论射频电缆阻抗及回波损耗测量方法

1、论射频电缆阻抗及回波损耗测量方法朱荣华 李谦若 叶菁蓁阻抗和回波损耗作为射频电缆的重要指标一直是人们关注的对象,随着测试技术的不断发展,测试方法也随之不断变化。阻抗和回波损耗测量可以采用频域测量的方法,也可以采用时域测量的方法。频域测量方法可采用网络分析仪或其它扫频测试设备,时域测量方法则既可以采用商品化的时域反射计(TDR,也可采用脉冲信号发生器和取样示波器组合成测量系统的方法。另外,随着现代网络分析仪的发展,利用矢量网络分析仪内置的离散傅里叶逆变换功能,也可将频域测量结果转换成时域,实现时域测量。本文根据阻抗和回波损耗的定义、测量原理和方法、测量设备的选用等方面归纳、总结和介绍各种电缆阻抗

2、和回波损耗的测量方法,重点叙述阻抗和回波损耗的频域测量方法,时域测量方法则在本文末尾部分作简单的介绍。1 电缆阻抗和回波损耗的定义和相互关系1.1 阻抗1.1.1特性阻抗(Zc特性阻抗定义为入射电压与入射电流之比或反射电压与反射电流之比(即波阻抗。 1.1.2 输入阻抗(Z in 输入阻抗定义为当电缆终端端接与电缆本身阻抗一致的负载或电缆为无限长时(任意频率下,电缆始端呈现的阻抗。 1.1.3平均特性阻抗(Z 平均特性阻抗定义为特性阻抗在高频时的渐进值。 1.2 回波损耗 1.2.1反射系数(反射系数为电缆沿线某处反射波电压(或电流与入射波电压(或电流之比。 1.2.2回波损耗(L R 回波损

3、耗为反射系数的对数形式,即L R =20log 10|。 1.2.2电压驻波比(VSWR电压驻波比为电缆沿线电压幅度的最大值与最小值的比值。 1.2.2结构回波损耗(SRL结构回波损耗是以相对于电缆平均特性阻抗为参考的回波损耗(回波损耗则以系统特性阻抗如50为参考。2 相关计算公式的推导和结构回波损耗的计算 2.1 电缆特性阻抗与传输速率的关系:电缆特性阻抗与传输速率的原理公式为:Cv Z p c 1= (1 式中,C :为单位长度电缆电容;c :光速;p v :相位传输速度;因为pp t lv =,所以: lp p p c C t C l t C v Z =×=1(2 式中,p t

4、 :电缆总相位延时; l C :电缆总电容。当用矢量网络分析仪测量电缆传输相位(21s 时,一个相位变化周期为2(±亙,则相位传输速度与相应2相位变化的频率差f 关系为:f l v p ×= (3则:lp c C f C f l C v Z ×=××=111 (4 当采用电缆终端开路或终端短路的谐振法测量阻抗时,相邻两个并联谐振或串联谐振点之间差半个波长,即相位差, 则传输速度与相邻谐振频率差f 关系为:f l v p ××=2 (5则:lp c C f C f l C v Z ××=×

5、5;×=21211 (6 在IEC 61196 2005同轴通信电缆标准中,还涉及到以下参数和公式: 相移常数:(sampleexp l f f = (7式中:(f exp :频率f 时测得的扩展相移;sample l :试样长度,m。群延迟:=g (8 相位延迟:=p (9 传播速度:fv 2=(10电长度:fcl l ××=2meche (11由(1、(7及(10式得,当频率为f 时,电缆的特性阻抗为:(lfC f fCl f f f C f Z 2221exp exp c =××=(12 C :电容,F/m; f :频率,MHz;l C

6、:电缆总电容,F。2.2 传输线输入阻抗、终端负载和反射系数的关系被测电缆上任意处反射波电压reflected V (或电流与入射波电压incident V (或电流之比为反射系数,用表示(时域中用表示,即: incidentreflected V V = (13被测电缆上任意处的反射电压与入射电压之比即反射系数与阻抗的关系式为: 0Z Z Z Z V V L L incidentreflected += (13a式中:Z L 为被测电缆样品上任意点的阻抗;Z O 为测量系统(或称电缆样品环境的阻抗。如50或75;当用网络分析仪反射测量时,反射系数可通过s 参数11s 或22s 获得。此时,电

7、缆(输入端作为网络分析仪测试端的终端负载,并将对网络分析仪测试端产生反射,经校准的网络分析仪反射测试端为标准的系统标称阻抗(即标准50或75。反射系数与电缆输入阻抗in Z 和网络分析仪系统阻抗0Z (50或75的关系式为:00Z Z Z Z in in += 或 +=110Z Z in (142.3 电缆阻抗与其终端开路和终端断路输入阻抗的关系根据传输线理论,电缆阻抗与其终端开路和终端断路的传输线的输入阻抗之间的关系为:openshort Z Z Z ×=(15式中,short Z :终端短路时的输入阻抗; open Z :终端开路时的输入阻抗。2.4 ANSI/SCTE 66 2

8、003(IPS TP 006美国电缆通信工程师协会标准中电缆平均阻抗测试方法ANSI/SCTE 66 2003(IPS TP 006标准中的同轴电缆阻抗测试方法为用计算机分别计算在整个频率范围内网络分析仪测试采集数据的实部(R的总和除以数据点数以及虚部(jX的总和除以数据点数,然后计算平均阻抗的辐值(Z。22avg avg avg X R Z += (16这里:=ni i avgn R R 1 =ni i avg n XX 1 (17 式中:Ri:电缆尾部端接负载时所测得的电缆各个频率下阻抗的实部值; Xi:电缆尾部端接负载时所测得的电缆各个频率下阻抗的虚部值。2.5 结构回波损耗的计算结构回

9、波损耗是以电缆自身平均阻抗为参考的回波损耗,而传统回波损耗是以标称阻抗即测量系统阻抗为参考的。一般而言,被测电缆的特性阻抗与标称特性阻抗不完全相等,因此回波损耗既包括了电缆的阻抗不均匀性的贡献,也包括了电缆与测量系统阻抗不匹配的影响;而结构回波损耗仅反映电缆阻抗的不均匀性,与电缆的特性阻抗是否与标称值或测量系统的阻抗是否一致无关。电缆阻抗是由矢量反射信号计算得出的,整个测量频率范围内阻抗的平均值作为电缆的平均阻抗,结构回波损耗是由电缆输入阻抗和电缆平均阻抗计算而来。计算电缆结构回波损耗之前,首先要将终端接负载的电缆连接到矢量网络分析仪完成回波损耗测量。第一步,按式(14计算电缆输入阻抗:第二步

10、,按(16、(17计算电缆的平均阻抗。 第三步,按下式(18计算电缆结构反射系数阻抗SRC 。avgin avg in SRC Z Z Z Z += (18第四步,按下式计算电缆的结构回波损耗SRL:SRC SRL =lg 20 (19注意,(18式中avg Z 为正实数,而in Z 为具有实部和虚部的复数,即jX R Z in +=,因此(18式变换为:22222222XRZ Z R X jZ X Z R Z jX R Z jX R avg avg avg avg avgavg SRC +=+= (203 阻抗、回波损耗测量方法举例总体来说,阻抗频域测量的方法有两种,第一种:采用传输测量的方

11、法,测得电缆的延时或相位等参数而计算出电缆特性阻抗;第二种:采用反射测量的方法,测得电缆的反射系数,再计算得出电缆阻抗。下面结合测试标准举例作介绍。3.1 传输测量方法某一圈电缆在网络分析仪上测得的相位(±和总相位(需计算机对仪器编程控制见表1(为节省篇幅,表中尽列出最初5行数据,以下表格相同,电缆总电容为5060pF。根据阻抗计算根据公式(12,当频率为5MHz 时,总相位为702.416度,代入公式(12计算得其特性阻抗为:77.2欧姆。其他各频率点阻抗详见表1。绘成曲线见下图1。本测试方法即为IEC61196-1-108标准的测量方法,表1 某电缆测得的相位(±和总相

12、位及特性阻抗表频率 相位(+/-180度总相位exp (度总相位exp (弧度特性阻抗 (相位法 5000000.00 17.584 -702.416 -12.259 77.182 5077734.38 6.715 -713.285 -12.449 77.176 5155468.75 -4.147 -724.147 -12.639 77.170 5233203.13 -15.005 -735.005 -12.828 77.164 5310937.50-25.868 -745.868 -13.018 77.158 图1 特性阻抗频率曲线当不具备计算机程控网络分析仪时,选择相差一个周期360度的两

13、个频率点,表1中6.399MHz 及8.964MHz 两点,则频率差为2.565MHz,则根据公式(4,得:0.7710506010565.211126=×××=×=l c C f Z (欧姆对于一般PE 等均匀绝缘介质电缆,测总相位和360度相位差的方法,其结果差别是很小的。需要说明的是:此方法测得的特性阻抗是平均特性阻抗的概念。 3.2 反射测量方法3.2.1反射法测量电缆输入阻抗反射法测量即基于回波损耗测量,回波损耗是对由于电缆结构变化和电缆与测量系统阻抗间失配引起的信号反射的量化。用经校准的网络分析仪反射测量得到终端端接负载的电缆的输入阻抗见表2

14、,输入阻抗与频率曲线见下图2。计算公式见式(14。表2终端端接负载的电缆的输入阻抗频率 实部 虚部 阻抗 5000000.00 50.57327 -0.79121 50.579 5077734.38 50.64843 -0.36168 50.650 5155468.75 50.86985 0.00970 50.870 5233203.13 51.20458 0.27448 51.205 5310937.50 51.61182 0.39780 51.613 论射频电缆阻抗及回波损耗测量方法 第6页 共8页 输入阻抗 54.000 53.000 52.000 51.000 50.000 49.00

15、0 48.000 输入阻抗( 输入阻抗 3.2.2 开短路法测量电缆的特性阻抗 终端开路和终端短路电缆的输入阻抗及经计算得到的电缆阻抗（幅值）见表 3。终端开路和终 端短路电缆的输入阻抗曲线及其特性阻抗见图 3 和图 4。本方法的计算公式见式（15）。图中可以 看出终端开路和终端短路电缆的输入阻抗的串联谐振点（阻抗极小值）和并联谐振点（阻抗极大值） 正好互为交换。 表 3 开短路法测量电缆的特性阻抗 频率 5000000.00 5077734.38 5155468.75 5233203.13 5310937.50 终端开路阻 抗实部 79.901 197.729 236.790 97.047

16、44.346 终端开路阻 抗虚部 113.644 114.185 -86.639 -123.704 -89.214 终端短路阻 抗实部 10.563 9.956 10.075 10.913 12.693 终端短路阻 抗虚部 -15.848 -5.992 3.452 13.106 23.639 开短路法测得 的阻抗的幅值 51.438 51.510 51.819 51.783 51.702 开短路阻抗( 5. 00 5. E+0 86 6 6. E+0 71 6 7. E+0 57 6 8. E+0 42 6 9. E+0 28 6 1. E+0 01 6 1. E+0 10 7 1. E+0

17、18 7 1. E+0 27 7 E+ 07 频率(Hz 图2 电缆的输入阻抗 开短路阻抗 300.000 200.000 100.000 0.000 -100.000 -200.000 -300.000 短路阻抗 开路阻抗 5. 00 5. E+0 86 6 6. E+0 71 6 7. E+0 57 6 8. E+0 42 6 9. E+0 28 6 1. E+0 01 6 1. E+0 10 7 1. E+0 18 7 1. E+0 27 7 E+ 07 频率(Hz 图 3 终端开路及终端短路电缆的输入阻抗 论射频电缆阻抗及回波损耗测量方法 第7页 共8页 开短路法阻抗 53.000 5

18、2.000 51.000 50.000 49.000 48.000 47.000 阻抗( 阻抗 3.3 特性阻抗(相位法与特性阻抗(开短路法差异的原因: 特性阻抗定义为入射电压与入射电流之比或反射电压与反射电流之比（即波阻抗），相位法测 量公式是从均匀传输线导出的，测得的特性阻抗是平均特性阻抗的概念。而开短路法测量特性阻抗 是从采用的是测量电缆输入阻抗的方法实现的，电缆输入阻抗与电缆自身的均匀性相关。因此，两 种方法对于理想均匀的传输线来说区别不大，但对于一个较长而且阻抗并不均匀的电缆来说，开短 路法测量特性阻抗与沿电缆上反射信号在测试端的叠加有关,因此其阻抗随频率变化明显。 4 结构回波损耗

19、测量举例 根据公式（14）（16）（17）（18）和（19）测量计算得到的电缆结构回波损耗测量见表 4。回 、 、 、 波损耗和结构回波损耗曲线见图 5。 表4 频率 500000 12993750 25487500 37981250 50475000 回波损耗和结构回波损(dB 5. 00 5. E+0 86 6 6. E+0 71 6 7. E+0 57 6 8. E+0 42 6 9. E+0 28 6 1. E+0 01 6 1. E+0 10 7 1. E+0 18 7 1. E+0 27 7 E+ 07 频率(Hz 图4 开短路法测得的电缆的特性阻抗（幅值） 结构回波损耗测量方法

20、X 阻抗虚部 0.15 0.69 0.96 1.23 1.04 回波损耗和结构回波损 回波损耗 -45.74 -42.74 -38.06 -34.25 -33.27 R 阻抗实部 50.497 50.247 50.818 51.539 51.955 输入阻抗模 50.497 50.251 50.827 51.553 51.965 结构反射 系数 0.007 0.011 0.010 0.013 0.013 SLR 结构回 损 -43.654 -39.030 -40.045 -38.006 -37.884 0.00 -10.00 -20.00 -30.00 -40.00 -50.00 -60.00

21、 5. 00 1. E+0 00 5 2. E+0 00 8 3. E+0 00 8 4. E+0 00 8 5. E+0 00 8 6. E+0 00 8 7. E+0 00 8 8. E+0 00 8 9. E+0 00 8 1. E+0 00 8 E+ 09 回波损耗 结构回波损耗 频率(Hz 图5 回波损耗和结构回波损耗 论射频电缆阻抗及回波损耗测量方法 第8页 共8页 根据定义，回波损耗反映的是电缆的输入阻抗与测量系统阻抗之间的偏差，它既体现了电缆的 结构不均匀性又反映出电缆阻抗与测量系统阻抗的偏差（或匹配程度）；而结构回波损耗只反映电 缆的输入阻抗与电缆自身阻抗平均值的偏差，所以，结构回波损耗反映的只是电缆本身结构的不均 匀性。虽然回波损耗和结构回波损耗两种指标都能反映电缆质量的好坏，但结构回波损耗只反映电 缆结构均匀性，而与电缆阻抗是否偏离系统阻抗无关。一般而言，结构回波损耗比回波损耗较好些。 5 同轴电缆阻抗和回波损耗测量方法的时域测量方法 5.1 用时域反射计测量 时域反射计测量有脉冲