如何正確選擇微波射頻測試電纜

在無線通信領(lǐng)域微波射頻測試電纜是一種常用高精密的系統(tǒng)測試耗材,與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、掃頻儀等測試儀器配套連接使用。

任何一個DUT都位于信號發(fā)生器和分析儀之間,而連接DUT和儀器之間的橋梁就是測試附件或測試系統(tǒng)。千萬不要忽視這些測試附件,有條件時,最好能固化這些測試附件使之成為一個標(biāo)準(zhǔn)化的測量系統(tǒng)。儀器供應(yīng)商在提供整機時,最多會提供到與儀器的最高工作頻率相符的測試電纜。而在真正的測試過程中,會遇到各種不同的情況而需要采用不同的附件,所有這些附件都會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,這就需要測試者對相關(guān)的測試附件有深入的了解。

在選擇測試系統(tǒng)中電纜的規(guī)格時,除了要考慮插入損耗和VSWR以外,電纜的穩(wěn)定性一定要好。在射頻和微波頻段,常用的電纜分為半剛性電纜,半柔性電纜和柔性編織電纜等三種。柔性電纜作為一種“測試級”的電纜。相對于半剛性和半柔性的電纜,柔性電纜的成本相對昂貴,這是因為柔性電纜在設(shè)計時要顧及的因素更多。柔性電纜要易于多次彎曲而且還能保持性能,這是作為測試電纜的最基本要求。柔軟和良好的電指標(biāo)是一對矛盾,也是導(dǎo)致成本升高的主要原因。柔性電纜必須保持在彎曲條件下幅度和相位的穩(wěn)定。通常來說,單股內(nèi)導(dǎo)體的電纜有利于幅度的穩(wěn)定;多股內(nèi)導(dǎo)體的電纜有利于相位的穩(wěn)定,可見僅這二項指標(biāo)就難以二全了。

要注意觀察接頭和電纜連接部位的工藝,這會影響到電纜的使用壽命。在這個部位,傳統(tǒng)的電纜和接頭之間有一個硬接觸點,很容易造成電纜的斷裂,這也是大部分測試工程師在使用傳統(tǒng)測試電纜測試過程中最頭疼的問題,而這并不是簡單采用熱縮套管就可以解決的,因為這種硬接觸點的斷裂往往是測試電纜在頻繁彎折后,張力通過電纜傳導(dǎo)到硬接觸點,造成硬接觸點老化而斷裂。傳統(tǒng)不帶鎧裝的柔性測試電纜自不用說,由于沒有鎧裝層的保護,即使在電纜和接頭連接處采用增強型的熱縮套管也不能有效延長測試電纜的使用壽命;而傳統(tǒng)的鎧裝電纜由于鎧裝層之間以及鎧裝層和信號傳輸層之間有間隙,張力還是會在電纜彎折后傳導(dǎo)到硬接觸點,造成電纜在使用一段時間后指標(biāo)發(fā)生跳變。

接頭的材料也是決定測試電纜壽命的主要因素,一般來說,采用銅外導(dǎo)體的接頭的使用壽命不如不銹鋼材料。在滿足力矩的前提下,前者的壽命是500次,后者是5000次。這項指標(biāo)的定義是在到了壽命后,接頭的出廠指標(biāo)開始下降,而不是說這個接頭就要報廢了。正常情況下,電纜接頭的壽命要遠(yuǎn)大于上述指標(biāo)。針對需要頻繁插拔的生產(chǎn)測試環(huán)境,轉(zhuǎn)接頭的應(yīng)用是值得推薦的。簡單來說,針對相對靜止的互聯(lián)方案,不需要頻繁插拔和彎折的情況下,推薦選擇普通不帶鎧裝的測試電纜,而針對大批量生產(chǎn)測試或繁重的實驗室測試,鎧裝電纜從長期的角度來看總是性價比最好的選擇。

柔性電纜的設(shè)計從某種程度上違背了低無源互調(diào)的設(shè)計原則,所以柔性電纜少有低無源互調(diào)型號的。

總的來說,柔性測試電纜的指標(biāo)一定要好和穩(wěn)定,選擇一條柔性測試電纜要從實際應(yīng)用,頻率,損耗,VSWR,接頭材料,使用壽命,射頻泄漏,無源互調(diào)和成本等諸方面因素綜合考慮,而不是單純從價格來考慮,因為在測試過程中,對總體成本影響最大的往往是測試效率和產(chǎn)出良率。

以下論述一下射頻測試電纜的各種關(guān)鍵指標(biāo)和性能,了解電纜的性能對于選擇一條最佳的射頻電纜組件是十分有益的:

“特性阻抗”是射頻電纜、接頭和射頻電纜組件中最常提到的指標(biāo)。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(tǒng)中其它部件的匹配。如果阻抗完全匹配,則電纜的損耗只有傳輸線的衰減,而不存在反射損耗。電纜的特性阻抗(Z0)與其內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸之比有關(guān),同時也和填充介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。由于射頻能量傳輸?shù)摹摆吥w效應(yīng)”,與阻抗相關(guān)的重要尺寸是電纜內(nèi)導(dǎo)體的外徑(d)和外導(dǎo)體的內(nèi)徑(D):
Z0(Ω) = (138 /√ε) × (log D/d)
絕大部分應(yīng)用于通信領(lǐng)域的射頻電纜的特性阻抗是50Ω;在廣播電視中則會用到75Ω的電纜。

電纜組件中的阻抗變化將會引起信號的反射,這種反射會導(dǎo)致入射波能量的損失。測試電纜組件之間的連接和電纜/接頭之間的連接是產(chǎn)生反射損耗的主要原因。由于制造的原因,電纜在某些特定的頻點上也會產(chǎn)生一些VSWR突變.反射的大小可以用電壓駐波比(VSWR)來表達(dá),其定義是入射和反射電壓之比。VSWR越小,說明電纜生產(chǎn)的一致性越好。VSWR的等效參數(shù)是反射系數(shù)或回波損耗。 典型的微波電纜組件的VSWR在1.1到1.5之間,換算成回波損耗為26.4至14dB,即入射功率的傳輸效率為99.8%至96%。匹配效率的含義是,如果輸入功率為100W,在VSWR為1.33時,輸出功率為98W,即2W被反射回來。

電纜的衰減是表示電纜有效的傳送射頻信號的能力,它由介質(zhì)損耗、導(dǎo)體(銅)損耗和輻射損耗三部分組成。大部分的損耗轉(zhuǎn)換為熱能。導(dǎo)體的尺寸越大,損耗越小;而頻率越高,則介質(zhì)損耗越大。因為導(dǎo)體損耗隨頻率的增加呈平方根的關(guān)系,而介質(zhì)損耗隨頻率的增加呈線性關(guān)系,所以在總損耗中,介質(zhì)損耗的比例更大。另外,溫度的增加會使導(dǎo)體電阻和介質(zhì)功率因素的增加,因此也會導(dǎo)致?lián)p耗的增加。 對于測試電纜組件,其總的插入損耗是接頭損耗、電纜損耗和失配損耗的總和。在測試電纜組件的使用中,不正確的操作也會產(chǎn)生額外的損耗。例如,對于編織電纜,彎曲也會增加其損耗。每種電纜都有最小彎曲半徑的要求。 在選擇電纜組件時,應(yīng)先確定系統(tǒng)最高頻率時可接受的損耗值,然后再根據(jù)這個損耗值來選擇尺寸最小的電纜。

電纜的傳播速度是指信號在電纜中傳輸?shù)乃俣群凸馑俚谋戎?和介質(zhì)的介電常數(shù)的根號呈反比關(guān)系:
Vp = (1/√ε )×100 ,由上式可見介電常數(shù)(ε)越小,則傳播速度越接近光速,所以低密度介質(zhì)的電纜其插入損耗更低。

彎曲-相位穩(wěn)定性是衡量電纜在彎曲時的相位變化。在使用過程中的彎曲將會影響到插入相位。減少彎曲半徑或增加彎曲角度都會增加相位的變化。同樣,彎曲次數(shù)的增加也會導(dǎo)致相位變化的增加。而增加電纜直徑/彎曲直徑之比則會減少相位的變化。相位變化和頻率基本上呈線性關(guān)系。低密度介質(zhì)電纜的相位穩(wěn)定性會明顯優(yōu)于實心介質(zhì)電纜。

本文來源:微波射頻網(wǎng)