Messen der Kabeldämpfung

Überblick über Kabeldämpfungsmessungen

Alle Koaxialkabel dämpfen die durch sie übertragenen Hochfrequenzsignale in gewissem Maße. Diese Dämpfung wird als Kabel- oder Einfügedämpfung bezeichnet.

Die Kabeldämpfung ist eine Funktion der Kabellänge und der Frequenz des übertragenen Signals. Beim Durchlaufen des Kabels wird die Signalenergie durch ohmsche und dielektrische Verluste reduziert. Zusätzlich können durch Steckverbindungen, Kabelbiegungen oder mechanische Beschädigungen verursachte Impedanzdiskontinuitäten Signalanteile zur Quelle reflektieren, was die gemessene Gesamtdämpfung weiter erhöht. Im Allgemeinen nimmt die Kabeldämpfung linear mit der Länge zu – ein doppelt so langes Kabel führt also auch zum doppelten Energieverlust. Der Zusammenhang zwischen Kabeldämpfung und Frequenz ist jedoch komplizierter und nicht rein linear – bei höheren Frequenzen sind meist größere Verluste zu beobachten.

Die Dämpfung ist ein wichtiges Merkmal eines Kabels und wird von den Herstellern im Datenblatt meist in Dezibel (dB) pro Meter angegeben. Die Frequenzabhängigkeit dieser Dämpfung wird in der Regel mit Hilfe von Tabellen oder Diagrammen beschrieben, und die Höhe der Dämpfung muss bei verschiedenen HF-Anwendungen berücksichtigt werden.

Auch bei Vorliegen der Herstellerspezifikation kann es jedoch notwendig sein, die tatsächliche Kabeldämpfung durch Messungen zu bestätigen – speziell dann, wenn der Kabeltyp unbekannt ist oder wenn Faktoren wie Konfektionierung oder Verschleiß die Performance beeinträchtigen. Das gängigste Gerät zum Messen der Kabeldämpfung ist der Vektornetzwerkanalysator (VNA).

Kabeldämpfungsmessung mit einem VNA

Es gibt zwei Methoden, um die Kabeldämpfung mit einem VNA zu messen:

Eintor-Kabelmessung (S11- oder Reflexionsmessung)

• Messaufbau: Verbinden Sie ein Ende des Kabels mit dem VNA und lassen Sie das andere Ende entweder offen oder kurzgeschlossen.
• Ablauf: Der VNA speist ein Signal in das Kabel ein. Das Signal durchläuft das Kabel und wird am offenen bzw. kurzgeschlossenen Ende reflektiert, sodass es wieder den VNA erreicht.
• Berechnung: Der VNA vergleicht die reflektierte Leistung mit der Ausgangsleistung, um die Kabeldämpfung zu berechnen. Da das Signal die doppelte Kabelstrecke zurücklegt (zum offenen bzw. kurzgeschlossenen Ende und wieder zurück), entspricht der gemessene Wert der Umlaufdämpfung.
• Vorteil: Es reicht aus, eines der Kabelenden anzuschließen, um mit dieser Methode die Einfügedämpfung zu bestimmen. Es werden daher keine langen, hochwertigen Feldtestkabel benötigt.

Zweitor-Messung (S21- bzw. Transmissionsmessung)

• Messaufbau: Verbinden Sie beide Enden des Kabels mit dem VNA.
• Ablauf: Der VNA sendet durch das eine Tor ein Sweep-Signal in das Kabel, während mit dem anderen Tor die Signalstärke am jenseitigen Ende gemessen wird.
• Vorteil: Diese Methode ist zu bevorzugen, wenn die Kabeldämpfung sehr hoch ist oder beide Kabelenden zugänglich sind.

Bei Eintor-Kabeldämpfungsmessungen wird eine Quelle oder ein Mitlaufgenerator verwendet, um ein Signal in das Kabel einzuspeisen. Die Frequenz dieses Signals wird über einen benutzerdefinierten Bereich gewobbelt (oder „gesweept“). Das andere Ende des Kabels bleibt entweder offen oder wird mit einem Kurzschluss terminiert. In beiden Fällen wird das Signal nach dem Erreichen des Kabelendes zum Quelltor zurückreflektiert.

Am Quelltor wird der Betrag der reflektierten Leistung mit der bekannten Ausgangsleistung verglichen. Die Kabeldämpfung in dB entspricht der gesamten Dämpfung, d. h. „Umlaufdämpfung“, geteilt durch zwei. Wie oben erwähnt, ist die Gesamtdämpfung des Kabels sowohl eine Funktion der Signalfrequenz als auch der Kabellänge.

Bevor Sie mit der Messung beginnen, muss der VNA für diese Aufgabe konfiguriert werden. Dafür sind hauptsächlich drei Gruppen von Einstellungen relevant:

• Sweep frequency range: This is the frequency range over which the tracking generator or stimulus signal is swept. It should cover the frequencies for which the cable will be used.
• Anzahl der Messpunkte innerhalb der Frequenzspanne: Ein höherer Wert resultiert in mehr Details. Wegen der größeren Zahl der Frequenzpunkte dauert jeder Sweep aber auch entsprechend länger.
• Mittelwertbildung aus mehreren Sweeps: Hierdurch kann das Rauschen reduziert und ein genaueres Ergebnis erzielt werden. Diese Funktion empfiehlt sich insbesondere für stark dämpfende Kabel. Mit der Anzahl der Sweeps erhöht sich jedoch auch die Gesamtmesszeit.

Nach der Konfiguration können Sie das zu prüfende Kabel auf zwei verschiedene Weisen mit dem VNA verbinden:

• Direkter Anschluss an das Messtor des Analysators
• Anschluss über ein kurzes, hochwertiges, phasenstabiles Prüflingskabel

Wozu dient ein Prüflingskabel? Ein Prüflingskabel ist nützlich, wenn das zu prüfende Kabel einen schwer zugänglichen Steckverbinder hat – z. B. wenn das Kabel in einem Gehäuse endet oder an einem Turm oder Mast befestigt ist. Zudem verhindert ein Prüflingskabel Verschleiß und mechanische Belastung des Messtors am Analysator. Sie können den Einfluss des Prüflingskabels auf die Messung bei der Kalibrierung kompensieren.

Für genaue Messungen der Kabeldämpfung ist eine Kalibrierung erforderlich. Schließen Sie dazu nacheinander Standards vom Typ Open, Short und Match (oder Load) an das zu prüfende Kabel an. Diese Standards können in Form einzelner Standards vorliegen oder zu einem „Kalibrierungs-T-Stück“ kombiniert sein. Neben solchen manuell angebrachten Standards können auch elektronische Kalibriereinheiten (Autocal) verwendet werden. Diese Geräte schalten ihre internen Standards automatisch um und werden vom angeschlossenen VNA gesteuert.

Für die Kalibrierung müssen Sie normalerweise nur den Anweisungen des VNA folgen – er zeigt an, welche Standards in welcher Reihenfolge und zu welchem Zeitpunkt anzuschließen sind. Die Kalibrierung dauert nicht lange – meist nur wenige Minuten. Mit automatischen Kalibrierungseinheiten geht es in der Regel schneller als mit manuellen Standards.

Der Anschluss des Kalibrierstandards an den VNA entspricht der Anschlussmethode des zu prüfenden Kabels. Das heißt: Wenn Sie das zu prüfende Kabel direkt an den VNA anschließen, sollten auch die Kalibrierstandards direkt mit dem Tor verbunden werden. Verwenden Sie dagegen ein Prüflingskabel, müssen die Kalibrierstandards ebenfalls am Ende dieses Kabels angeschlossen werden.

Wir betrachten ein beispielhaftes Ergebnis einer Eintor-Kabeldämpfungsmessung. Das Bild unten zeigt die Kabeldämpfung als Funktion der Frequenz zwischen 1 GHz und 5 GHz. Auf der Y-Achse ist der Verlust bzw. die Dämpfung in dB aufgetragen. Die Messkurve ist in zweierlei Hinsicht typisch:

• Die Dämpfung nimmt mit der Frequenz zu.
• Die Kurve ist wellig – sie weist sog. „Ripples“ auf, die durch Reflexionen entstehen.

Sie können die Kabeldämpfung durch Mittelwertbildung aus den Minimal- und Maximalwerten errechnen. In diesem Beispiel beträgt der Minimalwert -1,2 dB und der Maximalwert -3,5 dB. Es ergibt sich also eine Dämpfung von -2,35 dB.

Befassen wir uns nun mit Zweitor-Messungen. Zweitor-Messungen sind besonders in zwei Fällen gegenüber Eintor-Messungen vorzuziehen:

• Beide Enden des Kabels sind problemlos zu erreichen.
• Das Kabel weist eine sehr hohe Dämpfung auf (über 20 dB).

In den meisten Fällen können Sie bei einer Zweitor-Kabelmessung das zu prüfende Kabel einfach direkt mit beiden Analysatoranschlüssen verbinden. Werden jedoch Prüflingskabel verwendet, um das zu prüfende Kabel mit dem Analysator zu verbinden, sollte eine Normalisierung durchgeführt werden, damit die Messung nicht durch das Prüflingskabel verfälscht wird.

An der Frequenzabhängigkeit der Kabeldämpfung ändert auch die Zweitor-Messung nichts. Allerdings zeigt die Messkurve weniger Ripples als bei der Eintor-Messung, da das Kabel auf beiden Seiten mit der Wellenimpedanz terminiert wird. In vielen Fällen ist es unpraktisch oder nicht möglich, beide Enden eines Kabels an einen VNA anzuschließen. Grundsätzlich sind Zweitor-Kabeldämpfungsmessungen aber der Eintor-Methode überlegen.