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(zhuǎn)換為差分系統(tǒng)而已。
一、λ/4線接負(fù)載法
1、測試方法與步驟：
·待測電纜一段，長約半米（無嚴(yán)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(duì)于其它長度的電纜，掃頻范圍請(qǐng)自定。
·儀器工作在測反射（或回?fù)p）狀態(tài)，作完校正后畫面應(yīng)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(fù)載。
·畫面不外三種情況：
軌跡集中為一點(diǎn)，則ZC = Z0（測試系統(tǒng)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(biāo)移到最接近實(shí)軸的點(diǎn)上，記下此點(diǎn)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(shí)軸相交，則掃頻范圍不夠或電纜太短；若交點(diǎn)太多，則掃頻范圍太寬或電纜太長。
2、優(yōu)點(diǎn)
軌跡直觀連續(xù)，不易出錯(cuò)。
連接器的反射可以通過λ/4線抵消。
3、缺點(diǎn)
必須截取短樣本。
必須兩端裝連接器。
電纜質(zhì)量必須較好，否則不同頻率的測試結(jié)果起伏較大，不好下結(jié)論。
4、物理概念與對(duì)公式的理解
λ/4線有阻抗變換作用，其輸入阻抗Zin與負(fù)載阻抗ZL之間滿足Zin= ZC2/ZL關(guān)系。
現(xiàn)在ZL= Z0，Zin= Rin，代入展開即得上面的ZC計(jì)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與實(shí)軸相交的這一點(diǎn)是可用來測特性阻抗的；因?yàn)樗衙軘U(kuò)大了，反而更容易測準(zhǔn)。由于曲線是很規(guī)矩的，不易出錯(cuò)。但必須用第一個(gè)交點(diǎn)，即除原點(diǎn)以外的最低頻率的與實(shí)軸最近的一點(diǎn)，用第二點(diǎn)就可能出問題。換句話說，待測電纜的電長度應(yīng)為λ/4的奇數(shù)倍，不能是偶數(shù)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(duì)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(duì)于電纜原材料，則可以按要求頻率確定下料長度。此時(shí)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(guān)的，可以點(diǎn)頻測也可以掃頻測，取值要取相位靠近2700時(shí)的電抗值，此時(shí)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(shù)據(jù)。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?fù)p）狀態(tài)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(yīng)選阻抗圓圖。接上待測電纜。記下待測電纜在末端開路時(shí)的輸入電抗值Xin0（不管電阻值），與短路時(shí)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(diǎn)最靠近270°的點(diǎn)（即-j50Ω附近的值），及其在短路時(shí)的電抗值（在+j50附近，是多少就是多少，不能選。）進(jìn)行計(jì)算即可，要求高時(shí)，可在50±10Ω范圍內(nèi)選5點(diǎn)進(jìn)行平均，這5點(diǎn)之間起伏不應(yīng)大于0.5Ω，否則電纜質(zhì)量不好。
2、優(yōu)點(diǎn)
只需裝一個(gè)連接器。
樣本較短，能反映某一段電纜的真實(shí)特性阻抗。
3、缺點(diǎn)
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(duì)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(gè)衰減器。
·電纜質(zhì)量必須較好，否則不同頻率的測試結(jié)果起伏較大，不好下結(jié)論。
4、物理概念與對(duì)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(shí)的輸入阻抗為，末端短路時(shí)的輸入阻抗為。
則： =， = 所以
事實(shí)上，與皆呈現(xiàn)純電抗性，不必計(jì)入電阻值。
考慮到測試與計(jì)算的準(zhǔn)確度，電長度宜為其λ/8（此時(shí)為45°，數(shù)值計(jì)算誤差最小。實(shí)在不行，也不要短于3°，或長于87°）。
注意:盡量用λ/ 8的頻點(diǎn)進(jìn)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(jīng)常需要對(duì)成捆電纜進(jìn)行測試。
1、測試方法與步驟
·儀器按測回?fù)p連接（電橋兩端不必加串10dB衰減器），按規(guī)定測試頻點(diǎn)設(shè)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(yīng)選阻抗圓圖。接上待測電纜，測其末端開路時(shí)的輸入阻抗Zino,與末端短路時(shí)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(jì)相位）。
2、優(yōu)點(diǎn)
只需裝一個(gè)連接器。
無須截取短樣本，不破壞原包裝。
3、缺點(diǎn)
只能測平均特性阻抗。
4、物理概念與對(duì)公式的理解
此法見國標(biāo)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(shí)：
=， =， ，代入各自的分量得：
從前一個(gè)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(fù)數(shù)求模（只要絕對(duì)值，不計(jì)相位）。
由于這個(gè)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(fù)載法
用終端接匹配負(fù)載時(shí)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?fù)p）狀態(tài)，作完校正后畫面應(yīng)選阻抗圓圖。
·在測試端口接上待測電纜，電纜末端接上負(fù)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(yōu)點(diǎn)
無須截取短樣本，不破壞原包裝。
對(duì)電纜進(jìn)行了全頻段的掃描。
3、缺點(diǎn)
對(duì)電纜提出了超標(biāo)準(zhǔn)的要求，有些能用的電纜也被判為不合格。
4、物理概念與對(duì)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?yàn)闊o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(fù)載后，反射也很小，可以認(rèn)為其輸入阻抗就是特性阻抗，即Zin= ZC 。見于國標(biāo)GB/T報(bào)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(nèi)的極值；這就對(duì)電纜提出了更苛刻的要求。雖然此法對(duì)質(zhì)量最有保證，而且測試也很簡便，但不易通過驗(yàn)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(nèi)外導(dǎo)體之間的電容C0 。
·用網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)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(shí)的漸進(jìn)值，在長度用m，電容量用pF作單位時(shí)
Z∞ = 3333×Le / C0
2、優(yōu)點(diǎn)
無須截取短樣本，不破壞原包裝。
數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，而且是惟一的，容易下結(jié)論。
幾個(gè)實(shí)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R(shí)G-142，用300米檔測得Le為93.2米，C0=6110pF，特性阻抗=50.8Ω。
3、缺點(diǎn)
只能測平均特性阻抗。
4、物理概念與對(duì)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(dǎo)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(shí)延時(shí)，數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定。這里改為時(shí)域測試，數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定。
原方法中，還有一種是測相位變化360度時(shí)的頻率變化，此法似乎更難實(shí)現(xiàn)。
六、時(shí)域測端面反射法
1、測試方法與步驟
·用時(shí)域反射計(jì)測標(biāo)準(zhǔn)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(fù)。
·按公式計(jì)算ZC:
Γi是系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)線之間的反射系數(shù)。
2、優(yōu)點(diǎn)
無須截取短樣本，不破壞原包裝。
真正測的是斷面參數(shù)，或者說是最接近斷面參數(shù)。
3、缺點(diǎn)
標(biāo)準(zhǔn)線難尋。
連接器的反射影響較大。
4、物理概念與對(duì)公式的理解
標(biāo)準(zhǔn)線上是沒有反射的，只有與端面相連處不連續(xù)才有反射，因此此法測出的參數(shù)最接近斷面參數(shù)。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(shí)，。由于、、與 皆為微分量，因此特性阻抗ZC也是一個(gè)微分量，當(dāng)長度→0時(shí)，ZC即成為一個(gè)點(diǎn)參數(shù)或斷面參數(shù)。純理論而言，測試ZC時(shí)的樣本越短越接近真值。從這個(gè)角度來看，應(yīng)該采用第一或第二法，第六法雖更短，但缺點(diǎn)較多，不推薦使用。
·對(duì)于成捆電纜，常用第三、第五法。第四法要求最高，不易通過驗(yàn)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?fù)p有關(guān)的。如五類線的標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-500A上，100MHz時(shí)，特性阻抗要求為100±15Ω（折合回?fù)p為23分貝），而回?fù)p定的指標(biāo)卻為16分貝。但有的用戶非要按23分貝驗(yàn)收，這就超出了標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)，還會(huì)出現(xiàn)電纜諧振問題；比如有一批RG400電纜，800兆赫時(shí)回?fù)p只有24分貝，但3000兆赫時(shí)卻在30以上。這種電纜能說它是廢品嗎？它只不過有點(diǎn)輕微的電纜諧振而已。青島辦證其實(shí)電纜諧振頻率只要不在使用頻段內(nèi)即可。
·測試頻率不宜太低，否則測試值偏高（尤其是細(xì)電纜，比如外導(dǎo)體內(nèi)徑在2毫米以下）。但也不宜高于兩百兆赫，大連感統(tǒng)以減少連接器與開短路引入的誤差。常用幾十兆赫。對(duì)于泡沫塑料絕緣電纜以及其它特性阻抗對(duì)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(shù)據(jù)很不合理
·λ/4線接負(fù)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(qū)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(shí)，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(dāng)掃頻測電纜回?fù)p，低端（300兆赫以下）回?fù)p不到40分貝時(shí)，此電纜的特性阻抗肯定不太好。低端回?fù)p不到30分貝時(shí)，此電纜的特性阻抗肯定有問題。
八、結(jié)束語
上述6種方法都是有理論依據(jù)，而且經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)的方法，土工布廠家認(rèn)為其中有四種是國標(biāo)推薦的方法。各有其優(yōu)點(diǎn)，也各有其缺點(diǎn)，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(yàn)證，最后選定一種對(duì)你最合適而用戶也能接受的方法作為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或合同協(xié)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(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，而且是惟一的，容易下結(jié)論。 |
