射頻同軸電纜特性阻抗ZC的測試 這里介紹射頻同軸電纜特性阻抗ZC的6種測試方法。它們同樣也適合于雙絞線，只不過儀器要轉換為差分系統而已。 一、λ/4線接負載法 1、測試方法與步驟： ·待測電纜一段，長約半米（無嚴格要求），兩端裝上連接器。掃頻范圍由儀器低頻掃到百余兆赫即可。對于其它長度的電纜，掃頻范圍請自定。 ·儀器工作在測反射（或回損）狀態，作完校正后畫面應選阻抗圓圖。 ·在測試端口接上待測電纜，電纜末端接上精密負載。 ·畫面不外三種情況： 軌跡集中為一點，則ZC = Z0（測試系統特性阻抗，一般為50Ω）。 軌跡呈圓弧或圓圈狀，在圓圖右邊，則ZC > Z0 。 軌跡呈圓弧或圓圈狀，在圓圖左邊，則ZC < Z0 。 ·將光標移到最接近實軸的點上，記下此點的電阻值Rin（不管電抗值）。 例如：Rin= 54Ω，則ZC = 52Ω，若Rin= 46Ω，則ZC = 48Ω。 若軌跡不與實軸相交，則掃頻范圍不夠或電纜太短；若交點太多，則掃頻范圍太寬或電纜太長。 2、優點 軌跡直觀連續，不易出錯。 連接器的反射可以通過λ/4線抵消。 3、缺點 必須截取短樣本。 必須兩端裝連接器。 電纜質量必須較好，否則不同頻率的測試結果起伏較大，不好下結論。 4、物理概念與對公式的理解 λ/4線有阻抗變換作用，其輸入阻抗Zin與負載阻抗ZL之間滿足Zin= ZC2/ZL關系。 現在ZL= Z0，Zin= Rin，代入展開即得上面的ZC計算公式。 λ/4線的阻抗變換公式是眾所周知的，但作為特性阻抗的測試方法卻未曾見。在測阻抗曲線試驗中發現，與實軸相交的這一點是可用來測特性阻抗的；因為它把矛盾擴大了，反而更容易測準。由于曲線是很規矩的，不易出錯。但必須用第一個交點，即除原點以外的最低頻率的與實軸最近的一點，用第二點就可能出問題。換句話說，待測電纜的電長度應為λ/4的奇數倍，不能是偶數倍。 二、λ/8線開、短路法 1、測試方法與步驟： ·樣本與掃頻方案 對于已裝好連接器的跳線，長度已定，只能由長度定掃頻方案而對于電纜原材料，則可以按要求頻率確定下料長度。此時待測電纜一頭裝連接器即可。 ·樣本長度與掃頻方案是相互有關的，可以點頻測也可以掃頻測，取值要取相位靠近2700時的電抗值，此時電長度為λ/8、電抗值在±j50Ω附近，如40～60Ω之間，否則不易得到可信數據。測試頻率宜低些，以減少連接器，以及末端開短路的差異造成的誤差。 以SFF-50的電纜為例，取樣本長500mm，其電長度即為700mm（乘1.4波速比），掃頻方案可選46～56 MHz，ΔF=2MHz即可。 ·儀器在測反射（或回損）狀態下，電橋輸入端與輸出端要求各串一只10dB衰減器。在測試端口作過校正后，畫面應選阻抗圓圖。接上待測電纜。記下待測電纜在末端開路時的輸入電抗值Xin0（不管電阻值），與短路時的輸入電抗Xins（不管電阻值）兩者相乘后開方即得特性阻抗值。 ·一般測試只選一點最靠近270°的點（即-j50Ω附近的值），及其在短路時的電抗值（在+j50附近，是多少就是多少，不能選。）進行計算即可，要求高時，可在50±10Ω范圍內選5點進行平均，這5點之間起伏不應大于0.5Ω，否則電纜質量不好。 2、優點 只需裝一個連接器。 樣本較短，能反映某一段電纜的真實特性阻抗。 3、缺點 必須截取短樣本。 短樣本的損耗很小，開、短路的阻抗變化很大，對儀器有一定的牽引作用，故需在電橋輸入輸出端各串入一個衰減器。 ·電纜質量必須較好，否則不同頻率的測試結果起伏較大，不好下結論。 4、物理概念與對公式的理解 短樣本的損耗很小，可按無耗傳輸線處理。若短樣本的長度為，末端開路時的輸入阻抗為，末端短路時的輸入阻抗為。 則： =， = 所以 事實上，與皆呈現純電抗性，不必計入電阻值。 考慮到測試與計算的準確度，電長度宜為其λ/8（此時為45°，數值計算誤差最小。實在不行，也不要短于3°，或長于87°）。 注意:盡量用λ/ 8的頻點進行測試，也可用5λ/ 8、9λ/ 8、13λ/ 8等等。但不能用3λ/ 8、7λ/ 8、11λ/ 8等等。 三、長電纜開、短路法 經常需要對成捆電纜進行測試。 1、測試方法與步驟 ·儀器按測回損連接（電橋兩端不必加串10dB衰減器），按規定測試頻點設置列表掃頻方案，待測電纜一端裝連接器。 ·儀器在測試端口作完校正后畫面應選阻抗圓圖。接上待測電纜，測其末端開路時的輸入阻抗Zino,與末端短路時的輸入阻抗Zins。兩者相乘后開方即得特性阻抗值（只管模值，不計相位）。 2、優點 只需裝一個連接器。 無須截取短樣本，不破壞原包裝。 3、缺點 只能測平均特性阻抗。 4、物理概念與對公式的理解 此法見國標GB/T 18015.1-2007中的3.3.6.2.2。 成棞電纜長度多在百米以上，這就要用到有耗傳輸線公式了。此時： =， =， ，代入各自的分量得： 從前一個式子來看，與無耗線完全相同，但是展開后卻多了電阻分量，而變成復數求模（只要絕對值，不計相位）。 由于這個ZC是在長電纜的情況下測出的，除非電纜很均勻才是ZC，否則只能是ZC的平均值ZCA。 四、長電纜接負載法 用終端接匹配負載時的輸入阻抗Zinm來代替ZC。 1、測試方法與步驟 ·成棞待測電纜，兩端裝上連接器。掃頻范圍由儀器低頻掃到最高使用頻率。 ·儀器工作在測反射（或回損）狀態，作完校正后畫面應選阻抗圓圖。 ·在測試端口接上待測電纜，電纜末端接上負載。 ·記下圓圖上的輸入電阻Rin的最大值與最小值，以其作為ZC的最大值與最小值。 2、優點 無須截取短樣本，不破壞原包裝。 對電纜進行了全頻段的掃描。 3、缺點 對電纜提出了超標準的要求，有些能用的電纜也被判為不合格。 4、物理概念與對公式的理解 無窮長均勻電纜的輸入阻抗就是電纜的特性阻抗，因為無窮長均勻電纜上是沒有反射波的。因此在很長的電纜末端接上負載后，反射也很小，可以認為其輸入阻抗就是特性阻抗，即Zin= ZC 。見于國標GB/T報18015.1-2007中的3.3.6.2.3之b)(A.5)。 問題是電纜并不均勻，因此測出的是頻段內的極值；這就對電纜提出了更苛刻的要求。雖然此法對質量最有保證，而且測試也很簡便，但不易通過驗收測試。 五、測電纜電長度與電容法 1、測試方法與步驟 ·待測電纜一段或一捆，長度在1.5～2000m之間。一端裝上連接器，一端開路。 ·用電容表測出內外導體之間的電容C0 。 ·用網絡分析儀的時域故障定位功能，測出待測電纜的電長度Le。 ·Z∞是平均特性阻抗在高頻時的漸進值，在長度用m，電容量用pF作單位時 Z∞ = 3333×Le / C0 2、優點 無須截取短樣本，不破壞原包裝。 數據比較穩定，而且是惟一的，容易下結論。 幾個實例： ·1.5米SFCJ-50-3，用6米檔測得Le為1.95米，C0=138pF，特性阻抗=47.1Ω。 ·25米SFF-50-7，用60米檔測得Le為35.99米，C0=2410pF，特性阻抗=49.8Ω。 ·65米RG-142，用300米檔測得Le為93.2米，C0=6110pF，特性阻抗=50.8Ω。 3、缺點 只能測平均特性阻抗。 4、物理概念與對公式的理解 本法來源于GB/T 17737.1-2000中11.8.1.2，原公式為 Z∞ = Le /(c×C0) 式中：Le ——試樣在200MHz附近的電長度；1.5m≤試樣長度≤2000m c ——自由空間的傳播速度3×108m； 公式是這樣推導出來的： 單位長度電容C1= C0 / Le, 而光速=，代入前式即得。 式中L1為單位長度電感。 原要求在200MHz附近測試電長度，而在200MHz附近測群時延時，數據很不穩定。這里改為時域測試，數據非常穩定。 原方法中，還有一種是測相位變化360度時的頻率變化，此法似乎更難實現。 六、時域測端面反射法 1、測試方法與步驟 ·用時域反射計測標準線與待測電纜之間的端面反射Γ。電纜長度不拘，但不宜短于0.15米。 ·記下Γ的大小與正負。 ·按公式計算ZC: Γi是系統與標準線之間的反射系數。 2、優點 無須截取短樣本，不破壞原包裝。 真正測的是斷面參數，或者說是最接近斷面參數。 3、缺點 標準線難尋。 連接器的反射影響較大。 4、物理概念與對公式的理解 標準線上是沒有反射的，只有與端面相連處不連續才有反射，因此此法測出的參數最接近斷面參數。本法來源于GB/T 17737.1-2000中11.8.2。 七、討論 ·在解傳輸線方程中，定義特性阻抗ZC≡。頻率高時，。由于、、與 皆為微分量，因此特性阻抗ZC也是一個微分量，當長度→0時，ZC即成為一個點參數或斷面參數。純理論而言，測試ZC時的樣本越短越接近真值。從這個角度來看，應該采用第一或第二法，第六法雖更短，但缺點較多，不推薦使用。 ·對于成捆電纜，常用第三、第五法。第四法要求最高，不易通過驗收。 第四法的問題在于用輸入阻抗代替了特性阻抗。而輸入阻抗是與回損有關的。如五類線的標準EIA/TIA-500A上，100MHz時，特性阻抗要求為100±15Ω（折合回損為23分貝），而回損定的指標卻為16分貝。但有的用戶非要按23分貝驗收，這就超出了標準，把輸入阻抗與特性阻抗混為一談；這就是第四法造成的后果。 用第四法時，還會出現電纜諧振問題；比如有一批RG400電纜，800兆赫時回損只有24分貝，但3000兆赫時卻在30以上。這種電纜能說它是廢品嗎？它只不過有點輕微的電纜諧振而已。其實電纜諧振頻率只要不在使用頻段內即可。 ·測試頻率不宜太低，否則測試值偏高（尤其是細電纜，比如外導體內徑在2毫米以下）。但也不宜高于兩百兆赫，以減少連接器與開短路引入的誤差。常用幾十兆赫。對于泡沫塑料絕緣電纜以及其它特性阻抗對頻率變化較大的電纜，以用第五法為宜。 測試頻率不能選在諧振頻率上，否則數據很不合理 ·λ/4線接負載法中連接器的反射能抵消，其它方法不能。尤其是第六法中的高頻分量 很高，連接器引入的反射更難以區分。 ·電纜兩端測出的特性阻抗有可能是不相同的，說明該電纜一頭特性阻抗高，一頭低。 ·測電纜特性阻抗時，儀器的特性阻抗并不一定要與待測電纜的特性阻抗相同，只有第六法卻必須相同。這也是第六法難辦之處。 ·當掃頻測電纜回損，低端（300兆赫以下）回損不到40分貝時，此電纜的特性阻抗肯定不太好。低端回損不到30分貝時，此電纜的特性阻抗肯定有問題。 八、結束語 上述6種方法都是有理論依據，而且經過實踐考驗的方法，其中有四種是國標推薦的方法。各有其優點，也各有其缺點，讀者可視具體條件而采用某一種方法，也不妨多法并用互相驗證，最后選定一種對你最合適而用戶也能接受的方法作為企業標準或合同協議。目前看來，以第五法即測電纜電長度與低頻總電容法比較好；數據比較穩定，而且是惟一的，容易下結論。 |
