1.3 经验谈
——保持射频和微波测量系统的平衡
本章主要从应用角度讨论了射频电缆和连接器。回顾一下你所做过的射频和微波测试,可以发现在任何测量系统中,测试电缆组件和射频转接器都是被用得最多的器件,无疑这些器件是保持射频和微波测量系统平衡的关键。作为本章的小结,笔者整理了一些实验室日常遇到的问题和经验,与读者分享。
1.3.1 木桶原理与射频和微波测量系统
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,把它用在射频和微波测量系统中,笔者认为是再贴切不过的了。我们可以从系统角度来审视一个射频和微波测量系统这个“木桶”是否完整和平衡:
在一个声称为40 GHz的微波测量系统(比如有40 GHz的信号源、频谱分析仪等)中,如果发现其中只有26.5 GHz的测试电缆组件和转接器,那么这个系统就是不平衡的;
如果DUT(被测件)的最高频率为6 GHz,而采用40 GHz的频谱分析仪和6 GHz的测试电缆组件,那么当前的这个测试系统是平衡的;
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,由于电缆的抖动或者移动,频谱分析仪上的幅度读数会随之发生变化,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。在任何射频和微波测量系统中,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射频和微波系统平衡的关键。以下提几点测试电缆组件和射频转接器在选择、使用和保管等方面的建议,供读者参考。
1.3.2 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。应分门别类的地对这些产品进行选择和保管,以下是几点建议:
(1)在测试电缆上标注最高工作频率。
即使你很熟悉实验室的各种设备和附件,有时候遇到一些外形类似的测试电缆组件也很难判别其最高工作频率,更何况还可能有其他人也要使用实验室的设备,所以说在测试电缆上标注最高工作频率很重要,这样你可以了解整个测试的“木桶”中这块经常变动的“木板”。这项工作也可以在采购时要求供应商用专用的工业用标签打印机直接印制在电缆上,见图1.32。
图1.32 在测试电缆上标注最高工作频率
(2)为特殊的仪器配备专用电缆。
某些精密仪器具有特殊的接口,如一些网络分析仪带有APC7接口,而40 GHz的频谱分析仪和信号源则可能采用2.92 mm的接口。这些接口不常用于被测设备上,如果把一条二端为2.92 mm的测试电缆组件用于SMA接口的3 GHz设备上(2.92 mm和SMA连接器是兼容的),那无疑是大材小用了。因此,为具有专用接口或者高频仪器配备专用测试电缆组件,是保证发挥这些仪器作用的有效手段,这些电缆应固定在仪器上不拆卸下来。
(3)将室外应用和实验室应用的测试电缆分开。
室外应用的测试电缆组件经常被卷曲和运输,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测试电缆组件,因此建议将实验室应用的柔性电缆和室外应用的电缆分开。
(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而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。图1.33所示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,常用的N和SMA之间的转接器,等等。
图1.33 可自由切割的小盒用于放置各种射频转接器
1.3.3 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、老虎钳还是开口扳手,都无法掌握连接器的正确力矩,并且会损坏连接器。应使用专用的力矩扳手来紧固连接器。
很多螺套尺寸为8 mm的六角形连接器可以用力矩扳手来紧固和拆卸,如SMA、3.5 mm、2.92 mm、2.4 mm和1.85 mm连接器;而N型连接器则采用开口为19 mm的力矩扳手。
通常,在实验室可配备一把开口8 mm和一把19 mm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,紧固时的力矩不宜过大,宁可小于其规定的力矩,但也不宜太小。
(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3.5 mm和2.92 mm连接器等。
射频连接器清洁与否对测试精度的影响,笔者深有体会。在加工18 GHz的半刚电缆组件时,尝试了各种电缆和连接器、开线和焊接工具、加工尺寸等,但是做出来的电缆组件,其VSWR始终达不到设计要求。偶然间,笔者发现用于测试的终端负载的外导体接触面有很多杂质,这些应该是多年积累下来的。用蘸有酒精的棉签清洁负载后,意外发现被测电缆组件的VSWR改善为1.2以下(见图1.34)。
图1.34 测试负载清洗前后VSWR的变化
(3)遵循木桶原理——使用满足测试要求的电缆组件和转接器即可。
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(这项测试通常要求频率达到12.75 GHz),可采用18 GHz的SMA接口的测试电缆和转接器,而不要采用40 GHz的2.92 mm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2.92 mm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)不要将校准件中的射频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的典型值小于-34 dB,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。如果没有用于普通测试的转接器,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(见图1.35);千万不要抓在电缆根部往外拉(见图1.36),这样很容易造成电缆和接头连接处的故障。笔者见过的电缆组件故障中,这部分原因占了较大比例。
(6)给连接器戴上保护帽。
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),如果不小心掉在地上,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,这样还能同时起到防尘的作用。
图1.35 正确的电缆组件插拔操作
图1.36 不正确的电缆组件插拔操作
1.3.4 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从公(male)到母(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之外,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26.5 GHz以后,需要采用空气介质的射频接头,如3.5 mm、2.92 mm、2.4 mm连接器等,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-170 dBc(@2×43 dBm),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,但是它也有时限,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1.37是一种N型的保护接头,其VSWR分别为1.02(@DC~1 GHz)、1.04(@1~3 GHz)和1.06(@3~6 GHz),而寿命则达到5 000次插拔,这种保护接头可以用于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,那也好过不采取任何保护措施。
图1.37 一种长寿命的N(m)-N(f)保护接头
1.3.5 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S 21 时的曲线出现抖动现象,就应该在排除其他原因后,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1.36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1.38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,就应停止使用。
(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。
图1.38 MIL-STD-348A规定的N型连接器界面规范
1.3.6 区别公制和英制连接器
虽然现在绝大部分连接器都采用英制标准,但仍有一些容易引起混淆的公制和英制连接器,典型的有英制的N和公制的L16,以及英制的BNC和公制的Q9。单从外形上很难区分,但是二者不能互换,如果在一起使用,会影响测试精度并损坏连接器。在采购和使用时,应注意这一点。
另外,一些常用的公制连接器有L27和L29。L27常用于广播电视发射机,没有对应的英制型号;而L29则与DIN7-16完全兼容。