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应用于矢量网络分析仪的射频与微波测量电缆的特性概述
录入时间:2022/4/2 10:56:21

应用于矢量网络分析仪的射频与微波测量电缆的特性概述

Martin Moder and Joachim Schubert, Rosenberger, Fridolfing, Germany

(本页是纯文字版,点此阅读完整版全文

矢量网络分析仪用于实现精准测量,并且该仪器需支持校准。通常测量需要一套测试装置,包括网分、一套校准工具,以及一条或多条测量电缆和转接器等。校准过程采用矢量误差修正技术,利用已知标准把误差项都表征出来。因此这些误差可以通过实际测量被消除掉。消除这些误差的过程要求这些误差和测量的质量能在矢量方向被校准。校准后,可实现高精度测量。任何改变都可能降低测量精度。通常温度的变化、测量电缆的弯曲和移动、振动与飘移等都能影响测量精度。这篇文章将集中讨论测量电缆。文章将阐明电缆的弯曲和移动为什么和如何影响测量精度,以及如何定义测量电缆以评估其对精度的影响。

通过对整个测量设置的矢量误差修正,测量电缆的传输和反射特性可在幅度和相位中从算法上被消除掉。测量电缆的后续运动会引起内部尺寸的微小变化、绝缘材料的受压、接触电阻的改变和屏蔽,所有这些影响因素都会导致传输与反射特性的轻微变化。从而使矢量误差修正不再有效,造成测量精度降低。

矢量网络分析仪的测量不确定性

不同带宽的微波矢量网络分析仪都会在表格或图表中定义“测量精度”、“典型精度”或“不确定性”。这些值对某类型的网分和校准套件的组合有效,并限于规定的条件,比如信号源功率水平和温度范围等。通常不包括测量电缆。

图1显示了高端网分结合一套选定校准件的“传输不确定性”值。表1根据图1内容列出了从0到20dB范围的损耗不确定值。

测量电缆详述

为高端网分而设计的测量电缆称为测试端口电缆。它们的目的是在对接特定的测试设置时,可以频繁移动和弯曲,并且经常加铠甲保护,以防止受机械压力的破坏。表2显示了工作频率高达40GHz的测量电缆的特性。除了硬性指标外,通常会提及“典型值”,有时在频段上也分等级。请注意这些指标会随着电缆长度而改变,但对不同弯曲状态是有效的。“插损稳定性”、“衰减稳定性”和“幅度稳定性”表达的是同一个意思。

对比表1中网分传输不确定性和表2中测量电缆的传输特性时,网分S21幅度不确定性对应于测量电缆插入损耗的稳定性(典型值或最大值),网分S21相位不确定性对应于测量电缆相位稳定性。如果测量电缆用在网分的两个端口,那么必须再次考虑电缆性能。

在这个例子中,测量电缆在全频带对相位的影响是显著的,在低频部分主要对幅度有明显的影响。对于两根测量电缆,在中频和高频时的幅度被网分和测量电缆的影响是相似的。

在测量电缆里反射测量也会受影响。通常,反射幅度的变化与回损表现一样,也需要进行评估。我们不在这里讨论网分不确定性和测量电缆影响之间的详细对比。

在常规测试任务中,根据可接受的测量不确定度,我们有必要更具体地去评估单体测量电缆的影响,比如在频率范围和弯曲条件下如何减少整个测试的不确定性。

电缆稳定性测量描述

测量电缆的最基本电气特性是插入损耗和回损。在网络分析仪应用中,由于电缆稳定性的影响是十分重要的,下面我们将描述对网分测量应用中如何定义端口测试电缆的插损、相位和回损的稳定性。

两端口测量

最精确的方法是使用机械固定的两端口网分校准。当然,在弯曲和移动方面仅容许有限的自由角度。当网络分析仪的两个测试端口装上长的非固定的测量电缆,这个测量电缆包含在网分校准里,这时这种情况会得到缓解。这时,属于网分的测量电缆会对测量有不确定性贡献。

单端口测量

单端口测量能克服这些问题,并提供在弯曲和移动上的自由度。属于网分的测量电缆不再需要或可以机械固定。指南VDI/VDE/DGQ/DKD 2622第198部分描述了用测量电缆连接到校准的网分端口的单端口测量。

罗森伯格使用了一种不同的方法。测量电缆连接到未校准网分测试端口上,网分的校准在电缆的自由端完成。在评估传输稳定性测量的结果上这个设置是相同的,并且具有一定的优势,因此测量的不确定度显著减少。这种做法对于长线和高频带宽是有益的。

传输稳定性

基本设置是用校准标准短路器去终止测量电缆的自由端。把测量电缆放在参考位置并用网分“trace math”功能去标准化两个不同踪迹的回损和反射相位。测量电缆必须弯曲并移动到一个不同位置。回损和反射相位必须除以2以得到损耗和相位的稳定性。这是因为测量信号从网分发出经过测量电缆传输并通过校准短路器返回到网分。它包括两倍电缆不稳定传输。跟踪处理和所有数据程序都可在一个外部电脑上完成。

反射稳定性

基本设置是用一个校准标准负载去终止测量电缆的自由端。把测量电缆放在参考位置并用网分“trace math”功能或一个外部电脑,去标准化测量的回损。测试过程中电缆必须弯曲并移动到不同位置。

弯曲条件

罗森伯格测量电缆是专为网分应用而设计的,并定义了弯曲90度和放松状态(3次90度弯曲后的原始位置)时的指标。这是四种不同方向的测试。90度弯曲表现了双端口网分校准和测量之间在电缆方向上的典型变化。弯曲过程如下:

1次90度弯曲测试。测量电缆弯曲成9个位置进行测试:直、上、直、下、直、左、直、右、直。我们会评估从位置1到2、2到3、3到4依次变化的值。图2至图4显示了示例结果。

3次90度放松测试。测量电缆弯曲到7个位置进行测试:直、上、直、上、直、上和直。位置1到7都会测试并计算结果。对于向下、向左和向右的方向重复这一过程。

测试举例

经过三年多的实验室使用,对测量电缆的传输和反射稳定性进行了评估。图2中绿色实体线和点划线显示了从直线位置弯曲到向下位置又重回到直线位置的状态。对两个数列来说,除了相反方向,相位变化数量是相同的,符合预期。蓝色曲线显示向上方向的数列状态,但是幅度只有一半。

弯曲到右边位置对应于测试电缆的“自然弯曲”,相位变化最小。生产后的同轴电缆通常表现出“自然弯曲”。同轴测试电缆具有一个非直线形状。当弯曲到这个方向时,测试电缆通常会显示最佳的稳定性。对于大多数精密网分测量来说,应当考虑在稳定性最佳的方向上进行弯曲。

图3可以解释,尽管稳定性最差的弯曲方向是不同的。

回损稳定性(图4)比规定的指标更好。回波损耗稳定性最差的弯曲方向与相位稳定性最差的方向相对应。

测量点数

测量点的数量经常不包含在图表、测试图或其它营销材料中。然而,没有正确的最小测量点数,就无法检测到尖峰。尖峰是沿着电缆可重复的不连续的结果。在VDI/VDE/DGQ/DKD 2622第19部分8和IEC 60966-1 8.1.2章节9中,有计算检测尖峰的最小点数的公式(图5和6)。尖峰的测量描述如下:“电缆总成可能有狭窄的回损尖峰。对于连续的网络分析仪系统,扫描比应当足够低。对于数字网络分析系统,测量点数应当足够多,以解决最后的回损尖峰。”图6比较了305、610、1220、2440和4880测量点数的测量结果。尖峰在3.7GHz到4.2GHz是可见的。使用下面公式:

 

波长65.6mm时,εr≈1.45

半个波长就是65.6mm除以2等于32.8mm。在这个例子中电缆的编织是8股12节距的。1个节距完整的转一圈的距离是28mm。电缆的传输速率推导出电长度大约是33.7mm。如图7所示,造成尖峰的原因是一个强烈的卷起的电缆截面。

最小的测量点数是:

 

其中:

n=起始频率到终止频率的测量点数数量

fStart=测量范围内最低的频率,单位MHz

fStop=测量范围内最高的频率

LCable=射频测量电缆的物理长度,单位m(忽略相对介电常数)

传输速率的定义:

 

其中△f是频率的最大增量,kv是速率。

电缆组件的操作及注意事项

对配连接器匹配是影响性能的显著因素。损坏的连接器会对设备造成不可逆的永久性破坏。在测试前推荐使用量具来检查连接器的参考面(图8)。中心针突出是严重的问题,如果它太长会引起损坏,如果太短则会得到较差的电性能,必须使用正确的力矩扳手达到重复的可靠的接触而不破坏。存储环境应远离阳光辐射,避免温度变化和高湿度环境。正确的存储环境和保护帽的使用能延长寿命。

拽扭曲和自由浮动等最小化机械压力的重要因素。

结论

应用于网络分析仪测试的电缆在精度和重复性方面有显著的提高。如反射、衰减和相位长度等射频特性都是关键因素。测试电缆应在常规的状态下测试,如果不能达到规格指标应及时更换。正确的保护和操作电缆才能达到高精度以及实现重复使用。

参考文献

  1. Keysight, “2-Port and 4-Port PNA Network Analyzer,” Web: https://www.keysight.com/de/de/assets/9018-04171/technical-specifications/9018-04171.pdf.
  2. Maury Microwave, “StabilityPlus™ Microwave/RF Cable Assemblies,” Web: https://www.maurymw.com/pdf/datasheets/2Z-009.pdf.
  3. Radiall, “Low Loss High Frequency Flexible Cable Assemblies (SHF Range),” Web: https://www.radiall.com/products/rf-cable-assemblies/low-loss-high-frequency-flexible-cable-assembly-shf-range.html.
  4. GORE, “VNA Microwave/RF Test Assemblies,” Web: https://www.gore.com/products/gore-vna-microwave-rf-test-assemblies.
  5. Huber + Suhner, “Sucoflex® 500,” Web: https://www.hubersuhner.com/de/products/radio-frequency/cables-cable-assemblies/cables-cable-assemblies/high-performance-microwave-cable-assemblies/sucoflex-500.
  6. Rohde & Schwarz, “R&S®ZV-Z9x and R&S®ZV-Z19x Test Port Cables,” Web: https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/ZV-Z9x_ZV-Z19x_dat-sw_en.pdf.
  7. Rosenberger, “Test Port Cables & Adaptors,” Web: https://www.rosenberger.com/de/produkt/test-port-cable-adaptors/.
  8. VDI/VDE/DGQ/DKD 2622 Part 19: Calibration of Measuring Equipment for Electrical Quantities Characterization of HF Measurement Cables,” June 2015.
  9. IEC 60966-1: 2019-02, Radio Frequency and Coaxial Cable Assemblies – Part 1: Generic Specification – General Requirements and Test Methods,” Edition 3, February 2019.

图1 网分转输不确定性:幅度(a)和相位(b)

图2 相位稳定性与频率

图3 插损稳定性与频率

图4 |S11|稳定性与频率

图5 305和2440频带样品|S11|的比较

图6 在3.7GHz到4.2GHz频段的305、610、1220、2440和4880样本的|S11|比较。

图7 紧包裹电缆的截面可能引起回损尖峰。

图8 连接器量规

表1 网分传输(S21)不确定性

表2 测试端口电缆传输指标


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