利用群时延技术测试电缆电长度的研究

吴雪华，侯鹏翔

（1.中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛；2.青岛依爱科技有限公司，山东 青岛）

引言

射频同轴电缆组件是通信系统的基础部件，多数情况下用户并不认为它们是通信系统的核心技术部件，忽视电缆的特性对通信系统的影响。不良的射频电缆会导致该通信系统的指标严重恶化甚至整体功能失效，因此必须重视对电缆特性的测量评估[1]。

矢量网络分析仪由激励信号发生器、S 参数测试单元、接收机、校准件和测试电缆组成，具备频域和时域下的测试能力，能够完成复传输和复反射S 参数测量和分析，是电缆S 参数评估的核心测试仪器，可实现电缆组件的传输和反射特性测试，在电缆的电长度评估方面发挥重要作用[2-4]。由于评估电缆的电长度（或者群时延）比较困难，因此，运用矢量网络分析仪实现电长度的测试和评估成为一项重要的测试应用技术。本文研究了应用群时延测量同轴电缆电长度的测试技术,并结合具体的实验进行了分析对比和验证。

1 群时延技术在射频电缆电长度测量中的应用

1.1 群时延技术测量原理

群时延是在一定带宽内，不同频率信号通过射频电缆的实际传输时间，群时延随频率而变化。矢量网络分析仪的群时延测试是通过被测件的传输相位特性对频率求导计算，可以观测到不同频率信号通过电缆的传输时间，实现相位失真的总体观测。计算公式如下：

群时延测量中，相位特性包括线性相移分量和高次相移分量。线性相移分量代表信号的平均传输时间，表明了器件的电长度；高次相移分量代表了时间随频率的变化，是引起信号相位失真的原因。电缆属于线性微波部件，本文所说的电缆电长度，测量的是其平均传输时间[5]。

1.2 群时延孔径设置技术

测量群时延时，仪器先测量两个相邻频率点上的相位，以计算相位斜率。两个相位测量点之间的频率间隔称为孔径。改变孔径可以影响群时延值，因此对群时延数据进行对比测试时，必需明确测量时所用的孔径。

为了实现电缆电长度的精确测量，首先要考虑群时延孔径的设置。矢量网络分析仪默认的群时延孔径为两个相邻扫描点的频率间隔，采用两种方法可改变孔径的大小，一是改变测量点数或频率跨度：增加扫频段内点数或减小频率跨度使孔径变窄；减少点数或增大频率跨度使孔径变宽。二是利用仪器的平滑功能，打开平滑功能，改变平滑设置中取值范围的百分比，这样做的效果与改变扫描点之间的频率间隔类似。

测量孔径的确定如图1 所示。

图1 测量孔径的确定

在电缆的电长度测量时，特别是在物理长度比较长的电缆或通道测量时，保证相邻扫频频段内测量点之间的相位差小于180°是非常重要的，尤其是测量长电缆时，如果设置不当，可能出现欠取样现象，致使相位对频率的微分计算出现错误，从而得到错误的群时延信息。在很多情况下难以判断测试结果是否正确，可以通过以下三种办法进行设置和判断：

（1） 在测量频率、带宽不变的情况下，通过不断增加测量点数来调节和判断，直到测量轨迹不再改变，以确保两个相邻点之间的相位差小于180°，这时测量到的群时延曲线或者数值将基本保持恒定，不再发生大的变化。

（2） 在测量点数设置不变的情况下，通过减小频率跨度，直到测量轨迹不再改变，来确保两个相邻点之间的相位差小于180°，起到有效的延时孔径确定的目的。

（3） 根据电缆物理长度和速率因子进行测试评估计算，确定合适的延时孔径，再根据确定的孔径设置矢量网络分析仪的测量点数和其它设置，以保证群时延测试的参数设置正确。

设置合适的测量孔径后重新设置矢网的测量激励。由于改变点数或者频宽会使得矢量网络分析仪的校准状态失效或者精度降低，必要时需要迭代进行重新校准和测试，从而获得正确的群时延测试数据。

欠采样影响群时延测量的原理如图2 所示。

图2 欠采样影响群时延测量的原理

群时延测量中的主要误差是频响，为了获得精确的测量结果，在确定好延时孔径后，进行直通响应校准能显著减小这个误差。为了获得更高的群时延测试精度，可对矢量网络分析仪进行全双端口校准[6-7]。

1.3 射频电缆电长度测量的方法步骤

（1） 矢量网络分析仪开机预热至整机性能稳定。

（2） 设置测量功率，将激励源功率设定在本机的线性区域（通常至少低于输入1 dB 压缩点10 dB）。

（3） 选择S21 测量，为被测电缆选择设置，包括测量格式、比例和测量点数。

（4） 预评估延时孔径的正确与否，选择合适的点数确保不发生欠采样。

（5） 移去被测件，进行SOLT 校准。

（6） 重新连接被测件, 设置显示格式为群时延，为测量显示设置比例以便进行最佳观察。

（7） 利用仪器的平滑功能来增大孔径，减小迹线上的噪声，同时保持有意义的细节信息，为了增大孔径，可以采取打开分析仪的平滑功能，改变平滑孔径（最大为频率跨度的25%）。利用光标读取关注频率处的群时延，打印或保存数据。

2 电缆电长度测试实验与分析

运用矢量网络分析仪对电缆特别是长电缆进行电长度测试分析时，确定测试参数配置的选择非常重要。如图3 所示，对一卷12 米长的射频电缆（翼波公司LD-S/SRT40AL-12000H）进行电长度测试实验。采用3672B 矢量网络分析仪, 选用20403/ECAL 校准件，为提高校准效率和测试效率,测试频率扫描宽度4～8 GHz；为使仪器接收机工作在最佳线性区，功率设置-5 dBm,校准方法选用电子校准。为了减少噪声的影响，在进行电缆的群时延测量值读取时，可以打开仪器的轨迹统计功能，读取平均值可有效降低噪声对于群时延数据的影响，提高测试精度。

图3 电缆电长度测试实验

（1） 在仪器默认的201 点下，使用电子校准件对测试仪进行校准，然后测量S21, 格式设置为群时延，测试结果电长度为6.19 纳秒（见图4），采用仪器默认的测试点数无法确定测试结果是否正确，无法确定孔径是否合适。

图4 201 点、401 点设置下群时延测试结果

（2） 由于在不知道电缆的长度和速率因子情况下，无法判断测试结果是否正确。增加测量点数设置为401 点，实验结果发现电延时测试结果突变为-43 ns，显然该测试结果不正确。因此，可以判断401点设置孔径的测量结果（见图4）与201 点的测试结果都不正确。

（3） 在频宽保持不变情况下增加仪器的扫描点数为1601 点，重新校准后测试试验电缆，结果为56.2 ns，显然测试结果和以上结果差距较大。把扫描点数改为1701 点，测试结果是56.19 ns，基本保持不变；重新校准仪器，验证801 点的设置是否满足延时孔径对测试结果的是否正确，测量结果是56.2 ns（见图5）。

图5 1601 点、1701 点、801 点设置下群时延测试结果

（4） 利用仪器时域功能对群时延测试结果验证。

利用矢量网络分析仪配备的时域功能选件，对1601 测试点数下电长度测试结果进行验证[8-10]。3672B矢量网络分析仪在测试点数为1601 点情况下（该点数设置可以满足电缆测量时域量程的需要），在校准完成后连接电缆进行测试，然后打开时域功能选项，可使用传输时域法或反射法测量，本文选用传输时域法进行测量，测量结果为56.2 ns（见图6）,和上述群时延测试方法的结果完全一致。由于电缆的实际物理长度已知，可以推断出电缆的速率因子，计算出介电常数。

3 结论

本文介绍了矢量网络分析仪的群时延技术在同轴电缆电长度测量中的应用，重点分析了延时孔径设置对测试结果的影响。测试同轴电缆特别是物理尺寸比较长的电缆时，如何设置孔径并判断测试结果是否正确至关重要。本文通过实验给出了不同测量孔径设置下的测试曲线数据，对如何评估进行了实验分析，并利用时域功能的实验结果进行了验证。掌握了群时延技术测量电缆电长度的方法和技巧，对于其它无源和有源器部件的测试同样具有重要的参考意义。