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射频同轴电缆特性阻抗测量方法的探讨

2021-10-25 高速射频百花潭 阅读:
特性阻抗是‍‍‍‍‍‍‍‍设计和选用射频同轴电缆时很重要的电气参数。从工程应用出发,介绍几种在生产中常用的特性阻抗测量方法。经过实测比较后,特别推荐一种便捷、实效的通过测量单个连接器电压驻波比获得射频

特性阻抗是‍‍‍‍‍‍‍‍设计和选用射频同轴电缆时很重要的电气参数。 从工程应用出发, 介绍几种在生产中常用的特性阻抗测量方法。 经过实测比较后, 特别推荐一种便捷、实效的通过测量单个连接器电压驻波比获得射频同轴电缆特性阻抗的方法。GEpednc

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射频同轴电缆作为传输线在通信系统中的应用十分广泛 。特性阻抗是设计和选用射频同轴电缆时首先要考虑的电气参数, 最大功率传输 、最小信号反射都取决于电缆的特性阻抗及其与系统中其他部件的匹配。在实际应用中, 根据电缆特性阻抗可便捷地分析传输线的工作状态, 因此精确地测量其值十分关键。GEpednc

1   特性阻抗的定义GEpednc

当电磁波在电缆上传播时 ,通常存在着正向传播的入射波和反向传播的反射波 ,入射波和反射波相互叠加形成驻波。传输线上任一点的总电压与总电流之比定义为该点向负载端看过去的输入阻抗 。GEpednc

在一般情况下, 传输线的输入阻抗不仅与线长有关 ,而且还与频率有关 ,然而当传输线无限长时,传输线上只有向前行进的波(行波)。这时, 传输线上任一点的输入阻抗与线长无关, 而是等于一个恒值 Z c ,其称为传输线的特性阻抗。另外, 当传输线终端接某一个恒定值的纯电阻负载时, 传输线上任一点的输入阻抗也处处相等并与线长无关。这个恒定电阻值就是传输线的特性阻抗值 。射频同轴电缆的特性阻抗 Z c 仅取决于传输线内外导体的直径以及其间填充介质的等效介电常数, 而与线长无关 。GEpednc

2   特性阻抗的测量方法GEpednc

射频同轴电缆特性阻抗可以用频域法或时域法测量。频域法一般采用矢量网络分析仪对电缆性能进行测试,由于矢量网络分析仪使用带通滤波器和数字滤波器 ,具有很低的背景噪声,因此能够对电缆特性阻抗进行精确测量 。按测试信号不同的传输方向 ,频域法又可分为传输测量和反射测量两种。目前常用的射频同轴电缆特性阻抗测量方法中 ,传输相位法 、传输相位差法 、开路或短路谐振法等属于频域法中的传输测量, 而较新的单连接器测量法是属于频域法中的反射测量 。GEpednc

2.1  传输相位法GEpednc

传输相位法的测量原理是根据传输线特性阻抗Z c 与相位、频率及电缆总电容的关系 :GEpednc

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式中 φ为被测电缆试样的绝对传输相位 ;f 为测试频率 ,其单位为 MHz;C l 为电缆总电容, 其单位为pF 。只要测出电缆试样的总电容及其在某一频率点上的绝对相位 ,就可以按上式计算出该电缆的特性阻抗。GEpednc

2.2  传输相位差法GEpednc

传输相位差法的测量原理是根据传输线特性阻抗 Z c 与相位传输速度 V P 的关系 :GEpednc

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式中 C 为单位长度的电缆电容。波在传输线中传播的相位变化 2π,相位传输速度 V P 与相应 2π相位变化的频率差 Δf 的关系为 V P =lΔf ,则GEpednc

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只要测出频率差和电缆总电容 , 就可以按上式计算出电缆的特性阻抗。GEpednc

2.3  开路或短路谐振法GEpednc

当电缆一端开路或短路时 ,频率的改变会引起电缆输入阻抗的周期性变化, 表现为检波器读数的周期性变动,相邻两个并联谐振或串联谐振点(即相邻两个最大值或最小值)之间相差半个波长, 即相位差 π。只要测出电缆试样上相邻两个最大值(或最小值)之间的频率差 Δf′(单位为 MHz), 并按标准GB 4098.2 —1983 测得试样电缆的总电容 C l (单位为 pF),就可按下式计算电缆的特性阻抗 :GEpednc

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2.4  单连接器法GEpednc

当终端端接负载时电缆的输入阻抗 Z in 、被测电缆的特性阻抗 Z c 和反射系数 Γ的关系为 GEpednc

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当用矢量网络分析仪进行反射测试时, 可以通过S 11 或 S 22 参数测出射频同轴电缆组件的电压驻波比。反射系数 Γ反映了被测电缆的输入阻抗与系统标称阻抗 Z 0 不匹配的程度 , 它与电缆输入阻抗Z in 和测试系统的标称阻抗 Z 0 (50 Ψ或 75 Ψ)的关系式为 :GEpednc

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由上式可知 ,只要我们测出反射系数 Г,便可以计算出电缆的输入阻抗 Z in 。由于反射系数 Г是矢量,而现测得的数据是标量电压驻波比, 并且由反射系数Г只能获得输入阻抗 ,而非特性阻抗, 因此必须借助于测量单个射频连接器的电压驻波比来获得电缆的特性阻抗。 所测得的电缆组件电压驻波比是由两个连接器和一段电缆的驻波比叠加而成的, 其中包括了电缆的不均匀性 、阻抗偏差和连接器的不连续性及阻抗偏差。射频连接器的电压驻波比主要是由连接器内部阻抗的不均匀性以及与电缆特性阻抗的偏差引起的 。由于射频连接器的特性阻抗较易控制(如(50±0.5)Ψ),其内部阻抗不均匀性包括尺寸突变产生的不连续电容引起的驻波比极小, 且在低频(如 200MHz)段以下 , 连接器的驻波比一般仅在 1.005 左右 ,远小于电缆组件的电压驻波比,因此连接器的电压驻波比可以忽略不计 。但被测电缆内部的阻抗不均匀性引起的反射不可忽视 ,测试时应把这部分影响消除掉,从而使得单个连接器中最主要的反射源来自电缆阻抗与标准阻抗的偏差, 最终可以通过测得单个连接器电压驻波比直接获得被测电缆的特性阻抗。GEpednc

3   特性阻抗的测试实例与分析GEpednc

为了进一步了解上述四种射频同轴电缆特性阻抗测量方法的优缺点, 我们进行了一系列测试。我们取一段 8D-FB 型射频同轴电缆, 两端装接相配连接器,在网络分析仪上测得其电长度为 4.405 2 m ,总电容为 291.1 pF 。GEpednc

(1)在网络分析仪上测得该电缆的传输相位参见表 1, 并根据传输相位法的测量计算公式 , 即式(1)计算出该电缆的特性阻抗值, 例如 50 MHz 时Z c =264 .870 ×106 /(360×50×291.1)=50.55 Ψ。GEpednc

表 1  8D-FB型电缆试样的传输相位以及按传输相位法计算出的特性阻抗GEpednc

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(2)采用传输相位差法测量, 则可得到如图 1所示的曲线 。从图中 曲线可以求得平均 Δf =69 .144 MHz,再按传输相位差法的测量计算公式,即式(3), 计算 得 Z c =10 6 /(69.144 ×291.1)=49 .68 Ψ。若将测试中心频率分别设置在1 000 MHz和2 000 MHz 时,则可方便地测得特性阻抗 Z c 均为49 .52 Ψ。GEpednc

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图 1  采用传输相位差法的测量曲线GEpednc

(3)采用矢量网络分析仪的反射模式测量单个连接器的驻波比, 利用矢量网络分析仪的时域功能,在时域状态下将横坐标设置为距离模式 ;然后移动时域门的位置选定近端的连接器, 再将时域状态转换到频域状态 ,此时数据显示的是被测单个连接器的电压驻波比, 如图 2 所示;最后将矢量网络分析仪的测试参数选择开关放置在 Smith 圆图上, 便可得到 Smith 圆图 ,得到特性阻抗 ,如表 2 所示 。由于显示的阻抗是复数 ,在频率很低时,其虚部通常只有几十毫欧,可以忽略不计,故取其实部数值作为被测电缆的特性阻抗值 。如果发现虚部数值大到不可忽略 , 则必须检查连接器的安装是否正确以及选用之连接器是否合适。GEpednc

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图 2  被测单个连接器的电压驻波比GEpednc

表 2  根据 Smith 圆图读出的电缆阻抗GEpednc

为了便于比较, 现将三种不同测试方法测得的同一根电缆特性阻抗的结果汇总在表 3 中 。从表中可以看出:GEpednc

表 3  3 种不同测试方法测得的电缆特性阻抗GEpednc

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当频率大于 100 MHz 时, 传输相位法测量的电缆特性阻抗值相差甚微, 可以认为电缆特性阻抗值与频率无关。GEpednc

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用传输相位差法测试时,其各频率下的测量值相差较大, 这是由于所选两频率点的相位差没有精确相等所致 。GEpednc

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当频率小于200 MHz 时, 单连接器法测量的电缆特性阻抗值在各频率下几乎相等, 且与传输相位法测量的结果十分接近 ,而当频率大于 200 MHz 时 ,其测得的特性阻抗测量值明显增大 , 这是由于连接器中的剩余电抗(不完全补偿)随着频率的增加而增大所致。GEpednc

本文从工程应用出发 ,介绍几种在生产中常用的阻抗测量方法 。在射频段 ,射频电缆的特性阻抗与频率无关, 因此只需在国标GB 4098.3《射频电缆特性阻抗测量方法》规定的 30 ~ 200 MHz 频率范围内的任一频率用传输相位法测量即可 。由于传输相位差法误差较大, 最好慎用 。单连接器法操作简单,测量的数据准确, 且直接与电压驻波比挂钩,具有很强的实用性 ,是测量射频电缆特性阻抗的一种便捷而实用的好方法, 建议优选使用 。 作者:范伟峰 , 王  昱 , 梁振兴 来源:光纤与电缆及其应用技术 GEpednc

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