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如何焊铜管 量测射频前端模块

先说结论

1. 要做Port Extension
2. 1. 待测物要上电    且根据逻辑表给Enable pin上电
3. 1. 网分输入功率   不要太大   -20dBm即可
4. 1. 铜管的接地   要足够   以及足够近1. 铜管与待测物之间     必要时   隔一颗电容
5. 1. 不要将匹配元件   也包含在量测范围1. 讯号针不要直接焊在焊盘上

首先   铜管要做Port Extension

因为   你今天要量的   只有待测物的S参数

换言之    其Port1跟Port2   必须从待测物开始定义

不能包含铜管     故需要做Port Extension

将Port1跟Port2     从网分   “延伸”到待测物

故取名叫Port Extension

再来     射频前端模块   必须要上电

且根据逻辑表    将Enable pin也上电

以下表为例

如果要量功放    必须把PA_EN这根讯号线    上电   一般大概1.8V ~ 3.3V

如果要量低噪放大器    必须把LNA_EN这根讯号线    上电   一般大概1.8V ~ 3.3V

接着    开始焊铜管

这时  可能会遇到一种状况   就是量出来的放大器增益   远不如Datasheet宣称

可能少了7dB ~ 8dB   

这有两个原因  

第一    就是网分的输入功率调太大      一般预设为0dBm

但是    若功放的增益为30dB    这意味着

从Port1打出的0dBm讯号     会变成30dBm(先不计损耗)   从port2灌入网分

这会把网分灌到饱和    量出来的数据   当然有所偏差

或许有人说   加衰减器      这是一个可行办法

但如前述   你今天要量的   只有待测物的S参数

一旦加了衰减器    这意味你量出来的数据    包含了 (衰减器 + 待测物)

不然就变成    要把(衰减器 + 铜管)    一并做Port extension

但这方法比较麻烦    而且port extension不是万能   尽可能待测物以外的器件越少越好

简单的方法是   降低网分的输入功率即可    

可以调降成-20 dBm

如此一来    灌入网分的讯号   也只是10 dBm (-20dBm + 30dB)

不至于会灌到饱和

但也不宜太小  否则可能会小于功放的输入功率范围   导致无法驱动   以至于量不到增益

第二个原因是    铜管的接地  

以下图为例 

这样没有足够的接地    我们用下图解释

首先   我们知道  任何讯号  必定都会透过回流路径  回到原处  构成回路

铜管也是

而我们要知道    铜管接地之处   在PCB上   未必会有地孔

因此  铜管的回流路径   可能会先走一小段红色线段   再透过地孔  流到主地

而红色线段    本身可以看成寄生电感

换言之   此时整体的回路电感   会因为那段红色线段而增大   进而加大损耗

导致量出来的放大器增益   比Datasheet宣称的还少了许多   因为都被损耗吃掉

因此     我们要加大接地面积    使其有足够接地

如此一来   等同并联了诸多红色线段

而寄生电感    是并联越多   总值越小

如此便可降低整体的回路电感   进而减少损耗

而除了接地面积要大     其接地位置    也要离铜管的讯号针够近

前面说过   任何讯号  必定都会透过回流路径  回到原处  构成回路

因此   回流路径   也包含了接地处到铜管讯号针的距离   如粉红色线段

依然会贡献寄生电感    因此要想办法让接地处   离铜管的讯号针够近

把粉红色线段   贡献的寄生电感    尽可能去掉

来降低整体的回路电感   进而减少损耗

此时问题来了    因为焊盘附近    多半没有足够的地可以焊

换言之   如果接地在铜管讯号针附近

又会造成接地面积不够大    怎办?

答案是   焊两个接地处   如下图AB两处

A点确保足够接地    B点确保接地够近

如此一来     便可同时解决

接地不够   以及  接地不够近

的困境了

且这样等同额外贡献     并联的寄生电感   如蓝色线段

寄生电感    是并联越多   总值越小   

故可以降低整体的回路电感   进而减少损耗

而且   在经验中 

B点的接地     影响远比A点大

原因是因为   有两个接地处    所以可看成两个讯号回路

而整体回路   可以看成电感    两个回路   就是两个电感

因为B点离铜管讯号针最近     所以回路电感   会远比A点来得小

而我们由公式知道  

大电感跟小电感并联   最终整体值   会比小电感更小

例如:  5nH并联20nH    最后会变4nH

换言之  

多加一个B点的接地后   其整体回路电感   会瞬间下降许多   进而使损耗趋近于零

如果讯号，实在不好接地，必要时可在铜管外缘，多焊一个Pogo pin，以方便接地

铜管焊好后   如何确认讯号针有无短路?

多数人的答案是   直接量

但这个答案    只对一半

原因是很可能    不论讯号针有无短路     都一定会量到短路

由下图可知    为防范ESD

所以功放输入端   内建了落地电感

换言之   对于直流讯号而言    就是接地

而万用电表   是以直流讯号来做判断

因此    此时不论讯号针有无短路     都一定会量到短路

无法以该方法判断

而模块输入端   一定会有匹配元件

将串联位置   放置电容

且铜管与待测物   隔着这颗电容

如此一来

只要讯号针有短路    就一定会量到短路

若无短路  就不会量到短路

如此便可判断

而电容值     选个10pF或33pF

不是随便放颗电容隔直就行

因为电容值会改变阻抗    如果值太小  例如0.1pF

会趋近开路   造成量不到讯号    或是损耗过大

而10pF或33pF   以阻抗角度    跟0欧姆电阻差不多

如此便可在不影响阻抗前提下隔直  

另外  这个方式

也可以在焊接完毕后    当下立即判断是否开路  也就是铜管是否有焊好   确实连接到待测物

因为    在显微镜下    我们可能会误以为     铜管有焊好   连到待测物

但实际上   很可能根本没焊到焊盘     导致开路

但相隔电容后    只要确认这颗电容有焊好

且铜管跟电容    远离待测物的那一端    是连通的

如此便可确定    铜管确实有连到待测物

而铜管与待测物之间     只隔电容就好    也不要隔匹配元件

原因是因为   匹配元件的作用

本来就是弥补整体阻抗的非50欧姆   使其达到50欧姆

换言之   匹配元件本身   其实是非50欧姆的(如此方可弥补整体阻抗的非50欧姆)

但    模块本身   是设计成50欧姆的

因此   如果量测范围   也把匹配元件包含进去    就变成

(模块 + 匹配元件) => (50 Ohm + non-50 Ohm = non-50 Ohm)

这会影响量测数据

另外   焊讯号针时 

不要直接把讯号针   焊在焊盘上

而是稍微位移    再用锡连接

原因是因为   焊铜管   最怕的就是   外力使得焊盘脱落

而当讯号针与焊盘   不直接接触时    其外力就不会传到焊盘

进而降低焊盘脱落的风险

但也不要位移过多   因为连接的锡  会有寄生效应

位移过多  意味着要用更多的锡来连接    其寄生效应会影响阻抗

导致量测出来的数据失真

有些人会认为   今天是要量增益     不是要量阻抗

应该不需要对于量测过程中    阻抗影响与否   这么在意

正好相反

就因为要量增益     对于阻抗影响与否   要更在意

因为非50欧姆的阻抗    会产生阻抗不匹配     讯号反射

进而产生损耗    而这些损耗   都会导致量测出来的增益偏低

由上述也知道    接地对于增益量测    都有巨大影响    可能差了7dB ~ 8dB

何况是阻抗

再者   待测物的S参数   会受到阻抗影响    增益就是S21   

为避免量测结果失真     当然要注意阻抗