特性阻抗是設(shè)計(jì)和選用射頻同軸電纜時(shí)很重要的參數(shù)。本文從工程應(yīng)用出發(fā),介紹幾種在生產(chǎn)中常用的特性阻抗測(cè)量方法。
射頻同軸電纜作為傳輸線在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛。特性阻抗是設(shè)計(jì)和選用射頻同軸電纜時(shí)首先要考慮的電氣參數(shù),最大功率傳輸、最小信號(hào)反射都取決于電纜的特性阻抗及其與系統(tǒng)中其他部件的匹配。在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)電纜特性阻抗可便捷地分析傳輸線的工作狀態(tài),因此精確地測(cè)量其值十分關(guān)鍵。
當(dāng)電磁波在電纜上傳播時(shí),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(diǎn)的總電壓與總電流之比定義為該點(diǎn)向負(fù)載端看過(guò)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(zhǎng)有關(guān),而且還與頻率有關(guān),然而當(dāng)傳輸線無(wú)限長(zhǎng)時(shí),傳輸線上只有向前行進(jìn)的波(行波)。這時(shí),傳輸線上任一點(diǎn)的輸入阻抗與線長(zhǎng)無(wú)關(guān),而是等于一個(gè)恒值Zc,其稱為傳輸線的特性阻抗。
另外,當(dāng)傳輸線終端接某一個(gè)恒定值的純電阻負(fù)載時(shí),傳輸線上任一點(diǎn)的輸入阻抗也處處相等并與線長(zhǎng)無(wú)關(guān)。這個(gè)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Zc僅取決于傳輸線內(nèi)外導(dǎo)體的直徑以及其間填充介質(zhì)的等效介電常數(shù),而與線長(zhǎng)無(wú)關(guān)。
射頻同軸電纜特性阻抗可以用頻域法或時(shí)域法測(cè)量。頻域法一般采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)電纜性能進(jìn)行測(cè)試,由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用帶通濾波器和數(shù)字濾波器,具有很低的背景噪聲,因此能夠?qū)﹄娎|特性阻抗進(jìn)行精確測(cè)量。按測(cè)試信號(hào)不同的傳輸方向,頻域法又可分為傳輸測(cè)量和反射測(cè)量?jī)煞N。目前常用的射頻同軸電纜特性阻抗測(cè)量方法中,傳輸相位法、傳輸相位差法、開路或短路諧振法等屬于頻域法中的傳輸測(cè)量,而較新的單連接器測(cè)量法是屬于頻域法中的反射測(cè)量。
傳輸相位法的測(cè)量原理是根據(jù)傳輸線特性阻抗Zc與相位、頻率及電纜總電容的關(guān)系:

式中φ為被測(cè)電纜試樣的絕對(duì)傳輸相位;f為測(cè)試頻率,其單位為MHz;Cl為電纜總電容,其單位為pF。只要測(cè)出電纜試樣的總電容及其在某一頻率點(diǎn)上的絕對(duì)相位,就可以按上式計(jì)算出該電纜的特性阻抗。
(二)傳輸相位差法
傳輸相位差法的測(cè)量原理是根據(jù)傳輸線特性阻抗Zc與相位傳輸速度VP的關(guān)系:

式中C為單位長(zhǎng)度的電纜電容。波在傳輸線中傳播的相位變化2π,相位傳輸速度VP與相應(yīng)2π相位變化的頻率差Δf的關(guān)系為VP=lΔf,則

只要測(cè)出頻率差和電纜總電容,就可以按上式計(jì)算出電纜的特性阻抗。
(三)開路或短路諧振法
當(dāng)電纜一端開路或短路時(shí),頻率的改變會(huì)引起電纜輸入阻抗的周期性變化,表現(xiàn)為檢波器讀數(shù)的周期性變動(dòng),相鄰兩個(gè)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振點(diǎn)(即相鄰兩個(gè)最大值或最小值)之間相差半個(gè)波長(zhǎng),即相位差π。只要測(cè)出電纜試樣上相鄰兩個(gè)最大值(或最小值)之間的頻率差Δf′(單位為MHz),并按標(biāo)準(zhǔn)GB 4098.2—1983測(cè)得試樣電纜的總電容Cl(單位為pF),就可按下式計(jì)算電纜的特性阻抗:

(四)單連接器法
當(dāng)終端端接負(fù)載時(shí)電纜的輸入阻抗Zin、被測(cè)電纜的特性阻抗Zc和反射系數(shù)Γ的關(guān)系為:

當(dāng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行反射測(cè)試時(shí),可以通過(guò)S11或S22參數(shù)測(cè)出射頻同軸電纜組件的電壓駐波比。反射系數(shù)Γ反映了被測(cè)電纜的輸入阻抗與系統(tǒng)標(biāo)稱阻抗Z0不匹配的程度,它與電纜輸入阻抗Zin和測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)稱阻抗Z0(50Ψ或75Ψ)的關(guān)系式為:

由上式可知,只要我們測(cè)出反射系數(shù)Г,便可以計(jì)算出電纜的輸入阻抗Zin。由于反射系數(shù)Г是矢量,而現(xiàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)是標(biāo)量電壓駐波比,并且由反射系數(shù)Г只能獲得輸入阻抗,而非特性阻抗,因此必須借助于測(cè)量單個(gè)射頻連接器的電壓駐波比來(lái)獲得電纜的特性阻抗。所測(cè)得的電纜組件電壓駐波比是由兩個(gè)連接器和一段電纜的駐波比疊加而成的,其中包括了電纜的不均勻性、阻抗偏差和連接器的不連續(xù)性及阻抗偏差。
射頻連接器的電壓駐波比主要是由連接器內(nèi)部阻抗的不均勻性以及與電纜特性阻抗的偏差引起的。由于射頻連接器的特性阻抗較易控制(如(50±0.5)Ψ),其內(nèi)部阻抗不均勻性包括尺寸突變產(chǎn)生的不連續(xù)電容引起的駐波比極小,且在低頻(如200MHz)段以下,連接器的駐波比一般僅在1.005左右,遠(yuǎn)小于電纜組件的電壓駐波比,因此連接器的電壓駐波比可以忽略不計(jì),但被測(cè)電纜內(nèi)部的阻抗不均勻性引起的反射不可忽視,測(cè)試時(shí)應(yīng)把這部分影響消除掉,從而使得單個(gè)連接器中最主要的反射源來(lái)自電纜阻抗與標(biāo)準(zhǔn)阻抗的偏差,最終可以通過(guò)測(cè)得單個(gè)連接器電壓駐波比直接獲得被測(cè)電纜的特性阻抗。
在射頻段,射頻電纜的特性阻抗與頻率無(wú)關(guān),因此只需在國(guó)標(biāo)GB 4098.3《射頻電纜特性阻抗測(cè)量方法》規(guī)定的30~200MHz頻率范圍內(nèi)的任一頻率用傳輸相位法測(cè)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(jiǎn)單,測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,且直接與電壓駐波比掛鉤,具有很強(qiáng)的實(shí)用性,是測(cè)量射頻電纜特性阻抗的一種便捷而實(shí)用的好方法,建議優(yōu)選使用。(來(lái)源:中國(guó)線纜網(wǎng)) |