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如何选择高频缆线以符合高品质的传输与测试?
作者:林进康 何宜甄    来源:日经BP社
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电线电缆/光纤展厅
电线, 电源线, 端子线, 线束, 同轴电缆, ...
同轴缆线以及高频接头在电子电路中扮演重要角色:连接许多不同功能的模组、次系统、系统、或连接测试设备。简单的说,他们提供了传输路径来传递高频类比信号或是高速数字信号。传输路径的好坏,取决于许多因素,包含:材料、设计以及组装的手法。市面上有许多的同轴缆线以及高频接头供应商,然而通常能够提供高品质、相位稳定、精准配对及耐用的组装线会是使用者最大考量因素。

高频同轴缆线在一个系统中,其重要性通常会被忽略,除非造成信号传输失败。使用良好的高频同轴线,其损耗或信号失真现象较小,但是当使用到糟糕的高频同轴线时,线损所造成的信号衰减必须使用宽频放大器来弥补,但是信号失真有时却是不可弥补的。高频同轴缆线以及转接头在测试系统中,是属于系统的一部份,因此必须具有优异特性,这包含:低损耗、良好的驻波比、高度相位稳定及高隔离度,如果是用在高速数字应用的测试上,则必须再有高精密相位匹配的特性。

同轴缆线的基本架构

同轴缆线(Coaxial cable)结构由内而外为中心导体(Center Conductor)、绝缘体(Insulation)、外导体(Outer Conductor)、编织网 (Braid Shielding) 及外皮(Jacket),如图1。

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中心导体材质有纯铜、铝镀铜、钢镀铜、钢镀银等。中心导体分为单芯(内导体为单一线芯)与多蕊(一般有7蕊以及19蕊两种),如图2。单芯缆线线芯为刚性,制作较容易维持阻抗特性,耗损较小;多蕊缆线可堆叠为相同数目之线芯,多蕊缆线较为耐用、可挠性佳,但耗损较大,19蕊线衰减大于7蕊线。一般来说,中心导体线径越粗,线损较小,但是可操作频率也较低。

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绝缘体材质有PE(聚乙烯)或PTFE(聚四氟乙烯又称铁氟龙),隔绝中心导体及外导体,避免短路。高频缆线中大多选用PTFE 做为介质,主要因素为其介电系数小且稳定。绝缘体的相对介电系数(εr)越小越好,也就是速度因子(Velocity Factor (Vf) 越大越好,这样信号的移动较快,接近在空气中传输。

编织网依其包覆性与遮蔽率又可分成单层与双层编织,材质一般为铜线或是铝线等金属线网之导电材料,线网之编数有64 编或128 编,遮蔽率有60%、90%等不同的编织密度。遮蔽率越高,信号相互间干扰越少。

缆线最外层由塑胶材质如PVC(聚氯乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及PE 等绝缘材料包覆保护,防止缆线于如高温或潮溼之不良环境中受到氧化或损坏。PVC 成本低,受热易产生有毒物质;PE 抗UV 佳,无卤,适用于室外环境;FEP 耐温可达200 度且受热不后不产生助燃效果,适用于室内/外环境。

高频缆线在电性上的特性,会用以下参数衡量:衰减、驻波比(或反射损失)、隔离度及相位稳定度,以上皆关系到信号是否能达到完整传输的理想状态,依据不同的参数考量与终端应用,在选择同轴缆线的考量点亦有所不同。

高频相位匹配缆线

在资讯传输蓬勃发展的环境下,在高速、射频微波的信号传输上需要具有较高的传输品质。一般来说,高速数字信号多半採用差动信号进行传输,因此传输信号的两电缆需要有极高精度的相位匹配。换言之,两电缆所传输之信号的相位误差需在一定的范围之内。因此每一组的电缆内需要依照所需订制的规格下而具有一定电气长度(Electrical length)。在要求相位匹配的电缆组件应用上,理想的情况是,每根电缆必须与其他电缆具有相同或相近的电气长度。电气长度通常以「相位延迟」来说明,也就是两个信号通过缆线所产生的时间差,这时间差也就造成了相位差,因此相位匹配一般使用 pico-second (ps) 为单位。

图3为相位完全匹配的差动信号,图4为一对高频缆线中的一条缆线出现相位差,图5则显示完全匹配与相位不匹配信号的差异,这样的差异可能会造成高速数字信号在传输信号时造成信号误判,或是眼图的眼开、眼高不符合规范。

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会造成相位不匹配的差异,一般是因为高频缆线中的绝缘体介质所造成,较小介电系数的介质,会有较小的传输延迟,也就会有较小的相位误差。

然而在实际应用上,电气长度虽然与实际长度有关,但相同实际长度下的各电缆之间的电气长度仍存在误差值。因此在制造电缆组件时,必须先大量地制造出多条的电缆。接着,在挑选的过程中,重复地自该些电缆中挑出两条电缆予以测试,并根据测试的结果挑选出电气长度误差值于定值范围内的两条电缆来做为电缆组件。此种做法随着所要求之电缆长度的增加,而会需要制造更多的电缆来挑选,因此制造成本更为昂贵。

相位匹配测试方法

测试相位匹配的方法可以用向量网路分析仪(VNA)或是时域反射仪(TDR)。

向量网路分析仪测试方法,可以量测S21参数,设定群延迟格式,并使用统计计算功能,便可得到平均的延迟时间。图4显示利用向量网路分析仪的测试结果。

时域反射仪的方法,以测试TDT 的设定方式,测试每条缆线的50%上升时间的方法,决定每条缆线的延迟时间。图5显示时域反射仪的测试结果。

两条缆线的平均延迟时间必须小于规格设定的时间差,一般高速数字应用的规范是1ps~2ps。使用以上两种方法得到的结果可能不会一样,但是只要一对缆线的两条线都是使用同一种方法,比较出其相对的相位差异即可。

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● 相位稳定

高频缆线如果是使用于测试系统中,如果移动缆线,可能会造成信号的扰动,那么缆线在不同频率下的驻波比稳定、振幅稳定以及相位稳定会是非常重要的考量。相位稳定是首要因素,相位不稳定的缆线,会造成量测上的误差,可能造成产品不符规格,例如元件特性的模型失真、或是无线通讯系统中的EVM过大。

●相位稳定测试

相位稳定测试方法是改变缆线的摆放方式来测试其相位变化,相位变化越小表示其相位越稳定。以向量网路分析仪测试其S21参数,格式设定为相位,首先将缆线以正常方式测试图8a,记录此时的相位为Memory,启用数学运算模式,设定为 Data/Memory,得到一个相位差如图6b,然后改变缆线摆放的方式,将缆线围绕一4吋(或是 10cm)的圆如图9a,此时相位因为缆线的形状被弯曲,而造成相位的变化,如图9b,这就是这个缆线的相位稳定度。这个相位差,越小表示该缆线的相位越稳定,不会受到缆线的位移而产生相位差,进而影响信号的量测。要注意的是,有些缆线在围绕10cm 的圆週之后,将其形状回覆为原始形状如图8a,其相位仍无法回覆原始状况,需等待一段时间之后才能回复。图10显示缆线在回复原来的形状后,相位立即修正回来。图11则显示缆线回复原来的形状后,相位无法立即修正回来。

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结语

高频缆线的选择,会攸关我们测试的成败,考量成本与性能的取舍之间,不同的测试参数会有优先考量的因素,如高速数字应用为相位匹配、高频测试为相位稳定、一般频谱信号测试为驻波比、长距离测试为衰减量、无线通讯测试为隔离度,这五大因素的综合,将决定一条高频缆线的优劣。(安盟科技(浩网集团)新产品事业处处长 林进康(Ken Lin)、新产品事业处经理 何宜甄(Jing Ho) 供稿)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/6/2013)
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