简介 电缆和天线测量通常是对射频与微波传输系统和天线的电气性能进行验证和故障诊断 在射频与微波通信行业, 一般使用同轴电缆在发射机与天线和 / 或天线与接收机之间建立连接, 并对其进行测量 这一过程有时被称为线路扫描, 信号衰减和回波损耗与频率有关 线路扫描结合了大多数射频与微波信号分析仪 ( 例如

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1 是德科技在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 应用指南 本应用指南探讨了电缆和天线测试中的实际问题, 解析了测量结果和仪器操作, 本文将 FieldFox 配置为电缆和天线分析仪, 并使用 CalReady 和 QuickCal 等校准选件 测量示例显示了在传输系统中插入损耗 回波损耗和故障定位的测量方法 随时随地进行精确测量

2 简介 电缆和天线测量通常是对射频与微波传输系统和天线的电气性能进行验证和故障诊断 在射频与微波通信行业, 一般使用同轴电缆在发射机与天线和 / 或天线与接收机之间建立连接, 并对其进行测量 这一过程有时被称为线路扫描, 信号衰减和回波损耗与频率有关 线路扫描结合了大多数射频与微波信号分析仪 ( 例如 FieldFox) 中的故障点距离测量 (DTF), 可以估算传输线中的故障或损坏位置 传输线性能测试并不局限于同轴电缆 只要在传输线和分析仪的同轴接口之间安装恰当的适配器, 也能对使用波导和双绞线电缆的系统进行性能表征 此外, 天线测量 ( 采用信号反射或是回波损耗和 VSWR 的形式 ) 可用来验证安装现场中的天线性能 当现场使用多个天线时, 无论天线是否与相同或不同的系统有关联,FieldFox 都能对天线间隔离进行验证 图 1 是 X 波段天线的回波损耗测量 ( 上方轨迹 ) 和 DTF 测量 ( 下方轨迹 ), 天线连接至 3 米长的同轴电缆 把天线安装在直立杆的顶部, 使用配置 CalReady 的 FieldFox 进行测量 回波损耗测量包含两个频率游标, 放在特定的工作频段 8 GHz 和 12.4 GHz 上 DTF 测量包含一个距离游标, 放在天线 3.23 米的位置 本应用指南探讨了电缆和天线测试的实际问题, 解析了测量结果和仪器操作, 本文将 FieldFox 配置为电缆和天线分析仪, 并使用 CalReady 和 QuickCal 等校准选件 图 1. X 波段天线和同轴馈电电缆的回波损耗 ( 上方轨迹 ) 和故障点距离 ( 下方轨迹 ) 测量

3 03 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 为什么电缆和天线测试很重要? 在电信系统的安装 操作和维护过程中, 已连接的电缆 适配器和天线随着时间的推移会性能下降或受损 众所周知,50% 至 60% 的蜂窝基站问题都是起因于故障电缆 连接器和天线 这些元件发生故障, 会导致测试覆盖范围下降, 并在蜂窝系统中产生不必要的切换 在任何的通信系统中, 如果发现问题, 有必要采取适当的流程和仪器来验证电缆和天线的性能 电缆和天线可以安装到各种各样的环境中, 包括室内和室外 室外安装可能包括屋顶 塔顶和地下电缆 室内安装可能包括仪器室 办公楼 船 飞机以及特定的汽车应用 对于无线蜂窝系统的户外安装, 天线和部分同轴电缆都会暴露在极端的天气条件下, 包括雨 雪 冰 风和闪电 严峻的环境条件会对系统元器件造成物理损害, 包括 : 电缆和连接器之间的防水密封层破损 ; 电缆接头的密封破损 ; 由于天气状况引起隔离层破裂, 从而使水分进入电缆和接口 屏蔽安装会使元器件受到误操作 压力 热量 振动 油以及其它可能流入系统中的物质的影响 电缆和连接器之间的任意接口也会发生电缆故障, 例如焊点和电缆夹损坏 在安装时或安装之后, 电缆可能出现凹损 压碎或是不恰当的路由 如果最小弯曲半径超出了电缆制造商规定的数值, 就可能产生其它的情况 例如, 低损耗同轴电缆的最小弯曲半径是 1 至 10 英寸, 如果电缆的弯曲半径低于技术指标, 则会导致电缆损坏, 进而降低电气性能 射频与微波传输系统的操作验证和维护 包括同轴电缆 波导和双绞线 天线 要求对插入损耗和回波损耗 ( 与频率有关 ) 进行快速而精确的测量 在现场操作中, 重要的一点是要对电缆和连接器的故障与损坏快速进行故障诊断和定位 现代手持式分析仪针对电缆和天线测试 (CAT) 而配置,FieldFox 是一款功能强大的工具, 可对整个传输系统以及单个元器件的性能进行表征 本应用指南接下来将会提供一些测量示例, 介绍在传输系统中测量插入损耗 回波损耗和故障定位的方法 使用频率范围高达 26.5 GHz 的 FieldFox N991XA 分析仪执行测量

4 04 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 电缆插入损耗测量 传输线或同轴电缆的插入损耗与工作频段有着直接关系 插入损耗, 又称为电缆衰减, 是指电缆的能量消耗 插入损耗还包含因源和负载间的失配反射而引起的能量损耗 源 ( 发射机 ) 传输线( 同轴电缆 ) 和负载 ( 天线 ) 都是针对相同的特征阻抗 Zo 而设计, 使用同轴电缆时,Zo 一般是 50 或 75 Ω 如 [1] 所示, 采用空气介质的同轴电缆在 75 Ω 时具有最低插入损耗, 在 30 Ω 时具有最高的功率处理能力 有线电视 (CATV) 行业采用标准化的 75 Ω 电缆, 以便在极长的电缆距离中实现信号传输的最大化 另一方面, 射频与微波行业大多采用标准化的 50 Ω 阻抗, 在最低损耗和最高功率处理能力之间寻找平衡 大部分射频与微波分析仪 (FieldFox) 都配置了 50 Ω 测试端口阻抗 在测量 75 Ω 电缆和元件时, 应当将 50 Ω 至 75 Ω 适配器 ( 例如 Keysight N9910X-846) 连接至分析仪 在传统的双端口设置中, 被测电缆连接至 FieldFox 两个单独的端口 FieldFox 把射频输出端口中的测试信号注入到电缆, 输出端口位于分析仪的顶部 当测试信号经过电缆时, 一小部分能量被电缆的电阻和介电损耗吸收 电缆连接器的中断 电缆接头破损及其它因素都会把一部分能量发射回源, 由此增加了插入损耗 FieldFox 会在射频输入端口上测量其余的离开电缆的信号 输入和输出信号的比值就是电缆的插入损耗, 通常用分贝 (db) 表示 理想的无耗电缆具有 0 db 插入损耗 电缆制造商一般会提供一个插入损耗随频率变化的表格 例如,LMR900 同轴电缆具有 2.2 db 插入损耗, 长度为 100 米, 在 150 MHz 上测得 在 1.5 GHz 上, 同样的电缆可能具有 7.4 db 的插入损耗 熟悉矢量网络分析仪 (VNA) 的用户会把插入损耗测量结果视为 S21 传输离散参数 (S 参数 ) 的绝对值 有关 FieldFox VNA 选件和网络分析仪基础知识, 请参见参考资料 [1] 和 [2] 应当注意的是: 精确的插入损耗测量要求对 FieldFox 进行初始校准 开路或短路 一旦传输线电缆安装到系统中, 在验证电缆操作和进行故障诊断时需要移除电缆, 这就会变得非常困难且昂贵 对于极长的电缆, 同时接入电缆的两端是不可能的, 更不必说把电缆连接到测试仪器 在这种情况下, 更适合采用支持单端测量电缆插入损耗的技术 图 2 是使用配有 CAT 模式的 FieldFox 测量电缆插入损耗的两种配置 图 2a 是使用双端口技术测量电缆插入损耗的传统方法 图 2b 是 FieldFox 推出的创新型方法, 仅需接入电缆的一端即可测量插入损耗 本文将会探讨这两种方法 插入损耗 ( 双端口 ) 图 2. 使用配有 CAT 模式的 FieldFox 测量电缆插入损耗的配置 电缆损耗 ( 单端口 )

5 05 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 电缆插入损耗测量续 校准能够消除设备 适配器 跳线电缆的插入损耗效应 ( 与频率有直接关系 ) 本应用指南稍后会介绍 FieldFox 的校准, 以执行单端口和双端口测量 图 3 是使用双端口技术在 30 khz 至 18 GHz 范围内对同轴电缆进行插入损耗测量 图中还显示了使用单端口技术对电缆进行插入损耗测量 如前所述, 当电缆安装到系统中时, 很难将 FieldFox 连接到极长电缆的连段, 而不使用等长的跳线电缆 FieldFox 提供便利的方法, 只需连接被测电缆的一端即可测量插入损耗 设备无需采用极长的 高质量的测试电缆 图 2b 显示了使用单端口配置测量电缆插入损耗, 通过将电缆的一端连接到 FieldFox, 另一端打开或者短路 更适合在微波频率上使用短路, 以消除开放式电缆中的边缘磁场 ( 可能导致测量结果发生变化 ) 与之前相同,FieldFox 把射频输出端口中的测试信号注入到电缆 测试信号经过电缆, 并由开路端 ( 或短路端 ) 完全反射, 再次经过电缆, 最终使用相同的端口进行测量 FieldFox 内置了经过工厂校准的 反射计 [1], 以测量射频输出端口中的反射信号 内部校准 CalReady 是在仪器启用和预置时提供 本应用指南稍后会介绍 一旦反射测量完成, 借助用于同轴电缆色散的内置模型, 并了解到测量信号中的插入损耗是电缆的两倍 ( 往返路径 ),FieldFox 能够记录电缆插入损耗与频率的关系 图 3 比较了使用双端口和单端口技术的插入损耗测量 图中, 蓝线表示双端口插入损耗测量, 黄线表示单端口插入损耗测量 如图 3 所示, 使用单端口技术时, 频率范围内会出现额外的波纹振幅, 这是由开放端 ( 短路 ) 和输入连接器之间的失配效应引起的 使用 FieldFox 时, 通过对被测电缆末端上的 50 Ω 负载进行测量, 可以减少波纹振幅 在本例中, 通过 Trace ( 轨迹 ) Data ( 数据 ) > Mem ( 存储器 ), 可将 50 Ω 负载的测量结果保存到存储器中 负载已消除, 电缆以开路 ( 或短路 ) 作为终端 使用 Data Math ( 数据数据函数 ) > Data-Mem ( 数据 - 存储器 ) 在存储器中减去开路 ( 或短路 ) 测量结果 这个测量步骤可以改善单端口电缆测量中观测到的纹波 通常, 传统的双端口插入损耗测量要比单端口电缆测量精度更高, 在表征已安装的有线系统时, 无需将仪器连接至电缆的两端, 因而具备更大的优势 图 3. 在 FieldFox 上使用创新的单端口技术 ( 黄色 ) 和传统的双端口技术 ( 蓝色 ) 进行同轴电缆插入损耗测量

6 06 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 电缆插入损耗测量续 另一种电缆插入损耗的测量配置无需在返回路径中使用长的同轴电缆 在这个配置中,FieldFox 作为功率计使用, 并连接至 Keysight U2000 系列 USB 功率传感器 如图 4 所示, 被测电缆的一端直接与 FieldFox 的射频输出端口连接 另一端与 USB 功率传感器连接 FieldFox 在射频输出端口上生成连续波信号 连续波信号即为测试信号, 沿电缆传输, 并由 USB 功率传感器测量 如果电缆的两端有较长的物理距离,USB 传感器可通过 USB 电缆延长器连接到 FieldFox USB 电缆延长器现已有售, 长度范围可达 500 米及以上 这种配置有效地克服了在已安装电缆和仪器之间使用昂贵同轴电缆的局限性 功率计解决方案的最主要限制是不支持扫频测量, 因此, 需要通过手动调节 FieldFox 的设置来更改测试频率 在测量具有高插入损耗的电缆时, 信号幅度接近分析仪的本底噪声, 已显示的测量轨迹可能具有相对较高的噪声 通过把 FieldFox 的输出功率设为高功率模式, 可以改进相对信噪比和提高测量精度 高功率模式是 FieldFox 的默认设置, 适用于大多数无源器件测量 低功率模式一般适用于高增益或低噪声放大器测量, 避免放大器产生饱和或受到潜在损害 高功率设置会使端口功率达到 +5 dbm 左右, 低功率设置则为 -25 dbm 提高轨迹平均数或是降低中频带宽设置, 都可以减少显示的噪声电平 通过对多次扫描的结果求平均值, 轨迹平均值计算将会降低随机噪声对测量结果的影响 FieldFox 轨迹平均值计算可设置在 1 ( 无平均值 ) 至 1000 之间 它要求首先对多个轨迹进行测量, 如需多次扫描, 那么总测量时间就会增加 降低 FieldFox 的中频带宽设置同样也能减少显示的噪声 中频带宽可在 100 Hz 至 300 khz 之间调整 应当注意的是 : 中频带宽降低时, 仪器扫描时间延长, 因而也会导致总测量时间增加 USB 电缆功率传感器 USB 延长器长的被测电缆 图 4. 使用 FieldFox 和 USB 功率传感器进行电缆损耗测量的配置

7 07 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 图 5a 和 5b 平板天线的频率响应测量, 显示了 (a) 回波损耗 (db) 和 (b) VSWR 天线回波损耗和 VSWR 测量 天线由它的增益因数和回波损耗或电压驻波比 (VSWR) 指定 对于大多数射频与微波元器件和系统来讲, 回波损耗和 VSWR 属于标准测量, 使用 FieldFox 在现场或实验室中轻松测量 天线增益测量通常是在特定的测试设备中完成, 例如消声室 在天线增益测量中, 传输测量是在被测天线和第二个已校准天线间进行 通过消除传输测量中已校准天线和自由空间损失的影响, 即可获得指定的天线增益 由于天线存在着环境反射和难以接近性, 在现场执行天线增益测量难度很大 当天线安装到系统中时, 仅要求测量天线的反射性质, 以确定天线是否发生故障或受损 回波损耗及其 VSWR 用于表征天线性能 单端口测量一般是在感兴趣的频段内进行 天线的回波损耗为 10 db 或更高, 意味着天线的匹配度很好 回波损耗为 10-dB, 等同于天线辐射出 90% 的入射能量, 另外 10% 的能量反射回发射机 对于要求高效率的应用, 例如基站天线, 回波损耗固定在 15 db 或更高 10-dB 的回波损耗几乎等同于 VSWR 2:1 ( 参见技术指标 ) 附录 A 包括回波损耗和 VSWR 的换算表 FieldFox 能够处理这种换算, 并以回波损耗 (db) 或 VSWR 的形式显示测得的响应 图 5 显示了 2.4 GHz 接线平板天线的反射特征 该天线内含一个 6 英寸长的 50 Ω 同轴电缆, 末端是 N 型阴头连接器 标准 N 型阳头至阳头适配器可将天线连接至 FieldFox 的 N 型阴头连接器 在将任意元件连接到仪器时, 必须要使用高质量适配器, 以改善测量的精度和可重复性 在本例中, 适配器和电缆作为测量结果的一部分 使用 FieldFox 提供的 QuickCal 或 O/ S/L 校准, 适配器特征可从测量结果中移除 本应用指南稍后会介绍校准选件 图 5a 显示了在 2.2 至 2.7 GHz 频率范围内的回波损耗 在 10-dB 回波损耗上放置两个游标, 表示适当的天线带宽 游标表列出了每个有源游标的幅度和相关频率, 最多为 6 个 图 5b 显示了同一个天线的 VSWR 测量 在测量天线的反射特征时, 有必要使分析仪尽可能近地与天线连接 如果在天线和分析仪之间插入一根长电缆, 或是电缆过度损耗, 那么电缆的高插入损耗将会掩盖天线的真正回波损耗 例如, 如果受损天线的回波损耗实际为 6 db, 但在天线和分析仪之间插入了插入损耗为 3 db 的跳线电缆, 那么天线和电缆组合的回波损耗是 12 db (3 db cable loss + 6 db antenna RL +3 db cable loss ) 在本例中, 有必要直接把分析仪连接到天线, 以便恰当地测量天线的真正性能或在跳线电缆的一端进行用户校准 在使用连接至天线的 FieldFox 进行测量时, 系统外的干扰会被天线捕获, 并由 FieldFox 测量 干扰可能以尖峰的形式出现, 或是由于轨迹缺乏稳定性造成 FieldFox 包括抗干扰, 可将任意干扰信号的影响降至最低 抗干扰设置可在测量设置菜单中找到 一旦启用, 需要利用最多 6 个测量扫描来减少或消除干扰

8 08 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 天线间隔离度 在多数无线应用中, 不同的系统处于同一个位置, 它们共享塔式和屏蔽结构 图 6a 是一个典型的转发器, 多个系统中的天线都安装在公共结构中 重要的是, 无论是同一个系统还是不同系统中的天线都必须具有足够的间隔, 以保持一定的隔离度, 从而避免在发射放大器中产生互调失真, 或在接收机中产生噪声减敏 当大功率发射机中的能量从一个天线耦合器辐射到邻近天线, 并进入耦合系统的放大器中时, 就会产生互调失真和接收机减敏 系统通常采用双工设计, 使用滤波器抑制邻近发射机的信号及其它干扰 系统要求天线间隔离度为 60 db 或以上 因而有必要对感兴趣的频段中的天线间隔离度进行扫描 图 6b 是使用 FieldFox 测量天线间隔离度的配置 FieldFox 可以测量双端口插入损耗, 并使用 归一化 校准和短距离的跳线电缆进行校准 由于隔离度测量是相互的, 所以无需考虑是哪一根天线与 FieldFox 的射频输出端口连接 图 6a. 微波中继器显示了多个共存天线 [3] 隔离度天线 #1 天线 #2 插入损耗 ( 双端口 ) 图 6b. 天线间隔离度测量的配置 图 7 显示了两个平板天线间 ( 安装在公共结构中 ) 的隔离度测量 其中一个天线是在 900-MHz 频段内操作, 另一个是在 2.4 GHz 如图所示, 天线间隔离度在 902 至 928 MHz 频段内是 44 db 以上, 而在 2.4 至 GHz 频段内仅为 35 db 这个隔离度表明,2.4-GHz 系统传输的能量将会进入 900-MHz 接收机前端, 隔离度为 35 db ( 低于传输信号 ) 900-MHz 系统需要足够的滤波来抑制 2.4-GHz 信号, 否则, 信号会导致 900-MHz 接收机减敏 图 7. 对处于同一个结构中的 900-MHz 平板天线和 2.4-GHz 平板天线的天线间隔离度进行测量

9 09 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 传输线故障定位 一旦电缆插入损耗超出预期或回波损 耗和 VSWR 超出技术指标范围, 有 必要找出传输系统中的故障位置 使 用 FieldFox 的故障点距离 (DTF) 测量 可以定位不连续和周期性电缆故障 DTF 采用反射测量法, 并计算任意断 点的幅度响应 ( 与距离有直接关系 ) 使用 FieldFox 进行 DTF 测量类似于使 用矢量网络分析仪进行时域测量 [4], 但 DTF 测得是断点距离, 而不是时延 图 1 显示了一段同轴电缆 ( 连接至天 线 ) 的回波损耗随频率变化的曲线 ( 上 方轨迹 ) 和 DTF 测量 ( 下方轨迹 ) 查 看 DTF 显示屏时, 高幅度电平信号位 于传输线和负载断点所处的位置 对 传输系统中的故障进行定位时, 大幅 度电平信号的定位将提供关键的故障 诊断工具 图 8 是在 FieldFox 上进行 DTF 测量的典型配置 在本例中, 假设某些负载通过两段同轴电缆连接至 FieldFox 负载可以是系统天线 50 Ω 端接或开放式电缆 使用适配器把两段电缆连接在一起 图 8 还有制造商提供的电缆规格表 必须要把速度因数技术指标输入到 FieldFox 中, 以使仪器正确地显示每个电缆断点的距离 速度因数是信号在传输线中的传播速度, 相对于在真空中 ( 光速 ) 的传输速度而言 信号在同轴电缆中传输时, 电缆内部导体和外部导体间的介电质会降低信号速度, 从而使速度因数低于 1.0 对于图 8 中的电缆, 信号的速度因数是 0.66, 这表示信号以光速的 66% 在同轴电缆中传输 在位于测量设置菜单下的 DTF 电缆规格表中, 把速度因数输入到 FieldFox 负载 电缆 #1 电缆规范 适配器 速度因数 0.66 电缆 #2 电缆损耗 (db/m), 50 MHz 时 0.04 电缆损耗 (db/m), 100 MHz 时 0.06 电缆损耗 (db/m), 500 MHz 时 0.17 电缆损耗 (db/m), 1000 MHz 时 0.28 FieldFox DTF 电缆规范菜单 故障点距离 (db) 图 8. 系统的故障点距离 (db) 的测量配置 ( 将两个同轴电缆连接至负载 ); 还显示了电缆规范

10 10 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 传输线故障定位续 图 9 显示了图 8 中电缆的 DTF 测量 电缆端接至 50 Ω 同轴负载 游标位于 DTF 响应的三个峰值 最左边的第一个游标表示距离为 0 米 它表示 FieldFox 和第一个同轴电缆的接口 第二个游标表示距离为 4 米 它位于两个电缆之间的适配器 它表明第一个电缆的长度是 4 米 第三个游标位于 50 Ω 负载, 表示距离为 13.8 米 这个测量可用于计算第二个电缆的长度, 为 9.8 米 (13.8 至 4 米 ) 幅度在 50 Ω 负载之后有着明显下降, 用于表示电缆末端的位置 应当注意的是 : 如果电缆的速度因数没有输入正确, 距离测量可能有误, 很难精确定位电缆中的断点距离 还应注意的是, 在对速度因数不同的两个电缆进行测量时, 例如与长螺旋电缆连接的短跳线电缆, 较长电缆的速度因数应当输入到 FieldFox 理想情况下, 跳线电缆应作为 QuickCal 的一部分, 因而可对它的效应加以校准 电缆起始端适配器图 9. 使用图 8 中的配置进行故障点距离测量 (db) 开路 50Ω 负载 电缆末端 多次反射 图 10 中的测量配置与图 8 相同, 但是 50 Ω 负载已移除, 电缆处于开口状态 作为对比, 黄色轨迹是电缆开口时的电流测量, 蓝色轨迹 ( 保存到存储器 ) 是使用 50 Ω 负载时的测量 使用开路器件在同一个位置测量电缆起始端 适配器和电缆末端, 但反射信号的幅度会有明显增加 图 10. 端接至开路的电缆 ( 黄色 ) 和 50 Ω 负载 ( 蓝色 ) 的 DTF 测量比较 当 FieldFox 测量被测电缆的双向反射属性时, 通过在二分之一的实际距离中进行测量, 可以算出 DTF 测量结果 图 10 中, 在开路的右端出现了两个额外的尖峰 被测电缆的长度不够, 这些尖峰是在成套电缆的多个断点上反复反射而成 对于这两个尖峰, 游标 4 定位在 23.7 米, 游标 5 定位在 27.6 米 信号多次在电缆中传输, 并与开路和适配器断点交互, 从而形成了测量峰值

11 11 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 传输线故障定位续 图 11 是 FieldFox 多个传播路径的简图, 电缆配置与图 8 一致 图 11a 是开放式电缆中的主要反射信号, 信号位于 13.8 米 ( 图 10 中的游标 3) 图 11b 显示了适配器和开路之间的重复反射, 峰值大约是在 23.7 米 ( 游标 4) 最后一个峰值( 图 11 中未显示 ) 表示 FieldFox 和开路之间的重复反射, 由此峰值大约是在 27.6 米 ) 游标 5 = (4 m m m + 4 m + 4 m m m + 4 m)/2) 电缆 #1 4 米适配器距离 ( 米 ) = 电缆 #2 9.8 米 = 13.8 米 开路 在某些仪器设置中, 峰值可能是 DTF 响应的伪像或 别名 别名 不是真正的电缆响应, 当 FieldFox 表示 Alias-free Range = Off 出现, 参见 DTF 设置页面 当 FieldFox 表示 Alias-free Range = On 时, 不会出现别名 当 FieldFox 的终止距离小于 10 米 ) 和 / 或分辨率达 1001 个点时, 更容易出现多余的峰值 通过一个简单的测量流程可以确定哪些峰值是真正的响应, 哪些只是伪影 在存在疑问的响应中放入一个游标, 并注意其测量距离 更改 FieldFox 的起始或终止距离设置 真正响应的距离是不会改变的 换句话说, 别名的距离会出现移动, 由此, 这个峰值不能视作是真正的 DTF 响应 距离 ( 米 ) = 电缆类型选择菜单 RG8U 电缆参数 = 23.6 米 图 11. FieldFox 和开放式电缆间的信号传播路径 ; (a) 开口端的信号反射,(b) 开口端和适配器的双反射 图 12. FieldFox 的电缆类型选择和电缆参数菜单 应当注意的是 : 如图 10 所示, 开路的预期回波损耗应当是 0 db, 但实际测得是 9.9 db ( 游标 3) 除非在 FieldFox 中输入特定的电缆损耗 (db/m), 幅度测量将不会准确 在测量中, 电缆损耗输入值为 0 db/m ( 默认设置 ), 因此, 传输系统的插入损耗掩盖了开路的真正回波损耗 如果应用要求对 DTF 显示屏上某个反射的回波损耗进行精确的幅度测量, 那么应当手动把电缆损耗输入到 FieldFox 或在已保存的电缆类型中进行选择 图 12 是 FieldFox 中的电缆选择菜单 ( 左侧菜单 ) 在本例中, 突出显示并选择了 RG8U 电缆 图 12 的右侧, 用户能够查看和编辑表中的电缆参数 对于 RG8U 电缆, 其速度因数是 0.848, 电缆损耗 (db/m) 与频率有着直接关系 电缆损耗值插入到已输入的频率点之间 通常, 传输系统的 DTF 测量主要涉及传输线故障定位, 因此, 不必要对回波损耗和 VSWR 进行精密的幅度测量 大多数应用仅要求把电缆的速度因数输入到 FieldFox 的电缆规格表中

12 12 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 传输线故障定位续 如果电缆的速度因数 (VF) 是未知的, 但已知电缆的物理距离, 可通过 DTF 测量估算这个速度因数 在本例中, 电缆连接至 FieldFox, 调整 VF 直至距离与已知物理长度匹配 图 13 显示了一个 3 米长 第 6 类双绞线电缆的测量, 该电缆以开路作为终端 电缆连接至 100 Ω 平衡 - 不平衡变压器, 使双绞线电缆的 100 Ω 阻抗与 FieldFox 的测试端口连接器 50 Ω 阻抗匹配 调整 VF 设置, 直至测量长度为 3 米, 此时的速度因数为 0.70 (70%) 速度因数也可用于制造商提供的其它第 6 类电缆的 DTF 测量 有三种仪器设置可以控制 FieldFox 计算并显示 DTF 测量的方式 第一种设置与频率模式有关, 参见 FieldFox 的测量设置菜单 DTF 测量可采用两种频率模式 低通和带通 低通频率模式将在测量距离内提供最佳分辨率, 但它要求测试元器件 ( 包括同轴电缆和适配器 ) 具有极宽的频率带宽, 例如传输线 带通频率模式适用于具有窄工作频段的元器件, 例如滤波器 天线和波导元件 由于分辨率与测量带宽成反比, 带通模式在 DTF 测量时无法提供与低通模式相同的分辨率 低通模式下, 在起始和终止距离输入到 DTF 显示屏之后, 可自动确定频率范围 图 13. 第 6 类配线的测量, 并调整 FieldFox 的速度因数, 以使测量距离与已知物理距离匹配 带通模式下, 根据被测元器件的近似频率范围手动输入起始和终止频率 第二种 DTF 仪器设置与分辨率或测量点数有关 分辨率可从 和 1001 个点中选择 点数越大, 测量扫描时间就会越长, 但也会增加 DTF 显示屏的最大可测距离 根据频带宽度计算距离分辨率 距离分辨率乘以 ( 点数 -1), 可算出最大可显示距离 第三种 DTF 仪器设置是 DTF 窗口 通常在对传输系统进行故障诊断时, 最大窗口的默认设置为 DTF 测量提供最高的动态范围 在解析两个间隔很近的断点时, 建议使用最小窗口 有关频率模式 分辨率和窗口的更多信息, 请参见 FieldFox 用户手册

13 13 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 FieldFox 测试端口校准 FieldFox 提供一组用户校准, 可消除位于仪器和被测器件间的电缆和适配器效应 这些用户校准由操作人员定期执行, 与年度仪器校准无关 仪器年度校准是一个可追溯的过程, 在经过认证的测试实验室中完成 ( 例如是德科技 ), 以确认该仪器按照规定的技术指标运行 仪器年度校准通过国家计量学院追溯到国际单位制 (SI), 例如 NIST NPL 或 BIPM 借助可完全追溯的仪器校准,FieldFox 能够在仪器测试端口上执行极其精确的测量 实际上, 不同的测试要求可能导致连接至 FieldFox 的跳线电缆和适配器类型有所不同 通常, 电缆和适配器效应不包含在测量中 在这种情况下,FieldFox 支持 ( 使用或不使用校准套件 ) 用户校准, 以便在跳线电缆和适配器的远处延伸校准面 熟悉矢量网络分析仪 (VNA) 的操作人员对上述用户校准类型较为了解 下面章节将会介绍 FieldFox 的不同用户校准类型, 它们都能精确地元器件和系统的反射特征和插入损耗 反射测量的校准 有三种用户校准类型可以精确地测量传输系统和天线的反射特征 用户校准能够改善之前介绍的所有测量结果, 包括回波损耗 VSWR 单端口电缆损耗和 DTF 反射测量所用的校准类型包括 CalReady QuickCal 和单端口 OSL 图 14 显示了三种校准类型的配置图, 覆盖了任何可能用到的跳线电缆 适配器和校准标准件 对于所有的校准类型, 跳线电缆和适配器应当具备高质量, 且保持很好的状态, 以提高测量数据的精度和可重复性 CalReady FieldFox 的最简单校准是 CalReady, 也称为预置校准 CalReady 在仪器接通电源或预置时即可执行, 无需任何用户操作 这种内置校准是在工厂中进行, 覆盖了 FieldFox 的完整频率范围, 直接应用到 FieldFox 的射频输出测试端口 CalReady 假定被测器件 (DUT) 直接连接至 FieldFox 的 N 型阴头测试端口连接器或 3.5-mm 阳头连接器 ( 用于 26.5 GHz 型号 ) 如图 14a 所示,CalReady 的校准面位于 FieldFox 的连接器上, 适用于包括回波损耗 VSWR 单端口电缆损耗和 DTF 在内的全部反射测量 使用 CalReady 时, 连接在 FieldFox 和被测器件间的任意跳线电缆和 / 或适配器都包含在测量响应中 QuickCal 用于反射测量的第二种校准类型是 QuickCal 当跳线电缆和适配器位于 FieldFox 和被测器件之间, 且用户不希望测量数据受到它们的影响时,QuickCal 是一个不错的选择 QuickCal 能够校正相位漂移和电缆 / 适配器损耗, 可将校准面移动到这些元器件的末端 ( 参见图 14b) QuickCal 需要在跳线电缆和适配器的末端执行单次测量扫描, 无需使用额外的校准标准件 一旦校准扫描完成, 被测器件测量可能不包括跳线电缆和适配器的效应 跳线电缆应当是高质量 相位稳定的测试电缆 应当注意的是 : 如果被测器件的回波损耗超出 20 db 至 25 db 范围, 通过测量可选的 LOAD 标准, 以改善被测器件的测量精度 理想情况下,LOAD 标准与被测器件采用相同的连接器类型 Keysight N9910X-800 (801) T 型校准套件包含 N 型阳头 ( 阴头 ) 50 Ω 端子

14 14 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 FieldFox 测试端口校准续 单端口 OSL 反射测量的第三种校准类型是单端口 OSL 这种校准需要使用校准套件, 其中 O 是开路标准,S 是短路标准, 而 L 是负载标准 校准套件适用于 N 型 (50 Ω 和 75 Ω) 7/ mm F 型 7 mm TNC, 以及几个波导套件 ( 包括 X 频段 P 频段和 K 频段 ) 在选择 FieldFox 的单端口 OSL 校准时, 必须选择连接器类型及其属性 ( 阳头或阴头 ) 属性定义与校准套件连接器的相同 由于每个校准套件都是不同的, 通过恰当地选择连接器类型和属性, 可确保 FieldFox 使用正确的校准套件定义 校准套件连接器应当与被测器件连接器的类型一致, 以实现最高的测量精度 此时, 校准面直接位于被测器件的输入端 ( 参见图 14c) 单端口 OSL 校准是三种校准类型中最精确的, 但它要求针对三个校准标准件进行单独的测量扫描 如欲使用单端口 OSL 实现最高精度, 有必要使用校准套件中的开路标准, 而不是保持电缆端口开放 插入损耗测量的校准 电缆和系统的插入损耗测量可以选择多种用户校准类型 它们是 CalReady QuickCal 归一化 增强相应和全双端口 CalReady 当使用高质量 相位稳定的电缆 ( 回波损耗为 25 至 30 db, 明显优于系统回波损耗 ) 把 FieldFox 连接至被测器件时,CalReady 支持用户无需校准即可在测试端口上执行电缆和天线测量 这是现场执行电缆和天线扫描的最简单方式 校准面 CalReady 校准在仪器接通电源或预 置时即可执行 在 FieldFox 的测试端 口上对 CalReady 进行工厂校准, 非 常适合表征跳线电缆的插入损耗 在本例中, 跳线电缆直接连接至 FieldFox 的射频输出 ( 端口 1) 和射频 输入 ( 端口 2) 在测量被测器件的插 入损耗时,FieldFox 和被测器件之间 的跳线电缆和 / 或适配器将会成为被 测器件测量响应的一部分 开路负载 * 开路短路负载 适配器 跳线电缆 适配器 跳线电缆 * 可选 图 14. 使用 FieldFox 精确地测量反射属性时所需的校准类型和校准标准件

15 15 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 FieldFox 测试端口校准续 归一化 归一化校准是一种极其简单的用户校准, 它能够移除跳线电缆效应和仪器的频率响应 在校准过程中, 短的跳线电缆在 FieldFox 的射频输出端口和射频输入端口之间连接 ( 参见图 15a) 连接跳线电缆之后, 执行单次测量扫描 所有的被测器件测量都将归一化或以电缆为参考 由于校准包括跳线电缆的损耗和相位响应, 该电缆应当也在测量范围内, 如图 15a 所示 如果在校准之后移除这个跳线电缆, 那么被测器件的测量结果会被跳线电缆的插入损耗值抵消, 从而导致被测器件的插入损耗测量值略低 仪器校准也可使用两个跳线电缆和 / 或适配器, 其中一个连接至 FieldFox 的两个端口, 如图 15b 所示 图 15b 显示了当被测器件与两个跳线电缆连接时的测量配置 尽管归一化校准是最简单的校准类型, 但它的精度也是所有校准类型中最低的 通常, 我们建议用户选择其它校准类型以提高测量精度, 例如 CalReady 或 QuickCal 还应注意的是 : 当使用开路或短路对测试端口进行端接时, 归一化校准同样适用于反射测量 QuickCal QuickCal 允许用户将参考面延伸到跳线或适配器的一端, 无需校准套件, 并支持许多常用的连接器类型 在进行插入损耗测量时,QuickCal 首 先采用与反射测试相同的校准流程, 但会在 FieldFox 的射频输出 ( 端口 1) 和射频输入 ( 端口 2) 对开放式跳线 电缆 可选的负载执行测量扫描 QuickCal 插入损耗测试还要对连接射 频输出 ( 端口 1) 和射频输入 ( 端口 2) 的跳线电缆进行测量扫描 这个跳线 电缆测量类似于图 15 中的校准步骤 校准完成后,FieldFox 将会显示插入 损耗测量结果, 不包含任意跳线电缆 和适配器的效应 校准 跳线电缆 测试被测器件 跳线电缆 跳线电缆 跳线电缆 增强响应和全双端口校准 增强响应和全双端口校准提供最高 的测量精度 全双端口校准要求对 FieldFox 两个测试端口上的 OSL 标准 件进行测量扫描 它还要对连接射频输出 ( 端口 1) 和射频输入 ( 端口 2) 的跳线电缆进行测量扫描 增强响应校准采取类似于全双端口校准的流程, 但不必对 FieldFox 端口 2 上的 OSL 标准件进行测量扫描 由此, 增强响应校准的精度略低于全双端口校准 增强响应和全双端口校准均适用于插入损耗测试和反射测试 尽管这些校准类型能够提供最高的测量精度, 用户还需在现场试验用高质量的校准套件 被测器件 跳线电缆 跳线电缆 图 15. 使用跳线电缆时的归一化校准配置, 对被测器件执行双端口插入损耗测试

16 16 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 结论 参考资料 本应用指南介绍了 FieldFox 电缆和天线测试 (CAT) 的测量和校准技术 本文提供有关电缆插入损耗 回波损耗 VSWR 和故障点距离 (DTF) 测试的测量示例 本文回顾了天线测量, 并提供了若干个回波损耗和天线间隔离度的测量示例 如欲了解 CAT 和线路扫描的更多信息, 请访问是德科技网站 是德科技还提供有关 CAT 和 FieldFox 应用的本地和现场培训, 包括线路扫描和天线测试培训课程 H7215x-121 [1] 是德科技应用指南 网络分析仪基础知识, E,2004 年 8 月 [2] [3] 版权归 J M Briscoe 所有, 根据知识共享许可的授权可重复使用 [4] 是德科技应用指南 , 使用网络分析仪进行时域分析, EN,2012 年 5 月 当使用高质量 相位稳定的电缆把 FieldFox 连接至被测器件时, CalReady 支持用户无需校准即可在测试端口上执行电缆和天线测量 QuickCal 允许用户将参考面延伸到跳线或适配器的一端, 无需校准套件, 并支持许多常用的连接器类型 附录 A: 回波损耗和 VSWR 换算表 根据下表, 回波损耗可表示为电压驻波比 (VSWR) 回波损耗 (db) VSWR 回波损耗 (db) VSWR 回波损耗 (db) VSWR 回波损耗 (db) VSWR 回波损耗 (db) VSWR VSWR 有时以比率的形式表示 例如 : 1.2:1 一点二比一 VSWR 第一个数字是从表格中获取或使用公式计算出的 VSWR 值 第二个数字始终是 1

17 17 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 随时随地进行精确测量 现场套件中的每一件工具都必须证明其具有不可替代的作用 FieldFox 分析仪的设计理念是帮助我们的客户轻松进行现场测量 它们适用于常规维护 深入故障诊断等 更重要的是, 无论用户需要到什么地方工作,FieldFox 都能执行出色的测量, 体现是德科技仪器的卓越品质 将 FieldFox 加入工具箱中, 您可以随时随地进行精确测量 相关文献 编号 FieldFox 组合分析仪, 技术概述 EN FieldFox 频谱分析仪, 技术概述 EN FieldFox 矢量网络分析仪, 技术概述 EN FieldFox 手持式分析仪, 技术资料 EN FieldFox 手持式分析仪, 配置指南 EN FieldFox N9912A 射频分析仪, 技术概述 EN FieldFox N9912A 射频分析仪, 技术资料 N FieldFox N9923A 射频矢量网络分析仪, 技术概述 EN FieldFox N9923A 射频矢量网络分析仪, 技术资料 EN 如欲下载其它应用指南 观看视频以及了解更多信息, 请访问 :

18 Keysight 在现场执行精密电缆和天线测量的技巧使用 FieldFox 手持式分析仪 - 应用指南 mykeysight 个性化视图为您提供最适合自己的信息! 3 年保修是德科技卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合, 从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心 降低拥有成本 增强操作方便性 是德科技保证方案 5 年的周密保护以及持续的巨大预算投入, 可确保您的仪器符合规范要求, 精确的测量让您可以继续高枕无忧 Keysight Electronic Measurement Group DEKRA Certified ISO 9001:2008 Quality Management System 是德科技渠道合作伙伴 黄金搭档 : 是德科技的专业测量技术和丰富产品与渠道合作伙伴的便捷供货渠道完美结合 如欲获得是德科技的产品 应用和服务信息, 请与是德科技联系 如欲获得完整的产品列表, 请访问 : 请通过 Internet 电话 传真得到测试和测量帮助 热线电话 : 热线传真 : 是德科技 ( 中国 ) 有限公司地址 : 北京市朝阳区望京北路 3 号电话 : (010) 传真 : (010) 邮编 : 上海分公司地址 : 上海市虹口区四川北路 1350 号利通广场 19 层电话 : (021) 传真 : (021) 邮编 : 广州分公司地址 : 广州市天河北路 233 号中信广场 66 层 室电话 : (020) 传真 : (020) 邮编 : 成都分公司地址 : 成都高新区南部园区天府四街 116 号电话 : (028) 传真 : (028) 邮编 : 深圳分公司地址 : 深圳市福田中心区福华一路六号免税商务大厦 3 楼电话 : (0755) 传真 : (0755) 邮编 : 西安分公司地址 : 西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 5/F 电话 : (029) 传真 : (029) 邮编 : 是德科技香港有限公司地址 : 香港北角电气道 169 号 25 楼电话 : (852) 传真 : (852) 香港热线 : 香港传真 : (852) 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Keysight Technologies, 2013 Published in USA, June 13, 2013 出版号 : CHCN

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