非標(biāo)轉(zhuǎn)接器對測試同軸電纜組件準(zhǔn)確性的影響

葉 振，武向文，李 閆，黨程云

(西安泰斯特檢測技術(shù)有限公司,陜西省 西安市 710077；中航富士達(dá)科技股份有限公司，陜西省 西安市710077；)

1 引言

隨著整機(jī)系統(tǒng)信號頻率的提高，對射頻傳輸類元器件的電壓駐波比和插入損耗要求越來越高。在通訊系統(tǒng)中駐波過大、損耗過大，會(huì)造成信號衰減過度或系統(tǒng)升溫過大，大大降低信號傳輸質(zhì)量，影響系統(tǒng)運(yùn)行甚至有可能造成損壞；高電壓駐波比會(huì)增大系統(tǒng)中信號功率的損耗，降低工作效率；電壓駐波比較高時(shí)還會(huì)伴隨互調(diào)干擾的發(fā)生[1]，互調(diào)影響通信系統(tǒng)抗噪性能，尤其是低誤碼率通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮無源互調(diào)干擾的影響[2]。本文以射頻同軸電纜組件為例，探討一下非標(biāo)轉(zhuǎn)接器對電壓駐波比測試的影響 。

2 測試電纜組件電壓駐波比的影響因素

如何準(zhǔn)確測量電纜組件的實(shí)際電壓駐波比,對提升系統(tǒng)性能指標(biāo)非常重要。目前國內(nèi)電壓駐波比的測量儀器均使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector network analyzer ,VNA)，校準(zhǔn)技術(shù)成熟，且可采用傳統(tǒng)12項(xiàng)誤差模型[3]對VNA測量不確定度進(jìn)行評估，測量條件完全滿足使用要求。測試產(chǎn)品時(shí)需要在測試線和產(chǎn)品之間接轉(zhuǎn)接器，只能將轉(zhuǎn)接器引入的影響消除或降低，仍然對測試電纜組件電壓駐波比影響較大。

為便于區(qū)轉(zhuǎn)接器,在此僅根據(jù)有無校準(zhǔn)件對其進(jìn)行區(qū)分。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器為有標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的轉(zhuǎn)接器,如SMA、3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm,1.0mm,TNC等轉(zhuǎn)接器,Keysight、安立、41所等公司均生產(chǎn)對應(yīng)校準(zhǔn)件。將沒有標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的轉(zhuǎn)接器稱為非標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器,如反極性轉(zhuǎn)接器、BMA、SSMP、3SMP、L-SMP等等，非標(biāo)轉(zhuǎn)接器用量少種類多，制造商很少制造校準(zhǔn)件和轉(zhuǎn)接器。

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器均有校準(zhǔn)件，可以將轉(zhuǎn)接器校準(zhǔn)在測試系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器對元器件測試結(jié)果產(chǎn)生的誤差降至最小。對于非標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器而言，沒有對應(yīng)的校準(zhǔn)件，測試時(shí)只能將測試線端口進(jìn)行校準(zhǔn)，隨后接非標(biāo)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行測量。插入損耗可以采用等效替換的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，但電壓駐波比無法進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，非標(biāo)轉(zhuǎn)接器直接影響元器件的測試準(zhǔn)確度。

測試時(shí)無法校準(zhǔn)非標(biāo)轉(zhuǎn)接器，也無法直接評測非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的性能指標(biāo)。非標(biāo)轉(zhuǎn)接器可能補(bǔ)償電纜組件，使其電壓駐波比低于真實(shí)值；也可能疊加，測試值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真實(shí)值。為使電纜組件測試值更加接近真實(shí)值，非標(biāo)轉(zhuǎn)接器在滿足常規(guī)轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)在性能方面進(jìn)行有效控制。

3 非標(biāo)轉(zhuǎn)接器自身電壓駐波比

測試電纜組件時(shí)，若非標(biāo)轉(zhuǎn)接器電壓駐波比較大，則測試值中將非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的電壓駐波比疊加或補(bǔ)償在電纜組件中，導(dǎo)致測試值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或小于電纜組件實(shí)測值，測試值偏差較大。根據(jù)計(jì)量量值傳遞法，測量儀器的技術(shù)指標(biāo)，反射功率損耗應(yīng)小于被測件反射損耗的1/3，至少為1/4或更小。表1是電壓駐波比和反射功率對應(yīng)表，給出了部分駐波對應(yīng)的發(fā)射功率。

表1 駐波比與反射功率對應(yīng)表

非標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器均為廠家自制轉(zhuǎn)接器，電壓駐波比較計(jì)量測試轉(zhuǎn)接器性能略差；又電纜組件測試電壓駐波比測試并沒有計(jì)量儀器設(shè)備嚴(yán)格。故反射功率損耗小于被測件反射損耗的1/3即可。

例如，若被測件要求電壓駐波比為1.25:1，則測試轉(zhuǎn)接器反射功率應(yīng)為0.41%，對應(yīng)電壓駐波比應(yīng)優(yōu)于1.137:1 。

4 非標(biāo)轉(zhuǎn)接器阻抗對測試的影響

對客戶來講寧可接受測試數(shù)據(jù)比真實(shí)值略大，而不可接受測試值比真實(shí)值小的現(xiàn)象，真實(shí)值小于測試值對客戶的系統(tǒng)會(huì)帶來不可控的影響。在控制非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注非標(biāo)轉(zhuǎn)接器對電纜組件的影響，是疊加變大，還是補(bǔ)償變小。所以需要對轉(zhuǎn)接器自身的阻抗情況進(jìn)行摸底，避免非標(biāo)轉(zhuǎn)接器補(bǔ)償被測電纜組件的現(xiàn)象。

在微波測試領(lǐng)域傅里葉變換把頻率域測量得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成時(shí)間域(或距離域)，是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本測量功能。低通階躍響應(yīng)處理方法，可直接顯示阻抗對時(shí)間或距離的響應(yīng)變化曲線，類似于通常使用的時(shí)域反射計(jì)的測量。能夠確定出突變間斷點(diǎn)的性能狀態(tài)類型：感抗、容抗或純電阻抗等。在一般狀態(tài)下顯示的是實(shí)部阻抗參數(shù)值(在顯示標(biāo)尺上每格10毫單位時(shí)，約每格1歐姆的阻抗值)，用低通處理方法的時(shí)域沒有顯示被測件的虛部阻抗參數(shù)值。低通處理方法在給定的帶寬下能夠得到最高的分辨率[4]。我們可以用低通階躍時(shí)域分析法對非標(biāo)轉(zhuǎn)接器阻抗問題進(jìn)行舉例分析。

選用3個(gè)各不同的非標(biāo)轉(zhuǎn)接器，對非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域進(jìn)行測試，然后將三個(gè)非標(biāo)轉(zhuǎn)接器接同一根電纜組件進(jìn)行測試。

圖1 1#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器

圖1中Marker1～Marker4為1#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域曲線，從時(shí)域中不難看出轉(zhuǎn)接器全部顯示高阻。

圖2 1#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器接電纜組件

圖2中Marker1～Marker4為非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的時(shí)域響應(yīng)，Marker4后為電纜組件接頭的時(shí)域響應(yīng)。從時(shí)域圖中可以看出非標(biāo)轉(zhuǎn)接器阻抗均大于50Ω，高于電纜組件1Ω左右。非標(biāo)轉(zhuǎn)接器高阻和電纜組件接頭高阻相疊加，使整體匹配更差。測試的電壓駐波比為1.245：1。

根據(jù)1#轉(zhuǎn)接器阻抗時(shí)域圖,對阻抗進(jìn)行調(diào)試,將絕緣子部分高阻下調(diào), 形成2# 非標(biāo)轉(zhuǎn)接器。使用同樣的方法進(jìn)行了時(shí)域和電壓駐波比的測試：

2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器，阻抗降低，圖3與圖1比較不難看出，2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器阻抗匹配程度略優(yōu)于1#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器，Marker1～4阻抗較匹配，但Marker4界面處電纜組件阻抗被明顯拉低，低于實(shí)際阻抗。測試值應(yīng)優(yōu)于電纜組件真實(shí)值，最終使用此非標(biāo)轉(zhuǎn)接器測試電壓駐波比為1.136:1。

圖3 2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域圖

圖4 2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器接電纜組件

圖5 3#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域圖

圖6 3#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器接電纜組件

由于2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器低阻，對測試結(jié)果仍然有較大的影響。若電纜接頭高阻，則形成阻抗補(bǔ)償，電纜組件的測試值可能小于實(shí)際值，為客戶使用埋下隱患。故對2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整后的非標(biāo)轉(zhuǎn)接器為3#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器。對3#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行測量的分析：

圖5中 可以看出，Marker1～Marker4為非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的時(shí)域響應(yīng)，轉(zhuǎn)接器前端3點(diǎn)為低點(diǎn)，4點(diǎn)為高點(diǎn)，轉(zhuǎn)接器自身阻抗高低點(diǎn)補(bǔ)償。經(jīng)過調(diào)整后轉(zhuǎn)接器自身阻抗匹配明顯優(yōu)于1#、2#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器。

從圖6可以看出Marker4后為電纜組件時(shí)域圖，與圖2和圖4進(jìn)行對比，非標(biāo)轉(zhuǎn)接器和電纜接頭界面阻抗基本正常，轉(zhuǎn)接器的電壓駐波比會(huì)疊加在電纜組件中，使電壓駐波比測試值略大于電纜組件實(shí)際值。使用3#非標(biāo)轉(zhuǎn)接器測試電纜組件電壓駐波比為1.182:1。

根據(jù)對三種非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域以及測試同根電纜組件的電壓駐波比情況，不難看出非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域?qū)y試電壓駐波比的影響。在選用非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)，除了考察其電壓駐波比外，應(yīng)對其時(shí)域進(jìn)行測試，分析轉(zhuǎn)接器自身阻抗是否設(shè)計(jì)合理。避免轉(zhuǎn)接器對被測電纜組件影響較大，誤判被測件的性能指標(biāo)。

為了驗(yàn)證以上結(jié)論的正確性，選用兩端接頭均為SMA-J的電纜組件，同樣選用三只類似上述1#、2#、3#時(shí)域類型轉(zhuǎn)接器進(jìn)行測試，結(jié)果與非標(biāo)轉(zhuǎn)接器得出結(jié)果基本一致，本文中不再一一列舉。

5 非標(biāo)轉(zhuǎn)接器校準(zhǔn)

非標(biāo)轉(zhuǎn)接器沒有標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件，無法實(shí)現(xiàn)測試誤差最小化，如何校準(zhǔn)比較關(guān)鍵。下面以SMA/RSMA-KJ和SMA/RSMA-KK(K：表示轉(zhuǎn)接器接頭為母頭，J：表示轉(zhuǎn)接器接頭為公頭)兩個(gè)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行舉例說明。

由于無法直接測試單個(gè)非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的電壓駐波比，若評測SMA/RSMA-KJ轉(zhuǎn)接器電壓駐波比，則只能測試SMA/RSMA-KJ和SMA/RSMA-KK連接后整體的電壓駐波比。間接確定轉(zhuǎn)接器的電壓駐波比是否符合要求。

在對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)特別注意測試端口和校準(zhǔn)件應(yīng)該互相匹配，避免端口反射引起的測試誤差。例如測試線端口為2.92mm轉(zhuǎn)接器，使用3.5mm校準(zhǔn)件校準(zhǔn)，由于界面不匹配，會(huì)將反射校準(zhǔn)在系統(tǒng)中，直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

非標(biāo)轉(zhuǎn)接器插入損耗校準(zhǔn)：當(dāng)電纜組件兩端均為非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)，采用常規(guī)校準(zhǔn)方法，連接一對非標(biāo)轉(zhuǎn)接器將插入損耗直接校零即可。當(dāng)電纜組件一端為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器，一端為非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)，可選用機(jī)械長度和絕緣介質(zhì)相同的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器替換非標(biāo)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行插入損耗校零。

6 總結(jié)

使用非標(biāo)轉(zhuǎn)接器測試電纜組件時(shí)，轉(zhuǎn)接器狀態(tài)不同對測試結(jié)果準(zhǔn)確性有較大的影響。在選用非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)，除了考察其電壓駐波比外，應(yīng)對其時(shí)域進(jìn)行測試，分析轉(zhuǎn)接器自身阻抗是否設(shè)計(jì)合理。避免轉(zhuǎn)接器對測試準(zhǔn)確度的影響，誤判電纜組件的性能指標(biāo)。

本文依據(jù)計(jì)量量值傳遞法規(guī)定了轉(zhuǎn)接器的電壓駐波比的要求，并通過分析非標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)域?qū)﹄娎|組件補(bǔ)償情況，確定了使用非標(biāo)轉(zhuǎn)接器的注意事項(xiàng)和校準(zhǔn)方法，提高非標(biāo)轉(zhuǎn)接器測試射頻同軸電纜組件的準(zhǔn)確性。