從應(yīng)用角度探討,如何保持微波測試系統(tǒng)的平衡
在一個40GHz的微波測試系統(tǒng)中采用18GHz的測試電纜時,那么這個系統(tǒng)是失衡的;而在一個測試系統(tǒng)中,測試電纜出現(xiàn)了輕微故障而測試者尚未察覺,我們可以認(rèn)為這個測試系統(tǒng)也處于失衡狀態(tài)。
在AN-0101《測試電纜概述》一文中,從電纜本身性能的角度描述了如何選擇一條合適的測試電纜組件,本文則從應(yīng)用角度來重新討論這個問題。
木桶原理vs微波測量系統(tǒng)
木桶原理說的是一個木桶裝水的多少取決于最短的那塊木板。這個道理在日常生活中被經(jīng)常引用,把它用在微波測試系統(tǒng)中,筆者認(rèn)為是再貼切不過了。我們可以從系統(tǒng)角度來審視一個微波測量系統(tǒng)這個“木桶”是否完整和平衡:
1)在一個聲稱為40GHz的微波測量系統(tǒng)(比如有40GHz的信號源,頻譜分析儀等)中,如果被發(fā)現(xiàn)其中只有26.5GHz的測試電纜組件和轉(zhuǎn)接器,那么這個系統(tǒng)就是不平衡的;
2) 當(dāng)DUT(被測件)的最高頻率為6GHz時,采用40GHz的頻譜分析儀和6GHz的測試電纜組件,那么當(dāng)前的這個測試系統(tǒng)是平衡的;
3) 不管什么系統(tǒng),如果測試電纜出現(xiàn)了故障,哪怕是軟故障,比如接頭和電纜的根部出現(xiàn)了隨機(jī)的接觸不良情況,在這種情況下,隨著電纜的抖動或者移動,頻譜分析儀上的幅度讀數(shù)會隨著發(fā)生變化,而測試者尚未察覺到電纜出了問題,那么顯然這個系統(tǒng)也是不平衡的。
盡管一臺頻譜分析儀可能價值幾萬美金,而一條“比較貴”的測試電纜也只有一、二百美金,但是從系統(tǒng)角度看,二者的地位是完全相同而不可偏頗的。在任何微波測量系統(tǒng)中,測試電纜組件和轉(zhuǎn)接器是連接儀器和DUT的紐帶,而且是一個很大的測試不確定因素,所以說測試電纜和轉(zhuǎn)接器是保持一個微波系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵。以下推薦幾點測試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器在選擇、使用和保管等幾方面的建議,供讀者參考。
分類保管測試電纜組件和轉(zhuǎn)接器
在實驗室通常會配備各種規(guī)格的測試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器,這些產(chǎn)品或來自儀器制造商,或來自第三方專業(yè)制造商。應(yīng)對這些產(chǎn)品進(jìn)行分門別類的選擇和保管,以下是幾點建議:
1) 在電纜上標(biāo)注最高工作頻率。
這一點很重要,可以避免測試電纜成為測試系統(tǒng)的“短板”。這項工作也可以要求電纜供應(yīng)商采用工業(yè)用標(biāo)簽打印機(jī)直接打印在電纜上,圖1是一個例子。
2) 給特殊的儀器配備專用電纜。
某些特殊的儀器,如帶有APC7接口的網(wǎng)絡(luò)分析儀,40GHz(如2.92mm)的頻譜分析儀和信號源等。因為有些接口是專用的,如APC7,少有用在通信設(shè)備中的;另外,如果把一條2.92mm接口 的40GHz電纜用在一個SMA接口的3GHz設(shè)備的測試中,那無疑是大材小用了。因此,為專用接口或者高頻儀器配備專用測試電纜組件不失為一種充分發(fā)揮這些儀器作用的有效手段。
3) 將室外應(yīng)用和實驗室應(yīng)用的電纜分開。
室外應(yīng)用的電纜需要經(jīng)常被卷曲和運(yùn)輸,同時應(yīng)用環(huán)境也相對惡劣(比如電纜會被放置在地面上),因此更容易損壞。為了增加強(qiáng)度,我們往往為室外應(yīng)用的電纜加裝保護(hù)層,如不銹鋼鎧裝。這樣做是為了防止電纜被過度彎曲,但同時損失的是電纜的柔軟度。而測試者通常更喜歡使用柔軟的電纜,因此將實驗室應(yīng)用的柔性電纜和室外應(yīng)用的電纜分開,可以在某種程度上提高測試的效率。
4) 將射頻轉(zhuǎn)接器裝在盒子里分類保管。
射頻轉(zhuǎn)接器種類繁多,將它們按照應(yīng)用分類定位放置在小盒子里,可以大大方便使用,并對器件起到保護(hù)作用。以下是幾種射頻轉(zhuǎn)接器的分類例子,圖3是一種工作于6GHz以下頻段的成套射頻轉(zhuǎn)接器,包括了N、TNC、BNC、SMA、UHF和miniUHF等6種轉(zhuǎn)接器的插頭和插座。巧妙的是,這些轉(zhuǎn)接器之間用一種叫universal的轉(zhuǎn)接器來互聯(lián),這樣一共可以組合出72種轉(zhuǎn)接器。這套轉(zhuǎn)接器適合絕大多數(shù)常見通信設(shè)備的測試,如雙向無線電對講機(jī)。
圖4所示的是一種內(nèi)部可自由切割的小盒,用于放置各種射頻轉(zhuǎn)接器,這樣可以組合成各種應(yīng)用的射頻轉(zhuǎn)接器套件,如專用于蜂窩基站測試的DIN716和N之間的4種或6種轉(zhuǎn)接器;最常用的N和SMA之間的轉(zhuǎn)接器等。
射頻測試電纜和轉(zhuǎn)接器的使用注意事項
在微波測量系統(tǒng)中,最容易損壞的就是測試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器,因此要仔細(xì)維護(hù)和使用。以下是筆者總結(jié)的一些經(jīng)驗:
1) 不要用任何鉗子來固定射頻連接器。
幾乎每種尺寸的射頻連接器都有適合的扳手,當(dāng)然這是指六角形螺帽的插頭,而圓形的螺帽則只能用手裝拆了。無論是尖嘴鉗或者老虎鉗,都無法掌握連接器的正確力矩,并且會損壞連接器。應(yīng)使用力矩扳手來緊固連接器。
很多螺套尺寸為8mm的六角形連接器可以用力矩扳手來緊固和拆卸,如SMA、3.5mm、2.92mm、2.4mm和1.85mm;而N型連接器則采用開口為19mm的力矩扳手。
通常,在實驗室可配備一把開口8mm和一把19mm的力矩扳手。如果沒有,可以用手來緊固和拆卸連接器,對于連接器來說,緊固的力矩寧可小于其規(guī)定的力矩,但不能更大。
2) 射頻連接器的清潔。
要用蘸有酒精的棉簽來清洗連接器,但不要用棉簽去清洗空氣介質(zhì)連接器的內(nèi)導(dǎo)體,如3.5mm和2.92mm等。
3) 遵循木桶原理-使用滿足測試要求的轉(zhuǎn)接器和電纜即可。
盡可能不要使用比當(dāng)前的測試頻率高出很多的射頻轉(zhuǎn)接器和測試電纜。比如在測試蜂窩基站的雜散信號時(這項測試通常要求至12.75GHz),可采用18GHz的SMA接口的測試電纜和轉(zhuǎn)接器,而不要采用40GHz的2.92mm接口的電纜和轉(zhuǎn)接器。
這么做的理由是為了合理利用射頻實驗室的資源,應(yīng)把2.92mm的電纜和轉(zhuǎn)接器用到毫米波測試場合,畢竟射頻連接器是有壽命限制的。
4) 不要將校準(zhǔn)件中的轉(zhuǎn)接器用于普通測試。
校準(zhǔn)件中的轉(zhuǎn)接器,如N(f-f)、SMA(f-f),這類精密轉(zhuǎn)接器的回波損耗典型值小于-34dB,只能用于S參數(shù)測量的直通校準(zhǔn),千萬不要將其用于正常測試中的轉(zhuǎn)接。沒有的話,寧可花錢去買一個。
5) 掌握正確的操作姿勢。
從儀器上拔下測試電纜組件時,一定要抓在接頭上(圖5a),千萬不要抓在電纜根部往外拉(圖5b),這樣很容易造成電纜和接頭連接處的故障。筆者見過的電纜故障,這部分原因占了較大比例。
圖5 電纜的操作
6) 給轉(zhuǎn)接器戴上保護(hù)帽。
那些外螺紋的連接器,如N(f)和SMA(f),容易被磨損。尤其是SMA(f),不小心掉在地上的話,螺紋很容易變形。因此用完后最好隨手給連接器戴上塑料保護(hù)帽,同時還能起到防塵的作用。
關(guān)于保護(hù)接頭
保護(hù)接頭(Saver Connector)又被稱為測試端轉(zhuǎn)接器(Test Port Adaptor),顧名思義就是用于保護(hù)昂貴的儀器設(shè)備上的接頭。保護(hù)接頭實際上就是一個male到female的轉(zhuǎn)接器。
不要忽視這個小小的轉(zhuǎn)接器,它能省去你不少的麻煩。試想一下你正在正常使用的儀器設(shè)備,如果因為連接器損壞而需要返回原廠維修,除了要花去昂貴的維修費(fèi),還要損失寶貴的時間。要注意以下可能遇到的情況:
1) 帶空氣介質(zhì)接口的高頻儀器設(shè)備。
當(dāng)工作頻率高于26.5GHz以后,需要采用空氣介質(zhì)的射頻接頭,如3.5mm、2.92mm、2.4mm等,由于內(nèi)導(dǎo)體沒有介質(zhì)支撐,所以這類接頭更容易損壞,保護(hù)接頭幾乎可以說是必需的。
2) 無源互調(diào)測量設(shè)備。
無源器件的互調(diào)產(chǎn)物測試是一項非常精密的測試項目。無源互調(diào)測量設(shè)備的自身互調(diào)指標(biāo)可低至-170dBc@2×43dBm,任何的接頭接觸不良都可能造成互調(diào)指標(biāo)的惡化,在生產(chǎn)線上,一條頻繁使用的低互調(diào)測試電纜的壽命僅僅是按月計算的。所以在無源互調(diào)測試設(shè)備上,必須有一個保護(hù)接頭。
3) 通用的儀器設(shè)備。
大部分測試儀器設(shè)備都采用N型連接器,用于儀器中的連接器,其壽命肯定要比普通的連接器要長,但是它也有壽命,一旦磨損,也免不了返廠維修的問題。從這個角度看,任何測試儀器,只要你認(rèn)為必要,都需要保護(hù)接頭。
可稱為“保護(hù)接頭”的,并不是普通的轉(zhuǎn)接器,其電氣性能指標(biāo)尤其是壽命是主要的考慮因素。圖6是一種N型的保護(hù)接頭,其VSWR分別為1.02@DC-1GHz、1.04@1-3GHz和1.06@3-6GHz,而壽命則達(dá)到5000次插拔,這種保護(hù)接頭可以作為大多數(shù)常用測試儀器的保護(hù)。如果沒有被稱為“保護(hù)接頭”的轉(zhuǎn)接器,哪怕用一個普通的不銹鋼轉(zhuǎn)接器也好過不采取任何保護(hù)措施。
檢查測試電纜和轉(zhuǎn)接器
如果測試電纜組件和轉(zhuǎn)接器已經(jīng)出現(xiàn)了故障而使用者尚未發(fā)現(xiàn),則會影響測試精度,更為嚴(yán)重的是在大功率測試時可能會燒毀設(shè)備。所以,測試電纜組件和轉(zhuǎn)接器需要定期檢查,在使用過程中也要隨時注意,以下是幾點建議:
1) 注意儀表上的測試值是否穩(wěn)定。
如果你發(fā)現(xiàn)頻譜分析儀上顯示的頻譜幅度不穩(wěn)定,或者網(wǎng)絡(luò)分析儀在測量S21時的曲線出現(xiàn)抖動現(xiàn)象,排除其它原因后,就應(yīng)該檢查測試電纜是否出現(xiàn)了故障。這種情況下,有可能是電纜與連接器的連接處出現(xiàn)了接觸不良。在圖5b的使用情況下,容易出現(xiàn)這種故障。
2) 檢查連接器的內(nèi)導(dǎo)體。
射頻連接器是精密的器件,其中的每個零件及其配合都有嚴(yán)格的規(guī)定,圖7是MIL-STD-348A規(guī)定的N型連接器的界面規(guī)范。應(yīng)經(jīng)常檢查連接器的內(nèi)導(dǎo)體,如果發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)停止使用。
圖7 MIL-STD-348A規(guī)定的N型連接器界面規(guī)范
3) 定期檢查指標(biāo)。
有條件時,可定期用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢查測試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器是否正常。
區(qū)別公制和英制連接器
雖然現(xiàn)在絕大部分連接器都采用英制標(biāo)準(zhǔn),但仍有一些容易引起混淆的公制和英制連接器,典型的有英制的N和公制的L16,以及英制的BNC和公制的Q9。單從外形上很難區(qū)分,但是二者不能互換,如果在一起使用,會影響測試精度并損壞連接器。在采購時,應(yīng)注意這一點。