如何正确选择微波射频测试电缆

在无线通信领域微波射频测试电缆是一种常用高精密的系统测试耗材,与矢量网络分析仪、扫频仪等测试仪器配套连接使用。

任何一个DUT都位于信号发生器和分析仪之间,而连接DUT和仪器之间的桥梁就是测试附件或测试系统。千万不要忽视这些测试附件,有条件时,最好能固化这些测试附件使之成为一个标准化的测量系统。仪器供应商在提供整机时,最多会提供到与仪器的最高工作频率相符的测试电缆。而在真正的测试过程中,会遇到各种不同的情况而需要采用不同的附件,所有这些附件都会影响到测量结果的准确性,这就需要测试者对相关的测试附件有深入的了解。

在选择测试系统中电缆的规格时,除了要考虑插入损耗和VSWR以外,电缆的稳定性一定要好。在射频和微波频段,常用的电缆分为半刚性电缆,半柔性电缆和柔性编织电缆等三种。柔性电缆作为一种“测试级”的电缆。相对于半刚性和半柔性的电缆,柔性电缆的成本相对昂贵,这是因为柔性电缆在设计时要顾及的因素更多。柔性电缆要易于多次弯曲而且还能保持性能,这是作为测试电缆的最基本要求。柔软和良好的电指标是一对矛盾,也是导致成本升高的主要原因。柔性电缆必须保持在弯曲条件下幅度和相位的稳定。通常来说,单股内导体的电缆有利于幅度的稳定;多股内导体的电缆有利于相位的稳定,可见仅这二项指标就难以二全了。

要注意观察接头和电缆连接部位的工艺,这会影响到电缆的使用寿命。在这个部位,传统的电缆和接头之间有一个硬接触点,很容易造成电缆的断裂,这也是大部分测试工程师在使用传统测试电缆测试过程中最头疼的问题,而这并不是简单采用热缩套管就可以解决的,因为这种硬接触点的断裂往往是测试电缆在频繁弯折后,张力通过电缆传导到硬接触点,造成硬接触点老化而断裂。传统不带铠装的柔性测试电缆自不用说,由于没有铠装层的保护,即使在电缆和接头连接处采用增强型的热缩套管也不能有效延长测试电缆的使用寿命;而传统的铠装电缆由于铠装层之间以及铠装层和信号传输层之间有间隙,张力还是会在电缆弯折后传导到硬接触点,造成电缆在使用一段时间后指标发生跳变。

接头的材料也是决定测试电缆寿命的主要因素,一般来说,采用铜外导体的接头的使用寿命不如不锈钢材料。在满足力矩的前提下,前者的寿命是500次,后者是5000次。这项指标的定义是在到了寿命后,接头的出厂指标开始下降,而不是说这个接头就要报废了。正常情况下,电缆接头的寿命要远大于上述指标。针对需要频繁插拔的生产测试环境,转接头的应用是值得推荐的。简单来说,针对相对静止的互联方案,不需要频繁插拔和弯折的情况下,推荐选择普通不带铠装的测试电缆,而针对大批量生产测试或繁重的实验室测试,铠装电缆从长期的角度来看总是性价比最好的选择。

柔性电缆的设计从某种程度上违背了低无源互调的设计原则,所以柔性电缆少有低无源互调型号的。

总的来说,柔性测试电缆的指标一定要好和稳定,选择一条柔性测试电缆要从实际应用,频率,损耗,VSWR,接头材料,使用寿命,射频泄漏,无源互调和成本等诸方面因素综合考虑,而不是单纯从价格来考虑,因为在测试过程中,对总体成本影响最大的往往是测试效率和产出良率。

以下论述一下射频测试电缆的各种关键指标和性能,了解电缆的性能对于选择一条最佳的射频电缆组件是十分有益的:

“特性阻抗”是射频电缆、接头和射频电缆组件中最常提到的指标。最大功率传输、最小信号反射都取决于电缆的特性阻抗和系统中其它部件的匹配。如果阻抗完全匹配,则电缆的损耗只有传输线的衰减,而不存在反射损耗。电缆的特性阻抗(Z0)与其内外导体的尺寸之比有关,同时也和填充介质的介电常数有关。由于射频能量传输的“趋肤效应”,与阻抗相关的重要尺寸是电缆内导体的外径(d)和外导体的内径(D):
Z0(Ω) = (138 /√ε) × (log D/d)
绝大部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是50Ω;在广播电视中则会用到75Ω的电缆。

电缆组件中的阻抗变化将会引起信号的反射,这种反射会导致入射波能量的损失。测试电缆组件之间的连接和电缆/接头之间的连接是产生反射损耗的主要原因。由于制造的原因,电缆在某些特定的频点上也会产生一些VSWR突变.反射的大小可以用电压驻波比(VSWR)来表达,其定义是入射和反射电压之比。VSWR越小,说明电缆生产的一致性越好。VSWR的等效参数是反射系数或回波损耗。 典型的微波电缆组件的VSWR在1.1到1.5之间,换算成回波损耗为26.4至14dB,即入射功率的传输效率为99.8%至96%。匹配效率的含义是,如果输入功率为100W,在VSWR为1.33时,输出功率为98W,即2W被反射回来。

电缆的衰减是表示电缆有效的传送射频信号的能力,它由介质损耗、导体(铜)损耗和辐射损耗三部分组成。大部分的损耗转换为热能。导体的尺寸越大,损耗越小;而频率越高,则介质损耗越大。因为导体损耗随频率的增加呈平方根的关系,而介质损耗随频率的增加呈线性关系,所以在总损耗中,介质损耗的比例更大。另外,温度的增加会使导体电阻和介质功率因素的增加,因此也会导致损耗的增加。 对于测试电缆组件,其总的插入损耗是接头损耗、电缆损耗和失配损耗的总和。在测试电缆组件的使用中,不正确的操作也会产生额外的损耗。例如,对于编织电缆,弯曲也会增加其损耗。每种电缆都有最小弯曲半径的要求。 在选择电缆组件时,应先确定系统最高频率时可接受的损耗值,然后再根据这个损耗值来选择尺寸最小的电缆。

电缆的传播速度是指信号在电缆中传输的速度和光速的比值,和介质的介电常数的根号呈反比关系:
Vp = (1/√ε )×100 ,由上式可见介电常数(ε)越小,则传播速度越接近光速,所以低密度介质的电缆其插入损耗更低。

弯曲-相位稳定性是衡量电缆在弯曲时的相位变化。在使用过程中的弯曲将会影响到插入相位。减少弯曲半径或增加弯曲角度都会增加相位的变化。同样,弯曲次数的增加也会导致相位变化的增加。而增加电缆直径/弯曲直径之比则会减少相位的变化。相位变化和频率基本上呈线性关系。低密度介质电缆的相位稳定性会明显优于实心介质电缆。

本文来源:微波射频网