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1、新型测量射频电缆特性阻抗的方法0引言特性阻抗是设计和选用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和系统中其它部件的匹配。在电缆的实际应用中，特性阻抗确实是一个很重要、很实用的参数，它可以很方便地分析传输线的工作状态，因此必须尽可能精确地测量它。射频同轴电缆的特性阻抗通常为50或75，其中50的射频电缆应用得最多。射频同轴电缆特性阻抗的测量可以有频域测量和时域测量两种方法。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，特别推荐一种更便捷、更实效的通过测量单个连接器电压驻波比测得射频电缆特性阻抗的方法。1射频电缆阻抗的概念射频电缆作为传输线在通讯系统中
2、应用得十分广泛。当电磁波在射频电缆上传播时，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传输线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，当传输线是无限长时，传输线上只有向前行进的波，叫行波。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Z0,这个数值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，其上任一点的输入阻抗也处处相等而与线长无关。这个恒定电阻值就是传输线的特性阻抗值。射频电缆的特性阻抗仅取决于内外导体的直径尺寸以及其间充
3、填介质的等效介电参数，而与线长无关。2 射频电缆阻抗的测量射频电缆的特性阻抗可以用频域法或时域法测量。频域法一般采用矢量网络分析仪对电缆性能进行测试。矢量网络分析仪使用带通滤波器和数字滤波器，具有很低的背景噪声，能够精确的测量电缆的特性阻抗。频域法按测试信号的方向又可分为传输测量和反射测量两种。2.1用矢量网络分析仪测量特性阻抗2.1.1 测试原理2.1.1.1 传输相位法传输线的特性阻抗与相位、频率及电缆总电容有如下关系： （1）式中是被测电缆试样的绝对传输相位。只要测出电缆试样的总电容及其在某一频率点上的绝对相位，就可以按上式计算出该电缆的特性阻抗。2.1.1.2 传输相位差法波在传输线中
4、传播的相位与频率、线长和波速有如下关系： 看见波的相位是周期变化的。因此，总可以找到相邻的两个同相位点，其相位差为，频率差为，于是可得到： （2）只要测出频率差和电缆总电容，就可以按上式计算出电缆的特性阻抗。2.1.1.3 开短路谐振法当电缆一端开路或短路时，频率的改变引起引起电缆弹性阻抗的周期性变化，此时检波器读数也会产生周期性变动，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。只要测出相邻两个最大值（或最小值）之间的频率差，并测得电缆的总电容，就按以下公式计算电缆的特性阻抗： （3）式中为被测电缆试样的特性阻抗，单位；为被测电缆试样上相邻两个谐振频率差
5、，单位MHz；为被测电缆试样的总电容，单位pF。2.1.1.4单连接器法用矢量网络分析仪进行反射测试时，可以通过S参数S11或S22测出射频电缆组件的电压驻波比。反射系数是被测电缆的阻抗与系统标称阻抗不匹配程度的量度，它与电缆输入阻抗和测试系统的标准阻抗（50）的关系式为： （4）由上式可知，只要我们测出反射系数，便可以计算出电缆的输入阻抗。然而，事情并没有这么简单。首先，上式中的反射系数是矢量，而测量的数据是标量电压驻波比，因此，不能按上式进行简单的运算；其次，更重要的是，我们要求的是电缆的特性阻抗，不是输入阻抗，而正如前所述，这两者是完全不同的概念。有人把用网络分析仪测得的输入阻抗当成特性
6、阻抗，这是不正确的。要测量电缆的特性阻抗，可借助于测量单个射频连接器的电压驻波比来得到。我们知道，电缆组件的电压驻波比是由两个连接器和一段电缆的驻波比叠加而成的，其中包括了电缆的不均匀性、阻抗偏差和连接器的不连续性及阻抗偏差引起的电压驻波比。射频连接器的电压驻波比主要是由于连接器内部阻抗的不均匀性以及与电缆特性阻抗的偏差引起的。对于正确设计的射频连接器，其特性阻抗容易控制在500.5之内，内部阻抗不均匀性包括尺寸突变产生的不连续电容引起的驻波比极小。所以，在低频段如200MHZ以下，连接器的驻波比一般在1.005的量级，可以忽略不计。电缆内部的阻抗不均匀性引起的反射是不可忽视的，测试时应把这部
7、份的影响消除掉。因此，单个连接器中最主要的反射源来自电缆阻抗与标准阻抗的偏差。因此，可以从测得的单个连接器电压驻波比直接得到电缆的特性阻抗。2.1.2 特性阻抗测试实例根据上述原理，取一段8D-FB型射频电缆，两端装接好相配连接器，在网络分析仪上测得其电长度为4.4052m，总电容为291.1 pF。在网络分析仪上测得该电缆的相位和总相位见表1，根据公式（1）计算出的特性阻抗值也列在表中。表1 8D-FB型电缆试样的相位和总相位频率 （MHZ）相位 （度）总相位 （度）特性阻抗 （）50.00095.130264.87050.55100.000-169.264529.26450.50150.0
8、00-73.614793.61450.49200.00022.0131057.98750.48500.000-123.6762643.67650.45800.00091.0844228.91650.441000.000114.1255285.87550.441500.000-7.6877927.68750.431800.000-152.7719512.77150.432000.000-129.49110569.49150.432400.000-83.13112683.13150.433000.000-13.71315853.71350.43如用传输相位差法测量，则可得到如图1所示的曲线。从曲线
9、中可以求得：69.144MHZ,再按公式（2）计算得：=49.68。若将测试中心频率分别设置在1000MHZ和2000MHZ时，则可方便地测得特性阻抗分别为49.52和49.52.图1要测量单个连接器的驻波比，可以采用矢量网络分析仪的反射模式测量。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到距离模式；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，便可得到如图3所示的史密斯圆图，读出200MHz时的阻抗数据即是电缆的特性阻抗。显示的阻抗是复数，由于频
10、率很低，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图32.1.3 测试结果比较和分析为了便于比较，特将上述用几种不同方法测试同一根电缆特性阻抗的测试结果汇总在表2中。表2 测试数据汇总表频率（MHz）501001502005001000150020002400传输相位法50.5550.5050.4950.4850.4550.4450.4350.4350.43传输相位差法49.6849.5249.52单连接器法50.5750.5750.5750.5750.6750.854
11、9.52从表中可以看出：用传输相位法测量射频电缆的特性阻抗，当频率大于100MHz时，其测量值相差甚微，可以认为与频率无关；而用传输相位差法测试时，其各频率下的测量值相差较大，这是因为所选两频率点的相位差不精确等于所致；用单连接器法测试时，当频率小于200MHz时，其各频率下的测量值几乎相等，且与用传输相位法测量的结果十分接近，而当频率大于200MHz时，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）随着频率的增加而呈现明显的作用所致。综上所述，可以认为：在射频频段，射频电缆的特性阻抗与频率无关，只需在国标GB4098.3 射频电缆特性阻抗测量方法规定的30200MHz频率范围内的任一频率用传输相位法测量即可；传输相位差法由于误差较大，最好慎用；单连接器法简单，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效的好方法，建议优选使用。 参 考 文 献 1汪祥兴.射频电缆设计手册.2朱荣华，李谦若.论同轴电缆阻抗测试方法.3陈天化.射频同轴连接器.6