網(wǎng)絡(luò)分析儀在數(shù)據(jù)電纜測(cè)試中若干問題的討論

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(lái)越廣泛，而數(shù)據(jù)電纜的電性能測(cè)試也變得越來(lái)越重要。目前數(shù)據(jù)電纜測(cè)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(cè)試，最常用的測(cè)試設(shè)備是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。對(duì)于許多廠家來(lái)說，由于配置了集成網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，測(cè)試人員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)操作就能完成電纜的測(cè)試。但對(duì)于如何通過網(wǎng)絡(luò)分析儀的配置及設(shè)置，以便達(dá)到更高精度和更快速度的測(cè)試目的，大多數(shù)測(cè)試人員就不甚了解。本文就針對(duì)這一情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

1 網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試原理

網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種通過正弦掃頻測(cè)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(hào)的幅度和(或)相位，不會(huì)產(chǎn)生新的頻率信號(hào)的測(cè)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(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量就是復(fù)數(shù)形式，標(biāo)量是實(shí)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(shí)部和虛部，而標(biāo)量只能測(cè)反射系數(shù)的模。數(shù)據(jù)電纜的測(cè)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(gè)信號(hào)發(fā)生器，可對(duì)一個(gè)頻段進(jìn)行頻率掃描。如果是單端口測(cè)量，則將激勵(lì)信號(hào)加在端口上，通過測(cè)量反射回來(lái)信號(hào)的幅度和相位，就可判斷出阻抗或者反射情況.而對(duì)于雙端口測(cè)量，則還可以測(cè)量傳輸參數(shù)。圖1、圖2分別為應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(cè)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(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成平衡信號(hào)。平衡信號(hào)加載在被測(cè)對(duì)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(hào)，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)接收非平衡信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行相應(yīng)的處理后，就得到電纜的衰減。

圖2 特性阻抗測(cè)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(hào)，經(jīng)平衡轉(zhuǎn)換后，加載在被測(cè)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(hào)。反射信號(hào)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(jìn)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(duì)于非平衡電纜的測(cè)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(cè)試，必須對(duì)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(shí)現(xiàn)高精度測(cè)試目的的基本要求。以下分別對(duì)在測(cè)試過程中需要配置和選擇的測(cè)試參數(shù)做詳細(xì)的說明。

2.1 測(cè)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(hào)，可分為頻段設(shè)定和頻點(diǎn)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(diǎn)設(shè)定方式，可以設(shè)置多個(gè)掃描頻率點(diǎn)。

注意:無(wú)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(diǎn)都在測(cè)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(duì)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(duì)數(shù)掃描可以保證在低頻段有足夠的頻率點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)，但是這將會(huì)導(dǎo)致測(cè)試速度變慢而影響測(cè)試效率。由于目前所測(cè)試的數(shù)據(jù)電纜基本上都在300 MHz以內(nèi)，對(duì)于低頻數(shù)據(jù)的測(cè)試精度要求比較高，因此，宜采用對(duì)數(shù)掃描的方式從而有效保證低頻數(shù)據(jù)的測(cè)試精度。

式(1)和式(2)分別為線性掃描和對(duì)數(shù)掃描時(shí)的測(cè)試頻率計(jì)算公式:

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

以下舉例說明這兩種掃描方式的區(qū)別:

當(dāng)設(shè)置測(cè)試頻率范圍為1～100 MHz。如果采用對(duì)數(shù)掃描時(shí)，選用點(diǎn)數(shù)401點(diǎn)，則在1～10 MHz范圍內(nèi)有200點(diǎn)頻率分布點(diǎn);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(diǎn)的頻率分布點(diǎn)，則需要設(shè)置2 000點(diǎn)的掃描點(diǎn)數(shù)。這一設(shè)置條件對(duì)于某些網(wǎng)絡(luò)分析儀是無(wú)法達(dá)到的，而且也增加了測(cè)試時(shí)間。

2.3 掃描點(diǎn)數(shù)

起始頻率與終止頻率間的插入點(diǎn)數(shù)(即掃描點(diǎn)數(shù))。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀，須實(shí)時(shí)測(cè)試每個(gè)插入點(diǎn)的值;而對(duì)于兩個(gè)插入點(diǎn)之間的值，則采用函數(shù)擬合。因此選擇點(diǎn)數(shù)愈多，則每個(gè)離散頻率點(diǎn)的值愈接近于測(cè)試值。但測(cè)試點(diǎn)數(shù)的增多會(huì)使測(cè)試速度變慢。因此該參數(shù)的設(shè)置需要根據(jù)用戶的測(cè)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(cè)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(jìn)入“門”內(nèi)的信號(hào)愈接近于合格品，就能夠提高測(cè)試精度，但判定條件的提高自然使測(cè)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(dāng)帶寬變小時(shí)，系統(tǒng)的本地噪聲會(huì)有一定程度的降低，掃描的抖動(dòng)會(huì)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(cè)試曲線不光滑或者抖動(dòng)較大，可以適當(dāng)下調(diào)帶寬值。

2.5 掃描時(shí)間

網(wǎng)絡(luò)分析儀在信號(hào)發(fā)送端發(fā)出信號(hào)后，會(huì)在指定的掃描時(shí)間之后，在接收端接收信號(hào)。通常網(wǎng)絡(luò)分析儀在上述參數(shù)確定后，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)最小掃描時(shí)間，如果被測(cè)電纜比較長(zhǎng)，在系統(tǒng)設(shè)定的最小掃描時(shí)間內(nèi)，信號(hào)無(wú)法到達(dá)接收端，這可以適當(dāng)增加掃描時(shí)間，以保證能收到信號(hào)為止(因數(shù)據(jù)電纜的傳輸速度小于100 ns/100 m，且測(cè)試長(zhǎng)度一般最大305 m，系統(tǒng)設(shè)置的掃描時(shí)間遠(yuǎn)大于傳輸時(shí)間，因此一般不用更改)。

3 網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)

由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出和待測(cè)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(cè)試平面和被測(cè)數(shù)據(jù)電纜的待測(cè)平面間出現(xiàn)了一個(gè)誤差網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)分析儀使用之前必須進(jìn)行校準(zhǔn)，用以消除測(cè)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(zhǔn)中應(yīng)注意校準(zhǔn)方式、校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)時(shí)間等三個(gè)方面。

3.1 校準(zhǔn)方式

網(wǎng)絡(luò)分析儀有幾種方法來(lái)測(cè)量和補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng)誤差。利用不同誤差模型，消除其中的一項(xiàng)或多項(xiàng)系統(tǒng)誤差。通常是通過對(duì)高質(zhì)量的已知標(biāo)準(zhǔn)件(例如:短路器、開路器、負(fù)載和直通件)的測(cè)量，從而可使網(wǎng)絡(luò)分析儀求解誤差模型中的諸項(xiàng)誤差。

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

3.1.1 單端口校準(zhǔn)

當(dāng)只對(duì)被測(cè)件的反射性能感興趣，而且要求的測(cè)試精度相對(duì)較低時(shí)，可以使用單端口校準(zhǔn)。對(duì)于單端口誤差模型，有三個(gè)誤差項(xiàng)(端口的方向性誤差、源匹配誤差和頻率誤差)。為了求解三個(gè)誤差項(xiàng)，由線性矩陣?yán)碚摽芍枰⑷齻€(gè)不相關(guān)的方程來(lái)求解。校準(zhǔn)的原理就是建立這三個(gè)方程。通過在測(cè)試面加入三個(gè)已知特性的校準(zhǔn)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(fù)載件，反射系數(shù)理論上為0。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量這三個(gè)校準(zhǔn)件，得到實(shí)際測(cè)量結(jié)果，也就得到包含三個(gè)誤差模型的線性方程，并通過求解就能得到三個(gè)誤差項(xiàng)。在后續(xù)的測(cè)量中，在直接獲得的測(cè)試結(jié)果中，先通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，消除三個(gè)誤差項(xiàng)帶來(lái)的影響，顯示給用戶的就是校準(zhǔn)后待測(cè)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(zhǔn)

在數(shù)字電纜測(cè)試中，如果要求同時(shí)測(cè)試傳輸性能與反射性能，而且要求測(cè)試精度高時(shí)，就必須采用雙端口全校準(zhǔn)。雙端口校準(zhǔn)能夠消除正向和反向的方向性誤差、源匹配誤差、負(fù)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(zhǔn)一樣，雙端口的校準(zhǔn)也是對(duì)已知數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行精確的測(cè)試，求出12項(xiàng)誤差項(xiàng)，形成誤差系數(shù)數(shù)組(誤差矩陣)。在以后的測(cè)試中，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正。

3.2 校準(zhǔn)方法

對(duì)于數(shù)據(jù)電纜的測(cè)試，測(cè)試夾具是必不可少的。隨著測(cè)試頻率的提高，測(cè)試夾具對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也越加明顯。這種影響只能通過精心校準(zhǔn)來(lái)消除。

采用測(cè)試夾具時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)可分為兩類。從理論上講，這兩類校準(zhǔn)沒有本質(zhì)的區(qū)別，校準(zhǔn)精度主要取決于所采用的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)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(cè)試端口相應(yīng)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的校準(zhǔn)程序做校準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但所采用的校準(zhǔn)方法只能是網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部?jī)H有的幾種。

另一類是在網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)校準(zhǔn)到儀器的同軸端口條件下，測(cè)試已經(jīng)嵌入相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的夾具，而得到夾具的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這一過程被稱為測(cè)試夾具的校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)了測(cè)試夾具后，就能夠?qū)η度霚y(cè)試夾具的待測(cè)線纜進(jìn)行測(cè)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(yùn)用級(jí)聯(lián)運(yùn)算進(jìn)行消除。

對(duì)于普通數(shù)據(jù)電纜的測(cè)試，第一類方法運(yùn)用的較多，此時(shí)必須遵循校準(zhǔn)到端口的原則。即所有的校準(zhǔn)過程(開路、短路、負(fù)載、直通)都必須在最終的電纜測(cè)試端口進(jìn)行，否則不可避免地會(huì)帶入測(cè)試誤差。而對(duì)于微波段數(shù)據(jù)電纜的測(cè)試，去嵌技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)取到事半功倍的效果。

3.3 校準(zhǔn)時(shí)間

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

4 結(jié)束語(yǔ)

有了正確的設(shè)置和合理的校準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)分析儀的應(yīng)用才有了基本保證。在實(shí)際應(yīng)用中還必須注意網(wǎng)絡(luò)分析儀的靜電保護(hù)、使用環(huán)境及端口擴(kuò)展所用的器件，以及安裝及防塵保護(hù)等因素，才能合理的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀，達(dá)到快速、高精度的測(cè)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(shí)心聚烯烴絕緣水平對(duì)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(zhǔn)［J］.中國(guó)科學(xué)E輯技術(shù)科學(xué)，2004，34(3):329-336.