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1、摘要摘要四同轴连接器作为专用于高速差分网络并且能够与差分信号传输匹配的新型接触件得到了广泛的应用，其传输速率最高可以达到1 G b i t s e c，一般用于1 0 0 M以太网中，因此在国外也叫E t h e r n e tQ u a d r a xC o n t a c t s(以太网四同轴接触件)。近年来，四同轴连接器已经逐渐发展成为铜介质下网络高速传输互连系统的一种重要解决方案，并应用在了航天、雷达、敌我识别、电子对抗、导弹、卫星等多个领域中。自主研发生产的四同轴连接器，需要通过对其关键传输参数进行测试，来决定是否满足指标和能否投入使用。而多端口差分器件由于结构、物理连接、端口匹配上
2、的问题而使得测试平台不易实现，测试过程繁杂，测试系统难以建立。本课题就是基于这些因素研究与实现了四同轴连接器传输参数的测试方法。此项研究主要分以下几个方面：(1)通过与其他接触件的比较体现了四同轴连接器的优越性，并且通过对四同轴连接器差分信号传输原理的研究，得到了基本的测试思路；(2)通过对一般传输线变压器的工作原理进行分析，得到了任意阻抗变比的传输线变压器的制作方法，经过多次调试成功制作了1：2 传输线巴伦，实现了5 0 0 1 0 0 Q 的不平衡一平衡变换，解决了物理连接的问题；(3)以双绞线的测试原理为基准，得到了四同轴连接器的单端口驻波、特性阻抗、衰减、串扰的测试方法，给出了测试结果
3、并分析了误差产生的原因以及优化方法。实测表明，在I O O M H z 处，四同轴连接器的单端口驻波比1 2 1 1 双端口驻波比为1 1；特性阻抗为1 0 0 2 0 Q；衰减为o 5 d B；串扰为6 0 4 d B，满足指标要求。因此可以得到结论：该课题设计的测试方法能够比较准确的对四同轴连接器的高速传输参数进行测量。关键词：四同轴连接器，高速差分信号，测试方法，巴伦A B S T R A C TQ u a d r a xC o n t a c t si san e wt y p eD e v i c ew h i c hC a l lb eu s e di nt h eh i 曲s p
4、 e e dD i f f e r e n t i a lS i g n a lt r a n s m i t t i n gn e t w o r k A l s oi tC a l lb em a t c h e dw i t hD i f f e r e n t i a lS i g n a li nt r a n s m i t t i n g B e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s，i th a sb e e nb r o a d l yu s e d T h eh i g h e s tt r a n s m i t t i n g
5、s p e e do fQ 1 施C o n t a c t si s1 G b i t s e e,g e n e r a l l yu s e di nl O O Me t h e r e a l，s oi ti sc a l l e dE t h e r n e tQ u a d r a xC o n m c t sa b r o a d R e c e n ty e a r s，Q u a c h-a xC o n t a c t sh a sb e e ng r a d u a l l yd e v e l o p e da so n eo ft h ei m p o r t a n
6、 ts o l u t i o n so fh i g hs p e e dt r a n s m i t t i n gn e t w o r ks y s t e mu s i n ge,o p p 贫m e d i u m T h eQ u a d r a xC o n t a c to fI n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tn e e dt ob et e s t e d,a n dt h e n nb ed e t e r m i n e dw h e t h e ri tc a l lb eu
7、s e di ne n g i n e e r i n g B e c a u s eo ft h ep r o b l e mo fs t r u c t u r ea n dp h y s i c a lc o n n e c t i n g,t h et h et e s ts y s t e mC a l ln o tb ee a s i l ye s t a b l i s h e d T h et e s tm e t h o do fQ u a d r a xC o n t a c th a sb e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e rw
8、h i c hb a s e do nt h ef a c t o ru p o n A n dt h es t u d yh a st h r e ea s p e c t sb e l o w：(1)D i s c u s st h eb a s i ci d e a lo fh o wt o t e s tb yS t u d y i n ga n da n a l y s i s i n gt h et h e o r ya b o u tt h eQ u a d r a xC o n t a c t sa n dD i f f e r e n t i a lS i g n a l；(
9、2)T h e5 0 Qb a l a n c e dt o1 0 0 Qu n b a l a n c e d1：2T r a n s m i s s i o n-l i n eb a l u ni sd e s i g n e d,s o l v i n gt h ep r o b l e ma b o u tp h y s i c a lc o n n e c t i n g；(3)B a s e do nt h em e a s u r e m e n to ft w i s t e dP a i rl i n e s，t h et e s tm e t h o do fQ u a d
10、 r a xC o n t a c t s V S W R,c h a r a c t e r i s t i ci m p e n d e n c e,a t t e n u a t i o na n dC r o s s t a l kh a sb e e ne s t a b l i s h e d M e a s u r e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eV S W Ro fs i n g l ep o r to fQ u a d r a xC o n t a c ti s1 21，V S W Ro f d u a lp o r ti
11、 s1 1：t h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e n d e n c ei s l 0 0+2 0 f l；a t t e n u a t i o ni s0 5 d Ba n dt h eC r o s s t a l ki s6 0 4 d B A l lt h em e a s u r e dr e s u l t sa c h i e v e dt h et a r g e t s T h ei n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h et e s tm e t h o di nt h i sp a
12、 p e rc a nr e l a t i v e l ya c c u r a t e l ym e a s u r et h eh i g hs p e e dp a r a m e t e r so fQ u a d r a xC o n t a c t K e y w o r d s：Q u a d r a xC o n m!C t s，D i f f e r e n t i a lS i g n a l,t e s t i n gm e t h o d，b a l u n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注
13、和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成巢，也不包含势获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使厢过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中律了明确的说明并表示谢意。签名：避网期：枷谚年。月固关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅囊本人授投电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复铡手段保存、汇编学位论文(保密的学位论文在解密螽应遵守此规定)签名_ 塑垂导师签名：童i 砭扫期：_
14、譬年S 月蜀第一拳绪论1 1 课题背景第一章绪论在当今的几种主要信号的传输过程中，射频同轴电缆传输的射频信号可以通过网轴接触件互连：光纤传输的光信号可以通过光纤接触件互连：丽高速网线传输的差分信号却没有麓与之匹配兼容的专用接触件。正是在这种需求背景下这种专用于高速差分网线的能够与差分信号传输匹配的新型四同轴接触件应运而生。四同轴连接器已经逐渐发展成为铜介质下褥络高速传输互连系统酶一种重要解决方案，在新一代的机载网络设备和一些重要的军事与航天航空领域如空客A 3 8 0 上已取代传统连接器，并疲雳在1 5 5 3 B 航空数据总线、雷达、敌我识剃、电子对抗、导弹、卫星等多个领域中【1】4 J。传
15、输速率最高可以达到1 G b i t s e c，一般用于l O o M以太网中，因此在国外也叫E t h e r n e tQ u a d r a xC o n t a c t s(以太网网同轴接触件)。但是在冒内这项技术还不成熟，能够自主研发生产四同轴接触件的厂家并不多见。而主要的原因就是没有关于四同轴连接器各项参数的准确数学表达试和理论模型，露时缺少一套完善的测试方案和测试平台来对连接器的性能进行测量和评价。本课题在一定基础上解决了测试土的闯题。主要是通过研究实现可靠有效的测试方法，来测量生产出的四同轴连接器的关键传输参数，以次决定是否满足指标和能否投入使用。1 2 国内外动态现在国内外
16、的主要产品有：北京颐和兴业科技有限公司生产的巡同轴接触件既可以提供压接型的，也可以提供植入印制电路板的。用予高速铜线网络，要求3 6 0 度屏蔽并且有最佳性能表现。它有极佳的网络性能(串音、回光损耗等)，极高的线路密度，能在极恶劣的环境条件下使用。四个2 4 号针接触件，3 6 0 度屏蔽高密度设计使其能装入个与标准8 号接触件的尺寸相同的孔腔中。可以用来代替原来用的两个双绞线接触电子科技人学硕士学位论文件，可节省配线时间3 0，而且其电器性能要好得多。图1-1 北京熙和兴生产的四同轴接触件瑞士雷莫(L E M O)集团生产的l D 系列四同轴连接器有四个同轴的针芯；推拉自锁：温度范围-4 0
17、 度一1 2 0 度；屏蔽效果：频率在1 0 k l l t z 时大于7 0 d B，频率在1 G H z 时大于3 5 d B。图1 2 雷莫生产的I D 系歹0 四I 司轴连接器法国苏里奥公司(S O U R I A UC o n n e c t i o nT e c h n o l o g y)生产的四同轴接触件可以处理数据的速度从每秒几个M b i t 到每秒几个G b i t，可以用在广泛的通讯网中(E t h e m e t 互联网，A T M 机，等等)。具有4 个2 4 号针接触件，3 6 0 度屏蔽；高密度设计使其能装入一个与标准8 号接触件的尺寸相同的孔腔中；可以用来代替
18、原来用的两个双绞线接触件，可节省配线时间3 6，而且其电路性能要好得多。一2 一蕊，氛凇眵影。舞均锄繁吣第一章绪论1 3 课题简介图1 3 苏里奥公司生产的四同轴接触件本课题“四同轴连接器高速传输参数测试方法的研究与实现”来源于电子科技大学成都赛英科技有限公司与国营某厂的合作课题。主要传输参数指标如下：驻波：小于1 5(1 0 M H z l G H z 频带内)阻抗：1 0 0 f 2(1 0 0M H z 频点处)衰减：小于0 5 d B(10 0M H z 频点处)串音：大于4 0 d B(1 0 0M H z 频点处)1 3 1 课题主要难点(1)四同轴连接器高速传输参数无法直接进行测
19、量；(2)双绞线与测试仪器相连需要进行平衡变换；(3)一般的巴伦只能实现l：n 2 的阻抗变换比：(4)多端口平衡器件物理连接复杂，测试平台不易实现，而端口多也就意味着测量次数多；(5)如何实现多端口平衡器件的测试方法；(6)如何从整个系统的测量结果中得到四同轴连接器的传输参数，特别是特性阻抗：(7)如何尽可能的减少测量误差。这些难点需要在了解四同轴连接器传输方式与原理的基础上，通过在实际测试方法的设计与实现中采取优化方法并进行反复精心调试才能得到解决。3 电子科技大学硕士学位论文1 3 2 课题主要工作根据上文的课题难点，作者主要完成了以下工作：(1)了解四同轴连接器以及双绞线的传输方式与传
20、输原理；(2)根据项目的总体技术指标和要求实现的功能对测试方法进行整体规划和设计；(3)搜集查找差分器件和多端口平衡器件的测试资料，与本课题进行比较，确定基本测试思路；(4)研究巴伦原理，得到任意变比传输线巴伦的制作方法；(5)独立制作l：2 传输线巴伦，来实现l O M n z 1 G H z 频段内测试仪器端口到双绞线的5 0 Q l O O f l 的不平衡一平衡的变换，并总结制作与试验调试过程中需要注意的问题；(6)通过制作测试夹具与多次的物理连接，按照设计的测试方法，完成对系统的驻波比、特性阻抗、衰减以及串绕等参数的测量，并对测试结果进行详细地分析；(7)从系统的测试结果中得到四同轴
21、连接器的传输参数；(8)讨论测试误差产生的主要原因，以及如何减少测试误差。本项目是在电子科技大学成都赛英科技有限公司中进行研制的，公司具有先进齐全的射频与微波以及数字测试设备，如：H P 8 5 6 4 E 频谱分析仪、H P 8 6 5 7 D 高频信号源、H P 8 5 1 0 B 网络分析仪、H P 8 5 1 4 BS 参数测试仪以及数字逻辑分析仪等，同时公司聘请的教授及高级工程师多人均具有丰富的模拟和数字电路设计与调试经验。所有这些均促成了本课题的最终完成。4 第二章四同轴连接器介绍第二章四同轴连接器介绍2 1 四同轴连接器应用背景过去1 0 年间频率传送速度的提高非常快。速度从0
22、1 G i t s e c 增长到目前已超过l O G b i t s e c 的速度，并正向更高速发展。同时，机载设备和军用设备上所用的技术越来越复杂，因此要求能在极高的速度下处理日益增加的信息流。现在主要的传输信号有：低频电信号、高频微波电信号、光信号、以及高速差分电信号，如表2-1 所示：表2 1 传输信号与对应的接触件普通低频电信号，电线电缆接触件功率能量电信号射频同轴高频微波电信号同轴电缆接触件光纤光信号光纤光缆接触件四同轴高速差分电信号双绞或四绞电缆接触件由表2 1 可以看出，射频同轴电缆传输的射频信号可以通过同轴接触件互连：光纤传输的光信号可以通过光纤接触件互连：而高速网线传输的
23、差分信号则通过四同轴接触件互连。因此，要想了解四同轴连接器的传输原理，先要了解它用于传输的高速差分信号。2 2 差分信号简介2 2 1 单端、差模和共模我们通常认为信号以三种模式沿电路传播：单端、差模或共模。单模即单端，是我们最熟悉的。信号通过单根导线传输并从地返回。差模信号沿一对导线传输。我们一般认为其中一根导线传送正信号而另一根5-电子科技大学硕士学位论文传送负信号，并且理论上大小相等极性相反 5 1，没有通过地的返回信号；信号沿一根导线前进并从另外一根返回。共模信号通常更难于理解。既可以通过单端也可以通过两个(可能更多)差分导线传播。同样的信号沿单根导线以及返回路径或者沿差分对中的两根导
24、线流动。大部分人往往对共模信号不熟悉，因为我们自己从来不会故意产生它们。它们通常是由从其它(邻近或外部)源耦合进电路的噪声引起的。一般来讲，结果最好情况是中性的，最坏情况是具有破坏性的。共模信号能够产生干扰电路正常运行的噪声，并且是常见的E M I 问题的来源1 6 J。2 2 2 差分信号的概念一个差分信号就是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，系统“地被用作电压基准点。当用“地”作为电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。另一方面，一
25、个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。可以用一个方法对差分信号做一下比喻，差分信号就好比是跷跷板上的两个人，当一个人被跷上去的时候，另一个人被跷下来了，但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推，正值可以表示左边的人比右边的人高，而负值表示右边的人比左边的入高。0 表示两个入都是同一水平【丌。如图2 1 所示：一一负电压0 电压正电压图2 1 用跷跷板表示差分信号应用到电学上，这两个跷跷板用一对标识为V+和V 一的导线来表示。当V+V 一时，信号定义成正信号，当V+L，因此导线3 上的总电流大小为墨=i：，一i b=I
26、-(L。：一L I，)，方向同2 导线。对角线的一对导线传输差分信号的情况如图2 8 所示：图2-8 串单效应假设l，3 两导线传输电流大小都为I，方向相反的一组差分信号。导线2 中，由导线l 上电流产生的感应电流为i 幢=I L I，由导线3 上产生的感应电流为i 弛=I L，：，其中，L I：为l、2 导线互感，L，为3、2 导线互感。由于l、2 间导线距离等于3、2 间导线距离，所以L，=L，因此导线2 上的总电流为鼍=0。综上所述，四同轴的这种结构使得当相邻的两根导线传输差分信号时，在其余导线上的干扰电流能够抵消很大部分，干扰很小；而当对角的两根导线传输差分信号时，在其余导线上的干扰电
27、流则能完全抵消，因此能很好的抑制串绕问题。2 5 四同轴连接器技术特点通过对四同轴连接器结构特点和传输原理的研究，可以总结得出它的技术特点。同时将四同轴接触件技术特点与其他主要的接触件进行比较，如表2 2：1 2 第二章四同轴连接器介绍表2 2 各种接触件性能比较文带宽数据传输率重量尺寸防E M I接触件同轴+三轴+双绞线+四同轴+光纤+表中，+代表好，一代表不好。可以看出四同轴连接器性能非常优异，各方面都表现突出。与同为传输差分信号的双绞线相比，还拥有着(1)重量轻；(2)串音降低效果更好；(3)1 个连接器即能完成全线路传输等优点I l 引。即便如此，双绞线依然是差分信号传输的主要方式，而
28、四同轴连接器也是通过与2 个屏蔽双绞电缆或1 个屏蔽四绞电缆相连来实现多个差分信号的传输与互连的。也就是说，四同轴连接器是通过双绞线来传输差分信号的。由此，我们得到四同轴连接器的基本测试思路。2 6 基本测试思路由于四同轴连接器是通过双绞线来传输差分信号的，所以我们可以将四同轴连接器放在两段双绞线之间，将它们看做一个系统，通过对双绞线的测试方法来对这个系统进行测试。因为双绞线的传输特性是已知的，所以由测量得到的数据减去对应双绞线的数据就可以得到四同轴连接器的传输特点。根据这个基本思路，我们首先对双绞线的测试方法进行研究。1 3 电子科技大学硕士学位论文3 1 双绞线概述第三章双绞线测试原理双绞
29、线(T P：T w i s t e dP a i r w i r e)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根2 2 2 6 号绝缘铜导线相互缠绕而成。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线(U T P：U n s h i l d e dT w i s t e dP a i r)和屏蔽双绞线(S T P：S h i e l d e
30、dT w i s t e dP a i r)1 4 1-1 6 1。虽然双绞线主要是用来传输模拟信号的，但同样适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。在远距离传输时，信号的衰减比较大，并且产生波形畸变。采用双绞线的系统的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。只要精心选择和安装双绞线，就可以在有限距离内达到每秒几百万位的可靠传输率。当距离很短，并且采用特殊的电子传输技术时，传输率可达l O O M b p s-1 5 5 M b p s。3 2 双绞线传输原理按照线路的形式，传输线可分为不平衡式和平衡式两种。同轴电缆属于不平衡传输线，双绞线属于平衡传输线。测试设备，包括信号源及接
31、受设备，其接口通常是不平衡式的，因此，可直接与同轴电缆匹配连接。然而要用双绞线传输信号，就必需在发送端将非平衡信号转换为平衡信号；以便驱动双绞线，在接收端再将平衡信号转换为非平衡信号，与接收设备连接。一个基本的双绞线信号传输系统如图3 1 所示。图中的A 1 是不平衡一平衡转换器，完成不平衡到平衡的转换，A 2 是平衡一不平衡转换器，完成平衡到不平衡的转换。1 4 第三章双绞线测试原理3 3 双绞线消除串绕原理图3 1 双绞线传输系统作为信号传输的媒介，我们要求传输线不仅能有效地传输信号，同时具有很好的抑制干扰的能力【1 7】。在双绞线中，干扰主要来自以下两方面：第一，外部干扰。第二，同一电缆
32、内部各线对之间的相互串扰。下面，我们对双绞线消除干扰的原理作一分析。3 3 1 双绞线对外部干扰的抑制(1)干扰信号对未扭绞的双线回路的干扰，如图3 2 所示：L 2U s图3 2 对未扭绞双线的干扰U e 为干扰信号源，干扰电流I e 在双线回路的两条导线L l、L：上产生的干扰电流分别是I。和I：。由于L。距离干扰源较近，因此，I。1 2，1 3=I。-I：0，有干扰电流存在。(2)干扰信号对扭绞的双线回路的干扰，见图3 3。与图3 2 不同的是，双线回路在中点位置进行了一次扭绞。在中点的左边，I e 在L I、L：上产生的干扰电流分别是I。和1 2。，总干扰电流I。=I I 一I：。；在
33、中点的右边，I e 在L。、L：上产生的干扰电流分别是I：和I：，右边的总干扰电流为1 2 _ 1 2 2 I。：。1 5 电子科技大学硕士学位论文由于两段线路的条件完全相同，所以I l l=I：，1 2 1=I。：，也就是I。=I：。总干扰电流I，=I。I：=O。通过分析，可以得出结论：只要合理地设置线路的扭绞，就能达到消除了干扰的目的。U sL 2L l图3 3 对扭绞双线的干扰3 3 2 同一电缆内各线对的串绕通过对如何消除同一电缆内各线对串扰的研究，我们能够进一步了解四同轴连接器的传输原理和它的优势所在。(1)两个未作扭绞的双线回路问的串扰，见图3-4。其中回路l 为主串回路，回路2
34、为被串回路。回路l 的导线L l 上的电流I 在被串回路L，和L 中产生感应电流I。，和I。由于L l 与L，的距离较近，所以I。，I。，二者方向相对，抵消后尚余差值I。同样，回路l 的导线L：上的电流I：在被串回路L，和L。中产生感应电流I：，和I“，I：，I 甜。二者相互抵消后，余下差值I，。由于导线L：与回路2 的距离比导线L I 近，其差值电流I，一定大于I，I，与I 的差为I，在回路2 内形成干扰。回路lU s l回路2U s 2L IL 2L 3图3 _ 4 未扭绞双线串绕1 6 第三章双绞线测试原理(2)两个扭绞相同的回路如图3-5 所示。L lU s lU S 2L 3I b
35、l图3-5 扭绞相同的双线串绕回路l 和回路2 同时在线路中点位置作扭绞，因此，两个回路的4 根导线之间的相对关系与未作扭绞是完全相同的，根据以上分析可知，是不能起到消除回路间串扰的作用的。t i m 和U s 2 分别在对方回路中产生干扰电流I：和I：，见图5。由此可得出结论：两个绞合的双线回路扭距相同时，不能消除串扰。(3)两个扭距不同的双线回路见图4-6：L lU s IU S 2I b l卜o 生一图3-6 扭绞不同的双线串绕回路1 在线路的中点作扭绞。回路2 除在线路的中点作扭绞外，还在A 段和B段的二分之一处分别作扭绞。下面以回路1 为主串回路，回路2 为被串回路。我们将整个线路分
36、为A、B 两段，先分析A 段的串扰。在A 段内，回路l 未作扭绞，而回路2 在二分之一处作扭绞。我们进一步来看回路l 的导线L I 对回路2 的干扰的情况，不难发现，与3 3 11 7 电子科技大学硕士学位论文(2)节讨论的情况完全相同。根据3 3 1(2)的分析可知，由于回路2 在A 段的中点扭绞，干扰电流为零。同样道理，导线L，对回路2 的干扰电流也为零。因此，在A 段，回路l 对回路的串扰电流为零。B 段的情况与A 段完全相同，在B 段串扰电流也为零。因此，回路1 对回路2 的总串扰为零。由此可以得出结论：两个各自扭绞双线回路，只要合理的设计扭距，可以消除相互串扰。由第二章可知，四同轴连
37、接器是通过与两股屏蔽双绞线或一股屏蔽四绞线连接来传输差分信号的，因此能够很好的消除串扰。3 4 双绞线主要参数测试方法双绞线的主要技术指标有特性阻抗、衰减与回路串扰1 8 H 1 9 1。3 4 1 特性阻抗特性阻抗是指在双绞线输入端施以交流信号电压时，输入电压与电流的比值。线路的特性阻抗与线路的直流电阻是完全不同的两个概念。线路的直流电阻与线路的长度成正比。而线路的特性阻抗完全由线路的结构和材料决定，与线路的长度无关。传输线的分布参数在高频状态下的等效电路如图3-7：图3 7 高频等效电路由图可见，线路的分布电阻和分布电感串联在回路中，分布电容和分布电漏并联在回路中。线路可以认为是由无数个这
38、样的基本节连接起来的。这样的一个混联电路，不论线路多长，输入阻抗是一个定值。根据分析，在信号达到一定频率时，线路阻抗Z 的值是：1 7-J=拦(2 1)一J I 二。1，1 8 第三章双绞线测试原理式中：L 为一个基本节的电感，C 为一个基本节的电容。通常使用的双绞线的阻抗为1 0 0 欧姆。3 4 2 衰减衰减，也称作插入损耗，指信号幅度沿链路传输的减弱，它是由于电缆的电阻所造成的电能损耗以及电缆绝缘材料所造成的电能泄漏，信号的衰减同现场的温度、湿度、频率、电缆长度等都有关系。当考虑一条通信链路的总插入损耗时，链路中所有的部件都对链路的总衰减值由贡献。一条链路的总插入损耗是电缆和布线部件的衰
39、减的总和。衰减量由下述各部分构成：(1)电缆对信号的衰减；(2)构成通道链路方式的跳线或构成基本链路方式的设备接线对信号的衰减量；(3)每个连接器对信号的衰减量。衰减测量，用于测量数据信号沿电缆传输时损耗功率的程度。衰减通过在电缆对的一端输入一个已知电压的测试信号，然后测量该信号在传输至同一电缆对的另一端后的电压来进行测量。衰减用输入信号的水平与该信号在传输至同一电缆另一端后的水平之间的比率来表示，如图3 8。衰减比率用d B 来测量。d B 值越小，则衰减越小(性能越好)。低的衰减值表示链路的性能好，而链路越长，频率越高，衰减就越大。图3 8 衰减测量3 4 3 回路串扰当信号在一条通道中某
40、线对传输时，由于平衡电缆互感和电容的存在，同时会在相邻线对中感应一部分信号，这种现象称为串扰。串扰分为近端串扰(N e a rE n d1 9-电子辩技大学硕士学位论文C r o s s t a l k，N E x T)和远端串扰(F a rE n dC m s s t a l k，F E X T)两种。(圭)近端串扰近端串扰是指处于线缆一侧的某发送线对的信号对同侧的其他相邻(接收)线对通过电磁感应所造成的信号耦合刚。近端串扰与线缆类别、端接工艺和频率有关，双绞线的两条导线绞合在一起后，因为相位向反而抵消相互问的信号干扰，绞距越紧抵消效果越好，也就越能支持较高的数据传输速率。在端接施工时，为减
41、少串扰，打开绞接的长度不能超过1 3 r a m。近端串扰是用近端串扰损耗值来度量的，近端串扰损耗定义为导致该串扰的发送信号值(d a 与被溅线对上发送信号的近臻串拢值(r i b)之差值(d a)。人们总是希望被测线对的被串扰的程度越小越好，某线对受到越小的串扰意味着该线对对外界宰扰具有越大的损耗能力，也就是导致该审扰鲍发送线对的信号在被测线对上的测量值越小(表示串扰损耗越大)，这就是为什么不直接定义串扰，而定义成串扰损耗的原因所在。所以测量的近端串扰值越大，表示受到的串扰越小，测量的近端串扰值越小，表示受到的串扰越大。近端串扰损耗的测量，应包括每一个线缆通道两端的设备接插软线和工作区毫缆在
42、内，近端串扰并不表示在近端点所产生的串扰，它只表示在近端所测量到的值，测量值会随电缆的长度不同而变化，电缆越长，近端串扰值越小，实践证嗳在4 0 米内测得的近端串扰值是真实麓，并且近端串扰损耗应分别扶透道的两端进行测量I 烈1 4 2 2 1，如图3 9：近端门l|哼Jk几扣远端发送信号&一接收信号，k)s：s：撇_蚕3-9 近端串扰溺量(2 远端串扰与N E X T 定义相类似，远端串扰是信号从近端发出，丽在链路的另一镤|(远端)，发送信号的线对向其同侧其他相邻(接收)线对通过电磁感应耦合而造成的串扰。与N E X T 一样定义为串扰损耗。因为信号酶强度与它所产生酶串扰及信号的衰减有2 0
43、卫第三章双绞线测试原理关，所以电缆长度对测量到的F E X T 值影响很大。如图3-1 0：近端远端nlI 一JL图3 1 0 远端串扰测量若测量得到的串扰值不理想，可能的原因是：端接点接触不好：近端连接点短路；串对；外部干扰；线缆(器材)质量问题或非同一类产品。3 4 4 双绞线指标超五类双绞线的特性阻抗、衰减、串扰数据见表3-1：表3-2 双绞线测试指标频率特性阻抗最大衰减值串扰(M 田匕)(d B)(d B)I27 21 06 35 72 01 0 0 欧姆8 95 25 01 4 15 0l o o2 0 04 21 5 02 4 53 5按照测试思路，通过测试双绞线的办法来测量四同轴
44、连接器+双绞线的系统，得到的数据减去双绞线已知的指标，就能得到四同轴连接器的数据了。下面将要考虑物理连接的问题，也就是要将双绞线与测试仪器相连，需要进行平衡一不平衡变换。2 1 电子科技大学硕士学位论文4 1 巴伦原理第四章平衡不平衡变换器巴伦(b a l u n)是平衡不平衡变换器(B a l a n c e dt oU n b a l a n c e d)的音译，用于将功率相等相位相反的平衡信号转换为单端不平衡信号，送至不平衡负载；反之，亦可将不平衡信号转换为平衡信号。此外，它还能提供阻抗变换功能，所以又叫做平衡馈电器【2 4 1。正是由于这些特点，使得巴伦在微波技术与天线领域得到了广泛的
45、应用。4 1 1 为什么要使用巴伦在笔者的测试系统中，传输差分信号的双绞线是I O O Q 的双端平衡传输线，而测试仪器端口所连接是5 0 Q 同轴电缆，而同轴电缆是属于单端不平衡传输线。虽然从阻抗匹配的观点看，两者直接连接好像问题不大，但实际上在同轴电缆直接和双绞线相连时，同轴电缆的外皮将会有高频电流流过(按同轴电缆传输原理，高频电流应在电缆内部流动，外皮是屏蔽层，是没有电流的)，这样一来，就会影响信号的传输(可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射)。因此，就需要在测试仪器和双绞线之间加入平衡-不平衡转换器，也就是巴伦，把流入同轴电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从信号源流过电缆屏蔽层
46、外皮的高频电流截断。4 1 2 如何截断高频电流上面提到，当同轴电缆与双绞线直接相连时，我们需要把从信号源流向同轴电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。要达到这样的目的有高频开路法、抵消法、变压器法和抑制法等几种办法。1 高频开路法高频开路法就是在电缆屏蔽层外皮四分之一波长处接一个四分之一波长的套筒(等效于四分之一波长的开路线)，因四分之一波长开路线对该频率视为开路，从而达到截断高频电流的作用。这种办法，工作带宽窄，频率低时四分之一波长2 2 第四章平衡不平衡变换器套筒就显得很长，适合大功率高频率使用。2 抵消法抵消法就是想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消，这种频带较宽，但使用大功率时受磁环
47、磁饱和的限制，适合低频率小功率使用。3 变压器法变压器法就是通过高频变压器实现平衡不平衡转换，原理就像推挽输出变压器一样，把双向平衡电流变换成但向不平衡电流。变压器可采用磁芯或磁环绕成，适用大功率使用(2 5 1。【明。4 抑制法抑制法就是在电缆屏蔽层外皮接一高频扼流圈，阻止高频电流流向电缆屏蔽层外皮，这种方法比较简单，就是把电缆绕十圈左右，绕在磁环上更好，空心亦可，一般是频率低绕多几圈，频率高绕少几圈。但抑制效果并没有上述几种好，所以前面三种方法多用于专业应用，而抑制法在业余应用中较多。需要注意的是我们只是截断流向同轴电缆屏蔽层外皮的高频电流，并不是截断流向同轴电缆屏蔽层的所有高频电流，所以
48、类似于把信号源和同轴电缆外皮开路的方法是错误的。高频电流是在电缆屏蔽层的里面流的。举个形象的例子，我们可以把电缆想象成水管，本来应该是水都在水管里流，但是如果不加巴伦，水不单在水管里流，还会有一部分流到管子的外皮，所以管子另一端接到的水就少了。巴伦的作用就是防止跑、冒、滴、漏，迫使水都在水管里流。4 2 几种常见巴伦4 2 1L C 巴伦L图4 1【，C 巴伦2 3 夕|不平衡R L输出、厂、L衡入平输电子科技火学硕十学位论文L-C 巴伦本质上是一种电桥，同时又被称做“网状巴伦，它的电路图如图4-I 所示，电路中的两个电容和两个电感用来提供_ 2 9 0。的相位移动，以达到平衡变换的作用。在工
49、作频段内：=2 硝；Z o=瓜三：益：c：上国彩Z o(4-1)其中：国为工作角频率，f 为工作频率，乙为特性阻抗，4 2 2 同轴巴伦同轴巴伦是由1 1 4 波长的同轴电缆实现的，1：1 阻抗变换比的同轴巴伦如图4-2 所示：平衡输出图牝I：l 同轴巴伦如果我们需要l：4 阻抗变换比的同轴巴伦，可以同样使用l 4 波长同轴电缆来实现，如图4 3：下|I 2 0图禾3I：4 同轴巴伦-2 4 第四章平衡不平衡变换器4 2 3 微带巴伦最简单的微带巴伦是属于双线巴伦，同时也叫做平行线巴伦，如图4 4 所示：不平衡输入图4 4 微带巴伦4 2 4 变压器巴伦变压器巴伦是带有平衡变换功能的变压器，最
50、简单的变压器巴伦如图4-5。图4 5 变压器巴伦4 3 传输线变压器式巴伦理论分析不平衡输入衡输出我们在前面提到，在截断高频电流的方法中，变压器法工作频段较宽，且适合大功率使用。本课题所测试的四同轴连接器属于高速差分信号传输组件，要求在恶劣的环境下使用，因此变压器式巴伦完全符合测试需要。宽带变压器式巴伦一般有两种形式：一是采用高频磁芯的普通变压器；一种是利用传输线原理构成的传输线变压器。由于采用高频磁芯的普通变压器利用的是变压器原理，因而由于其分布电容和漏感的作用，使其较难在宽频带范围内满足应用要求，所以采用高频磁芯的普通变压器的宽带阻抗匹配网络有许多技术难题要解决。而传输线变压器巧妙的利用了