保持微波測(cè)試系統(tǒng)的平衡

　　在一個(gè)40GHz的微波測(cè)試系統(tǒng)中采用18GHz的測(cè)試電纜時(shí)，那么這個(gè)系統(tǒng)是失衡的；而在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試電纜出現(xiàn)了輕微故障而測(cè)試者尚未察覺，我們可以認(rèn)為這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)也處于失衡狀態(tài)。

　　在AN-0101《測(cè)試電纜概述》一文中，從電纜本身性能的角度描述了如何選擇一條合適的測(cè)試電纜組件，本文則從應(yīng)用角度來重新討論這個(gè)問題。

　　木桶原理vs微波測(cè)量系統(tǒng)

　　木桶原理說的是一個(gè)木桶裝水的多少取決于最短的那塊木板。這個(gè)道理在日常生活中被經(jīng)常引用，把它用在微波測(cè)試系統(tǒng)中，筆者認(rèn)為是再貼切不過了。我們可以從系統(tǒng)角度來審視一個(gè)微波測(cè)量系統(tǒng)這個(gè)“木桶”是否完整和平衡：

　　1）在一個(gè)聲稱為40GHz的微波測(cè)量系統(tǒng)（比如有40GHz的信號(hào)源，頻譜分析儀等）中，如果被發(fā)現(xiàn)其中只有26.5GHz的測(cè)試電纜組件和轉(zhuǎn)接器，那么這個(gè)系統(tǒng)就是不平衡的；

　　2） 當(dāng)DUT（被測(cè)件）的最高頻率為6GHz時(shí)，采用40GHz的頻譜分析儀和6GHz的測(cè)試電纜組件，那么當(dāng)前的這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是平衡的；

　　3） 不管什么系統(tǒng)，如果測(cè)試電纜出現(xiàn)了故障，哪怕是軟故障，比如接頭和電纜的根部出現(xiàn)了隨機(jī)的接觸不良情況，在這種情況下，隨著電纜的抖動(dòng)或者移動(dòng)，頻譜分析儀上的幅度讀數(shù)會(huì)隨著發(fā)生變化，而測(cè)試者尚未察覺到電纜出了問題，那么顯然這個(gè)系統(tǒng)也是不平衡的。

　　盡管一臺(tái)頻譜分析儀可能價(jià)值幾萬美金，而一條“比較貴”的測(cè)試電纜也只有一、二百美金，但是從系統(tǒng)角度看，二者的地位是完全相同而不可偏頗的。在任何微波測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)試電纜組件和轉(zhuǎn)接器是連接儀器和DUT的紐帶，而且是一個(gè)很大的測(cè)試不確定因素，所以說測(cè)試電纜和轉(zhuǎn)接器是保持一個(gè)微波系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵。以下推薦幾點(diǎn)測(cè)試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器在選擇、使用和保管等幾方面的建議，供讀者參考。

　　分類保管測(cè)試電纜組件和轉(zhuǎn)接器

　　在實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)配備各種規(guī)格的測(cè)試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器，這些產(chǎn)品或來自儀器制造商，或來自第三方專業(yè)制造商。應(yīng)對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行分門別類的選擇和保管，以下是幾點(diǎn)建議：

　　1) 在電纜上標(biāo)注最高工作頻率。

　　這一點(diǎn)很重要，可以避免測(cè)試電纜成為測(cè)試系統(tǒng)的“短板”。這項(xiàng)工作也可以要求電纜供應(yīng)商采用工業(yè)用標(biāo)簽打印機(jī)直接打印在電纜上，圖1是一個(gè)例子。

　　2) 給特殊的儀器配備專用電纜。

　　某些特殊的儀器，如帶有APC7接口的網(wǎng)絡(luò)分析儀，40GHz（如2.92mm）的頻譜分析儀和信號(hào)源等。因?yàn)橛行┙涌谑菍Ｓ玫模鏏PC7，少有用在通信設(shè)備中的；另外，如果把一條2.92mm接口 的40GHz電纜用在一個(gè)SMA接口的3GHz設(shè)備的測(cè)試中，那無疑是大材小用了。因此，為專用接口或者高頻儀器配備專用測(cè)試電纜組件不失為一種充分發(fā)揮這些儀器作用的有效手段。

　　3) 將室外應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的電纜分開。

　　室外應(yīng)用的電纜需要經(jīng)常被卷曲和運(yùn)輸，同時(shí)應(yīng)用環(huán)境也相對(duì)惡劣（比如電纜會(huì)被放置在地面上），因此更容易損壞。為了增加強(qiáng)度，我們往往為室外應(yīng)用的電纜加裝保護(hù)層，如不銹鋼鎧裝。這樣做是為了防止電纜被過度彎曲，但同時(shí)損失的是電纜的柔軟度。而測(cè)試者通常更喜歡使用柔軟的電纜，因此將實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的柔性電纜和室外應(yīng)用的電纜分開，可以在某種程度上提高測(cè)試的效率。

　　4) 將射頻轉(zhuǎn)接器裝在盒子里分類保管。

　　射頻轉(zhuǎn)接器種類繁多，將它們按照應(yīng)用分類定位放置在小盒子里，可以大大方便使用，并對(duì)器件起到保護(hù)作用。以下是幾種射頻轉(zhuǎn)接器的分類例子，圖3是一種工作于6GHz以下頻段的成套射頻轉(zhuǎn)接器，包括了N、TNC、BNC、SMA、UHF和miniUHF等6種轉(zhuǎn)接器的插頭和插座。巧妙的是，這些轉(zhuǎn)接器之間用一種叫universal的轉(zhuǎn)接器來互聯(lián)，這樣一共可以組合出72種轉(zhuǎn)接器。這套轉(zhuǎn)接器適合絕大多數(shù)常見通信設(shè)備的測(cè)試，如雙向無線電對(duì)講機(jī)。

　　圖4所示的是一種內(nèi)部可自由切割的小盒，用于放置各種射頻轉(zhuǎn)接器，這樣可以組合成各種應(yīng)用的射頻轉(zhuǎn)接器套件，如專用于蜂窩基站測(cè)試的DIN716和N之間的4種或6種轉(zhuǎn)接器；最常用的N和SMA之間的轉(zhuǎn)接器等。

　　射頻測(cè)試電纜和轉(zhuǎn)接器的使用注意事項(xiàng)

　　在微波測(cè)量系統(tǒng)中，最容易損壞的就是測(cè)試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器，因此要仔細(xì)維護(hù)和使用。以下是筆者總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)：

　　1) 不要用任何鉗子來固定射頻連接器。

　　幾乎每種尺寸的射頻連接器都有適合的扳手，當(dāng)然這是指六角形螺帽的插頭，而圓形的螺帽則只能用手裝拆了。無論是尖嘴鉗或者老虎鉗，都無法掌握連接器的正確力矩，并且會(huì)損壞連接器。應(yīng)使用力矩扳手來緊固連接器。

　　很多螺套尺寸為8mm的六角形連接器可以用力矩扳手來緊固和拆卸，如SMA、3.5mm、2.92mm、2.4mm和1.85mm；而N型連接器則采用開口為19mm的力矩扳手。

　　通常，在實(shí)驗(yàn)室可配備一把開口8mm和一把19mm的力矩扳手。如果沒有，可以用手來緊固和拆卸連接器，對(duì)于連接器來說，緊固的力矩寧可小于其規(guī)定的力矩，但不能更大。

　　2) 射頻連接器的清潔。

　　要用蘸有酒精的棉簽來清洗連接器，但不要用棉簽去清洗空氣介質(zhì)連接器的內(nèi)導(dǎo)體，如3.5mm和2.92mm等。

　　3) 遵循木桶原理－使用滿足測(cè)試要求的轉(zhuǎn)接器和電纜即可。

　　盡可能不要使用比當(dāng)前的測(cè)試頻率高出很多的射頻轉(zhuǎn)接器和測(cè)試電纜。比如在測(cè)試蜂窩基站的雜散信號(hào)時(shí)（這項(xiàng)測(cè)試通常要求至12.75GHz），可采用18GHz的SMA接口的測(cè)試電纜和轉(zhuǎn)接器，而不要采用40GHz的2.92mm接口的電纜和轉(zhuǎn)接器。

　　這么做的理由是為了合理利用射頻實(shí)驗(yàn)室的資源，應(yīng)把2.92mm的電纜和轉(zhuǎn)接器用到毫米波測(cè)試場(chǎng)合，畢竟射頻連接器是有壽命限制的。

　　4) 不要將校準(zhǔn)件中的轉(zhuǎn)接器用于普通測(cè)試。

　　校準(zhǔn)件中的轉(zhuǎn)接器，如N(f-f)、SMA(f-f)，這類精密轉(zhuǎn)接器的回波損耗典型值小于-34dB，只能用于S參數(shù)測(cè)量的直通校準(zhǔn)，千萬不要將其用于正常測(cè)試中的轉(zhuǎn)接。沒有的話，寧可花錢去買一個(gè)。

　　5) 掌握正確的操作姿勢(shì)。

　　從儀器上拔下測(cè)試電纜組件時(shí)，一定要抓在接頭上（圖5a），千萬不要抓在電纜根部往外拉（圖5b），這樣很容易造成電纜和接頭連接處的故障。筆者見過的電纜故障，這部分原因占了較大比例。

　　圖5 電纜的操作

　　6) 給轉(zhuǎn)接器戴上保護(hù)帽。

　　那些外螺紋的連接器，如N(f)和SMA(f)，容易被磨損。尤其是SMA(f)，不小心掉在地上的話，螺紋很容易變形。因此用完后最好隨手給連接器戴上塑料保護(hù)帽，同時(shí)還能起到防塵的作用。

　　關(guān)于保護(hù)接頭

　　保護(hù)接頭（Saver Connector）又被稱為測(cè)試端轉(zhuǎn)接器（Test Port Adaptor），顧名思義就是用于保護(hù)昂貴的儀器設(shè)備上的接頭。保護(hù)接頭實(shí)際上就是一個(gè)male到female的轉(zhuǎn)接器。

　　不要忽視這個(gè)小小的轉(zhuǎn)接器，它能省去你不少的麻煩。試想一下你正在正常使用的儀器設(shè)備，如果因?yàn)檫B接器損壞而需要返回原廠維修，除了要花去昂貴的維修費(fèi)，還要損失寶貴的時(shí)間。要注意以下可能遇到的情況：

　　1) 帶空氣介質(zhì)接口的高頻儀器設(shè)備。

　　當(dāng)工作頻率高于26.5GHz以后，需要采用空氣介質(zhì)的射頻接頭，如3.5mm、2.92mm、2.4mm等，由于內(nèi)導(dǎo)體沒有介質(zhì)支撐，所以這類接頭更容易損壞，保護(hù)接頭幾乎可以說是必需的。

　　2) 無源互調(diào)測(cè)量設(shè)備。

　　無源器件的互調(diào)產(chǎn)物測(cè)試是一項(xiàng)非常精密的測(cè)試項(xiàng)目。無源互調(diào)測(cè)量設(shè)備的自身互調(diào)指標(biāo)可低至-170dBc@2×43dBm，任何的接頭接觸不良都可能造成互調(diào)指標(biāo)的惡化，在生產(chǎn)線上，一條頻繁使用的低互調(diào)測(cè)試電纜的壽命僅僅是按月計(jì)算的。所以在無源互調(diào)測(cè)試設(shè)備上，必須有一個(gè)保護(hù)接頭。

　　3) 通用的儀器設(shè)備。

　　大部分測(cè)試儀器設(shè)備都采用N型連接器，用于儀器中的連接器，其壽命肯定要比普通的連接器要長(zhǎng)，但是它也有壽命，一旦磨損，也免不了返廠維修的問題。從這個(gè)角度看，任何測(cè)試儀器，只要你認(rèn)為必要，都需要保護(hù)接頭。

　　可稱為“保護(hù)接頭”的，并不是普通的轉(zhuǎn)接器，其電氣性能指標(biāo)尤其是壽命是主要的考慮因素。圖6是一種N型的保護(hù)接頭，其VSWR分別為1.02@DC-1GHz、1.04@1-3GHz和1.06@3-6GHz，而壽命則達(dá)到5000次插拔，這種保護(hù)接頭可以作為大多數(shù)常用測(cè)試儀器的保護(hù)。如果沒有被稱為“保護(hù)接頭”的轉(zhuǎn)接器，哪怕用一個(gè)普通的不銹鋼轉(zhuǎn)接器也好過不采取任何保護(hù)措施。

　　檢查測(cè)試電纜和轉(zhuǎn)接器

　　如果測(cè)試電纜組件和轉(zhuǎn)接器已經(jīng)出現(xiàn)了故障而使用者尚未發(fā)現(xiàn)，則會(huì)影響測(cè)試精度，更為嚴(yán)重的是在大功率測(cè)試時(shí)可能會(huì)燒毀設(shè)備。所以，測(cè)試電纜組件和轉(zhuǎn)接器需要定期檢查，在使用過程中也要隨時(shí)注意，以下是幾點(diǎn)建議：

　　1) 注意儀表上的測(cè)試值是否穩(wěn)定。

　　如果你發(fā)現(xiàn)頻譜分析儀上顯示的頻譜幅度不穩(wěn)定，或者網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)量S21時(shí)的曲線出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，排除其它原因后，就應(yīng)該檢查測(cè)試電纜是否出現(xiàn)了故障。這種情況下，有可能是電纜與連接器的連接處出現(xiàn)了接觸不良。在圖5b的使用情況下，容易出現(xiàn)這種故障。

　　2) 檢查連接器的內(nèi)導(dǎo)體。

　　射頻連接器是精密的器件，其中的每個(gè)零件及其配合都有嚴(yán)格的規(guī)定，圖7是MIL-STD-348A規(guī)定的N型連接器的界面規(guī)范。應(yīng)經(jīng)常檢查連接器的內(nèi)導(dǎo)體，如果發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)停止使用。

　　圖7 MIL-STD-348A規(guī)定的N型連接器界面規(guī)范

　　3) 定期檢查指標(biāo)。

　　有條件時(shí)，可定期用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢查測(cè)試電纜組件和射頻轉(zhuǎn)接器是否正常。

　　區(qū)別公制和英制連接器

　　雖然現(xiàn)在絕大部分連接器都采用英制標(biāo)準(zhǔn)，但仍有一些容易引起混淆的公制和英制連接器，典型的有英制的N和公制的L16，以及英制的BNC和公制的Q9。單從外形上很難區(qū)分，但是二者不能互換，如果在一起使用，會(huì)影響測(cè)試精度并損壞連接器。在采購時(shí)，應(yīng)注意這一點(diǎn)。