龔江疆， 江 斌， 涂建坤， 尹 瑩

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

隨著因特網(wǎng)的日益發(fā)展，數(shù)據(jù)電纜的應(yīng)用也越來越廣泛，而數(shù)據(jù)電纜的電性能測試也變得越來越重要。目前數(shù)據(jù)電纜測試參數(shù)主要分為一次參數(shù)(電阻、電容等)和二次參數(shù)(傳輸性能及反射性能)兩大類，而二次參數(shù)的測試，最常用的測試設(shè)備是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。對于許多廠家來說，由于配置了集成網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動測試設(shè)備，測試人員只需進行簡單的計算機操作就能完成電纜的測試。但對于如何通過網(wǎng)絡(luò)分析儀的配置及設(shè)置，以便達到更高精度和更快速度的測試目的，大多數(shù)測試人員就不甚了解。本文就針對這一情況進行簡單的分析。

1 網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試原理

網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種通過正弦掃頻測量獲得線性網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)以及阻抗函數(shù)的儀器。線性網(wǎng)絡(luò)指的是僅改變輸入信號的幅度和(或)相位，不會產(chǎn)生新的頻率信號的測試系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)分析儀可分為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量就是復(fù)數(shù)形式，標量是實數(shù)范圍。體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)分析儀上，矢量多了相角，有了實部和虛部，而標量只能測反射系數(shù)的模。數(shù)據(jù)電纜的測試一般應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本身自帶了一個信號發(fā)生器，可對一個頻段進行頻率掃描。如果是單端口測量，則將激勵信號加在端口上，通過測量反射回來信號的幅度和相位，就可判斷出阻抗或者反射情況.而對于雙端口測量，則還可以測量傳輸參數(shù)。圖1、圖2分別為應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試數(shù)據(jù)電纜傳輸性能(以衰減為例)和反射性能(以特性阻抗為例)的原理圖。

圖1 衰減測量原理

如圖1所示，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻輸出端被接在平衡/非平衡轉(zhuǎn)換器(BALUN)上。從輸出端輸出的非平衡信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成平衡信號。平衡信號加載在被測對稱電纜的始端上，在末端又經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為非平衡信號，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來接收非平衡信號。網(wǎng)絡(luò)分析儀進行相應(yīng)的處理后，就得到電纜的衰減。

圖2 特性阻抗測量原理

如圖2所示，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出掃頻信號，經(jīng)平衡轉(zhuǎn)換后，加載在被測電纜的一端。由于電纜的結(jié)構(gòu)不均勻，將產(chǎn)生反射信號。反射信號經(jīng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的定向耦合后，被矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收，并進行相應(yīng)的處理，從而能夠得到電纜的阻抗。

應(yīng)注意的是，對于非平衡電纜的測試，可通過連接頭將電纜直接接在網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口即可。

2 網(wǎng)絡(luò)分析儀的參數(shù)設(shè)置和選擇

要完成一次數(shù)據(jù)電纜的測試，必須對網(wǎng)絡(luò)分析儀配置一系列參數(shù)，而合理的參數(shù)配置和選擇是實現(xiàn)高精度測試目的的基本要求。以下分別對在測試過程中需要配置和選擇的測試參數(shù)做詳細的說明。

2.1 測試頻率

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描頻率范圍。按網(wǎng)絡(luò)分析儀的型號，可分為頻段設(shè)定和頻點設(shè)定這兩種方式。

頻段設(shè)定方式，需要設(shè)置掃描的起始頻率和終止頻率，或者設(shè)置中心頻率和頻寬;

頻點設(shè)定方式，可以設(shè)置多個掃描頻率點。

注意:無論采用何種設(shè)定方式，必須保證設(shè)置的頻率范圍或頻率點都在測試規(guī)范指定的頻率范圍。

2.2 掃描類型

常用的掃描類型可分為對數(shù)掃描和線性掃描兩種。這兩種掃描方式從頻率的分布而言，對數(shù)掃描可以保證在低頻段有足夠的頻率點數(shù)，從而保證低頻數(shù)據(jù)的精確性;而線性掃描則是一種整頻段按點數(shù)平均劃分頻率，如果要保證低頻段數(shù)據(jù)的精度，必須設(shè)置足夠多的點數(shù)，但是這將會導(dǎo)致測試速度變慢而影響測試效率。由于目前所測試的數(shù)據(jù)電纜基本上都在300 MHz以內(nèi)，對于低頻數(shù)據(jù)的測試精度要求比較高，因此，宜采用對數(shù)掃描的方式從而有效保證低頻數(shù)據(jù)的測試精度。

式(1)和式(2)分別為線性掃描和對數(shù)掃描時的測試頻率計算公式:

式中，fi、f′i分別為線性掃描和對數(shù)掃描方式下第 i點的頻率;f始、f終分別為起始和終止的頻率;n為掃描點數(shù)。

以下舉例說明這兩種掃描方式的區(qū)別:

當設(shè)置測試頻率范圍為1～100 MHz。如果采用對數(shù)掃描時，選用點數(shù)401點，則在1～10 MHz范圍內(nèi)有200點頻率分布點;而如果需要在線性掃描方式下且要保證1～10 MHz范圍內(nèi)有200點的頻率分布點，則需要設(shè)置2 000點的掃描點數(shù)。這一設(shè)置條件對于某些網(wǎng)絡(luò)分析儀是無法達到的，而且也增加了測試時間。

2.3 掃描點數(shù)

起始頻率與終止頻率間的插入點數(shù)(即掃描點數(shù))。對于網(wǎng)絡(luò)分析儀，須實時測試每個插入點的值;而對于兩個插入點之間的值，則采用函數(shù)擬合。因此選擇點數(shù)愈多，則每個離散頻率點的值愈接近于測試值。但測試點數(shù)的增多會使測試速度變慢。因此該參數(shù)的設(shè)置需要根據(jù)用戶的測試需求以及掃描方式的選擇而定。

2.4 系統(tǒng)帶寬

帶寬的選擇將影響測試精度及速度。帶寬就像一扇帶判定條件的“門”。帶寬選擇愈小，進入“門”內(nèi)的信號愈接近于合格品，就能夠提高測試精度，但判定條件的提高自然使測試速度變慢。帶寬參數(shù)的變化，可以從網(wǎng)絡(luò)分析儀上直觀的觀察到系統(tǒng)的變化，當帶寬變小時，系統(tǒng)的本地噪聲會有一定程度的降低，掃描的抖動會變小，而掃描速度將變慢。在常規(guī)使用中，可以選擇1 000 Hz左右的帶寬，如果測試曲線不光滑或者抖動較大，可以適當下調(diào)帶寬值。

2.5 掃描時間

網(wǎng)絡(luò)分析儀在信號發(fā)送端發(fā)出信號后，會在指定的掃描時間之后，在接收端接收信號。通常網(wǎng)絡(luò)分析儀在上述參數(shù)確定后，會自動生成一個最小掃描時間，如果被測電纜比較長，在系統(tǒng)設(shè)定的最小掃描時間內(nèi)，信號無法到達接收端，這可以適當增加掃描時間，以保證能收到信號為止(因數(shù)據(jù)電纜的傳輸速度小于100 ns/100 m，且測試長度一般最大305 m，系統(tǒng)設(shè)置的掃描時間遠大于傳輸時間，因此一般不用更改)。

3 網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準

由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出和待測數(shù)據(jù)電纜輸入之間必然存在中間過渡件/連接件，使得理想網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試平面和被測數(shù)據(jù)電纜的待測平面間出現(xiàn)了一個誤差網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)分析儀使用之前必須進行校準，用以消除測試鏈路中存在的系統(tǒng)誤差。在日常的網(wǎng)絡(luò)分析儀校準中應(yīng)注意校準方式、校準方法和校準時間等三個方面。

3.1 校準方式

網(wǎng)絡(luò)分析儀有幾種方法來測量和補償測試系統(tǒng)誤差。利用不同誤差模型，消除其中的一項或多項系統(tǒng)誤差。通常是通過對高質(zhì)量的已知標準件(例如:短路器、開路器、負載和直通件)的測量，從而可使網(wǎng)絡(luò)分析儀求解誤差模型中的諸項誤差。

目前我們測試的二次參數(shù)，可分為傳輸性能測試和反射性能測試，根據(jù)不同測試參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準要求也不相同。在數(shù)字電纜測試中常用到兩類校準方式:單端口反射校準和雙端口全校準。

3.1.1 單端口校準

當只對被測件的反射性能感興趣，而且要求的測試精度相對較低時，可以使用單端口校準。對于單端口誤差模型，有三個誤差項(端口的方向性誤差、源匹配誤差和頻率誤差)。為了求解三個誤差項，由線性矩陣理論可知，需要建立三個不相關(guān)的方程來求解。校準的原理就是建立這三個方程。通過在測試面加入三個已知特性的校準件，例如開路件，反射系數(shù)理論上為1;短路件，反射系數(shù)理論上為－1;負載件，反射系數(shù)理論上為0。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量這三個校準件，得到實際測量結(jié)果，也就得到包含三個誤差模型的線性方程，并通過求解就能得到三個誤差項。在后續(xù)的測量中，在直接獲得的測試結(jié)果中，先通過數(shù)學(xué)運算，消除三個誤差項帶來的影響，顯示給用戶的就是校準后待測數(shù)據(jù)的特性。圖3是單端口誤差模型。

圖3 單端口誤差模型

3.1.2 雙端口全校準

在數(shù)字電纜測試中，如果要求同時測試傳輸性能與反射性能，而且要求測試精度高時，就必須采用雙端口全校準。雙端口校準能夠消除正向和反向的方向性誤差、源匹配誤差、負載匹配誤差、隔離誤差和頻響誤差。圖4為雙端口模式模型。

圖4 雙端口誤差模型

和單端口校準一樣，雙端口的校準也是對已知數(shù)值的標準件進行精確的測試，求出12項誤差項，形成誤差系數(shù)數(shù)組(誤差矩陣)。在以后的測試中，利用這些數(shù)據(jù)進行誤差修正。

3.2 校準方法

對于數(shù)據(jù)電纜的測試，測試夾具是必不可少的。隨著測試頻率的提高，測試夾具對測試結(jié)果的影響也越加明顯。這種影響只能通過精心校準來消除。

采用測試夾具時，網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準可分為兩類。從理論上講，這兩類校準沒有本質(zhì)的區(qū)別，校準精度主要取決于所采用的校準標準和運算方法。

一類是將夾具視為網(wǎng)絡(luò)分析儀的一部分，直接采用與夾具測試端口相應(yīng)的校準標準和網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的校準程序做校準，其優(yōu)點是簡單易行，但所采用的校準方法只能是網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部僅有的幾種。

另一類是在網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)校準到儀器的同軸端口條件下，測試已經(jīng)嵌入相應(yīng)標準的夾具，而得到夾具的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這一過程被稱為測試夾具的校準。在校準了測試夾具后，就能夠?qū)η度霚y試夾具的待測線纜進行測試，這一過程也就是通常所說的去嵌技術(shù)。去嵌的本質(zhì)是得到誤差網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，通過轉(zhuǎn)換到T參數(shù)，運用級聯(lián)運算進行消除。

對于普通數(shù)據(jù)電纜的測試，第一類方法運用的較多，此時必須遵循校準到端口的原則。即所有的校準過程(開路、短路、負載、直通)都必須在最終的電纜測試端口進行，否則不可避免地會帶入測試誤差。而對于微波段數(shù)據(jù)電纜的測試，去嵌技術(shù)的應(yīng)用對于實際測試系統(tǒng)的設(shè)計會取到事半功倍的效果。

3.3 校準時間

最理想的校準時間是每次測試前均進行校準，但考慮到實際測試情況，在周圍環(huán)境變化不大、測試要求相同的情況下，測試人員可以調(diào)用以前的校準進行測試，而不需要重新校準，但期限以不超過半個月為限。此外，不建議頻繁校準的目的還在于:校準件也是有使用壽命的，多次的校準，會使得校準件多次和校準端口接觸，可能污染校準件及端口，使得校準特性發(fā)生改變，影響下一次校準。

4 結(jié)束語

有了正確的設(shè)置和合理的校準，網(wǎng)絡(luò)分析儀的應(yīng)用才有了基本保證。在實際應(yīng)用中還必須注意網(wǎng)絡(luò)分析儀的靜電保護、使用環(huán)境及端口擴展所用的器件，以及安裝及防塵保護等因素，才能合理的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀，達到快速、高精度的測試目的。

［1］IEC 61156-2002 Multicore and symmetrical pair/quad cables for digital communications［S］.

［2］YD/T 1019-2001數(shù)字通信用實心聚烯烴絕緣水平對絞電纜［S］.

［3］祝寧華，王幼林，陳振宇.微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準［J］.中國科學(xué)E輯技術(shù)科學(xué)，2004，34(3):329-336.