滤波器测试中夹具的影响及一种高精度通用测试夹具的设计∗

张一治 任 翔 李 静 程婷婷 马帅帅 常慧娟

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

随着射频、微波电路的快速发展，各种设备发射功率越来越大，系统的灵敏度越来越高，接收微弱信号的能力越来越强，频带也越来越宽［1］，与此同时，空间的电磁环境越发复杂，产品间也可能互相产生干扰导致其不能正常工作［2］，因此，“滤波”成了应对此现象的重要方法，主要的目的是为了防止干扰和鉴别有用信号，对于干扰信号应予以滤除或抑制到最小程度，对于参杂在其他信号中的有用信号，则应设法分离出来［3］，这就对滤波器的设计提出了前所未有的挑战：更高的性能指标、更小的尺寸重量、更低的成本已成为滤波器必须满足的基本要求。但是，除了对滤波器进行优化设计和精心制作外，对其电性参数的测试也是必不可少的［4］。在生产制造过程中往往会出现这种情况：原本出厂检测合格的产品在交付用户使用后却发现为不合格产品，而本来测试不合格的产品经别的厂家再次检验后发现为合格品。造成这种情况出现的原因之一就是测试失真，除了测试方法和测量仪器的因素外，测试夹具对测试结果也有着很大的影响。

2 滤波器的类别及关键参数

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路，主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大地反射。滤波器一般有两个端口，一端输入信号、一端输出信号，其特性可以用频率响应来描述，滤波器的种类有很多种，按所采用的元件及工作状态是否需要电源激励可以分为有源滤波器和无源滤波器［5］；按照所处理的信号是模拟信号还是数字信号，可以分为模拟滤波器和数字滤波器；按照处理信号的维度来讲，可分为一维滤波器和多维滤波器；按照进行滤波处理的域是频域还是空间域可分为频域滤波器和空间滤波器，空间域滤波器的主要作用是保留某个方向来的信号，同时尽可能地抑制其他方向来的信号，如雷达和声纳等探测设备中的滤波器，频域滤波器就是用我们平常所熟悉的选频网络对信号进行处理，按照选频特性的不同，又可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等［6］。

滤波器的主要技术参数有：

中心频率，滤波器通带的中心频率 f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。

插入损耗：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，一般以中心频率或截止频率处损耗表征。

通带带宽：指需要通过的频谱宽度，BW=f1-f2。 f1、f2为以中心频率 f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常有0.5dB带宽、1dB带宽、3dB带宽等。

截止频率：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。

带外抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标，该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。

驻波比：也称电压驻波比，是衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。在完全匹配情况下VSWR=1∶1，失配时 VSWR＞1。对于一个实际的滤波器而言，通常通带内的驻波比VSWR<1.5∶1。

回波损耗：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝数，输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。回波损耗（RL）和驻波比（VSWR）均反映滤波器通带内信号传输的匹配程度，它们之间的换算公式为：RL=20log10［（VSWR+1）/（VSWR-1）］，部分回波损耗和驻波比之间的换算值如表1。

表1 驻波比与回波损耗换算表

3 滤波器的测试

3.1 矢量网络分析仪测试基本原理

现代微波技术要求在微波电路的设计和计算中必须准确快速地测量所设计和生产的微波器件及微波网络中的各项参数指标［7］，矢量网络分析仪（VNA）是微波毫米波测试领域中十分重要的一种高精度、智能化的测试仪器［8］，它通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号幅度与相位的影响，来精确表征元件的特性，矢量网络分析仪是激励信号源、S参数测量装置（信号分离电路）、幅相接收机的有机结合［9］，其系统框图如下。

图1 矢量网络分析仪原理图

如图1所示，合成信号源产生扫频信号，此信号与幅相接收机中心频率实现同步扫描，S参数测试装置用于分离被测件的入射信号A、反射信号B和传输信号C，幅相接收机将射频信号转化成频率固定的中频信号。在频率变换的过程中，需采用系统锁相技术，以保证被测网络的幅度信息和相位信息不被丢失，处理显示部分将测量结果以各种形式显示出来。

3.2 夹具对滤波器测试的影响分析

要对滤波器进行性能检测，仅仅利用网络分析仪是不够的，还必须根据滤波器的封装形式制作相应的夹具才能完成测试。测试夹具也叫测试适配器，夹具扮演的角色是测试仪器与被测器件间的桥梁［10］，它在测量过程中对滤波器起着夹持、固定以及信号传输的作用，夹持的目的是使滤波器的输入输出与电缆线保持良好的接触，固定的目的是使滤波器的外部与夹具接触良好，从而使测量过程中的信号稳定。

我们用一种简易制作的测试夹具来对两只已经过验证合格、中心频率不同的LC滤波器进行性能测试，同时通过对比结果说明夹具制作对滤波器测试性能的影响。

两只滤波器的出厂检测参数、合格判据及测试数据见表2、表3。

图2、图3为该种封装形式的LC滤波器简易测试夹具，夹具铜板上带绝缘介质的两插口分别接滤波器的输入、输出端，其余四个插孔为滤波器管脚接地插口。两个SMA转接头分别与网络分析仪的两条射频电缆相连，如图2所示。在夹具的背面，通过两根铜线将滤波器的输入、输出与两个SMA转接头相连，这也就将滤波器的信号引入了矢量网络分析仪的输入、输出端口，从而可以完成滤波器的S参数测量。

表2 滤波器的合格判据

表3 出厂测试数据

图2 简易测试夹具正面

图3 简易测试夹具背面

利用简易测试夹具对两只滤波器进行检测结果如表4。

表4 利用简易夹具对滤波器的测试结果

从表4中可以看出，利用简易测试夹具对两支LC滤波器进行检验时，中心频率为95MHz的LC滤波器各项指标虽然可以符合合格检验判定标准，但是与厂家出厂数据相比还有一定偏差。对中心频率为345MHz的LC滤波器进行检验时，-1dB带宽，带内插损、驻波比和带外抑制各项指标均不符合合格判定标准。

造成上述现象的原因是因为测试夹具的制作相对简易，在进行检测时滤波器的输入和输出端夹持不牢，传输信号不够稳定，输入、输出端与网络分析仪的射频电缆简单的通过铜线相连传输阻抗匹配度差，且没有做屏蔽处理。当滤波器中心频率较高时，输入、输出信号会产生串扰，产生微小的分布电容，从而影响滤波器的性能检测。从以上对比中可以看出，对于中心频率较低的滤波器，虽可根据技术指标利用该简易测试夹具对滤波器进行合格判断，但测试准确度肯定会有所偏差，同时当滤波器的中心频率较高时，上述夹具都无法满足合格性判断的检测需求，更不用说准确度要求，因此，必须制作精度更高的测试夹具。

4 一种高精度通用测试夹具的设计

通过上一节的对比和描述可知，想要完成中心频率较高的滤波器的合格判定工作或者准确地反映出滤波器的性能，测试夹具的制作十分重要。由于非同轴器件不能与同轴电缆直接相连，器件的工作频率又较高，所以测试夹具与微波器件的连接方法很重要，否则测试出来的技术指标数据与实际数据可能相差较大，考虑到被测件类型品种多，封装形式各异，所以测试夹具应具有一定通用性［11］，同时为了测试结果的准确性，在进行夹具的制作时，需考虑以下三点：

1）为了提高检测精度，必须抑制系统的相干噪声［12］。保证接地良好，接地是抑制噪声的重要方法，良好的接地可以有效减小接地信号的反射和外界信号的干扰，同时保证输入输出接触良好，使得信号得以顺利通过。

2）阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态［13］，使微波电路或是系统的反射，载行波尽量接近行波状态的技术措施［14］。所以夹具要有良好的传输阻抗匹配，避免传输线阻抗的不连续性，以减小能量的散射和终端反射系数，大多数的微波器件都是50Ω匹配。

3）电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁波由一个区域向另外一个区域感应或传播的方法［15］。做好屏蔽工作，使输入端和输出端之间不能直通，从而隔离端头之间的互相辐射干扰，降低能量散射，提高传输效率。

根据上述三点考虑要素，对于相似封装形式的LC滤波器的一种精度较高的通用夹具制作设计如下。

图4 特殊设计的SMA转接头

图5 夹具设计正面效果图

图6 夹具设计背面效果图

在测试夹具的制作过程中，首先需要制作几支特殊的SMA转接头，如图4所示。该SMA转接头尺寸加长（长度可根据夹具铜板厚度灵活设计），且没有法兰盘，转接头上端打平至绝缘介质处，插孔做收口处理，以保证被测滤波器的输入、输出管脚粗细略有差别时均可保证接触良好。夹具铜板打孔时，将输入输出端口打成内螺纹式，以便该SMA头可以直接拧入铜板中，同时配以螺帽，方便固定，夹具中SMA转接头上端接滤波器的输入输出，下端与网络分析仪的射频电缆相连，如图5、图6所示。

夹具的表面做镀金处理，滤波器的输入输出信号直接通过两个SMA转接头与网络分析仪的射频电缆相连，可以有效的隔离干扰，保证屏蔽效果，同时又有良好的传输匹配。SMA转接头通过螺纹拧入夹具铜板中，拧入深度可调，这样设计使得类似封装形式的滤波器在管脚制作长度上略有差异时均可保证接地良好，以保证测试的准确。用该测试夹具对上述两只中心频率不同的滤波器重新进行测试的结果见表5。

表5 利用高精度夹具对滤波器的测试结果

从表5中可以看出，该测试夹具准确的完成了中心频率为345MHz的滤波器电性能参数的合格性判定，同时对两种中心频率不同的滤波器的性能检测测试结果与生产厂家的给出的检测数据更为接近，能够准确地反映出被测件的真实性能。该测试夹具在设计的过程中充分考虑了屏蔽、传输阻抗以及接地等因素的影响，同时针对相似封装形式滤波器的输入、输出管脚粗细长短的差异情况进行了充分考虑，是一种精度较高的通用测试夹具。

5 结语

现代电子技术在面向高速度、高频率、低功耗的发展的同时，引入的各种干扰信号也就越来越大，这就使得滤波器的运用范围越来越广泛，为了研究滤波器的各种性能，保证制作质量，就必须对滤波器进行各种参数测试。而在测试的过程中，夹具的好坏对测试结果有很大影响，因此在夹具设计制作过程中就必须充分考虑接地、屏蔽和传输匹配等因素，只有这样才能保证测试结果的准确性。