一、阻抗測試基本概念

 

阻抗定義：

• 阻抗是元器件或電路對周期的交流信號的總的反作用。

• AC 交流測試信號 (幅度和頻率)。

• 包括實部和虛部。

圖1 阻抗的定義

 

阻抗是評測電路、元件以及制作元件材料的重要參數。那么什么是阻抗呢？讓我們先來看一下阻抗的定義。

 

首先阻抗是一個矢量。

 

通常，阻抗是指器件或電路對流經它的給定頻率的交流電流的抵抗能力。它用矢量平面上的復數表示。一個阻抗矢量包括實部（電阻R）和虛部（電抗X）。如圖11-1所示，阻抗在直角坐標系中用Z=R+jX表示。那么在極坐標系中，阻抗可以用幅度和相角表示。直角坐標系中的實部和虛部可以通過數學換算成極坐標系中的幅度和相位。

 

其次，要記住阻抗的單位是歐姆。另外，要思考一下我們所熟知的電阻（R）、電感(L)和電容（C）分別對應由于復阻抗平面中的位置。

 

圖2 阻抗的公式

 

什么是導納呢？

 

導納是阻抗的倒數，它也可以可以表述為實部（G電導）和虛部（電納），其單位是西門子。

圖3 導納的公式

 

為什么要有阻抗和導納兩種表述方式呢？主要是為了非常簡單的表述兩種常用串連和并聯連接方式。對于電阻和電抗串聯連接時，采用阻抗的表述非常簡單易用。但是對于電阻和電抗并聯連接時，阻抗的表述非常復雜，這時候，采用導納就非常簡單易用了。

圖4 阻抗和導納的關系

 

阻抗同電感L和電容C的關系：

   

電抗有兩種形式——感抗(XL)和容抗(XC)。電感對應的是感抗，電容對應的是容抗。對于理想的電感和電容，它們分別和感抗、容抗之間滿足正比和反比的關系。

 

按照定義，

 

XL=2pfL=wL

                        

XC= 1/2pfC=1/wC  

 

f是交流信號的頻率， L 是電感，C是電容。電感的單位是亨，電容的單位是法。

   

w為角速度， w= 2pf。

圖5 阻抗同電容/電感的關系

 

如果將電感的阻抗Vs頻率圖也畫在同一個阻抗圖中，不難發現，電感的阻抗隨頻率增加而增加，電容的阻抗隨頻率的增加而減小。即便是理想的電感或電容，它們的阻抗也隨入射交流信號的頻率不同而改變。

 

品質因子Q和損耗因子 D：

   

品質因子Q是衡量電抗（同時也是電納）純度的指標。換句話說，品質因子Q是表明器件接近純電抗的程度，品質因子越大，說明電抗的[敏感詞]越大，反過來說，也就是說明器件的電阻越小。

   

實際上，器件阻抗中的實數部分，即電阻的大小表明能量在經過器件傳輸后，能量的損耗大小。因此，從上面的公式中可以看到，品質因子表明器件能量的損耗程度。

   

品質因數(Q)是電抗純度的度量(即與純電抗，也就是與沒有電阻的接近程度)，定義為元件中存儲能量與該元件損耗能量之比。

   

Q是無量綱單位，表達式為Q=X/R=B/G。您可從圖6看到Q是q角的正切。

   

Q一般適用于電感器，對于電容器來說，表示純度的這一項通常用耗散因素(D)表示。耗散因素是Q的倒數，它也是q補角的正切，圖6中示出了d角。

 

 

圖6 品質因子和損耗因子

 

實際電容模型：

   

讓我們來仔細研究真實的電容器件。首先我們要清楚，不同的材料和制造技術會造成不同大小的寄生參數。器件的引線會產生不希望的串聯電阻和電感，器件的兩端會存在寄生的并聯電阻和寄生電容。以致影響到元件的可使用性，以及所能確定電阻、電容或電感量值的準確程度。

   

一個真實世界的元件包含許多寄生參數。作為元件主要參數和寄生參數的組合，如上圖所示，一個元件就好比是一個復雜的電路。

 

 

圖7 實際的電容模型

 

   

為什么要測試阻抗?

   

元件的阻抗受很多因素影響

• 頻率

• 測試信號

• 直流偏置

• 溫度

• 其他

由于存在寄生參數，因此頻率對所有實際元件都有影響。并非所有的寄生參數都會影響測量結果，但正是某些主要的寄生參數確定了元件的頻率特性。當主要元件的阻抗值不同時，主要的寄生參數也會有所不同。圖8至圖10示出實際的電阻器、電感器和電容器的典型頻率響應。

圖8 頻率對電阻阻抗的影響

圖9 頻率對電感阻抗的影響

圖10 頻率對電容阻抗的影響

 

交流信號電平的影響（電容）：

   

與交流電壓有關的SMD 電容（具有不同的介電常數, K） 受交流測試電壓的影響如圖11所示。

圖11 電容受交流測試電壓的影響

 

磁芯電感器受線圈材料的電磁回滯特性影響，線圈電感的感值會隨著測試信號電流變化而變化，如圖12所示。

圖12 磁芯電感器受交流測試電流的影響

 

直流偏置也會改變器件的特性。大家都知道直流偏置會影響半導體器件（比如二極管和晶體管以及其他被動器件/無源器件）的特性。對于具有高介電常數材料制成的電容來說，器件上所加的直流偏置電壓越高，電容的變化越大。

圖13 陶瓷電容受直流偏置電平的影響

 

對于磁芯電感器，電感隨流過線圈的直流變化而變化，這主要應歸于線圈材料的磁通飽和特性。

   

現在，開關電源非常普遍。電力電感通常用于濾波由于高電流開關的射頻干擾和噪聲。為了保持好的濾波特性，減小大電流的紋波，電力電感必須在工作條件下測量其特性，以保證電感的滾降特性不影響其工作特性。

圖14 磁芯電感器受直流偏置電流的影響

 

大多數器件都容易受溫度影響。對于電阻、電感和電容，溫度特性是非常重要的規范參數。下圖曲線表示不同介電常數的陶瓷電容與溫度的相關性。  

圖15 陶瓷電容受溫度的影響

 

二、阻抗測量方法和原理

 

阻抗測量有多種可選擇的方法，每種方法都有各自的優點和缺點。需要首先考慮測量的要求和條件，然后選擇最合適的方法。需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。沒有一種方法能夠包括所有的測量能力，因而在選擇測量方法時需要折中考慮。下面針對高速數字電路的特性，重點介紹三種方法。如果只考慮測量精度和操作方便性，自動平衡電橋法是直至110MHz頻率的[敏感詞]選擇。對于100MHz至3GHz的測量，射頻I-V法有[敏感詞]的測量能力，其他則推薦采用網絡分析技術。

2.1 自動平衡電橋法

   

流過DUT的電流也流過電阻器Rr?！癓”點的電位保持為0V（從而稱為“虛地”）。I-V轉換放大器使Rr上的電流與DUT的電流保持平衡。測量高端電壓和Rr上的電壓，即可計算出DUT的阻抗值。

   

各類儀器自動平衡電橋的實際配置會有所不同。常規LCR表的低頻范圍一般低于100KHz，可使用簡單的運算放大器作為它的I-V轉換器。由于受到放大器性能的限制，這類儀器在高頻時的精度較差。寬帶LCR表和阻抗分析儀所使用的I-V轉換器包括復雜的檢波器、積分器和矢量調制器，以保證在1MHz以上寬頻率范圍內的高精度。這類儀器能達到110MHz的[敏感詞]頻率。

 

圖16 自動平衡電橋法原理

 

自動平衡電橋法優缺點：

• 最準確, 基本測試精度 0.05%

• 最寬的阻抗測量范圍: C, L, D, Q, R, X, G, B, Z, Y, O, ...

• 最寬的電學測試條件范圍

• 簡單易用

• 低頻, f < 110MHz

  
  

2.2 射頻I-V法

   

射頻I-V法用阻抗匹配測量電路（50歐姆）和精密同軸測試端口實現不同配置，能在較高頻率下工作。有兩種放置電壓表和電流表的方法，以分別適應低阻抗和高阻抗的測量。如圖所示，被測器件（DUT）的阻抗由電壓和電流測量值導出，流過DUT的電流由已知阻值的低阻電阻器R上的電壓經計算得到。在實際測量中，電阻器R處放置低損耗互感器，但該互感器也限制了可應用頻率范圍的低端。

圖17 射頻I-V法

 

RF I-V 方法優缺點

• 寬帶/高頻范圍, 1MHz < f< 3GHz

• 好的測試精度, 基本測試精度 0.8%

• 寬的阻抗測量范圍, 100m – 50KW @ 10%accuracy

• 100MHz最準確的測試方法

• 接地器件測試

2.3 網絡分法

   

通過測量注入信號與反射信號之比得到反射系數。用定向耦合器或電橋檢測反射信號，并用網絡分析儀提供和測量該信號。由于這種方法測量的是在DUT上的反射，因而能用于較高的頻率范圍。

 

圖18  網絡分析法

 

根據實際的測量需求，網絡分析法又延伸出幾個方法，以提高測試的阻抗范圍。

 

2.3.1 反射法

   

這是最典型的網絡分析法，通過測試S11，來測試阻抗，公式如下：

 

ZDUT=50(1+S11)/(1-S11)

 

對于E5061B網絡分析儀：

 

頻率范圍可測：5 Hz到3GHz

10%精度阻抗范圍：1歐姆~2K歐姆

可利用7mm類型系列測試夾具

 

2.3.2 串聯直通法

   

如圖所示，串聯直通法通過串接方式連接測量DUT。對于E5061B，增益-相位測試端口和S參數測試端口都能使用串聯直通法。相比來說，增益-相位測試端口更加方便，因為4端接類型的器件測試夾具能夠直接連接到增益-相位測試端口。但是[敏感詞]頻率范圍僅到30MHz。如果想測試更高頻率，可以使用S參數測試端口。但是，當頻率達到幾百兆后，消除串聯直通測試夾具帶來的誤差是比較困難。因此實際頻率限制大概在200MHz或300MHz。

 

對于E5061B網絡分析儀：

• 頻率范圍可測：5Hz到30MHz（增益-相位測試端口）

• 5Hz到幾百兆Hz（S參數測試端口）

• 10%精度阻抗測量范圍：5歐姆到20K歐姆

• 可利用測試夾具（增益-相位測試端口）

• 不適用于接到DUT的測量

圖19 串聯直通法

 

2.3.3 并聯直通法

   

如圖所示，并聯直通法通過并聯DUT測試阻抗。這個方法非常適合測量低阻抗器件，可小達1mohm。增益-相位測試端口和S參數測試端口都可以使用并聯直通法。對于超過30MHz的頻率范圍，使用S參數測試端口進行并聯直通測試。但是，對于低于100KHz，推薦使用增益-相位測試端口進行阻抗測量，因為增效-相位測試端口使用了半浮地的設計方法，這個方法可以消除由于回流電流在測試電纜屏蔽層所形成的電阻誤差，這樣可以在低頻范圍內容易地和精確地測量非常低的阻抗。

 

對于E5061B網絡分析儀：

 

頻率范圍：5 Hz到30MHz（增益-相位測試口），5Hz到3GHz（S參數測試口1-2）

 

10%精度阻抗測量范圍：1mohm到5ohm（比阻抗分析儀更高的測量靈敏度）使用自制測試夾具或RF探頭。

圖20 并聯直通法

2.4 典型阻抗測量儀器

 

業界最典型的3個阻抗測量儀器是：4294A，E4991A，E5061B。它們的特征如下：

 

4294A精密阻抗分析儀：

測量頻率范圍從 40 Hz 到 110 MHz

基本測量精度為 ±0.08%

業內[敏感詞]性能的阻抗測量和分析儀

  

圖21 4294A精密阻抗分析儀

 

E4991A 射頻阻抗/材料測量分析儀：

 測量頻率范圍從 1 MHz 到 3GHz

 基本測量精度為 ±0.8%

材料測量功能可以測量介電常數和導磁率（配置選件 002）

 

 

圖22 E4991A 射頻阻抗/材料測量分析儀

 

E5061B矢量網絡分析儀

在 S 參數測量端口上的測量頻率范圍：從 5 Hz 到 3 GHz

在增益-相位測量端口上的測量頻率范圍：從 5 Hz 到 30 MHz

基本測量精度為 ±2%

PDN （Power Distribution Network ——供電分配網絡）的毫歐量級的阻抗值測試（旁路電容器，開關電源（DC-DC 變換器）的輸出阻抗，PCB 板的阻抗等)

圖23 E5061B矢量網絡分析儀

 

當測量精度為10% 時，各種儀表的阻抗測量范圍的比較。

圖24 三種典型儀器的阻抗測量范圍比較 

 

三、測試誤差及校準和補償

 

3.1 測量誤差

   

對于真實世界的測量，我們必須認為在測量結果中包含誤差。常見的誤差源有：

儀器的不精確性（包括DC偏置的不精確和OSC電平的不精確）

測試夾具和電纜中的殘余參數

噪聲

   

這里沒有列出DUT的寄生參數，因為DUT的寄生參數是DUT的一部分，我們需要測量包括其寄生參數在內的DUT阻抗。在所列誤差源中，如果測試夾具和測試電纜的殘余阻抗恒定而穩定，就可對其進行補償。

 

3.2 校準

     

校準由“校準平面”定義，在這一校準平面上能得到規定的測量精度。為校準儀器，在校準平面上連接“標準器件”，然后通過調整儀器（通過計算/數據存儲），使測量結果在規定的精度范圍內。 

 

圖25 校準及其校準平面

 

自動平衡電橋儀器的校準平面是未知的BNC連接器。執行電纜長度校準后，校準平面移到測試電纜的頂端。自動平衡電橋儀器的校準通常是為了運行和維護，為了維持儀器在規范的精度內，應該周期的進行校準（典型是一年一次）。

   

射頻I-V儀器在每次開機或改變頻率設置時都要求校準。因為高頻時，周邊溫度、濕度、頻率設置等對測量精度都有比較大的影響。需要使用開路、短路和標準負載（低損耗電容有時也要求）進行校準。校準平面在連接校準件的連接器的位置。

 

圖26 射頻I-V儀器的校準方法和校準平面

 

3.3補償

       

補償能減小DUT與儀器校準平面間誤差源的影響。但補償不能完全消除誤差，補償后得到的測量精度也達不到“校準平面”上得到的精度。補償與校準不同，它也不能代替校準，因此必須在完成校準后再進行補償。補償能有效改進儀器的測量精度。下面介紹3種常見的補償技術。

 

3.3.1 偏移補償

   

當測量僅受單一殘余成分的影響時，只需由測量值減去誤差值，即可得到有效值。如下圖所示的低值電容測量的情況，與DUT電容Cx并聯的雜散電容Co對測量結果的影響[敏感詞]，可通過從測量值Cm減去雜散電容值進行補償。雜散電容值可從測量端開路時獲得。

圖27 偏移補償

 

3.3.2 開路和短路補償

 

開路和短路補償是當前阻抗測量儀器最常用的補償技術。這種方法假定測試夾具的殘余參數可以用簡單的L/R/C/G電路表示，如下圖（a）所示。當未知端開路，如下圖（b）所示時，把所測雜散導納Go+jwCo作為Yo，因為殘余阻抗Zs可以忽略。當未知端短路，如下圖（c）所示時，所測阻抗即代表殘余阻抗Zs=Rs+jwLs，因為Yo被旁路。這樣，由于各殘余參數均已知，即可從下圖（d）所給出的公式計算DUT的阻抗Zdut。

 

圖28 開路/短路法補償

 

3.3.4 開路、短路和負載補償

   

有很多測量條件，復雜的殘余參數不能按上圖所示的簡單等效電路建模。開路/短路/負載補償是一種適用于復雜殘余電路的先進補償技術。為進行開路/短路/負載補償，在測量DUT前先要進行3項測量，即把測試夾具端開路、短路，以及連接基準DUT（負載）。在進行DUT測量時，就可在計算中使用這些得到的測量結果（數據）。如下圖所示，開路/短路/負載補償所建立的測試夾具殘余阻抗模型是用ABCD參數表示的4端網絡電路。如果這3項已知，并且該4端網絡電路是線性電路，那么就能知道每一個參數。

 

在下述情況下應使用開路/短路/負載補償：

接有附加的無源電路或元件（例如外部DC偏置電路，平衡-不平衡變壓器，衰減器和濾波器）。

使用掃描器，多路轉換器或矩陣開關。

使用非標準長度的測試電纜，或由標準Keysight測試電纜擴展4TP電纜。

用放大器增強測試信號。

使用元件插裝機。

使用用戶制作的測試夾具。

 

在上面所列的情況下，開路/短路補償將不能滿足要求，測量結果會有相當大的誤差。

 

圖29 開路/短路/負載補償

 

3.4 接觸電阻產生的誤差

   

DUT電極與測試夾具或測試臺電極間所存在的任何接觸電阻都會造成測試誤差。DUT 2端或4端連接方式的接觸電阻影響有所不同。在2端連接的情況下，接觸電阻以串聯方式疊加到DUT阻抗，造成D（耗散因數）讀數的正誤差。在4端口連接的情況下，存在如下圖（b）所示的接觸電阻Rhc、Rhp、Rlc和Rlp。不同端子的接觸電阻影響也有所不同。Rhc減小施加于DUT的測試信號電平，但它不直接產生測量誤差。Rlp可能造成自動平衡電橋的不平衡，但通?？珊雎赃@一影響。Rhp和Chp構成低通濾波器，它會造成Hp輸入信號的衰減和相移，從而產生測量誤差。

 

圖30 接觸電阻產生的誤差

 

3.5 測量電纜擴展引入的誤差

   

從儀器擴展的4TP測量電纜將會按擴展電纜的長度和測量頻率引入測量信號的幅度誤差和相移。電纜擴展會帶來下面兩個問題：

 

阻抗測量結果中的誤差

電橋不平衡

   

測量誤差主要由接到Hp和Lc端的電纜造成，如果電纜的長度和傳播常數已知，儀器就可以對其補償。包括Rr、放大器和Lp及Lc電纜在內的反饋回路相移會造成電橋的不平衡。但可在反饋電路內部進行相移補償。只有在較高的頻率區（通常高于100KHz），這兩個問題才有重大影響，而且Keysight阻抗測試儀器能補償Keysight提供的電纜。在較低頻率區，電纜的電容僅會使測量精度下降（不影響電橋平衡）。

 

電纜長度補償用于長度和傳播常數已知的測試電纜，比如Keysight提供的1m（2m或4m）測試電纜。如果使用各種長度不同類型電纜，除了測量誤差外，還可能造成電橋不平衡。

 

3.6并聯直通法的校準和補償

   

用E5061B測試PDN的毫歐姆級阻抗，使用并聯直通法，也需要考慮校準和補償。一般測試低頻時，使用增益-相位測試端口，通常只有做直通校準即可得到足夠的阻抗測試精度。測試高頻時，使用S參數測試端口，這是可以使用SOLT校準，或SOLT校準加上端口延伸，如果使用探針臺，則可以用探針臺提供的校準件，用SOLT直接校準到探頭尖位置。

圖31 用于低阻抗測量的并聯直通法的校準和補償

四、測試電纜和夾具

 

當把被測器件(DUT)連到自動平衡電橋儀器的測量端子時，有幾種可選擇的連接配置。而在射頻阻抗測量儀器中，只能用兩終端法的連接配置。

 

4.1 終端配置

   

自動平衡電橋儀器的前面板上一般配有4個BNCUNKNOWN端子（Hc，Hp，Lp和Lc）。有多種DUT與UNKNOWN端子連接的配置方法。由于每種方法都有各自的優點和缺點，必須根據DUT的阻抗和要求的測量精度，選擇最合適的配置方法。

   

2端（2T）配置：

   

這是最簡單的方法，但這種方法存在著很多誤差源。引線電感、引線電阻，以及兩條引線間的雜散電容都會疊加到測量結果上。由于存在這些誤差源，其典型阻抗測量范圍（沒有進行補償）限制于100歐姆到10K歐姆。

圖32 2端（2T）配置

 

   

3端（3T）配置：

   

用同軸電纜減小雜散電容的影響。同軸電纜的外導體（屏蔽）連到保護端子上。它能在較高阻抗測量范圍改進測量精度，但由于仍然存在引線電感和引線電阻，因而不能改進較低阻抗范圍的測量精度。典型的阻抗范圍可擴展到10K歐姆以上。

圖33 3端（3T）配置

 

 

4端（4T）配置：

   

可減小引線電感的影響，因為信號電流通路與電路敏感電纜是彼此獨立的。通?？筛倪M低至1歐姆的較低阻抗測量范圍的精度。當DUT的阻抗低于1歐姆時，會有大信號電流通過電流通路，它與電壓敏感電纜的互感耦合將產生誤差。

圖34 4端（4T）配置

   

5端（5T）配置：

       

是3T和4T配置的組合。它配有4條同軸電纜，這4條電纜的外導體均接到保護端。這種配置具有從1歐姆到10M歐姆的寬測量范圍，但互感問題仍然存在。

 

圖35 5端（5T）配置

   

在高頻下使用測試電纜：

   

4TP配置是適用于寬量程范圍阻抗測量的[敏感詞]解決方案。但在基本4TP測量中，由于電纜長度必須短于波長，使電纜長度受到測量頻率的限制。下面公式可用于確定這一限制：

FxL≤15

這里：F是測量頻率（MHz）

             

L是電纜長度（m）

   

當電纜長度為1m時，[敏感詞]頻率限制近似為15MHz。如果電纜長度或頻率超過這一限制，自動平衡電橋就可能實現不了平衡。對于較高頻率（通常100KHz以上）的阻抗測量，還需要進行電纜長度補償。

 

4.2 測試夾具

   

在阻抗測量中，測試夾具在機械和電氣兩方面都起著重要的作用，夾具的質量確定了總測量質量的限制。

   

Keysight公司根據被測件的種類提供多種類型的測試夾具。為了選擇最合適的DUT測試夾具，不僅要求考慮接觸的物理布局，還要考慮可用的頻率范圍、殘余參數，以及允許施加的DC電壓。測試夾具的接觸端（DUT連接）可以是2端，也可以是4端，以適合不同的應用。

   

如果DUT不能使用Keysight公司提供的測試夾具，可制作針對應用的專用測試夾具。在制作測試夾具時，需要考慮下面這些關鍵因素。

   

1.必須把殘余參數減到最小。

   

為了把殘余參數減到最小，應使4TP配置盡可能接近DUT。此外，正確的保護技術能消除雜散電容的影響。

   

2.必須把接觸電阻減到最小。

   

接觸電阻會造成附近誤差。在2TP配置情況下將直接影響到測量結果。接觸電極應與DUT牢固連接，并始終保持清潔。電極應使用能抗腐蝕的材料。

   

3.接觸必須能夠開路和短路。

 

開路/短路補償能容易地減小測量夾具殘余參數的影響。為進行開路/短路測量，必須把接觸電極開路和短路。對于開路測量，接觸電極應放在與DUT連接時的同樣距離上。對于短路測量，應在電極間連接無損耗（低阻抗）的導體，或直接連接接觸電極。如果要使電極保持4端配置，應首先連接電流端和電位端。

 

4.3 測試電纜

   

當被測DUT與儀器有一段相隔距離時，就需要用電纜擴展測試端口（UNKNOWN端子）。如果未考慮擴展電纜的長度，則不僅會造成誤差，甚至還會產生電橋的不平衡，以至無法進行測量。

   

Keysight公司隨儀器有多種1m、2m和4m測試電纜供選擇。在選擇測試電纜時，必須考慮電纜長度和可用頻率范圍。由于電纜誤差已知，因而Keysight儀器能夠把測量電纜的影響減到最小。測試誤差將隨著電纜長度及測量頻率的增加而增加。

   

建議不要使用不是Keysight公司推薦的電纜，儀器的補償功能可能不適用于非Keysight電纜。如果不得不用非Keysight電纜，則應該使用與Keysight測試電纜相同或等效的電纜。對于更高頻率，一定不要使用非Keysight提供的電纜。為了使用4TP配置的擴展電纜，電纜長度應為1m或2m，使用測量儀器能對其補償，如果電纜長度有誤差，則將會造成附加誤差。

 

4.4 消除雜散電容影響

     

當DUT為高阻抗（即低電容）時，雜散電容的影響就不能忽略。如下圖所示，用4端接觸測量DUT的例子，Cd與DUT并聯，當在DUT下面放置導電板時，其組合電容（Ch//Cl）也與DUT相并聯，從而產生了測量誤差。通過把一塊保護板放在高端和低端之間，就可把Cd減到最小。此外，通過把保護端與該導體相連，Ch和Cl的影響就可彼此抵消。

圖36 保護技術消除了雜散電容的影響

 

4.5 在射頻區的終端配置和測試夾具

   

射頻阻抗測量儀器帶有精密的同軸測試端口，它在原理上是一種2端配置。同軸測試端口連接器的中心導體是有源的高端，外外導體是接地的低端。只能用最簡單的2端連接配置測量DUT。測試夾具的殘余電感、殘余電阻、雜散電容和雜散電導均疊加在測量結果上（在補償前）。不管是射頻I-V法還是網絡分析法，被測阻抗越偏離50歐姆，射頻阻抗測量精度就越低。殘余參數的影響隨頻率的增加而增加，頻率越高，可測阻抗范圍越窄。

   

要對射頻測試夾具進行專門的設計，使DUT與測試端口間的引線長度（電氣通路長度）盡可能短，從而把殘余參數減到最小。通常在頻率低于100MHz時，測試夾具殘余參數所造成的誤差要小于儀器誤差，在經過補償后可以忽略不計。但在測量接近于殘余參數的低阻抗或高阻抗時，測試夾具殘余參數的變化會造成測量結果的重復性問題。殘余參數的變化和測量結果的不穩定性決定于在測試夾具端子上DUT的定位精度。對于重復性的測量，射頻測試夾具應能將DUT在測量端子上精確定位。

   

在高頻（通常高于500MHz）時，測試夾具的殘余參數對測量結果有更大的影響，并且會使實際測量范圍變窄。因此，測試夾具的可用頻率范圍限定了各類測試夾具的[敏感詞]頻率。儀器不精確性與測試夾具引入誤差之和確定了DUT測量結果的不精確性。由于只能使用2端配置，補償法是獲得[敏感詞]測量精度的關鍵。

   

各種測試夾具都有各自的特性和結構。由于影響DUT測量值的不僅是殘余參數，還包括DUT的周圍環境（如接地板、端子布局、絕緣體的介電常數等），為了得到好的測量一致性，應使用同一類型的測試夾具。

   

有兩種類型的射頻測試夾具：同軸測試夾具和非同軸測試夾具，其區別在于兩者的幾何結構和電氣特性。非同軸測試夾具有開啟的測量端，因而便于DUT的連接和拆卸。非同軸型夾具適用于高效率地測試大量的器件。但這一高效率是以高頻時犧牲測量精度為代價的，因為在同軸連接器部件與測試端子間存在著電氣特性的不連續（失配）。

   

同軸測試夾具則用類似于同軸端的配置固定DUT，其被連接到測試夾具的中心電極和外導體帽電極。由于從測試端口到DUT保持著連續的50歐姆的特性阻抗，因而同軸測試夾具能夠通過[敏感詞]的測量精度和[敏感詞]的頻率響應。由于可以選擇可重復數量的絕緣體直徑，以把DUT與絕緣體的間隙減到最小，DUT可定位在能得到[敏感詞]重復性的測試夾具端上，而不需要操作者的高超技巧。因而同軸測試夾具能比非同軸測試夾具得到較低的附加誤差和高得多的測量重復能力。

圖37 典型的射頻阻抗測試夾具

 

五、成功測量阻抗的8點提示（總結）

提示 1.阻抗參數的確定和選擇：

   

阻抗是表征電子器件特性的參數之一。阻抗 (Z) 的定義是器件在給定的頻率下對交流電流 (AC) 所起的阻礙作用。

   

阻抗通常用復數量( 矢量 ) 的形式來表示，可以把它畫在極坐標上。坐標的[敏感詞]和第二象限分別對應正的電感值和正的電容值 ;第三和第四象限則代表負的電阻值。阻抗矢量由實部 ( 電阻 — R) 和虛部 ( 電抗 —X) 組成。電容 (C) 和電感 (L)的值可從電阻(R) 和電抗 (X) 值中推導出來。電抗的兩種形式分別是感抗 (XL) 和容抗(XC)。品質因數 (Q) 和損耗因數(D) 也可從電阻和電抗的值中推導出來，這兩個參數是表示電抗純度的。當 Q值偏大或 D 值偏小時，電路的質量更高。Q的定義是器件所儲存的能量與其做消耗的能量的比值。D 是 Q 的倒數。D 還等于“tan ?”，其中 ? 是介質損耗角 (? 是相位角è 的余角 )。D和 Q 均屬于無量綱的量。

 

提示 2.選擇正確的測量條件：

    

器件制造商給出的器件阻抗值所代表的是在規定的測量條件下器件所能達到的性能，以及在生產這些器件時所允許出現的器件性能的偏差。如果在設計電路時需要很精確地知道所使用器件的性能的話，就有必要專門對器件進行測量來驗證其實際值與標稱值之間的偏差，或在不同于制造商測試條件的實際工作條件下測量器件的阻抗參數。

   

由于寄生電感、電容和電阻的存在，所有器件的特性會隨著測量頻率的變化而變化的現象是非常常見的。

   

器件阻抗的測量結果還會受到在測量時所選擇的測量信號的大小的影響:

   ● 電容值 (或材料的介電常數，即 K值 ) 的測量結果會依賴于交流測量信號電壓值的大小。

   ● 電感值 (或材料的磁滯特性 ) 的測量結果會依賴于交流測量信號電流值的大小。

   

使用儀表的自動電平控制 (ALC)功能可使被測器件 (DUT) 兩側的電壓保持在一個恒定的值上。如果儀表內部沒有 ALC功能但是有監測信號大小的功能，可以利用這個功能給這種儀表編寫一個相當于 ALC 功能的控制程序來保證被測器件兩端上的電壓穩定。

   

通過控制測量積分時間 ( 相當于數據采集時間 )可以去除測量中不需要的信號的影響。利用平均值功能可以降低測量結果中的隨機噪聲。延長積分時間或增加平均計算的次數可以提高測量精度，但也會降低測量速度。在儀表的操作手冊中對這部分內容都有詳細的解釋。

   

其它有可能影響測量結果的物理和電氣因素還包括直流偏置、溫度、濕度、磁場強度、光強度、振動和時間等。

 

提示 3.選擇適當的儀器顯示參數：

 

現在有很多阻抗測量儀器都能夠測量阻抗矢量的實部和虛部，然后再把它們轉換為其它所需要的參數。如果一個測量結果顯示為阻抗(Z) 和相位(è)，那么被測器件的主要參數 (R、C、L) 和其它所有寄生參數所表現出來的綜合特性就體現在 |Z| 和 è的數值的大小上。

   

如果要想顯示一個被測器件除阻抗和相角以外的其它參數，可以使用它的二元模型等效電路。在區分這些基于串聯或并聯電路模式的二元模型時，我們用腳注“p”代表并聯模型，用“s”代表串聯模型，例如Rp、Rs、Cp、Cs、Lp 或 Ls。

   

在現實世界中沒有器件是純粹的的電阻、純粹的電容、純粹的電感。任何常用的器件通常都會有一些寄生參數 (例如由器件的引腳、材料等引起的寄生電阻、寄生電感和寄生電

容 ) 存在，表現器件主要特性的部分和寄生參數部分結合在一起會使一個簡單的器件在實際工作中表現得就像一個復雜的電路一樣。

   

近年來新推出的阻抗分析儀都帶有等效電路分析的高級功能，可以用三元或四元電路模型的形式對測量結果進行進一步的分析。使用這種等效電路分析功能可對器件更為復雜的寄生效應進行全面分析。

 

提示 4.測量技術具有局限性：

 

在產品設計和生產制造的測量中，我們經常被問到的問題恐怕就是 :“測量結果的精度有多高?”儀器的測量精度實際上取決于被測器件的阻抗值和所采用的測量技術。

   

在確定測量結果的精度時，需要把測量到的被測器件的阻抗值和所使用儀表在所適用的測量條件下的精度進行比較才可以知道。

   

儀表關于D 值和 Q 值的測量精度的指標通常不同于儀表關于其它阻抗參數測量精度的技術指標。對于低損耗 (D 值很低，Q 值很高 ) 器件，R值相對于 X 值而言是非常小的。R 值的細小變化將會引起 Q值的很大變化。

   

如果測量結果的誤差跟所測到得的R 的值相近似的話，就會導致 D或 Q值的測量結果是負數的現象。需要時刻注意的是，測量結果的誤差包括儀表自身的測量誤差和測量夾具引起的誤差。

 

提示 5.進行校準：

   

進行校準的目的是給儀表定義一個能夠保證測量精度的基準面。通常都是在儀表的測量端口上進行校準，在測量時用校準數據對原始數據進行修正。

   

Keysight采用自動平衡電橋技術的儀表在出廠時或是在維修中心都做過基礎的校準，可以在一定時期內 ( 通常為 12 個月)，不論在測量中對儀表進行何種設置，測量結果都可以達到儀表指標規定的測量精度，操作人員使用這種儀表時是不需要進行校準操作的。

   

對不采用自動平衡電橋技術的儀表而言，在儀表初始化和設置好測量條件之后，使用一套校準件對儀表進行基礎校準是必須的。在使用校準件對這類儀表進行校準時，這個提示所提供的信息是很有用的。

   

一些測量儀表還提供固定校準模式和用戶校準模式供使用者選擇。固定校準模式是在預先設定 ( 固定)的頻率上對校準件進行測量得到校準數據。在固定校準頻點之間，校準數據可以通過內插法計算出來。固定校準模式在固定校準頻率之間的頻點上的內插數據有時會存在較大的誤差，當測量頻率較高時這些內插校準數據的誤差可能會非常大。

   

用戶校準模式是在與實際測量中所選擇使用的頻率完全一樣的頻點上對校準件進行測量得到校準數據，對于一些具體的測量而言，用戶校準模式不會產生校準數據的內插誤差。

   

特別需要注意的是，用戶校準模式得到的校準數據僅對測量條件和校準條件 ( 指儀表的狀態 ) 完全一樣的情況有效。

 

提示 6.進行補償：

   

補償不同于校準，補償對提高測量精度的效果取決于儀器的校準精度，因此必須在校準完成之后再執行補償的操作。如果可以把被測器件直接連在校準面上進行測量，那么儀表的測量結果是能夠達到指標所規定的精度要求的。但是，通常都會在校準面和被測器件之間連接一個測試夾具或適配器，因而必須對這種中間部件的殘留阻抗進行補償才可以得到精確的測量結果。

   

由測試夾具或適配器引起的測量誤差可能會非常大，而總的測量精度是由儀器的精度和被測器件與校準面之間的誤差源組成的。驗證補償的效果是否能使隨后的測量正常進行是非常重要的。一般而言，在補償時，開路條件下的補償測量器件的阻抗值應當至少是被測器件阻抗值的100 倍以上，而短路條件下的阻抗值應當低于被測器件阻抗值的 1/100。

   

開路補償可降低或消除雜散電容，而短路補償可降低或消除測量夾具引起的能夠導致誤差增大的殘留電阻和電感。在進行開路或短路補償測量時，應該使補償器件兩個引腳( 即所謂UNKNOWN 引腳 )之間的距離與實際測量時被測器件引腳之間的距離一樣，這樣可以保證補償測量和實際測量所碰到的寄生阻抗是一致的。

   

當測量端口被擴展到Keysight提供的標準夾具距離之外、或者用戶使用自己設計的測量夾具、或者在測量系統中還使用了掃描儀時 —這些情況都涉及到在測量中又引入了額外的無源器件或電路 ( 例如巴侖、衰減器、濾波器等)，那么在做補償時，除了要做開路和短路補償之外，還要做負載補償。進行負載補償所用到的器件的阻抗值一定是已知的而且要精確，并且還應當選擇與被測器件的阻抗( 在全部的測試條件下 )和尺寸類似的器件做負載補償器件?？砂研阅芎芊€定的電阻器或電容器當成負載補償測量器件使用。

   

在選擇補償器件時一種比較實際的做法是先用一個標準夾具，在進行完開路和短路補償之后再去測量準備當補償負載用的器件，用這種方法來確定負載補償器件的阻抗值，然后可以把這個阻抗值輸入給儀表作為補償測量標準件的值。

 

提示 7.消除相位偏移和端口擴展的誤差：

 

通過電纜長度校正、端口擴展或電延遲，可將校準面擴展至測量電纜末端或夾具表面，這些種校正可降低或消除測量電路中的相移誤差當需要把儀表的測量端口延伸使其遠離校準面時，延長電纜的電氣特征會影響總的測量性能。以下這些辦法可以降低這些影響:

   ●盡量使用短的電纜來做測量端口的延伸。

   ●使用高度屏蔽的同軸電纜，以阻隔外部噪聲產生的影響。

   ●盡量使用損耗非常小的同軸電纜，因為在擴展測量端口的操作中是假設不存在電纜損耗的，因此損耗最小的電纜可以避免測量精度的劣化。

   

開路 /短路補償無法減少由測試夾具引起的相移誤差。在測量頻率達到射頻范圍時，應當在延長電纜的末端進行校準。如果在延長電纜的末端不能連接校準件，那么當延長電纜比較短而且特性很好時，可以用端口延伸來代替校準。

   

在使用自動平衡電橋儀表的情況下，如果測量電纜或延伸電纜是非標準的 ( 不是由Keysight提供的 )，那么應該電纜或夾具的末端進行開路 /短路 / 負載補償。Keysight自動平衡電橋儀表所使用的端口延長標準電纜 (1、2 或 4 米 )使用電纜長度補償數據進行誤差校正，通常在使用時應該把這些標準延長電纜末端的屏蔽層連接到一起。

   

任何形式的端口擴展都有局限性，它們都會因為測量電路的損耗和 /或相位偏移而引起測量誤差，在進行端口延伸之前必須要對這種操作的局限性有清楚的了解。

 

提示 8.夾具和連接器維護：

 

高質量的電氣連接能夠確保進行精密的測量。每一次把被測器件與儀表或測量電纜、夾具進行連接時，接合面的特征都會隨著連接的質量而有所不同，接合面的阻抗失配會影響測試信號的傳播。應當經常留意測試端口的接合表面、適配器、校準標準件、夾具連接器和測試夾具等的質量和狀態。連接的質量取決于以下因素:

   ●連接的組成部分

   ●采用的技術

   ●經常進行高質量維護  

   ●保證清潔度

   ●按照標準要求保存儀表和部件

   

俗話說“一環薄弱，全局必垮”。測量系統也是如此。如果測試系統中使用了低質量的電纜、適配器或夾具，那么系統的整體質量都會降到[敏感詞]水平。

   

通過使用力矩扳手和一些常識，可確保在進行重復連接時不出現器件損壞。器件損壞包括配合表面的刮痕和變形。

   

多數測量部件接合表面的部分都是可以替換的，把已經多次使用而性能變差的部分換掉。有的部件接合表面的部分是不可以替換或修復的，那么應該定期用新的部件去替換舊的部件。

   

使用無腐蝕性 /無損溶劑 ( 例如去離子水和純異丙醇 )和無塵布擦拭接合表面可以保證它們的阻抗不受油跡或其它雜質的影響。請注意，一些塑料在使用異丙醇時會發生性質的改變。

   

如果儀器的包裝不提供附件袋，那么應當使用有蓋的塑料盒和塑料封套來保護所有未在使用狀態下的接合表面。