射频同轴电缆特性阻抗Zc的测试

1射频同轴电缆特性阻抗ZC的测试胡树豪这里介绍射频同轴电缆特性阻抗ZC的6种测试方法。它们同样也适合于双绞线，只不过仪器要转换为差分系统而已。一、λ/4线接负载法1、测试方法与步骤：·待测电缆一段，长约半米（无严格要求），两端装上连接器。扫频范围由仪器低频扫到百余兆赫即可。对于其它长度的电缆，扫频范围请自定。·仪器工作在测反射（或回损）状态，作完校正后画面应选阻抗圆图。·在测试端口接上待测电缆，电缆末端接上精密负载。·画面不外三种情况：轨迹集中为一点，则ZC=Z0（测试系统特性阻抗，一般为50Ω）。轨迹呈圆弧或圆圈状，在圆图右边，则ZCZ0。轨迹呈圆弧或圆圈状，在圆图左边，则ZCZ0。·将光标移到昀接近实轴的点上，记下此点的电阻值Rin（不管电抗值）。niCRZZ0=例如：Rin=54Ω，则ZC=52Ω，若Rin=46Ω，则ZC=48Ω。若轨迹不与实轴相交，则扫频范围不够或电缆太短；若交点太多，则扫频范围太宽或电缆太长。2、优点轨迹直观连续，不易出错。连接器的反射可以通过λ/4线抵消。3、缺点必须截取短样本。必须两端装连接器。电缆质量必须较好，否则不同频率的测试结果起伏较大，不好下结论。4、物理概念与对公式的理解λ/4线有阻抗变换作用，其输入阻抗Zin与负载阻抗ZL之间满足Zin=ZC2/ZL关系。现在ZL=Z0，Zin=Rin，代入展开即得上面的ZC计算公式。λ/4线的阻抗变换公式是众所周知的，但作为特性阻抗的测试方法却未曾见。在测阻抗曲线试验中发现，与实轴相交的这一点是可用来测特性阻抗的；因为它把矛盾扩大了，反而更容易测准。由于曲线是很规矩的，不易出错。但必须用第一个交点，即除原点以外的昀低频率的与实轴昀近的一点，用第二点就可能出问题。换句话说，待测电缆的电长度应为λ/4的奇数倍，不能是偶数倍。二、λ/8线开、短路法1、测试方法与步骤：·样本与扫频方案对于已装好连接器的跳线，长度已定，只能由长度定扫频方案而对于电缆原材料，则可以按要求频率确定下料长度。此时待测电缆一头装连接器即可。2·样本长度与扫频方案是相互有关的，可以点频测也可以扫频测，取值要取相位靠近2700时的电抗值，此时电长度为λ/8、电抗值在±j50Ω附近，如40～60Ω之间，否则不易得到可信数据。测试频率宜低些，以减少连接器，以及末端开短路的差异造成的误差。以SFF-50的电缆为例，取样本长500mm，其电长度即为700mm（乘1.4波速比），扫频方案可选46～56MHz，ΔF=2MHz即可。·仪器在测反射（或回损）状态下，电桥输入端与输出端要求各串一只10dB衰减器。在测试端口作过校正后，画面应选阻抗圆图。接上待测电缆。记下待测电缆在末端开路时的输入电抗值Xin0（不管电阻值），与短路时的输入电抗Xins（不管电阻值）两者相乘后开方即得特性阻抗值。·一般测试只选一点昀靠近270°的点（即-j50Ω附近的值），及其在短路时的电抗值（在+j50附近，是多少就是多少，不能选。）进行计算即可，要求高时，可在50±10Ω范围内选5点进行平均，这5点之间起伏不应大于0.5Ω，否则电缆质量不好。2、优点只需装一个连接器。样本较短，能反映某一段电缆的真实特性阻抗。3、缺点必须截取短样本。短样本的损耗很小，开、短路的阻抗变化很大，对仪器有一定的牵引作用，故需在电桥输入输出端各串入一个衰减器。·电缆质量必须较好，否则不同频率的测试结果起伏较大，不好下结论。4、物理概念与对公式的理解短样本的损耗很小，可按无耗传输线处理。若短样本的长度为l，末端开路时的输入阻抗inZ为inoX，末端短路时的输入阻抗inZ为sinX。则：insX=ljZCβtan，inoX=lctnjZCβ−所以insinoCXXZ=事实上，inoZ与insZ皆呈现纯电抗性，不必计入电阻值。考虑到测试与计算的准确度，电长度宜为其λ/8（此时为45°，数值计算误差昀小。实在不行，也不要短于3°，或长于87°）。注意:尽量用λ/8的频点进行测试，也可用5λ/8、9λ/8、13λ/8等等。但不能用3λ/8、7λ/8、11λ/8等等。三、长电缆开、短路法经常需要对成捆电缆进行测试。1、测试方法与步骤·仪器按测回损连接（电桥两端不必加串10dB衰减器），按规定测试频点设置列表扫频方案，待测电缆一端装连接器。·仪器在测试端口作完校正后画面应选阻抗圆图。接上待测电缆，测其末端开路时的输入阻抗Zino,与末端短路时的输入阻抗Zins。两者相乘后开方即得特性阻抗值（只管模值，不计相位）。32、优点只需装一个连接器。无须截取短样本，不破坏原包装。3、缺点只能测平均特性阻抗。4、物理概念与对公式的理解此法见国标GB/T18015.1-2007中的3.3.6.2.2。成棞电缆长度多在百米以上，这就要用到有耗传输线公式了。此时：inoZ=lchZCAγ，insZ=lthZCAγ，insinoCAZZZ=，代入各自的分量得：2/12222])()([insinsinoinoCAXRXRZ++=从前一个式子来看，与无耗线完全相同，但是展开后却多了电阻分量，而变成复数求模（只要绝对值，不计相位）。由于这个ZC是在长电缆的情况下测出的，除非电缆很均匀才是ZC，否则只能是ZC的平均值ZCA。四、长电缆接负载法用终端接匹配负载时的输入阻抗Zinm来代替ZC。1、测试方法与步骤·成棞待测电缆，两端装上连接器。扫频范围由仪器低频扫到昀高使用频率。·仪器工作在测反射（或回损）状态，作完校正后画面应选阻抗圆图。·在测试端口接上待测电缆，电缆末端接上负载。·记下圆图上的输入电阻Rin的昀大值与昀小值，以其作为ZC的昀大值与昀小值。2、优点无须截取短样本，不破坏原包装。对电缆进行了全频段的扫描。3、缺点对电缆提出了超标准的要求，有些能用的电缆也被判为不合格。4、物理概念与对公式的理解无穷长均匀电缆的输入阻抗就是电缆的特性阻抗，因为无穷长均匀电缆上是没有反射波的。因此在很长的电缆末端接上负载后，反射也很小，可以认为其输入阻抗就是特性阻抗，即Zin=ZC。见于国标GB/T报18015.1-2007中的3.3.6.2.3之b)(A.5)。问题是电缆并不均匀，因此测出的是频段内的极值；这就对电缆提出了更苛刻的要求。虽然此法对质量昀有保证，而且测试也很简便，但不易通过验收测试。五、测电缆电长度与电容法1、测试方法与步骤·待测电缆一段或一捆，长度在1.5～2000m之间。一端装上连接器，一端开路。·用电容表测出内外导体之间的电容C0。·用网络分析仪的时域故障定位功能，测出待测电缆的电长度Le。·Z∞是平均特性阻抗在高频时的渐进值，在长度用m，电容量用pF作单位时4Z∞=3333×Le/C02、优点无须截取短样本，不破坏原包装。数据比较稳定，而且是惟一的，容易下结论。几个实例：·1.5米SFCJ-50-3，用6米档测得Le为1.95米，C0=138pF，特性阻抗=47.1Ω。·25米SFF-50-7，用60米档测得Le为35.99米，C0=2410pF，特性阻抗=49.8Ω。·65米RG-142，用300米档测得Le为93.2米，C0=6110pF，特性阻抗=50.8Ω。3、缺点只能测平均特性阻抗。4、物理概念与对公式的理解本法来源于GB/T17737.1-2000中11.8.1.2，原公式为Z∞=Le/(c×C0)式中：Le——试样在200MHz附近的电长度；1.5m≤试样长度≤2000mc——自由空间的传播速度3×108m；公式是这样推导出来的：单位长度电容C1=C0/Le,而光速=111CL，代入前式即得11CLZ=∞。式中L1为单位长度电感。原要求在200MHz附近测试电长度，而在200MHz附近测群时延时，数据很不稳定。这里改为时域测试，数据非常稳定。原方法中，还有一种是测相位变化360度时的频率变化，此法似乎更难实现。六、时域测端面反射法1、测试方法与步骤·用时域反射计测标准线与待测电缆之间的端面反射Γ。电缆长度不拘，但不宜短于0.15米。·记下Γ的大小与正负。·按公式计算ZC:)](1)1/()1([20ΩΓ−Γ−Γ+=iCZZΓi是系统与标准线之间的反射系数。2、优点无须截取短样本，不破坏原包装。真正测的是断面参数，或者说是昀接近断面参数。3、缺点标准线难寻。连接器的反射影响较大。4、物理概念与对公式的理解标准线上是没有反射的，只有与端面相连处不连续才有反射，因此此法测出5的参数昀接近断面参数。本法来源于GB/T17737.1-2000中11.8.2。七、讨论·在解传输线方程中，定义特性阻抗ZC≡1111CjGLjRωω++。频率高时，11CLZC=。由于1R、1L、1G与1C皆为微分量，因此特性阻抗ZC也是一个微分量，当长度dl→0时，ZC即成为一个点参数或断面参数。纯理论而言，测试ZC时的样本越短越接近真值。从这个角度来看，应该采用第一或第二法，第六法虽更短，但缺点较多，不推荐使用。·对于成捆电缆，常用第三、第五法。第四法要求昀高，不易通过验收。第四法的问题在于用输入阻抗代替了特性阻抗。而输入阻抗是与回损有关的。如五类线的标准EIA/TIA-500A上，100MHz时，特性阻抗要求为100±15Ω（折合回损为23分贝），而回损定的指标却为16分贝。但有的用户非要按23分贝验收，这就超出了标准，把输入阻抗与特性阻抗混为一谈；这就是第四法造成的后果。用第四法时，还会出现电缆谐振问题；比如有一批RG400电缆，800兆赫时回损只有24分贝，但3000兆赫时却在30以上。这种电缆能说它是废品吗？它只不过有点轻微的电缆谐振而已。其实电缆谐振频率只要不在使用频段内即可。·测试频率不宜太低，否则测试值偏高（尤其是细电缆，比如外导体内徑在2毫米以下）。但也不宜高于两百兆赫，以减少连接器与开短路引入的误差。常用几十兆赫。对于泡沫塑料绝缘电缆以及其它特性阻抗对频率变化较大的电缆，以用第五法为宜。测试频率不能选在谐振频率上，否则数据很不合理·λ/4线接负载法中连接器的反射能抵消，其它方法不能。尤其是第六法中的高频分量很高，连接器引入的反射更难以区分。·电缆两端测出的特性阻抗有可能是不相同的，说明该电缆一头特性阻抗高，一头低。·测电缆特性阻抗时，仪器的特性阻抗并不一定要与待测电缆的特性阻抗相同，只有第六法却必须相同。这也是第六法难办之处。·当扫频测电缆回损，低端（300兆赫以下）回损不到40分贝时，此电缆的特性阻抗肯定不太好。低端回损不到30分贝时，此电缆的特性阻抗肯定有问题。八、结束语上述6种方法都是有理论依据，而且经过实践考验的方法，其中有四种是国标推荐的方法。各有其优点，也各有其缺点，读者可视具体条件而采用某一种方法，也不妨多法并用互相验证，昀后选定一种对你昀合适而用户也能接受的方法作为企业标准或合同协议。目前看来，以第五法即测电缆电长度与低频总电容法比较好；数据比较稳定，而且是惟一的，容易下结论。