利用群時延技術(shù)測試電纜電長度的研究

吳雪華，侯鵬翔

（1.中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島；2.青島依愛科技有限公司，山東 青島）

引言

射頻同軸電纜組件是通信系統(tǒng)的基礎部件，多數(shù)情況下用戶并不認為它們是通信系統(tǒng)的核心技術(shù)部件，忽視電纜的特性對通信系統(tǒng)的影響。不良的射頻電纜會導致該通信系統(tǒng)的指標嚴重惡化甚至整體功能失效，因此必須重視對電纜特性的測量評估[1]。

矢量網(wǎng)絡分析儀由激勵信號發(fā)生器、S 參數(shù)測試單元、接收機、校準件和測試電纜組成，具備頻域和時域下的測試能力，能夠完成復傳輸和復反射S 參數(shù)測量和分析，是電纜S 參數(shù)評估的核心測試儀器，可實現(xiàn)電纜組件的傳輸和反射特性測試，在電纜的電長度評估方面發(fā)揮重要作用[2-4]。由于評估電纜的電長度（或者群時延）比較困難，因此，運用矢量網(wǎng)絡分析儀實現(xiàn)電長度的測試和評估成為一項重要的測試應用技術(shù)。本文研究了應用群時延測量同軸電纜電長度的測試技術(shù),并結(jié)合具體的實驗進行了分析對比和驗證。

1 群時延技術(shù)在射頻電纜電長度測量中的應用

1.1 群時延技術(shù)測量原理

群時延是在一定帶寬內(nèi)，不同頻率信號通過射頻電纜的實際傳輸時間，群時延隨頻率而變化。矢量網(wǎng)絡分析儀的群時延測試是通過被測件的傳輸相位特性對頻率求導計算，可以觀測到不同頻率信號通過電纜的傳輸時間，實現(xiàn)相位失真的總體觀測。計算公式如下：

群時延測量中，相位特性包括線性相移分量和高次相移分量。線性相移分量代表信號的平均傳輸時間，表明了器件的電長度；高次相移分量代表了時間隨頻率的變化，是引起信號相位失真的原因。電纜屬于線性微波部件，本文所說的電纜電長度，測量的是其平均傳輸時間[5]。

1.2 群時延孔徑設置技術(shù)

測量群時延時，儀器先測量兩個相鄰頻率點上的相位，以計算相位斜率。兩個相位測量點之間的頻率間隔稱為孔徑。改變孔徑可以影響群時延值，因此對群時延數(shù)據(jù)進行對比測試時，必需明確測量時所用的孔徑。

為了實現(xiàn)電纜電長度的精確測量，首先要考慮群時延孔徑的設置。矢量網(wǎng)絡分析儀默認的群時延孔徑為兩個相鄰掃描點的頻率間隔，采用兩種方法可改變孔徑的大小，一是改變測量點數(shù)或頻率跨度：增加掃頻段內(nèi)點數(shù)或減小頻率跨度使孔徑變窄；減少點數(shù)或增大頻率跨度使孔徑變寬。二是利用儀器的平滑功能，打開平滑功能，改變平滑設置中取值范圍的百分比，這樣做的效果與改變掃描點之間的頻率間隔類似。

測量孔徑的確定如圖1 所示。

圖1 測量孔徑的確定

在電纜的電長度測量時，特別是在物理長度比較長的電纜或通道測量時，保證相鄰掃頻頻段內(nèi)測量點之間的相位差小于180°是非常重要的，尤其是測量長電纜時，如果設置不當，可能出現(xiàn)欠取樣現(xiàn)象，致使相位對頻率的微分計算出現(xiàn)錯誤，從而得到錯誤的群時延信息。在很多情況下難以判斷測試結(jié)果是否正確，可以通過以下三種辦法進行設置和判斷：

（1） 在測量頻率、帶寬不變的情況下，通過不斷增加測量點數(shù)來調(diào)節(jié)和判斷，直到測量軌跡不再改變，以確保兩個相鄰點之間的相位差小于180°，這時測量到的群時延曲線或者數(shù)值將基本保持恒定，不再發(fā)生大的變化。

（2） 在測量點數(shù)設置不變的情況下，通過減小頻率跨度，直到測量軌跡不再改變，來確保兩個相鄰點之間的相位差小于180°，起到有效的延時孔徑確定的目的。

（3） 根據(jù)電纜物理長度和速率因子進行測試評估計算，確定合適的延時孔徑，再根據(jù)確定的孔徑設置矢量網(wǎng)絡分析儀的測量點數(shù)和其它設置，以保證群時延測試的參數(shù)設置正確。

設置合適的測量孔徑后重新設置矢網(wǎng)的測量激勵。由于改變點數(shù)或者頻寬會使得矢量網(wǎng)絡分析儀的校準狀態(tài)失效或者精度降低，必要時需要迭代進行重新校準和測試，從而獲得正確的群時延測試數(shù)據(jù)。

欠采樣影響群時延測量的原理如圖2 所示。

圖2 欠采樣影響群時延測量的原理

群時延測量中的主要誤差是頻響，為了獲得精確的測量結(jié)果，在確定好延時孔徑后，進行直通響應校準能顯著減小這個誤差。為了獲得更高的群時延測試精度，可對矢量網(wǎng)絡分析儀進行全雙端口校準[6-7]。

1.3 射頻電纜電長度測量的方法步驟

（1） 矢量網(wǎng)絡分析儀開機預熱至整機性能穩(wěn)定。

（2） 設置測量功率，將激勵源功率設定在本機的線性區(qū)域（通常至少低于輸入1 dB 壓縮點10 dB）。

（3） 選擇S21 測量，為被測電纜選擇設置，包括測量格式、比例和測量點數(shù)。

（4） 預評估延時孔徑的正確與否，選擇合適的點數(shù)確保不發(fā)生欠采樣。

（5） 移去被測件，進行SOLT 校準。

（6） 重新連接被測件, 設置顯示格式為群時延，為測量顯示設置比例以便進行最佳觀察。

（7） 利用儀器的平滑功能來增大孔徑，減小跡線上的噪聲，同時保持有意義的細節(jié)信息，為了增大孔徑，可以采取打開分析儀的平滑功能，改變平滑孔徑（最大為頻率跨度的25%）。利用光標讀取關(guān)注頻率處的群時延，打印或保存數(shù)據(jù)。

2 電纜電長度測試實驗與分析

運用矢量網(wǎng)絡分析儀對電纜特別是長電纜進行電長度測試分析時，確定測試參數(shù)配置的選擇非常重要。如圖3 所示，對一卷12 米長的射頻電纜（翼波公司LD-S/SRT40AL-12000H）進行電長度測試實驗。采用3672B 矢量網(wǎng)絡分析儀, 選用20403/ECAL 校準件，為提高校準效率和測試效率,測試頻率掃描寬度4～8 GHz；為使儀器接收機工作在最佳線性區(qū)，功率設置-5 dBm,校準方法選用電子校準。為了減少噪聲的影響，在進行電纜的群時延測量值讀取時，可以打開儀器的軌跡統(tǒng)計功能，讀取平均值可有效降低噪聲對于群時延數(shù)據(jù)的影響，提高測試精度。

圖3 電纜電長度測試實驗

（1） 在儀器默認的201 點下，使用電子校準件對測試儀進行校準，然后測量S21, 格式設置為群時延，測試結(jié)果電長度為6.19 納秒（見圖4），采用儀器默認的測試點數(shù)無法確定測試結(jié)果是否正確，無法確定孔徑是否合適。

圖4 201 點、401 點設置下群時延測試結(jié)果

（2） 由于在不知道電纜的長度和速率因子情況下，無法判斷測試結(jié)果是否正確。增加測量點數(shù)設置為401 點，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)電延時測試結(jié)果突變?yōu)?43 ns，顯然該測試結(jié)果不正確。因此，可以判斷401點設置孔徑的測量結(jié)果（見圖4）與201 點的測試結(jié)果都不正確。

（3） 在頻寬保持不變情況下增加儀器的掃描點數(shù)為1601 點，重新校準后測試試驗電纜，結(jié)果為56.2 ns，顯然測試結(jié)果和以上結(jié)果差距較大。把掃描點數(shù)改為1701 點，測試結(jié)果是56.19 ns，基本保持不變；重新校準儀器，驗證801 點的設置是否滿足延時孔徑對測試結(jié)果的是否正確，測量結(jié)果是56.2 ns（見圖5）。

圖5 1601 點、1701 點、801 點設置下群時延測試結(jié)果

（4） 利用儀器時域功能對群時延測試結(jié)果驗證。

利用矢量網(wǎng)絡分析儀配備的時域功能選件，對1601 測試點數(shù)下電長度測試結(jié)果進行驗證[8-10]。3672B矢量網(wǎng)絡分析儀在測試點數(shù)為1601 點情況下（該點數(shù)設置可以滿足電纜測量時域量程的需要），在校準完成后連接電纜進行測試，然后打開時域功能選項，可使用傳輸時域法或反射法測量，本文選用傳輸時域法進行測量，測量結(jié)果為56.2 ns（見圖6）,和上述群時延測試方法的結(jié)果完全一致。由于電纜的實際物理長度已知，可以推斷出電纜的速率因子，計算出介電常數(shù)。

3 結(jié)論

本文介紹了矢量網(wǎng)絡分析儀的群時延技術(shù)在同軸電纜電長度測量中的應用，重點分析了延時孔徑設置對測試結(jié)果的影響。測試同軸電纜特別是物理尺寸比較長的電纜時，如何設置孔徑并判斷測試結(jié)果是否正確至關(guān)重要。本文通過實驗給出了不同測量孔徑設置下的測試曲線數(shù)據(jù)，對如何評估進行了實驗分析，并利用時域功能的實驗結(jié)果進行了驗證。掌握了群時延技術(shù)測量電纜電長度的方法和技巧，對于其它無源和有源器部件的測試同樣具有重要的參考意義。