射频同轴电缆特性阻抗测量方法的探讨

    特性阻抗是‍‍‍‍‍‍‍‍设计和选用射频同轴电缆时很重要的电气参数。 从工程应用出发, 介绍几种在生产中常用的特性阻抗测量方法。 经过实测比较后, 特别推荐一种便捷、实效的通过测量单个连接器电压驻波比获得射频同轴电缆特性阻抗的方法。

    射频同轴电缆作为传输线在通信系统中的应用十分广泛 。特性阻抗是设计和选用射频同轴电缆时首先要考虑的电气参数, 最大功率传输 、最小信号反射都取决于电缆的特性阻抗及其与系统中其他部件的匹配。在实际应用中, 根据电缆特性阻抗可便捷地分析传输线的工作状态, 因此精确地测量其值十分关键。

当电磁波在电缆上传播时 ,通常存在着正向传播的入射波和反向传播的反射波 ,入射波和反射波相互叠加形成驻波。传输线上任一点的总电压与总电流之比定义为该点向负载端看过去的输入阻抗 。

在一般情况下, 传输线的输入阻抗不仅与线长有关 ,而且还与频率有关 ,然而当传输线无限长时,传输线上只有向前行进的波(行波)。这时, 传输线上任一点的输入阻抗与线长无关, 而是等于一个恒值 Z c ,其称为传输线的特性阻抗。另外, 当传输线终端接某一个恒定值的纯电阻负载时, 传输线上任一点的输入阻抗也处处相等并与线长无关。这个恒定电阻值就是传输线的特性阻抗值 。射频同轴电缆的特性阻抗 Z c 仅取决于传输线内外导体的直径以及其间填充介质的等效介电常数, 而与线长无关 。

传输相位法的测量原理是根据传输线特性阻抗Z c 与相位、频率及电缆总电容的关系 :

传输相位差法的测量原理是根据传输线特性阻抗 Z c 与相位传输速度 V P 的关系 :

当电缆一端开路或短路时 ,频率的改变会引起电缆输入阻抗的周期性变化, 表现为检波器读数的周期性变动,相邻两个并联谐振或串联谐振点(即相邻两个最大值或最小值)之间相差半个波长, 即相位差 π。只要测出电缆试样上相邻两个最大值(或最小值)之间的频率差 Δf′(单位为 MHz), 并按标准GB 4098.2 —1983 测得试样电缆的总电容 C l (单位为 pF),就可按下式计算电缆的特性阻抗 :

当终端端接负载时电缆的输入阻抗 Z in 、被测电缆的特性阻抗 Z c 和反射系数 Γ的关系为 

(1)在网络分析仪上测得该电缆的传输相位参见表 1, 并根据传输相位法的测量计算公式 , 即式(1)计算出该电缆的特性阻抗值, 例如 50 MHz 时Z c =264 .870 ×106 /(360×50×291.1)=50.55 Ψ。

表 1　 8D-FB型电缆试样的传输相位以及按传输相位法计算出的特性阻抗

(2)采用传输相位差法测量, 则可得到如图 1所示的曲线 。从图中 曲线可以求得平均 Δf =69 .144 MHz,再按传输相位差法的测量计算公式,即式(3), 计算 得 Z c =10 6 /(69.144 ×291.1)=49 .68 Ψ。若将测试中心频率分别设置在1 000 MHz和2 000 MHz 时,则可方便地测得特性阻抗 Z c 均为49 .52 Ψ。

图 1　 采用传输相位差法的测量曲线

(3)采用矢量网络分析仪的反射模式测量单个连接器的驻波比, 利用矢量网络分析仪的时域功能,在时域状态下将横坐标设置为距离模式 ;然后移动时域门的位置选定近端的连接器, 再将时域状态转换到频域状态 ,此时数据显示的是被测单个连接器的电压驻波比, 如图 2 所示;最后将矢量网络分析仪的测试参数选择开关放置在 Smith 圆图上, 便可得到 Smith 圆图 ,得到特性阻抗 ,如表 2 所示 。由于显示的阻抗是复数 ,在频率很低时,其虚部通常只有几十毫欧,可以忽略不计,故取其实部数值作为被测电缆的特性阻抗值 。如果发现虚部数值大到不可忽略 , 则必须检查连接器的安装是否正确以及选用之连接器是否合适。

图 2　 被测单个连接器的电压驻波比

表 2　 根据 Smith 圆图读出的电缆阻抗

     为了便于比较, 现将三种不同测试方法测得的同一根电缆特性阻抗的结果汇总在表 3 中 。从表中可以看出:

表 3　 3 种不同测试方法测得的电缆特性阻抗

01

当频率大于 100 MHz 时, 传输相位法测量的电缆特性阻抗值相差甚微, 可以认为电缆特性阻抗值与频率无关。

02

用传输相位差法测试时,其各频率下的测量值相差较大, 这是由于所选两频率点的相位差没有精确相等所致 。

03

当频率小于200 MHz 时, 单连接器法测量的电缆特性阻抗值在各频率下几乎相等, 且与传输相位法测量的结果十分接近 ,而当频率大于 200 MHz 时 ,其测得的特性阻抗测量值明显增大 , 这是由于连接器中的剩余电抗(不完全补偿)随着频率的增加而增大所致。

本文从工程应用出发 ,介绍几种在生产中常用的阻抗测量方法 。在射频段 ,射频电缆的特性阻抗与频率无关, 因此只需在国标GB 4098.3《射频电缆特性阻抗测量方法》规定的 30 ～ 200 MHz 频率范围内的任一频率用传输相位法测量即可 。由于传输相位差法误差较大, 最好慎用 。单连接器法操作简单,测量的数据准确, 且直接与电压驻波比挂钩,具有很强的实用性 ,是测量射频电缆特性阻抗的一种便捷而实用的好方法, 建议优选使用 。