1、6新型測量射頻電纜特性阻抗的方法。引言特性阻抗是設計和選用電纜時首先要考慮的電氣參數，最大功率傳輸、最小信號反射都取決于電纜的特性阻抗和系統中其它部件的匹配。 在電纜的實際應用中， 特性阻抗確實是一 個很重要、很實用的參數，它可以很方便地分析傳輸線的工作狀態， 因此必須盡可能精確地 測量它。射頻同軸電纜的特性阻抗通常為 50或75Q,其中50的射頻電纜應用得最多。射頻同軸電纜特性阻抗的測量可以有頻域測量和時域測量兩種方法。本文從工程應用出發，介紹幾種在生產中常用的阻抗測量方法， 特別推薦一種更便捷、 更實效的通過測量單個 連接器電壓駐波比測得射頻電纜特性阻抗的方法。1射頻電纜阻抗的概念射頻電纜

2、作為傳輸線在通訊系統中應用得十分廣泛。當電磁波在射頻電纜上傳播時，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。傳輸線上任一點的總電壓與總電流之比定義為傳輸線該點向負載端看過去的輸入阻抗。在一般情況下，傳輸線的輸入阻抗不僅與線長有關，而且還與頻率有關。然而，當傳輸線是 無限長時，傳輸線上只有向前行進的波，叫行波。這時，傳輸線上任一點的輸入阻抗與線長 無關，而是等于一個恒值 Zo,這個數值稱為傳輸線的特性阻抗。另外，當傳輸線終端接某一 個恒定值的純電阻負載時，其上任一點的輸入阻抗也處處相等而與線長無關。這個恒定電阻值就是傳輸線的特性阻抗值。射頻電纜的特性阻抗 Zo

3、僅取決于內外導體的直徑尺寸以及其間充填介質的等效介電參 數，而與線長無關。2射頻電纜阻抗的測量射頻電纜的特性阻抗可以用頻域法或時域法測量。頻域法一般采用矢量網絡分析儀對電纜性能進行測試。矢量網絡分析儀使用帶通濾波器和數字濾波器，具有很低的背景噪聲，能夠精確的測量電纜的特性阻抗。頻域法按測試信號的方向又可分為傳輸測量和反射測量兩 種。2.1 用矢量網絡分析儀測量特性阻抗2.1.1 測試原理2.1.1.1 傳輸相位法傳輸線的特性阻抗與相位、頻率及電纜總電容有如下關系:Zo<P2"(1)式中邛是被測電纜試樣的絕對傳輸相位。只要測出電纜試樣的總電容及其在某一頻率點上的絕對相位，就可以按

4、上式計算出該電纜的特性阻抗。2.1.1.2 傳輸相位差法波在傳輸線中傳播的相位與頻率、線長和波速有如下關系：Vp看見波的相位是周期變化的。因此，總可以找到相鄰的兩個同相位點，其相位差為率差為:f ,于是可得到：Z01fCl只要測出頻率差和電纜總電容，就可以按上式計算出電纜的特性阻抗。 2.1.1.3 開短路諧振法當電纜一端開路或短路時，頻率的改變引起引起電纜彈性阻抗的周期性變化，此時檢波器讀數也會產生周期性變動，相鄰兩個并聯諧振或串聯諧振點(即相鄰兩個最大值或最小值)_ 106Z0 - 2 fCi之間相差半個波長，即相位差 n。只要測出相鄰兩個最大值(或最小值)之間的頻率差，并 測得電纜的總電

5、容，就按以下公式計算電纜的特性阻抗：(3)式中Z0為被測電纜試樣的特性阻抗，單位Q ; Af為被測電纜試樣上相鄰兩個諧振頻率差，單位MHz; Ci為被測電纜試樣的總電容，單位pF。2.1.1.4單連接器法用矢量網絡分析儀進行反射測試時，可以通過S參數S1或S22測出射頻電纜組件的電壓駐波比。反射系數 r是被測電纜的阻抗與系統標稱阻抗 z0不匹配程度的量度，它與電纜 輸入阻抗Zin和測試系統的標準阻抗 Z0 (50Q)的關系式為：1 .一Zin _ Z0_(4)1 -.由上式可知，只要我們測出反射系數r,便可以計算出電纜的輸入阻抗 Zin。然而，事情并沒有這么簡單。首先，上式中的反射系數r是矢量

6、，而測量的數據是標量電壓駐波比，因此，不能按上式進行簡單的運算；其次，更重要的是，我們要求的是電纜的特性阻抗，不 是輸入阻抗，而正如前所述，這兩者是完全不同的概念。有人把用網絡分析儀測得的輸入阻 抗當成特性阻抗，這是不正確的。要測量電纜的特性阻抗，可借助于測量單個射頻連接器的電壓駐波比來得到。我們知道,電纜組件的電壓駐波比是由兩個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性及阻抗偏差引起的電壓駐波比。射頻連接器的電壓駐波比主要是由于連接器內部阻抗的不均勻性以及與電纜特性阻抗的偏差引起的。對于正確設計的射頻連接器，其特性阻抗容易控制在50 a 

7、7;0.5 之內，內部阻抗不均勻性包括尺寸突變產生的不連續電容引起的駐波比極小。所以，在低頻段如200MHz以下，連接器的駐波比一般在1.005的量級，可以忽略不計。電纜內部的阻抗不均勻性引起的反射是不可忽視的， 測試時應把這部份的影響消除掉。因此，單個連接器中最主要的反射源來自電纜阻抗與標準阻抗的偏差。因此，可以從測得的單個連接器電壓駐波比直接得到電纜的特性阻抗。 2.1.2特性阻抗測試實例根據上述原理，取一段 8D-FB型射頻電纜，兩端裝接好相配連接器，在網絡分析儀上 測得其電長度為 4.4052m,總電容為291.1 pF 。在網絡分析儀上測得該電纜的相位和總相位見表1,根據公式(1)計

8、算出的特性阻抗值也列在表中。頻率 （MH）相位（度）總相位（度）特性阻抗（Q ）50.00095.130264.87050.55100.000-169.264529.26450.50150.000-73.614793.61450.49200.00022.0131057.98750.48500.000-123.6762643.67650.45800.00091.0844228.91650.441000.000114.1255285.87550.441500.000-7.6877927.68750.431800.000-152.7719512.77150.432000.000-129.491105

9、69.49150.432400.000-83.13112683.13150.433000.000-13.71315853.71350.43表1 8D-FB型電纜試樣的相位和總相位f =69.144MHz,再按公式（2）計算得:和2000MH時，則可方便地測得特性阻抗如用傳輸相位差法測量，則可得到如圖1所示的曲線。從 曲線中可以求得Zo=49.68 Q。若將測試中心頻率分別設置在1000MHZo 分別為 49.52 Q 和 49.52 Q .CH 1 - S21 REFERENCE PLfiNE 0 .B00B MflfiKER TO PEftKriQHE圖1要測量單個連接器的駐波比，可以采用矢

10、量網絡分析儀的反射模式測量。利用矢量網絡分析儀的時域功能，在時域狀態下將橫坐標設置到距離模式；然后移動時域門的位置選定近端的連接器，再將時域狀態轉換到頻域狀態，此時數據顯示的是被測單個連接器的電壓駐OFFOf F17.458990 11HzSMITH圓圖上，便可波比如圖2所示；最后將矢量網絡分析儀的測試參數選擇開關放置在得到如圖3所示的史密斯圓圖， 讀出200MHz時的阻抗數據即是電纜的特性阻抗。顯示的阻抗是復數，由于頻率很低，其虛部通常只有幾十毫歐，可以忽略不計。故取其實部數值作為被測電纜的特性阻抗值。如果發現虛部數值大到不可忽略，則必須檢查連接器的安裝是否正確以及選用之連接器是否合適。0.

11、0000SMFi*REF-I U3 I1 .HEIg4&中GOG GHzI .022 Us 2 .seeeeeo ghe l .039 UMflRKEfl TO PEAKNOfiE1.814 uNARKER TO PEAKMORECH 1 - SilREFERENCE PLANE12股.ggBB時 MHz50.566 Q-14,628 jNZi 39B.BeeSlB HHz 50,666 9-01.9E6 Ja93： 1.0099600 GHe 51.949 a-679.611 JiQi： 2+eee000»sB gh2明.376。- 1 ,7082.1.3測試結果比較和分析

12、為了便于比較，特將上述用幾種不同方法測試同一根電纜特性阻抗的測試結果匯總在 表2中。表2測試數據匯總表頻率（MHz501001502005001000150020002400傳輸相位法50.5550.5050.4950.4850.4550.4450.4350.4350.43傳輸相位差法49.6849.5249.52單連接器法50.5750.5750.5750.5750.6750.8549.52從表中可以看出：用傳輸相位法測量射頻電纜的特性阻抗，當頻率大于100MHz時，其測量值相差甚微，可以認為與頻率無關；而用傳輸相位差法測試時，其各頻率下的測量值相差較大，這是因為所選兩頻率點的相位差不精確等于n所致；用單連接器法測試時， 當頻率小于200MHz時，其各頻率下的測量值幾乎相等，且與用傳輸相位法測量的結果十分接近， 而當頻率大于200MHz時，特性阻抗測量值明顯增大，這是由于連接器中的剩余電抗（不完 全補償）隨著頻率的增加而呈現明顯的作用所致。綜上所述，可以認為：在射頻頻段，射頻電纜的特性阻抗與頻率無關