在無線通信領域,微波射頻測試電纜是一種常見的高精度系統(tǒng)測試耗材,與矢量網絡分析儀、掃頻儀等測試儀器相連。
任何DUT位于信號發(fā)生器和分析儀之間,連接DUT和儀器的橋梁是測試附件或測試系統(tǒng)。切勿忽視這些測試附件。在條件允許的情況下,*好固化這些測試附件,使其成為一個標準化的測量系統(tǒng)。儀器供應商提供整機時,會提供與儀器*高工作頻率*多一致的測試電纜。但是在實際測試過程中,不同的情況會使用不同的附件,而這些附件都會影響測量結果的準確性,這就需要測試人員對相關的測試附件有深入的了解。
在測試系統(tǒng)中選擇電纜規(guī)格時,除了插入損耗和VSWR外,電纜的穩(wěn)定性必須更好。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。柔性電纜是一種“測試級”電纜。與半剛性和半柔性電纜相比,柔性電纜的成本相對昂貴,因為柔性電纜的設計需要考慮的因素更多。柔性電纜要易于多次彎曲并保持其性能,這是測試電纜*基本的要求。軟、好的電指標是一對矛盾,也是成本上升的主要原因。柔性電纜在彎曲條件下必須保持振幅和相位穩(wěn)定。一般來說,單內導體的電纜有利于振幅的穩(wěn)定;多股內導體電纜有利于相位的穩(wěn)定,可見只有這兩個指標難以平衡。
以下討論射頻測試電纜的各項關鍵指標和性能,了解電纜的性能對選擇*佳射頻電纜組件非常有益:
特征阻抗。
“特性阻抗”是射頻電纜、連接器和射頻電纜組件中*常提及的指標。*大功率傳輸和*小信號反射取決于電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其他組件的匹配。如果阻抗完全匹配,電纜的損耗只是傳輸線的衰減,沒有反射損耗。電纜的特性阻抗(Z0)與其內外導體的尺寸比有關,也與填充介質的介電常數有關。由于射頻能量傳輸的“趨膚效應”,與阻抗相關的重要尺寸是電纜內導體的外徑(d)和外導體的內徑(d):
Z0(ω)=(138/√ε)×(LogD/d)
通信領域使用的大多數射頻電纜的特征阻抗為50ω。在廣播和電視中,使用75ω電纜。
駐波比(VSWR)/回波損耗。
電纜組件中阻抗的變化會引起信號的反射,從而導致入射波能量的損失。測試電纜組件之間的連接和電纜/連接器之間的連接是反射損耗的主要原因。由于制造原因,在某些頻率點上會出現一些VSWR突變。反射可以用電壓駐波比(VSWR)來表示,電壓駐波比定義為入射和反射電壓之比。VSWR越小,電纜生產的一致性越好。VSWR的等效參數是反射系數或回波損耗。典型微波電纜組件的VSWR在1.1至1.5之間,回波損耗為26.4至14dB,即入射功率的傳輸效率為99.8%至96%。匹配效率就是輸入功率100W,VSWR1.33,輸出功率98W,也就是2W反射回來。
衰減(插入損耗)
電纜的衰減是有效傳輸射頻信號的能力,由介質損耗、導體(銅)損耗和輻射損耗三部分組成。大部分損失轉化為熱能。導體尺寸越大,損耗越小。頻率越高,介質損耗越大。由于導體損耗與頻率的增加呈平方根關系,而介質損耗與頻率的增加呈線性關系,所以介質損耗在總損耗中所占的比例較大。此外,溫度的升高會增加導體電阻和介質功率因數,也會導致?lián)p耗的增加。對于測試電纜組件,其總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,操作不當也會產生額外的損耗。比如對于編織電纜,彎曲也會增加其損耗。每根電纜都有*小彎曲半徑的要求。在選擇電纜組件時,應首先確定系統(tǒng)*高頻率下可接受的損耗值,然后根據該損耗值選擇尺寸*小的電纜。
傳播速度。
電纜的傳播速度是指電纜中信號傳輸速度與光速之比,與介質介電常數的根數成反比:
Vp=(1/√ε)×100。由上式可以看出,介電常數(ε)越小,傳播速度越接近光速,所以低密度介質的電纜插入損耗越低。
彎曲時的相位穩(wěn)定性。
彎曲相位穩(wěn)定性是電纜彎曲時相位變化的量度。使用過程中的彎曲會影響插入階段。減小彎曲半徑或增加彎曲角度都會增加相變。同樣,彎曲次數的增加也會導致相變的增加。然而,增加電纜直徑與彎曲直徑的比率會減少相變。相位變化與頻率呈線性關系。低密度介質電纜的相位穩(wěn)定性明顯優(yōu)于固體介質電纜。
應注意觀察接頭和電纜連接部件的工藝,這會影響電纜的使用壽命。在這個位置,傳統(tǒng)的電纜與接頭之間有一個硬接觸點,容易造成電纜斷裂,這也是大多數測試工程師在使用傳統(tǒng)測試電纜時*麻煩的問題,但這個問題不能簡單地用熱縮套管來解決,因為這個硬接觸點的斷裂往往是由于測試電纜頻繁彎曲后,通過電纜傳遞到硬接觸點的張力,導致硬接觸點老化斷裂。不用說,傳統(tǒng)的無鎧裝柔性測試電纜,由于缺乏鎧裝保護,即使在電纜與接頭的連接處使用增強熱收縮套管,也不能有效延長測試電纜的使用壽命;但是,由于鎧裝層之間以及鎧裝層與信號傳輸層之間的間隙,傳統(tǒng)鎧裝電纜在電纜彎曲后,張力仍然會傳遞到硬接觸點,導致電纜使用一段時間后指標會發(fā)生跳躍。
接頭的材料也是決定測試電纜使用壽命的主要因素。一般來說,銅外導體接頭的使用壽命不如不銹鋼。在滿足扭矩的前提下,前者的壽命是500倍,后者是5000倍。這個指標的定義是,使用壽命結束后,接頭出廠指標開始下降,而不是說接頭會報廢。一般情況下,電纜接頭的使用壽命比上述指標要長得多。對于需要頻繁插拔的生產測試環(huán)境,適配器的應用值得推薦。簡單來說,對于相對靜態(tài)的互連方案,建議選擇普通的無鎧裝測試電纜,不需要頻繁的插拔和彎曲,而對于量產測試或重型實驗室測試,從長遠來看,鎧裝電纜始終是性價比的*佳選擇。
柔性電纜的設計在一定程度上違背了低無源互調的設計原則,所以低無源互調的柔性電纜很少。
一般來說,柔性測試電纜的指標必須良好穩(wěn)定,在選擇柔性測試電纜時,要綜合考慮實際應用、頻率、損耗、VSWR、接頭材料、使用壽命、射頻泄漏、無源互調和成本等因素,而不是簡單地考慮價格,因為在測試過程中,測試效率和成品率往往對整體成本影響*大。