無(wú)損耗傳輸線理論[7],利用HFSS仿真軟件建立微帶線終端加載厚膜電阻和微帶線終端短路的電路模型,根據(jù)它們的輸入阻抗聯(lián)合求解出厚膜電阻的阻抗和駐波比頻率特性,并通過(guò)了實(shí)測(cè)驗(yàn)證,但是至今尚未有類似測(cè)量方法和三維仿真方法。

1 測(cè)量原理與方法

本文的實(shí)測(cè)方法直接把厚膜電阻焊接在電路板上,測(cè)量其的S參量和輸入阻抗,然后利用微波技術(shù)相關(guān)知識(shí)求出厚膜電阻的阻抗與駐波比的頻率特性。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行,微帶線與厚膜電阻接觸緊密均勻,且電路板生產(chǎn)周期短。

終端短路的微帶線[7-8]。特征阻抗Z0的大小與電路板材料、厚度以及微帶線寬度有關(guān),電路板與微帶線一旦確定,Z0也就確定。微帶線終端短路意味著負(fù)載為零,輸入阻抗不存在電阻,只有電抗,可以根據(jù)輸入阻抗確定其電長(zhǎng)度。

Zshort=jZ0tan(βd)

(1)

終端加載的微帶線。微帶線終端加載意味著其輸入阻抗與負(fù)載有關(guān),可以根據(jù)輸入阻抗與其電長(zhǎng)度確定負(fù)載。

(2)

微帶線的一端接一個(gè)SMA-KE同軸接頭,用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量。在微帶線終端加載厚膜電阻的電路上測(cè)出它的輸入阻抗Zin(d),但是要得到電阻阻抗,必須結(jié)合終端短路的微帶線求出的電長(zhǎng)度βd,然后求出厚膜電阻阻抗ZL。即綜合式(1)和式(2),算出厚膜電阻的阻抗,如式(3)所示:

(3)

測(cè)量厚膜電阻阻抗的電路模型有3部分,分別是SMA同軸接頭、微帶線、厚膜電阻。為了量化厚膜電阻的不匹配程度,引入電壓駐波比(VSWR),即傳輸線上電壓最大幅度(或電流)與電壓最小幅度(或電流)的比值,如式(4)。

(4)

電壓駐波比可以由電路模型直接測(cè)出,但是包含了SMA同軸接頭的電壓波反射,不能代表厚膜電阻自身存在的反射,所以駐波比也需要由阻抗算出。電阻的反射系數(shù)和駐波比由下式確定:

(5)

(6)

2 匹配技術(shù)

把厚膜電阻焊接在電路板上進(jìn)行測(cè)量,會(huì)產(chǎn)生多種寄生效應(yīng),例如,SMA-KE接頭與微帶線聯(lián)接存在的電壓波反射;厚膜電阻對(duì)地平面存在寄生電容;厚膜電阻接地存在的電感效應(yīng)等。這些寄生效應(yīng)會(huì)直接影響測(cè)量電路輸入阻抗的準(zhǔn)確性,從而使計(jì)算得到的厚膜電阻阻抗頻率特性誤差比較大?；谏鲜龅臏y(cè)量原理,為了能夠有效減少這些寄生效應(yīng)的產(chǎn)生,必須建立等效電路圖[9-10]進(jìn)行定性分析;為了能夠準(zhǔn)確地得到厚膜電阻的阻抗與駐波比,必須基于從厚膜電阻外部引入的電壓波反射盡可能少的原則建立測(cè)量方法。

圖1中,R是指厚膜電阻的阻值,L2是指電流流過(guò)厚膜電阻產(chǎn)生的電感,C1是指厚膜電阻兩個(gè)端電極形成的電容,L1和L3是指厚膜電阻的接觸電感,L4是指厚膜電阻接地形成的串聯(lián)電感,C2、C3和C4是指厚膜電阻對(duì)地平面形成的分布電容。

圖1 電路板上貼裝的厚膜電阻等效電路圖

2.1 SMA-KE接頭與微帶線的匹配

SMA-KE接頭與微帶線理想匹配,則說(shuō)明Z0=50 Ω的傳輸線是理想的。選用直式SMA-KE同軸接頭有利于減少電壓波的反射。SMA-KE接頭與微帶線的匹配一般有3種聯(lián)接方法——正立接法、倒立接法、水平接法。

通過(guò)HFSS建模仿真優(yōu)化[11],確定SMA-KE同軸接頭與微帶線聯(lián)接方法。微帶線一端接波端口,因?yàn)椴ǘ丝谂c微帶線理想匹配,另一端接SMA-KE同軸接頭。如圖2所示,SMA-KE同軸接頭與微帶線水平聯(lián)接產(chǎn)生的電壓駐波比最好,所以選用水平聯(lián)接作為SMA-KE同軸接頭與微帶線的匹配方式。

圖2 SMA-KE同軸接頭與微帶線正立聯(lián)接、倒立聯(lián)接、水平連接,以及它們所對(duì)應(yīng)的電壓駐波比頻率特性

2.2 終端接地方式

在電路板上,電路的接地都是通過(guò)通孔實(shí)現(xiàn)的,通孔會(huì)產(chǎn)生寄生電容,也會(huì)產(chǎn)生寄生串聯(lián)電感,但是寄生串聯(lián)顯得更為重要,所以圖1中僅以電感L4表示通孔的寄生效應(yīng),可以用下面的公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)通孔近似的寄生電感[12-13]。

(7)

式中:L/nH是指寄生電感,h/inch是指通孔長(zhǎng)度,d/inch是指通孔直徑。從式中可以看出,通孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是通孔的長(zhǎng)度,即電路板的厚度。理想的接地應(yīng)該在厚膜電阻末端接一個(gè)無(wú)窮大地平面,因此,本實(shí)測(cè)方法采用一種特殊的接地方式——接地截面全鋪銅的形式,以盡可能的減少寄生效應(yīng)。

電路板的厚度除了對(duì)通孔的寄生效應(yīng)L4有影響外,還對(duì)厚膜電阻對(duì)地平面形成的分布電容(C2、C3和C4)有影響。接地的寄生效應(yīng)L4,尤其是厚膜電阻的分布電容C2、C3和C4是不可消除的,所以,厚膜電阻在射頻段的阻抗頻率特性是隨著參考地平面(電路板厚度)的變化而有所變化。

2.3 終端短路微帶線長(zhǎng)度

微帶線的特征阻抗為50 Ω,與SMA-KE同軸接頭匹配。考慮到表面貼裝的厚膜電阻外尺寸的影響,終端短路微帶線長(zhǎng)度取d+l長(zhǎng)度(d為終端加載厚膜電阻的微帶線長(zhǎng)度,l為厚膜電阻的長(zhǎng)度)。l長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為所接厚膜電阻的總寬度,這樣求解出來(lái)的電阻阻抗可以有效地抵消部分微帶線與電阻寬度結(jié)構(gòu)上不連續(xù)的影響。

2.4 厚膜電阻聯(lián)接方式

厚膜電阻的聯(lián)接方式?jīng)Q定其總寬度與總長(zhǎng)度。這個(gè)總寬度主要影響微帶線與聯(lián)接的厚膜電阻的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。這個(gè)長(zhǎng)度相當(dāng)于一個(gè)有損耗的傳輸線,而在終端加載微帶線的計(jì)算公式中沒(méi)有考慮電阻的長(zhǎng)度,相比之下,這個(gè)長(zhǎng)度更為重要。所以,終端加載的微帶線末端接上厚膜電阻,對(duì)于少于50 Ω的厚膜電阻不做聯(lián)接處理,直接在微帶線末端中間放置一個(gè)電阻;對(duì)于稍大于50 Ω的厚膜電阻器盡可能地通過(guò)并聯(lián)方式靠近50 Ω,厚膜電阻在微帶線末端等間隔放置;對(duì)于遠(yuǎn)大于50 Ω的厚膜電阻通過(guò)并聯(lián)方式使電阻總寬度與微帶線寬度基本一致。

3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的測(cè)量技術(shù)的可行性以及準(zhǔn)確性,下面通過(guò)測(cè)量100 Ω 0402封裝(1.0 mm×0.5 mm)的厚膜電阻進(jìn)行驗(yàn)證。厚膜電阻及其結(jié)構(gòu)模型資料由廣東風(fēng)華高科有限公司提供,電路板由深圳市鑫成爾電子有限公司制作。電路板材料選用FR4,厚度1 mm,微帶線長(zhǎng)度10 mm,寬度1.93 mm,終端加載兩個(gè)并聯(lián)的厚膜電阻,總阻值50 Ω與微帶線阻抗匹配。

圖3 厚膜電阻結(jié)構(gòu)模型和測(cè)量用的PCB板

一共制作了5塊電路板,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出10組輸入阻抗數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)作平均值處理,以減少測(cè)量誤差。然后,按所提出的測(cè)量方法利用MATLAB[14]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可以得到厚膜電阻的阻抗與駐波比頻率特性。通過(guò)實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,證明了這種實(shí)測(cè)方法是可行、準(zhǔn)確的。

圖4 100 Ω厚膜電阻仿真結(jié)果圖與實(shí)物測(cè)量圖

4 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,利用終端加載電阻和終端短路兩種測(cè)試方法聯(lián)合求解出厚膜電阻阻抗和駐波比頻率特性的測(cè)量方法是可行、準(zhǔn)確的。所提出的測(cè)量方法對(duì)射頻厚膜電阻的制造工藝和質(zhì)量檢測(cè)有著重要意義,使厚膜電阻更高質(zhì)量地應(yīng)用到低噪聲放大器、衰減器、有線終端負(fù)載等射頻電路和微波器件中。另外,本測(cè)量方法也可以應(yīng)用到其他表面貼裝的片式電阻器射頻阻抗和駐波比頻率特性的測(cè)量。

[1] 李文兵,李祥友,曾曉雁. 用激光微細(xì)熔覆法直寫(xiě)電阻漿料制備厚膜電阻[J]. 功能材料,2005,36(1):80.

[2] 丁鵬,馬以武. 釕基厚膜電阻導(dǎo)電機(jī)理的國(guó)內(nèi)外研究狀況[J]. 電子器件,2003,16(3):264-268.

[3] 李強(qiáng),謝泉,馬瑞,等. 厚膜電阻的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2014(7):31-38.

[4] 雷靜. 非同軸微波器件測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電子元件與材料,2011(7):60-63.

[5] 李紅,李思敏. 微帶測(cè)試夾具的TOSD校準(zhǔn)方法[J]. 桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001(4):10-13.

[6] 陶峰,黃成,吳建輝. 射頻阻抗測(cè)量夾具建模技術(shù)的研究及應(yīng)用[J]. 電子器件,2007(3):1075-1078,1083.

[7] Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko. 射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M]. 第2版. 王子宇,王心悅,等譯. 北京:電子工業(yè)出版社,2013:53-54.

[8] David M Pozar. Microwave Engineering[M]. 3rd ed. John Wiley & Sons,Inc.,2012:147-149.

[9] Lopez-Berrocal B,de-Oliva-Rubio J,Molina-Fernandez I. Design and Implementation of DC-20-GHz Lumped Resistor Matched Loads for Planar Microwave Circuits[C]//IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2009,57(10):2439-2443.

[10] Bahl. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits[M]. Norwood,MA:Artech House,2003:267-269.

[11] Ansoft Corporation,HFSS Full Book v10[R]. Ansoft Corporation,2005.

[12] 魏麗麗,劉浩. 高速PCB設(shè)計(jì)中的過(guò)孔研究[J]. 印制電路信息,2007(9):31-33,41.

[13] 吳成,盧滿宏,周三文,等. 多層高速PCB通孔分析與設(shè)計(jì)[J]. 遙測(cè)遙控,2015(2):33-39.

[14] MATLAB-Wavelet ToolboxTMUser’s Guide R2014a[S]. Mathworks Inc,2014.

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

項(xiàng)目來(lái)源:廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201510010093)

2016-09-01修改日期2016-10-26

TN06

A

1005-9490(2017)05-1068-04

張逸松(1992-),男,漢族,湖南邵陽(yáng)人,廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)樯漕l電路,252344177@qq.com;

林福民(1964-),男,漢族,廣東汕頭人,2003年于中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所獲博士學(xué)位,現(xiàn)為廣東工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榇蠊β饰⒉ㄆ骷⑽⒉V波器與射頻電路、衛(wèi)星導(dǎo)航天線及接收終端系統(tǒng)等,linfumin@gdut.edu.cn。