射頻同軸電纜特性阻抗測量方法的探討

    特性阻抗是????????設計和選用射頻同軸電纜時很重要的電氣參數。 從工程應用出發, 介紹幾種在生產中常用的特性阻抗測量方法。 經過實測比較后, 特別推薦一種便捷、實效的通過測量單個連接器電壓駐波比獲得射頻同軸電纜特性阻抗的方法。

    射頻同軸電纜作為傳輸線在通信系統中的應用十分廣泛 。特性阻抗是設計和選用射頻同軸電纜時首先要考慮的電氣參數, 最大功率傳輸 、最小信號反射都取決于電纜的特性阻抗及其與系統中其他部件的匹配。在實際應用中, 根據電纜特性阻抗可便捷地分析傳輸線的工作狀態, 因此精確地測量其值十分關鍵。

當電磁波在電纜上傳播時 ,通常存在著正向傳播的入射波和反向傳播的反射波 ,入射波和反射波相互疊加形成駐波。傳輸線上任一點的總電壓與總電流之比定義為該點向負載端看過去的輸入阻抗 。

在一般情況下, 傳輸線的輸入阻抗不僅與線長有關 ,而且還與頻率有關 ,然而當傳輸線無限長時,傳輸線上只有向前行進的波(行波)。這時, 傳輸線上任一點的輸入阻抗與線長無關, 而是等于一個恒值 Z c ,其稱為傳輸線的特性阻抗。另外, 當傳輸線終端接某一個恒定值的純電阻負載時, 傳輸線上任一點的輸入阻抗也處處相等并與線長無關。這個恒定電阻值就是傳輸線的特性阻抗值 。射頻同軸電纜的特性阻抗 Z c 僅取決于傳輸線內外導體的直徑以及其間填充介質的等效介電常數, 而與線長無關 。

傳輸相位法的測量原理是根據傳輸線特性阻抗Z c 與相位、頻率及電纜總電容的關系 :

傳輸相位差法的測量原理是根據傳輸線特性阻抗 Z c 與相位傳輸速度 V P 的關系 :

當電纜一端開路或短路時 ,頻率的改變會引起電纜輸入阻抗的周期性變化, 表現為檢波器讀數的周期性變動,相鄰兩個并聯諧振或串聯諧振點(即相鄰兩個最大值或最小值)之間相差半個波長, 即相位差 π。只要測出電纜試樣上相鄰兩個最大值(或最小值)之間的頻率差 Δf′(單位為 MHz), 并按標準GB 4098.2 —1983 測得試樣電纜的總電容 C l (單位為 pF),就可按下式計算電纜的特性阻抗 :

當終端端接負載時電纜的輸入阻抗 Z in 、被測電纜的特性阻抗 Z c 和反射系數 Γ的關系為 

(1)在網絡分析儀上測得該電纜的傳輸相位參見表 1, 并根據傳輸相位法的測量計算公式 , 即式(1)計算出該電纜的特性阻抗值, 例如 50 MHz 時Z c =264 .870 ×106 /(360×50×291.1)=50.55 Ψ。

表 1　 8D-FB型電纜試樣的傳輸相位以及按傳輸相位法計算出的特性阻抗

(2)采用傳輸相位差法測量, 則可得到如圖 1所示的曲線 。從圖中 曲線可以求得平均 Δf =69 .144 MHz,再按傳輸相位差法的測量計算公式,即式(3), 計算 得 Z c =10 6 /(69.144 ×291.1)=49 .68 Ψ。若將測試中心頻率分別設置在1 000 MHz和2 000 MHz 時,則可方便地測得特性阻抗 Z c 均為49 .52 Ψ。

圖 1　 采用傳輸相位差法的測量曲線

(3)采用矢量網絡分析儀的反射模式測量單個連接器的駐波比, 利用矢量網絡分析儀的時域功能,在時域狀態下將橫坐標設置為距離模式 ;然后移動時域門的位置選定近端的連接器, 再將時域狀態轉換到頻域狀態 ,此時數據顯示的是被測單個連接器的電壓駐波比, 如圖 2 所示;最后將矢量網絡分析儀的測試參數選擇開關放置在 Smith 圓圖上, 便可得到 Smith 圓圖 ,得到特性阻抗 ,如表 2 所示 。由于顯示的阻抗是復數 ,在頻率很低時,其虛部通常只有幾十毫歐,可以忽略不計,故取其實部數值作為被測電纜的特性阻抗值 。如果發現虛部數值大到不可忽略 , 則必須檢查連接器的安裝是否正確以及選用之連接器是否合適。

圖 2　 被測單個連接器的電壓駐波比

表 2　 根據 Smith 圓圖讀出的電纜阻抗

     為了便于比較, 現將三種不同測試方法測得的同一根電纜特性阻抗的結果匯總在表 3 中 。從表中可以看出:

表 3　 3 種不同測試方法測得的電纜特性阻抗

01

當頻率大于 100 MHz 時, 傳輸相位法測量的電纜特性阻抗值相差甚微, 可以認為電纜特性阻抗值與頻率無關。

02

用傳輸相位差法測試時,其各頻率下的測量值相差較大, 這是由于所選兩頻率點的相位差沒有精確相等所致 。

03

當頻率小于200 MHz 時, 單連接器法測量的電纜特性阻抗值在各頻率下幾乎相等, 且與傳輸相位法測量的結果十分接近 ,而當頻率大于 200 MHz 時 ,其測得的特性阻抗測量值明顯增大 , 這是由于連接器中的剩余電抗(不完全補償)隨著頻率的增加而增大所致。

本文從工程應用出發 ,介紹幾種在生產中常用的阻抗測量方法 。在射頻段 ,射頻電纜的特性阻抗與頻率無關, 因此只需在國標GB 4098.3《射頻電纜特性阻抗測量方法》規定的 30 ～ 200 MHz 頻率范圍內的任一頻率用傳輸相位法測量即可 。由于傳輸相位差法誤差較大, 最好慎用 。單連接器法操作簡單,測量的數據準確, 且直接與電壓駐波比掛鉤,具有很強的實用性 ,是測量射頻電纜特性阻抗的一種便捷而實用的好方法, 建議優選使用 。