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如何用示波器直接测量和补偿高频电缆的损耗?

2015年09月04日

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    对电缆损耗进行补偿的工程师,他们在测量和表征同轴电缆的时,可能选择不同方法。到目前为止,这些方法包括矢量网络分析仪(VNA)、时域反射计(TDR)、以及仿真工具(如 ADS之类的),方法各异,但共同点都是得到电缆的S参数文件(该文件是一个简单的两端口模型),然后拷贝到示波器中,示波器据此建立一个传递函数,补偿电缆带来的损耗。这需要示波器提供对应的软件支持,例如安捷伦公司所提供的N5465A InfiniiSim软件,该软件有基本版和先进版的两种版本,对于电缆损耗,基本版已能满足所有需要。

    使用VNA 或 TDR测量和表征电缆损耗,是非常传统的方法。 VNA是一种测量被测件频率响应的仪器,正弦波扫频输入到 被测对象,然后计算输入参考信号与传输信号或反射信号间的矢量幅度比,得到整个扫频范围内的S21、S11参数,接收器内的带通滤波器会把测量中的噪声和无用信号滤除掉,以提高测量精度。      TDR的工作原理是将阶跃信号( 很快的上升沿)发送到 被测对象,然后测量其传输和反射波形,根据所产生的反射来描述被测对象特性,现在的TDR示波器都可以将传输反射参数转化为S参数。

    当然,VNA和TDR的操作方法,完全不同于实时示波器,需要专门的技术知识,如果不能正确测量电缆特性,所获得的S参数文件将是无效的,可惜实时示波器软件无法区别是有效文件还是无效文件,它只是基于该文件建立传递函数,这意味着有产生的错误的危险(但如果建立了坏文件,波形变换通常会警告用户)。因为使用VNA或TDR获得电缆的S参数文件文件,不是一件容易的工作,甚至很繁琐复杂,所以实时示波器的用户往往宁愿忽略电缆损耗,也不愿去寻找一台网络仪或TDR,并花费数小时的时间,最后得到只是几个ps的设计容限。许多工程师干脆做出电缆没有损耗的假设,不幸的是随着高速串行信号变得越来越快,电缆损耗的测量和补偿也变得越来越重要,它已不再能忽略不计。

    那么有没有可能不使用单独的TDR(采样示波器)或VNA(矢量网络分析仪),而得到电缆的S参数文件呢?安捷伦最近推出了一种新的方法,基于 Agilent Infiniium实时示波器,开发一个叫做N2809A PrecisionProbe( 精密探接)的软件。 PrecisionProbe( 精密探接)是一种直接使用实时示波器本身,获得电缆或探头的S参数,并对其损耗进行校准和补偿的软件,它的主要优点是不需借助其它仪器仪表,只使用实时示波器本身,几分钟的时间就能完成,而不是几个小时的时间;另一个优点是该软件将自动实时补偿电缆或探头带来的损耗,不需要通过其它软件,比如去嵌入软件,来完成校准或补偿的动作。

    PrecisionProbe( 精密探接)软件的工作原理是,利用Infiniium实时示波器自身的阶跃信号(快跳变沿,通常用于示波器自校准,Agilent 90000 X系列的边沿小于15ps),经平均处理,再施加微分函数,把它变成一个脉冲,然后对该脉冲进行快速傅里叶变换,这样就能在频域表征该跳变沿。 PrecisionProbe( 精密探接)软件,先根据上面的步骤做一次测量,得到基准参数,然后如图1所示那样添加新电缆测量,对基准参数和新测量结果进行比较。两者的不同是因为增加了电缆,因此就能得到S21特性。软件中有一个向导引导用户完成每一步骤,整个过程不到五分钟。由于操作十分简单,工程师不再需要忽略电缆或探头的损耗,而是可以用示波器表征和补偿电缆或探头的损耗。

    从前面的介绍可以看到,电缆插入损耗带来测量误差,挤压电气容限,但往往被工程师和示波器用户忽略。电缆损耗被忽略的原因,在很大程度上是因为需要额外的设备、繁琐的测试过程和专门的技术知识,而并非因为电缆损耗可以忽略。忽略电缆损耗的后果是公司因示波器带宽被浪费而让大笔资金的投入显得不值。为解决这一难题,实时示波器厂商,安捷伦科技,发明了基于实时示波器硬件优势的新软件, Agilent N2809A PrecisionProbe( 精密探接)软件。工程师能用该软件快速测量和补偿电缆、夹具或开关矩阵损耗,而不需要其它设备。这一新软件使工程师能找回原来因电缆等连接件的损耗而丧失的宝贵电气容限,从而使产品更快进入市场。

 


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