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）

引言

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。

1 群時(shí)延技術(shù)在射頻電纜電長(zhǎng)度測(cè)量中的應(yīng)用

1.1 群時(shí)延技術(shù)測(cè)量原理

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]。

1.2 群時(shí)延孔徑設(shè)置技術(shù)

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]。

1.3 射頻電纜電長(zhǎng)度測(cè)量的方法步驟

（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)。

2 電纜電長(zhǎng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析

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)。

3 結(jié)論

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。