吳雪華,侯鵬翔
(1.中電科思儀科技股份有限公司,山東 青島;2.青島依愛科技有限公司,山東 青島)
射頻同軸電纜組件是通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件,多數(shù)情況下用戶并不認(rèn)為它們是通信系統(tǒng)的核心技術(shù)部件,忽視電纜的特性對(duì)通信系統(tǒng)的影響。不良的射頻電纜會(huì)導(dǎo)致該通信系統(tǒng)的指標(biāo)嚴(yán)重惡化甚至整體功能失效,因此必須重視對(duì)電纜特性的測(cè)量評(píng)估[1]。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、S 參數(shù)測(cè)試單元、接收機(jī)、校準(zhǔn)件和測(cè)試電纜組成,具備頻域和時(shí)域下的測(cè)試能力,能夠完成復(fù)傳輸和復(fù)反射S 參數(shù)測(cè)量和分析,是電纜S 參數(shù)評(píng)估的核心測(cè)試儀器,可實(shí)現(xiàn)電纜組件的傳輸和反射特性測(cè)試,在電纜的電長(zhǎng)度評(píng)估方面發(fā)揮重要作用[2-4]。由于評(píng)估電纜的電長(zhǎng)度(或者群時(shí)延)比較困難,因此,運(yùn)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)電長(zhǎng)度的測(cè)試和評(píng)估成為一項(xiàng)重要的測(cè)試應(yīng)用技術(shù)。本文研究了應(yīng)用群時(shí)延測(cè)量同軸電纜電長(zhǎng)度的測(cè)試技術(shù),并結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析對(duì)比和驗(yàn)證。
群時(shí)延是在一定帶寬內(nèi),不同頻率信號(hào)通過(guò)射頻電纜的實(shí)際傳輸時(shí)間,群時(shí)延隨頻率而變化。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的群時(shí)延測(cè)試是通過(guò)被測(cè)件的傳輸相位特性對(duì)頻率求導(dǎo)計(jì)算,可以觀測(cè)到不同頻率信號(hào)通過(guò)電纜的傳輸時(shí)間,實(shí)現(xiàn)相位失真的總體觀測(cè)。計(jì)算公式如下:
群時(shí)延測(cè)量中,相位特性包括線性相移分量和高次相移分量。線性相移分量代表信號(hào)的平均傳輸時(shí)間,表明了器件的電長(zhǎng)度;高次相移分量代表了時(shí)間隨頻率的變化,是引起信號(hào)相位失真的原因。電纜屬于線性微波部件,本文所說(shuō)的電纜電長(zhǎng)度,測(cè)量的是其平均傳輸時(shí)間[5]。
測(cè)量群時(shí)延時(shí),儀器先測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰頻率點(diǎn)上的相位,以計(jì)算相位斜率。兩個(gè)相位測(cè)量點(diǎn)之間的頻率間隔稱為孔徑。改變孔徑可以影響群時(shí)延值,因此對(duì)群時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試時(shí),必需明確測(cè)量時(shí)所用的孔徑。
為了實(shí)現(xiàn)電纜電長(zhǎng)度的精確測(cè)量,首先要考慮群時(shí)延孔徑的設(shè)置。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀默認(rèn)的群時(shí)延孔徑為兩個(gè)相鄰掃描點(diǎn)的頻率間隔,采用兩種方法可改變孔徑的大小,一是改變測(cè)量點(diǎn)數(shù)或頻率跨度:增加掃頻段內(nèi)點(diǎn)數(shù)或減小頻率跨度使孔徑變窄;減少點(diǎn)數(shù)或增大頻率跨度使孔徑變寬。二是利用儀器的平滑功能,打開平滑功能,改變平滑設(shè)置中取值范圍的百分比,這樣做的效果與改變掃描點(diǎn)之間的頻率間隔類似。
測(cè)量孔徑的確定如圖1 所示。
圖1 測(cè)量孔徑的確定
在電纜的電長(zhǎng)度測(cè)量時(shí),特別是在物理長(zhǎng)度比較長(zhǎng)的電纜或通道測(cè)量時(shí),保證相鄰掃頻頻段內(nèi)測(cè)量點(diǎn)之間的相位差小于180°是非常重要的,尤其是測(cè)量長(zhǎng)電纜時(shí),如果設(shè)置不當(dāng),可能出現(xiàn)欠取樣現(xiàn)象,致使相位對(duì)頻率的微分計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤,從而得到錯(cuò)誤的群時(shí)延信息。在很多情況下難以判斷測(cè)試結(jié)果是否正確,可以通過(guò)以下三種辦法進(jìn)行設(shè)置和判斷:
(1) 在測(cè)量頻率、帶寬不變的情況下,通過(guò)不斷增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)和判斷,直到測(cè)量軌跡不再改變,以確保兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的相位差小于180°,這時(shí)測(cè)量到的群時(shí)延曲線或者數(shù)值將基本保持恒定,不再發(fā)生大的變化。
(2) 在測(cè)量點(diǎn)數(shù)設(shè)置不變的情況下,通過(guò)減小頻率跨度,直到測(cè)量軌跡不再改變,來(lái)確保兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的相位差小于180°,起到有效的延時(shí)孔徑確定的目的。
(3) 根據(jù)電纜物理長(zhǎng)度和速率因子進(jìn)行測(cè)試評(píng)估計(jì)算,確定合適的延時(shí)孔徑,再根據(jù)確定的孔徑設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量點(diǎn)數(shù)和其它設(shè)置,以保證群時(shí)延測(cè)試的參數(shù)設(shè)置正確。
設(shè)置合適的測(cè)量孔徑后重新設(shè)置矢網(wǎng)的測(cè)量激勵(lì)。由于改變點(diǎn)數(shù)或者頻寬會(huì)使得矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)狀態(tài)失效或者精度降低,必要時(shí)需要迭代進(jìn)行重新校準(zhǔn)和測(cè)試,從而獲得正確的群時(shí)延測(cè)試數(shù)據(jù)。
欠采樣影響群時(shí)延測(cè)量的原理如圖2 所示。
圖2 欠采樣影響群時(shí)延測(cè)量的原理
群時(shí)延測(cè)量中的主要誤差是頻響,為了獲得精確的測(cè)量結(jié)果,在確定好延時(shí)孔徑后,進(jìn)行直通響應(yīng)校準(zhǔn)能顯著減小這個(gè)誤差。為了獲得更高的群時(shí)延測(cè)試精度,可對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行全雙端口校準(zhǔn)[6-7]。
(1) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀開機(jī)預(yù)熱至整機(jī)性能穩(wěn)定。
(2) 設(shè)置測(cè)量功率,將激勵(lì)源功率設(shè)定在本機(jī)的線性區(qū)域(通常至少低于輸入1 dB 壓縮點(diǎn)10 dB)。
(3) 選擇S21 測(cè)量,為被測(cè)電纜選擇設(shè)置,包括測(cè)量格式、比例和測(cè)量點(diǎn)數(shù)。
(4) 預(yù)評(píng)估延時(shí)孔徑的正確與否,選擇合適的點(diǎn)數(shù)確保不發(fā)生欠采樣。
(5) 移去被測(cè)件,進(jìn)行SOLT 校準(zhǔn)。
(6) 重新連接被測(cè)件, 設(shè)置顯示格式為群時(shí)延,為測(cè)量顯示設(shè)置比例以便進(jìn)行最佳觀察。
(7) 利用儀器的平滑功能來(lái)增大孔徑,減小跡線上的噪聲,同時(shí)保持有意義的細(xì)節(jié)信息,為了增大孔徑,可以采取打開分析儀的平滑功能,改變平滑孔徑(最大為頻率跨度的25%)。利用光標(biāo)讀取關(guān)注頻率處的群時(shí)延,打印或保存數(shù)據(jù)。
運(yùn)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)電纜特別是長(zhǎng)電纜進(jìn)行電長(zhǎng)度測(cè)試分析時(shí),確定測(cè)試參數(shù)配置的選擇非常重要。如圖3 所示,對(duì)一卷12 米長(zhǎng)的射頻電纜(翼波公司LD-S/SRT40AL-12000H)進(jìn)行電長(zhǎng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。采用3672B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀, 選用20403/ECAL 校準(zhǔn)件,為提高校準(zhǔn)效率和測(cè)試效率,測(cè)試頻率掃描寬度4~8 GHz;為使儀器接收機(jī)工作在最佳線性區(qū),功率設(shè)置-5 dBm,校準(zhǔn)方法選用電子校準(zhǔn)。為了減少噪聲的影響,在進(jìn)行電纜的群時(shí)延測(cè)量值讀取時(shí),可以打開儀器的軌跡統(tǒng)計(jì)功能,讀取平均值可有效降低噪聲對(duì)于群時(shí)延數(shù)據(jù)的影響,提高測(cè)試精度。
圖3 電纜電長(zhǎng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)
(1) 在儀器默認(rèn)的201 點(diǎn)下,使用電子校準(zhǔn)件對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn),然后測(cè)量S21, 格式設(shè)置為群時(shí)延,測(cè)試結(jié)果電長(zhǎng)度為6.19 納秒(見圖4),采用儀器默認(rèn)的測(cè)試點(diǎn)數(shù)無(wú)法確定測(cè)試結(jié)果是否正確,無(wú)法確定孔徑是否合適。
圖4 201 點(diǎn)、401 點(diǎn)設(shè)置下群時(shí)延測(cè)試結(jié)果
(2) 由于在不知道電纜的長(zhǎng)度和速率因子情況下,無(wú)法判斷測(cè)試結(jié)果是否正確。增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)設(shè)置為401 點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)電延時(shí)測(cè)試結(jié)果突變?yōu)?43 ns,顯然該測(cè)試結(jié)果不正確。因此,可以判斷401點(diǎn)設(shè)置孔徑的測(cè)量結(jié)果(見圖4)與201 點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果都不正確。
(3) 在頻寬保持不變情況下增加儀器的掃描點(diǎn)數(shù)為1601 點(diǎn),重新校準(zhǔn)后測(cè)試試驗(yàn)電纜,結(jié)果為56.2 ns,顯然測(cè)試結(jié)果和以上結(jié)果差距較大。把掃描點(diǎn)數(shù)改為1701 點(diǎn),測(cè)試結(jié)果是56.19 ns,基本保持不變;重新校準(zhǔn)儀器,驗(yàn)證801 點(diǎn)的設(shè)置是否滿足延時(shí)孔徑對(duì)測(cè)試結(jié)果的是否正確,測(cè)量結(jié)果是56.2 ns(見圖5)。
圖5 1601 點(diǎn)、1701 點(diǎn)、801 點(diǎn)設(shè)置下群時(shí)延測(cè)試結(jié)果
(4) 利用儀器時(shí)域功能對(duì)群時(shí)延測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證。
利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配備的時(shí)域功能選件,對(duì)1601 測(cè)試點(diǎn)數(shù)下電長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[8-10]。3672B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)試點(diǎn)數(shù)為1601 點(diǎn)情況下(該點(diǎn)數(shù)設(shè)置可以滿足電纜測(cè)量時(shí)域量程的需要),在校準(zhǔn)完成后連接電纜進(jìn)行測(cè)試,然后打開時(shí)域功能選項(xiàng),可使用傳輸時(shí)域法或反射法測(cè)量,本文選用傳輸時(shí)域法進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果為56.2 ns(見圖6),和上述群時(shí)延測(cè)試方法的結(jié)果完全一致。由于電纜的實(shí)際物理長(zhǎng)度已知,可以推斷出電纜的速率因子,計(jì)算出介電常數(shù)。
本文介紹了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的群時(shí)延技術(shù)在同軸電纜電長(zhǎng)度測(cè)量中的應(yīng)用,重點(diǎn)分析了延時(shí)孔徑設(shè)置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。測(cè)試同軸電纜特別是物理尺寸比較長(zhǎng)的電纜時(shí),如何設(shè)置孔徑并判斷測(cè)試結(jié)果是否正確至關(guān)重要。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了不同測(cè)量孔徑設(shè)置下的測(cè)試曲線數(shù)據(jù),對(duì)如何評(píng)估進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,并利用時(shí)域功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。掌握了群時(shí)延技術(shù)測(cè)量電纜電長(zhǎng)度的方法和技巧,對(duì)于其它無(wú)源和有源器部件的測(cè)試同樣具有重要的參考意義。