射頻電纜的幅相穩(wěn)定性測試研究

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

相位、幅度穩(wěn)定性是衡量電纜性能的重要指標(biāo)參數(shù)。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對于使用大規(guī)模陣列天線的5G NR 設(shè)備、相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備等民生基建、國防類項(xiàng)目，都對穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜有較高的要求。尤其在陣列天線設(shè)備中，要求連接電纜有較高的相位一致性，而且還有衰減低，駐波比不因溫度的變化而變化等要求。例如，雷達(dá)系統(tǒng)在探測目標(biāo)時(shí)，通過接收到發(fā)射出去并返回系統(tǒng)的信號時(shí)間來確定目標(biāo)的方位，但如果一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的不同T/R 單元（發(fā)射接收單元）的同軸電纜組件的電長度不同，將會由于在電纜組件中的傳輸?shù)臅r(shí)間不一致而導(dǎo)致整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的定位精度出現(xiàn)問題。正所謂失之毫厘，差之千里。

1 電纜幅相穩(wěn)定性簡介

在日常射頻測試中，為確保精確、可重復(fù)的測量，所使用測試電纜的穩(wěn)定性是需要考慮的重要因素。穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：隨著溫度的變化能夠確保良好的相位跟蹤，可以降低剩余誤差和不確定度；改善天線增益，提高系統(tǒng)性能和精度；提供更好的誤碼率，增加有效覆蓋范圍；延長校準(zhǔn)間的時(shí)間長度和最小化校準(zhǔn)間的漂移。但是，在大多數(shù)的測試環(huán)境當(dāng)中，測試電纜在正常使用過程中會經(jīng)受很頻繁的彎折，將會導(dǎo)致相位、幅度和其他性能參數(shù)發(fā)生意想不到的變化。如圖1和圖2所示，不同類型電纜在長期折彎情況下的幅度和相位穩(wěn)定性的變化曲線。

圖1 幅度變化曲線

圖2 相位變化曲線

對于不同類型的測試電纜，微小的彎折也能夠很明顯的降低測量準(zhǔn)確性和測量精度[1]。因此，測試前首先要選擇合適的測試電纜，考慮電纜彎折對測量電纜的相位、幅度性能產(chǎn)生的影響是擇取電纜的至關(guān)重要的因素，最終才能保證測量的準(zhǔn)確性。

2 相位和幅度變化的因素

在一般情況下，相位是由電纜的物理長度、電纜彎折半徑和電纜組件技術(shù)影響的。以度為單位的射頻線的電長度公式為：

式中，f代表以Hz 為單位的頻率；L代表以米為單位的物理長度；εr代表所使用電纜材料的介電常數(shù)；c代表光速；λ代表波長。

線纜通常被設(shè)計(jì)為在很寬的頻率范圍內(nèi)工作和減小衰減（損耗）。電長度越長，損耗就越大。由于電長度（或損耗）對εr的平方根成正比，所以大多數(shù)射頻線纜由低介電常數(shù)的材料制作的，通常是PTFE（聚四氟乙烯），這種材料具有非常穩(wěn)定的溫度特性，尤其在高溫條件下，具有非常良好的相位穩(wěn)定性。然而在某些情況下也會運(yùn)用到二氧化硅材料制作，但PTFE 在日常使用中更加常見，因?yàn)樗菀资艿酵饬澱鄄蝗菀讚p壞，有良好的柔韌性。而二氧化硅材質(zhì)的電纜，只適用于半鋼性組件。該種電纜在彎折中很容易損壞外管壁，導(dǎo)致外壁中的波紋影響電纜組件的電性能。其實(shí)射頻同軸電纜大致可分為半鋼和半柔電纜、物理發(fā)泡電纜和柔性編織電纜等幾大類，根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇使用不同類型的電纜。半鋼和半柔電纜一般適用于設(shè)備的互聯(lián)，發(fā)泡電纜常用于基站天饋系統(tǒng)，在測量領(lǐng)域則應(yīng)采用柔性電纜。

當(dāng)然，柔韌的PTFE 結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于彎折可能對相位產(chǎn)生變化（和其他性能的變化），根據(jù)不同的彎折半徑會對相位產(chǎn)生不同的變化，隨著電纜彎折半徑的減少，相位和幅度變化就越大，并且彎折電纜在彎折點(diǎn)改變物理長度，它還可能使收縮和放松中心導(dǎo)體周圍的介電層、屏蔽層和編織層，也能夠影響電長度和導(dǎo)致相位和幅度變化。如圖3所示。

圖3 電纜結(jié)構(gòu)圖

3 相位和幅度穩(wěn)定性的測量方法

射頻電纜的相位和幅度差損是我們在日常測試中是非常關(guān)心的指標(biāo)，相位和幅度差損測試都可以使用一臺VNA[2]（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）分別進(jìn)行S11和S21的測試來獲得。在測試過程中，可以有意對電纜進(jìn)行彎折驗(yàn)證，來鑒定彎折時(shí)電纜穩(wěn)定性。接下來將通過電纜連接到VNA 測試端口，并將電纜彎折成指定的半徑來掃描頻率相位曲線，顯示相應(yīng)的相位變化。當(dāng)然，有許多配置可以幫助到我們?nèi)y量相位穩(wěn)定性，并且測量可靠性取決于所使用的測試方法的魯棒性[3]。

3.1 十字弓/雙端口測試法[4]

圖4所示的雙端口測量法測試電纜相位的解決方案，通常也被稱為十字弓夾具測試法，該測試法是通過十字弓夾具將測試電纜進(jìn)行固定，用兩個(gè)可調(diào)臂支撐測試電纜連接到VNA的端口1和端口2。將測試電纜纏繞在4 in（1 in=2.54 cm）芯軸上，沿著可調(diào)臂上的比例尺進(jìn)行滑動，形成特定彎折半徑，測量S11的相位。以下操作圖片分別是在十字弓設(shè)備上用于測量電纜在10 in、3.25 in、2.4 in 彎折半徑時(shí)的性能與彎折實(shí)景[5]。

圖4 十字弓/雙端口測試連接圖

然而，使用十字弓的測試方法收集的測試電纜數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)以下幾種問題：由于測試電纜可能存在多個(gè)徑向（沿直徑或半徑的直線方向，或垂直于軸的直線方向）彎折：兩個(gè)在一個(gè)方向上，并且一個(gè)在相反的方向上，所以會出現(xiàn)拋物線型的相位曲線，如圖5所示，該圖說明了測試電纜的相位變化的拋物線關(guān)系，偏離了預(yù)期的性能[6]。因?yàn)橄辔蛔兓c頻率基本上呈線性關(guān)系，所以本次測試的測試數(shù)據(jù)可以判定為是不可用的。

圖5 相位變化的拋物線關(guān)系圖

3.2 單端口測試法

單端口測試法是測試相位時(shí)比較推薦使用的測試方法，測試步驟如圖6所示。

圖6 單端口測試法

首先，在VNA 上進(jìn)行單端口校準(zhǔn)，將被測線纜連接到VNA 接口處，另外一端用Short Terminal 進(jìn)行端接，然后將測試電纜自然拉直，在VNA 上進(jìn)行歸一。其次，將線纜沿一個(gè)方向在指定半徑的芯軸纏繞一整圈（360°），通過VNA 掃描頻率進(jìn)行測量。拉直線纜，并在VNA 上再次歸一。最后是將測試電纜圍繞相反方向在指定半徑的芯軸纏繞一整圈進(jìn)行測量。該種測試方法收集到的電纜數(shù)據(jù)能夠顯示出相位變化與彎折之間呈線性關(guān)系，達(dá)到了預(yù)期效果，并且該測量結(jié)果是有效可用的，這種測試方法避免了線纜額外的彎折影響以及其他可能使測量失真的因素。

4 相位穩(wěn)定性的測量結(jié)果

以下根據(jù)四種電纜進(jìn)行了測試研究。圖7中根據(jù)電纜外觀類型分別標(biāo)記為藍(lán)色粗、藍(lán)色細(xì)、綠色、銀色，采用上述單端口測試法，具體測試步驟如下：

圖7 電纜外觀類型

步驟一：通過校準(zhǔn)器件校準(zhǔn)VNA 端口1。

步驟二：分別測量四種電纜拉直狀態(tài)下的S11-phase（short 端接）狀態(tài)。如圖8所示。

圖8 電纜拉直狀態(tài)

步驟三：將測試電纜以一定的彎折半徑（大約5cm左右）分別沿左右兩個(gè)方向彎折360°，并測量S11-phase（short 端接）狀態(tài)。如圖9所示。

步驟四：在VNA 內(nèi)將步驟二和步驟三的數(shù)值導(dǎo)出，將兩個(gè)數(shù)值取差并除以2，最后得出相位穩(wěn)定度的測量曲線圖，使用縱軸S11的相位度數(shù)值隨橫軸的頻率Hz的變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比。如圖10所示。

圖9 電纜彎折360°狀態(tài)

圖10 相位穩(wěn)定性測量曲線圖

從圖10可以清晰地看出藍(lán)色粗線的相位穩(wěn)定度最好，藍(lán)色細(xì)線次之（1.8 GHz 部分有一個(gè)壞值）。此兩款測試電纜均大體呈線性變化，符合相位線性變化的特征。但是綠線隨著頻率的變化呈現(xiàn)出較大的非線性變化。銀色電纜在1-3 GHz 處在彎折后有接近70°的相位變化。

5 幅度穩(wěn)定性測量結(jié)果

也許RF 電纜的相位穩(wěn)定度在某些測量中還不是那么的舉足輕重，但幅度差損，可是每時(shí)每刻都要面對的。對上面的四根測試電纜繼續(xù)做了幅度穩(wěn)定性的測量，具體操作步驟如下：

步驟一：首先通過使用VNA 連接端口一和端口二測量基準(zhǔn)電纜，校準(zhǔn)S21的Transmission 的校準(zhǔn)鏈路并進(jìn)行歸一化。

步驟二：分別將四種測試線纜在拉直狀態(tài)下測量S21的Log-Mag 狀態(tài)，連接到基準(zhǔn)線纜和VNA 的端口二。如圖11所示。

圖11 幅度測量連接圖

步驟三：將測量電纜仍按圖9以一定的彎折半徑（大約5 cm 左右）分別沿左右兩個(gè)方向彎折360°，并分別測量S21的Log-Mag 狀態(tài)。

步驟四：在VNA 內(nèi)將步驟二和步驟三的數(shù)值導(dǎo)出，最后畫出幅度穩(wěn)定度的測量曲線圖。

使用縱軸S21的dB 值隨橫軸的頻率Hz 的變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比。如圖12所示。

圖12 幅度穩(wěn)定性曲線圖

表1 電纜幅度相位穩(wěn)定性總結(jié)

從圖12可以看出，藍(lán)色粗電纜的幅度穩(wěn)定性較好，在0.4 dB 以內(nèi)；藍(lán)色細(xì)電纜在5.1 GHz 處幅度穩(wěn)定性較差，其余頻率良好，綠色電纜1.4 GHz 處幅度穩(wěn)定性較差，銀色電纜在1-3 GHz 處幅度穩(wěn)定性很差，其余頻率很好。表1對四種電纜類型的幅度和相位穩(wěn)定性測試做了總結(jié)。

6 結(jié)束語

好的電纜即便使用很長時(shí)間，彎折1萬次，損耗和相位的穩(wěn)定性也不會出現(xiàn)明顯變化，而差的電纜僅僅使用一年或彎折100次、300次，就會出現(xiàn)較出廠狀態(tài)極大的變化。而且通過以上對電纜的相位和幅度的測量，越是高頻變化就越是明顯，說明了在日常的測試過程當(dāng)中，盡量不要在彎折的情況下使用電纜，降低對測試結(jié)果的不良影響。