从应用角度探讨，如何保持微波测试系统的平衡

时间：2018-09-25 19:40:18

关键字：射频平衡微波电缆

[导读] 前言　　在一个40GHz的微波测试系统中采用18GHz的测试电缆时，那么这个系统是失衡的；而在一个测试系统中，测试电缆出现了轻微故障而测试者尚未察觉，我们可以认为这个测试系统也处于失衡状态。　　在

前言

　　在一个40GHz的微波测试系统中采用18GHz的测试电缆时，那么这个系统是失衡的；而在一个测试系统中，测试电缆出现了轻微故障而测试者尚未察觉，我们可以认为这个测试系统也处于失衡状态。

　　在AN-0101《测试电缆概述》一文中，从电缆本身性能的角度描述了如何选择一条合适的测试电缆组件，本文则从应用角度来重新讨论这个问题。

　　木桶原理vs微波测量系统

　　木桶原理说的是一个木桶装水的多少取决于最短的那块木板。这个道理在日常生活中被经常引用，把它用在微波测试系统中，笔者认为是再贴切不过了。我们可以从系统角度来审视一个微波测量系统这个“木桶”是否完整和平衡：

　　1）在一个声称为40GHz的微波测量系统（比如有40GHz的信号源，频谱分析仪等）中，如果被发现其中只有26.5GHz的测试电缆组件和转接器，那么这个系统就是不平衡的；

　　2）当DUT（被测件）的最高频率为6GHz时，采用40GHz的频谱分析仪和6GHz的测试电缆组件，那么当前的这个测试系统是平衡的；

　　3）不管什么系统，如果测试电缆出现了故障，哪怕是软故障，比如接头和电缆的根部出现了随机的接触不良情况，在这种情况下，随着电缆的抖动或者移动，频谱分析仪上的幅度读数会随着发生变化，而测试者尚未察觉到电缆出了问题，那么显然这个系统也是不平衡的。

　　尽管一台频谱分析仪可能价值几万美金，而一条“比较贵”的测试电缆也只有一、二百美金，但是从系统角度看，二者的地位是完全相同而不可偏颇的。在任何微波测量系统中，测试电缆组件和转接器是连接仪器和DUT的纽带，而且是一个很大的测试不确定因素，所以说测试电缆和转接器是保持一个微波系统平衡的关键。以下推荐几点测试电缆组件和射频转接器在选择、使用和保管等几方面的建议，供读者参考。

　　分类保管测试电缆组件和转接器

　　在实验室通常会配备各种规格的测试电缆组件和射频转接器，这些产品或来自仪器制造商，或来自第三方专业制造商。应对这些产品进行分门别类的选择和保管，以下是几点建议：

　　1) 在电缆上标注最高工作频率。

　　这一点很重要，可以避免测试电缆成为测试系统的“短板”。这项工作也可以要求电缆供应商采用工业用标签打印机直接打印在电缆上，图1是一个例子。

图1. 在测试电缆上标注最高工作频率利于实验室管理

　　2) 给特殊的仪器配备专用电缆。

　　某些特殊的仪器，如带有APC7接口的网络分析仪，40GHz（如2.92mm）的频谱分析仪和信号源等。因为有些接口是专用的，如APC7，少有用在通信设备中的；另外，如果把一条2.92mm接口的40GHz电缆用在一个SMA接口的3GHz设备的测试中，那无疑是大材小用了。因此，为专用接口或者高频仪器配备专用测试电缆组件不失为一种充分发挥这些仪器作用的有效手段。

　　3) 将室外应用和实验室应用的电缆分开。

　　室外应用的电缆需要经常被卷曲和运输，同时应用环境也相对恶劣（比如电缆会被放置在地面上），因此更容易损坏。为了增加强度，我们往往为室外应用的电缆加装保护层，如不锈钢铠装。这样做是为了防止电缆被过度弯曲，但同时损失的是电缆的柔软度。而测试者通常更喜欢使用柔软的电缆，因此将实验室应用的柔性电缆和室外应用的电缆分开，可以在某种程度上提高测试的效率。

图2. 为室外应用而设计的铠装电缆组件

　　4) 将射频转接器装在盒子里分类保管。

　　射频转接器种类繁多，将它们按照应用分类定位放置在小盒子里，可以大大方便使用，并对器件起到保护作用。以下是几种射频转接器的分类例子，图3是一种工作于6GHz以下频段的成套射频转接器，包括了N、TNC、BNC、SMA、UHF和miniUHF等6种转接器的插头和插座。巧妙的是，这些转接器之间用一种叫universal的转接器来互联，这样一共可以组合出72种转接器。这套转接器适合绝大多数常见通信设备的测试，如双向无线电对讲机。

图3. 可组合出72种转接器的套件

　　图4所示的是一种内部可自由切割的小盒，用于放置各种射频转接器，这样可以组合成各种应用的射频转接器套件，如专用于蜂窝基站测试的DIN716和N之间的4种或6种转接器；最常用的N和SMA之间的转接器等。

图4. 可自由切割的小盒用于放置各种射频转接器

　　射频测试电缆和转接器的使用注意事项

　　在微波测量系统中，最容易损坏的就是测试电缆组件和射频转接器，因此要仔细维护和使用。以下是笔者总结的一些经验：

　　1) 不要用任何钳子来固定射频连接器。

　　几乎每种尺寸的射频连接器都有适合的扳手，当然这是指六角形螺帽的插头，而圆形的螺帽则只能用手装拆了。无论是尖嘴钳或者老虎钳，都无法掌握连接器的正确力矩，并且会损坏连接器。应使用力矩扳手来紧固连接器。

　　很多螺套尺寸为8mm的六角形连接器可以用力矩扳手来紧固和拆卸，如SMA、3.5mm、2.92mm、2.4mm和1.85mm；而N型连接器则采用开口为19mm的力矩扳手。

　　通常，在实验室可配备一把开口8mm和一把19mm的力矩扳手。如果没有，可以用手来紧固和拆卸连接器，对于连接器来说，紧固的力矩宁可小于其规定的力矩，但不能更大。

　　2) 射频连接器的清洁。

　　要用蘸有酒精的棉签来清洗连接器，但不要用棉签去清洗空气介质连接器的内导体，如3.5mm和2.92mm等。

　　3) 遵循木桶原理－使用满足测试要求的转接器和电缆即可。

　　尽可能不要使用比当前的测试频率高出很多的射频转接器和测试电缆。比如在测试蜂窝基站的杂散信号时（这项测试通常要求至12.75GHz），可采用18GHz的SMA接口的测试电缆和转接器，而不要采用40GHz的2.92mm接口的电缆和转接器。

　　这么做的理由是为了合理利用射频实验室的资源，应把2.92mm的电缆和转接器用到毫米波测试场合，毕竟射频连接器是有寿命限制的。

　　4) 不要将校准件中的转接器用于普通测试。

　　校准件中的转接器，如N(f-f)、SMA(f-f)，这类精密转接器的回波损耗典型值小于-34dB，只能用于S参数测量的直通校准，千万不要将其用于正常测试中的转接。没有的话，宁可花钱去买一个。

　　5) 掌握正确的操作姿势。

　　从仪器上拔下测试电缆组件时，一定要抓在接头上（图5a），千万不要抓在电缆根部往外拉（图5b），这样很容易造成电缆和接头连接处的故障。笔者见过的电缆故障，这部分原因占了较大比例。

图5a) 正确的电缆操作

图5b) 不正确的电缆操作

　　图5 电缆的操作

　　6) 给转接器戴上保护帽。

　　那些外螺纹的连接器，如N(f)和SMA(f)，容易被磨损。尤其是SMA(f)，不小心掉在地上的话，螺纹很容易变形。因此用完后最好随手给连接器戴上塑料保护帽，同时还能起到防尘的作用。

　　关于保护接头

　　保护接头（Saver Connector）又被称为测试端转接器（Test Port Adaptor），顾名思义就是用于保护昂贵的仪器设备上的接头。保护接头实际上就是一个male到female的转接器。

　　不要忽视这个小小的转接器，它能省去你不少的麻烦。试想一下你正在正常使用的仪器设备，如果因为连接器损坏而需要返回原厂维修，除了要花去昂贵的维修费，还要损失宝贵的时间。要注意以下可能遇到的情况：

　　1) 带空气介质接口的高频仪器设备。

　　当工作频率高于26.5GHz以后，需要采用空气介质的射频接头，如3.5mm、2.92mm、2.4mm等，由于内导体没有介质支撑，所以这类接头更容易损坏，保护接头几乎可以说是必需的。

　　2) 无源互调测量设备。

　　无源器件的互调产物测试是一项非常精密的测试项目。无源互调测量设备的自身互调指标可低至-170dBc@2×43dBm，任何的接头接触不良都可能造成互调指标的恶化，在生产线上，一条频繁使用的低互调测试电缆的寿命仅仅是按月计算的。所以在无源互调测试设备上，必须有一个保护接头。

　　3) 通用的仪器设备。

　　大部分测试仪器设备都采用N型连接器，用于仪器中的连接器，其寿命肯定要比普通的连接器要长，但是它也有寿命，一旦磨损，也免不了返厂维修的问题。从这个角度看，任何测试仪器，只要你认为必要，都需要保护接头。

　　可称为“保护接头”的，并不是普通的转接器，其电气性能指标尤其是寿命是主要的考虑因素。图6是一种N型的保护接头，其VSWR分别为1.02@DC-1GHz、1.04@1-3GHz和1.06@3-6GHz，而寿命则达到5000次插拔，这种保护接头可以作为大多数常用测试仪器的保护。如果没有被称为“保护接头”的转接器，哪怕用一个普通的不锈钢转接器也好过不采取任何保护措施。

图6 一种长寿命的N(m)-N(f)保护接头

　　检查测试电缆和转接器

　　如果测试电缆组件和转接器已经出现了故障而使用者尚未发现，则会影响测试精度，更为严重的是在大功率测试时可能会烧毁设备。所以，测试电缆组件和转接器需要定期检查，在使用过程中也要随时注意，以下是几点建议：

　　1) 注意仪表上的测试值是否稳定。

　　如果你发现频谱分析仪上显示的频谱幅度不稳定，或者网络分析仪在测量S21时的曲线出现抖动现象，排除其它原因后，就应该检查测试电缆是否出现了故障。这种情况下，有可能是电缆与连接器的连接处出现了接触不良。在图5b的使用情况下，容易出现这种故障。

　　2) 检查连接器的内导体。

　　射频连接器是精密的器件，其中的每个零件及其配合都有严格的规定，图7是MIL-STD-348A规定的N型连接器的界面规范。应经常检查连接器的内导体，如果发现异常，应停止使用。

图7a) N(m)

图7b) N(f)

　　图7 MIL-STD-348A规定的N型连接器界面规范

　　3) 定期检查指标。

　　有条件时，可定期用网络分析仪检查测试电缆组件和射频转接器是否正常。