利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試射頻電纜

王妮

摘 要：射頻電纜的測(cè)試是高頻元器件中最基礎(chǔ)的測(cè)量，但在測(cè)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)影響測(cè)試結(jié)果及精度的因素，本文對(duì)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)各個(gè)參數(shù)的測(cè)試及其電纜測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題和解決的方案進(jìn)行的討論。

關(guān)鍵詞：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；電纜；衰減；延時(shí)；相位

隨著科技日新月異，微波器件測(cè)量的方法多種多樣，且元器件特性也多種多樣，對(duì)微波器件測(cè)量精度要求也越來(lái)越高，我們很自然的就想到利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量，它能提供最新的、最選進(jìn)的技術(shù)達(dá)到了最佳的測(cè)量效果，主要用于測(cè)量微波系統(tǒng)的傳輸特性（插損、相位、增益等）和反射特性（反射系數(shù)、駐波等）。本文將講述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量基本的微波元件電纜時(shí)的一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題和相關(guān)的解決方案。

線(xiàn)性器件是最簡(jiǎn)單的微波元件，而電纜或許是其中最簡(jiǎn)單的射頻元件，具有較低的損耗和良好的匹配，以空氣線(xiàn)為例，主要參數(shù)是阻抗和損耗，這種電纜通常電導(dǎo)為零，因此唯一的損耗是串聯(lián)電阻產(chǎn)生的損耗。

預(yù)測(cè)量-校準(zhǔn)

通過(guò)大量的實(shí)踐使用中使用的TRL和機(jī)械校準(zhǔn)件達(dá)不到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。不管使用的是什么類(lèi)型的校準(zhǔn)套件，最好的校準(zhǔn)方法幾乎總是SOLR或“未知直通”（unknown-thur）校準(zhǔn)。

對(duì)于低損耗的器件的系統(tǒng)設(shè)置而言，最好使用中等IF帶寬和多次掃描取平均功能來(lái)減少軌跡噪聲。且低損耗的器件校準(zhǔn)功率應(yīng)該足夠低以確保測(cè)試接收機(jī)不處于任何壓縮狀態(tài)。

衰減測(cè)量

電纜的衰減測(cè)量比較直接，選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳輸響應(yīng)中的S21。可直接測(cè)量出其他各頻段衰減。不過(guò)，任何電纜的測(cè)量都應(yīng)該在步進(jìn)掃描模式下進(jìn)行，對(duì)于非常長(zhǎng)的電纜，插損非常大。從而IF帶寬應(yīng)該設(shè)置得盡量窄來(lái)減小跡線(xiàn)噪聲。

測(cè)量電纜時(shí)的一個(gè)主要誤差源是用于耦合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀到電纜的輸入和輸出接頭。如果電纜集成有接頭，那么僅有的問(wèn)題就是確保接頭接口處有很好的校準(zhǔn)，對(duì)于長(zhǎng)電纜而言，電纜的損耗減小了失配效應(yīng)，完全二端口校準(zhǔn)的輸入和輸出失配校正在一定程度上補(bǔ)償了失配損耗。對(duì)于短電纜，接頭間的失配會(huì)造成電纜測(cè)量中嚴(yán)重的波紋。

如下圖1所示，一條高品質(zhì)的2m電纜的衰減，網(wǎng)分測(cè)試能仔細(xì)的看到所測(cè)試各頻段點(diǎn)的衰減。

圖 1 1.2長(zhǎng)電纜測(cè)量結(jié)果

回波損耗測(cè)量

隨著測(cè)量?jī)x器的更新進(jìn)步。現(xiàn)在的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都是以二端口或四端口為主，對(duì)于射頻元件的測(cè)量更方便快捷，測(cè)量數(shù)據(jù)更直觀。射頻電纜兩端的接頭一般具有相應(yīng)的校準(zhǔn)套件，如3.5mm/2.4mm/N型頭的接口，那么對(duì)于這些電纜和接頭的回波損耗測(cè)量就相對(duì)簡(jiǎn)單。然而對(duì)于無(wú)接口或不常見(jiàn)校準(zhǔn)套件的接口而言及非常長(zhǎng)的電纜其回波損耗測(cè)量成了問(wèn)題。

對(duì)于現(xiàn)在新型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)說(shuō)，如keysight公司的E系列網(wǎng)絡(luò)分析儀，集成了轉(zhuǎn)接頭影響消除方法，該方法通過(guò)兩次二端口校準(zhǔn)來(lái)完成混合接頭校準(zhǔn)，各個(gè)端口上連接的單個(gè)轉(zhuǎn)接頭的每端各一欠，此校準(zhǔn)流程需要在完成兩次校準(zhǔn)之后，從這兩次校準(zhǔn)中提取出一個(gè)新的校準(zhǔn)集。

電纜長(zhǎng)度和時(shí)延

對(duì)于長(zhǎng)電纜，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)相位響應(yīng)的欠采樣，也就是說(shuō)頻率間隔如此大， 以至于兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間有多于180o的相位變化。如下圖2所示，一條長(zhǎng)7m的電纜在同一頻率點(diǎn)四種不同掃描點(diǎn)數(shù)來(lái)測(cè)量。由于電纜長(zhǎng)度已知，所以按公式可計(jì)算

可直接計(jì)算出所需的頻率間隔，對(duì)于速率因子為70%（對(duì)于固體，VOP通常約為70%）的電纜，頻率間隔為15MHz。

根據(jù)“ns / ft”值計(jì)算特定長(zhǎng)度電纜的延遲是一件簡(jiǎn)單的事情。但使用VOP和以下公式計(jì)算延遲也是切實(shí)可行的：

d ：以納秒為單位的延遲

L ：以英尺為單位的電纜長(zhǎng)度

VOP：以百分比表示

根據(jù)公式可計(jì)算出此條電纜延時(shí)大概在33ns。根據(jù)理論計(jì)算出的頻率間隔和延時(shí)，我們觀察以下四個(gè)圖，可看到

如上圖2所示，四個(gè)窗口都顯示了相位的響應(yīng)和群延時(shí)，從（a）看出，它是儀器默認(rèn)的201掃描點(diǎn)數(shù)對(duì)5GHz頻段進(jìn)行測(cè)量，頻率間隔太大，明顯是欠采樣了。而（b）所示的測(cè)量增加了掃描點(diǎn)數(shù)，但群延時(shí)是負(fù)的。而再次增加掃描點(diǎn)數(shù)，（c）圖中可看群延時(shí)是28ns左右，與理論計(jì)算的群延時(shí)還是有一些差距；（d）圖把掃描點(diǎn)數(shù)再次增加到1601時(shí)，群延時(shí)在32.56ns，這個(gè)值在理論的期望33ns附近，此此頻率間隔小于15MHz每點(diǎn)。是理想的結(jié)果。

通過(guò)以上四個(gè)測(cè)量窗口可看出，通過(guò)增加掃描點(diǎn)數(shù)來(lái)改變延時(shí)和相位響應(yīng)的問(wèn)題，但是增加點(diǎn)數(shù)時(shí)需謹(jǐn)慎，如果點(diǎn)數(shù)只是加倍了，而相位響應(yīng)是充分欠采樣的，那么點(diǎn)數(shù)加倍會(huì)產(chǎn)生同樣的錯(cuò)誤時(shí)延，因此，最好以非均勻遞增方式增加點(diǎn)數(shù)來(lái)說(shuō)明不同間隔下的相位響應(yīng)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在射頻元器件測(cè)量方面性能出色，只有進(jìn)行合理的測(cè)試參數(shù)才能得到校精確的測(cè)試結(jié)果 ，文章介紹了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻電纜的測(cè)試的方法，這些重點(diǎn)方法在實(shí)際測(cè)試中取得良好的效果，具有參考價(jià)值。