Измерение потерь в кабелях

Обзор измерения потерь в кабелях

Все коаксиальные кабели ослабляют передаваемые через них ВЧ-сигналы. Это ослабление известно как потери в кабеле или вносимые потери.

Потери в кабеле зависят от длины кабеля и частоты сигнала, проходящего через кабель. По мере прохождения сигнала через кабель часть его энергии поглощается вследствие омических и диэлектрических потерь. Кроме того, неоднородности на разъемах, изгибах или дефектах кабеля могут отражать часть энергии обратно на источник, дополнительно повышая измеряемые потери. В общем случае потери в кабеле линейно возрастают по мере увеличения длины кабеля, т. е. удвоение длины означает удвоение потерь. Однако между потерями в кабеле и частотой существует более сложная нелинейная зависимость: на высоких частотах наблюдаются более значительные потери.

Потери являются важной характеристикой, которую должны указывать производители кабелей. Как правило, этот показатель выражается в децибелах (дБ) на метр или фут. Частотная зависимость потерь обычно представляется в виде таблиц или графиков, а наличие данных о потерях в кабеле играет важную роль в различных ВЧ-приложениях.

Несмотря на предоставляемые производителями спецификации, в некоторых случаях могут требоваться измерения фактических потерь в кабеле, особенно если тип кабеля неизвестен или если на рабочие характеристики оказывают влияние такие аспекты, как соединения разъемов или износ. Для измерения потерь в кабелях обычно применяется векторный анализатор цепей.

Измерения потерь в кабелях на векторном анализаторе цепей

Существуют два метода измерений потерь в кабелях на векторном анализаторе цепей:

Однопортовое измерение кабеля (S11 или измерение параметров отражения)

• Настройка: подключите один конец кабеля к векторному анализатору цепей, оставьте второй конец кабеля свободным или закоротите его.
• Процесс: векторный анализатор цепей подает сигнал в кабель. Сигнал передается через кабель, отражается на разомкнутом или закороченном конце и передается обратно через кабель на векторный анализатор цепей.
• Расчет: векторный анализатор цепей сравнивает мощность прямого и отраженного сигнала и рассчитывает потери в кабеле. Поскольку сигнал дважды проходит через кабель (до разомкнутого или закороченного конца и обратно), измеренные потери выражают общее ослабление в обоих направлениях.
• Преимущество: данный метод позволяет измерять вносимые потери кабеля только с одного конца, устраняя необходимость в особенно длинных высококачественных кабелях для полевых испытаний.

Двухпортовое измерение (S21 или измерение параметров передачи)

• Настройка: подключите оба конца кабеля к векторному анализатору цепей.
• Процесс: один порт векторного анализатора цепей передает сигнал с качающейся частотой через кабель, а второй порт измеряет амплитуду сигнала на дальнем конце.
• Преимущество: данный метод применяется для кабелей с высокими потерями или при доступности обоих концов кабеля.

При однопортовых измерениях потерь в кабеле сигнал подается в кабель с помощью источника или следящего генератора. Частота сигнала изменяется в пределах определяемого пользователем диапазона. Дальний конец кабеля остается разомкнутым или закорачивается. В обоих случаях сигнал доходит до конца кабеля и отражается обратно на порт источника.

Порт источника сравнивает мощность отраженного сигнала с известной мощностью передачи. Потери в кабеле в дБ рассчитываются как общее ослабление в двух направлениях, поделенное на два. Как было сказано выше, общие потери в кабеле зависят от частоты сигнала и длины кабеля.

Перед началом измерения необходимо настроить конфигурацию векторного анализатора цепей. Это включает в себя три основные группы настроек:

• Диапазон качания частоты: здесь задается диапазон качания частоты следящего генератора или сигнала входного воздействия. Он должен охватывать частоты, для работы с которыми предназначен данный кабель.
• Количество точек измерения в полосе обзора: увеличение количества точек частоты повышает точность, однако при этом также увеличивается время выполнения однократной развертки.
• Усреднение нескольких разверток: данную функцию можно использовать для снижения шума и получения более точных результатов, что особенно удобно при измерении кабелей с очень высокими потерями. Однако увеличение количества разверток также повышает общее время измерения.

После настройки конфигурации можно подключить испытуемый кабель к векторному анализатору цепей двумя способами:

• Напрямую к порту анализатора
• С помощью короткого высококачественного и устойчивого по фазе тестового кабеля

Для чего может быть удобен тестовый кабель? Тестовый кабель дает преимущества в том случае, если испытуемый кабель имеет труднодоступный разъем (например, если кабель подключен к корпусу или мачте). Кроме того, тестовый кабель снижает износ и механическую нагрузку на порт анализатора. Влияние тестового кабеля на результаты измерений можно устранить в ходе калибровки.

Калибровка требуется для обеспечения точных результатов измерений потерь в кабеле. Для этого необходимо поочередно подключить различные калибровочные меры (разомкнутая цепь, короткое замыкание, согласованная нагрузка) к испытуемому кабелю. Эти калибровочные меры могут быть доступны по отдельности или в виде калибровочного тройника. В дополнение к подключаемым вручную калибровочным мерам можно использовать электронные модули калибровки, которые автоматически переключают встроенные калибровочные меры и управляются с помощью векторного анализатора цепей.

В ходе калибровки векторный анализатор цепей выводит указания для пользователя, в какой последовательности и в какой момент времени необходимо подключить определенную калибровочную меру. Это быстрая процедура. Обычно она занимает всего несколько минут, при этом электронные модули калибровки дополнительно повышают скорость по сравнению с ручными калибровочными мерами.

Способ подключения калибровочной меры к векторному анализатору цепей зависит от дальнейшего подключения испытуемого кабеля к анализатору. Если испытуемый кабель напрямую подключается к векторному анализатору цепей, калибровочные меры следует также напрямую подключать к порту. При использовании тестового кабеля калибровочные меры следует подключать к концу тестового кабеля.

Давайте в качестве примера рассмотрим результат однопортового измерения потерь в кабеле. На графике ниже потери в кабеле представлены как функция от частоты в диапазоне от 1 ГГц до 5 ГГц. Ось Y выражает потери или ослабление в дБ. Этот график показывает два типичных явления:

• Ослабление увеличивается с ростом частоты.
• Измеренная кривая носит волновой характер, т. е. в ней имеются пульсации по причине отражений.

Потери в кабеле рассчитываются как среднее между минимальным и максимальным значениями. В данном примере минимальное значение составляет -1,2 дБ, а максимальное значение составляет -3,5 дБ, поэтому потери равны -2,35 дБ.

Теперь рассмотрим двухпортовые измерения. Двухпортовые измерения следует использовать вместо однопортовых измерений в двух ситуациях:

• Имеется удобный доступ к обоим концам кабеля.
• Кабель имеет очень высокие потери (более 20 дБ).

В большинстве двухпортовых измерений можно напрямую подключить испытуемый кабель к обоим портам анализатора. Если для подключения испытуемого кабеля к анализатору используются тестовые кабели, необходимо выполнить нормализацию, чтобы устранить влияние тестовых кабелей на результаты измерений.

При проведении двухпортовых измерений потери в кабеле по-прежнему зависят от частоты, однако измеренная кривая имеет меньше пульсаций по сравнению с однопортовыми измерениями, поскольку на обоих концах кабеля установлен характеристический импеданс. Несмотря на то, что во многих случаях подключение обоих концов кабеля к векторному анализатору цепей невозможно или нецелесообразно, двухпортовый метод измерения потерь в кабеле в целом более предпочтителен, чем однопортовый метод.