如何测量电缆损耗

电缆损耗测量概述

所有同轴电缆都会衰减通过其传输的射频信号，这种衰减一般称为“电缆损耗”或“插入损耗”。

电缆损耗与电缆长度和通过电缆传输的信号的频率有关。信号在电缆中传输的时候，部分能量会因为电阻损耗和介电损耗被电缆吸收。此外，电缆连接器导致连接中断、电缆弯曲或损坏，也会将部分能量反射回信号源，进一步增加了测量的损耗。一般而言，电缆损耗会随着电缆长度增加而线性增加，也就是说，电缆延长一倍的话，损耗也会翻倍。另一方面，频率越高，电缆损耗通常也越大，不过二者之间并不是单纯的线性关系，而是更复杂一点。

损耗是电缆制造商提供的一项重要规格，通常以分贝 (dB) 每米或每英尺来表示。电缆损耗的频率相关特性一般通过表格或图表来表示，而了解电缆损耗量对于各种射频应用也非常重要。

尽管制造商提供了相应的规格数据，您可能仍然需要测量实际的电缆损耗，特别是当电缆类型未知或者连接或磨损等因素会影响到性能时。矢量网络分析仪 (VNA) 是最常用的电缆损耗测量工具。

使用 VNA 测量电缆损耗

使用 VNA 测量电缆损耗有两种方法：

单端口电缆测量（S11 或反射测量）

• 设置：将电缆一端连接到 VNA，另一端保持开路或短路。
• 过程：VNA 将信号注入电缆。信号通过电缆传输，在开路端或短路端反射后通过电缆返回到 VNA。
• 计算：VNA 对比反射功率和发射功率，从而计算出电缆损耗。由于信号传输距离是电缆长度的两倍（到达开路端或短路端并返回），因此测得的损耗是总往返衰减。
• 优点：这种方法通过电缆一端即可测量电缆插入损耗，无需使用非常长的高质量现场测试电缆。

双端口测量（S21 或传输测量）

• 设置：将电缆两端都连接到 VNA。
• 过程：VNA 的一个端口通过电缆发送扫频信号，另一个端口则测量电缆远端处的信号幅度。
• 优点：这种方法更适合损耗大或两端均可用的电缆。

在单端口电缆损耗测量中，使用信号源或跟踪源将信号注入电缆。在用户定义的范围内扫描该信号的频率。电缆的远端保持开路或短路。信号到达该开路端或短路端后将被反射回信号源端口。

在信号源端口，反射功率会与已知的发射功率进行对比。计算出的总衰减（即“往返”衰减）的一半即为电缆损耗，单位为 dB。如上所述，电缆的总损耗与信号频率和电缆长度有关。

在开始测量之前，需要先配置 VNA。主要有三种设置：

• 扫频范围：这是扫描跟踪源或激励信号的频率范围。该范围应涵盖电缆的工作频率。
• 频率范围内的测量点数量：增加测量点的数量可以提供更多的细节，但完成一次扫描的时间也会相应延长。
• 对多次扫描取平均值：这可以降低噪声，让测量结果更加准确，在测量损耗非常大的电缆时非常有用。但是，增加扫描次数也会导致整体测量时间变长。

配置好后，有两种方式可以将被测电缆连接到 VNA：

• 直接连接到分析仪端口
• 使用高质量、相位稳定的短 DUT 电缆

为什么要使用 DUT 电缆呢？如果被测电缆的连接器难以触及，例如电缆终端封闭在外壳中或者连接到高塔或桅杆，这时候 DUT 电缆就很有用。另一个原因是 DUT 电缆可以减少对分析仪端口的磨损和机械应力。通过校准可以消除 DUT 电缆对测量结果的影响。

为了保证电缆损耗测量的准确性，需要进行校准。进行校准时，可以将开路标准件、短路标准件和匹配负载标准件依次连接到被测电缆。这些标准件可以单独使用，也可以组成“校准三通头”。除了这些手动连接的标准件之外，还可以使用电子校准单元 (autocal)。这些校准单元可以自动切换内部标准件，并通过连接到的 VNA 进行控制。

校准时“按照提示”进行操作即可，VNA 会指示标准件的连接顺序和时机。校准非常快，一般只要几分钟，自动校准单元的速度比手动标准件更快。

校准标准件连接到 VNA 的方式跟被测电缆连接到 VNA 的方式一样。也就是说，如果被测电缆直接连接到 VNA，校准标准件也要直接连接到分析仪端口。如果使用 DUT 电缆，校准标准件也应连接到该电缆的一端。

我们来看一个单端口电缆损耗测量结果示例。如下图所示，电缆损耗和 1 GHz 至 5 GHz 的频率有关，y 轴表示损耗（即衰减），单位为 dB。迹线通常有两种形式：

• 衰减随着频率增加而增加。
• 迹线呈波浪状，即出现“纹波”，原因则在于反射。

通过计算最小值和最大值的平均值，可以测量出电缆损耗。在本例中，最小值是 -1.2 dB，最大值是 -3.5 dB，因此损耗大概是 -2.35 dB。

现在，我们再来看看双端口测量。在以下两种情况下，双端口测量比单端口测量更合适：

• 电缆两端都可用。
• 电缆损耗非常大（超过 20 dB）。

对于大多数的双端口电缆测量，直接把被测电缆连接到分析仪的两个端口即可。但是，如果使用 DUT 电缆将被测电缆连接到分析仪，则需要执行归一化以消除 DUT 电缆对测量的影响。

在双端口测量中，电缆损耗仍然与频率有关，但由于电缆两端均按照其特性阻抗进行端接，因此相比单端口测量，迹线中的纹波更少。虽然在很多情况下无法将电缆两端都连接到 VNA，但是相较于单端口电缆损耗测量，双端口电缆损耗测量总体上还是更受欢迎。