使用 FieldFox 手持式分析仪执行精密电缆和天线测量的技巧

FieldFox 手持分析仪实现精密电缆和天线现场测量的实用方法

本应用指南探讨了电缆和天线测试中的实际问题，解析了测量结果和仪器操作，本文将FieldFox配置为电缆和天线分析仪，并使用CalReady和QuickCal等校准选件。测量示例显示了在传输系统中插入损耗、回波损耗和故障定位的测量方法。随时随地进行精确测量。

简介

电缆和天线测量通常是对射频与微波传输系统和天线的电气性能进行验证和故障诊断。在射频与微波通信行业，一般使用同轴电缆在发射机与天线和/或天线与接收机之间建立连接，并对其进行测量。这一过程有时被称为线路扫描，信号衰减和回波损耗与频率有关。线路扫描结合了大多数射频与微波信号分析仪(例如FieldFox)中的故障点距离测量(DTF)，可以估算传输线中的故障或损坏位置。传输线性能测试并不局限于同轴电缆。只要在传输线和分析仪的同轴接口之间安装恰当的适配器，也能对使用波导和双绞线电缆的系统进行性能表征。此外，天线测量(采用信号反射或是回波损耗和VSWR的形式)可用来验证安装现场中的天线性能。当现场使用多个天线时，无论天线是否与相同或不同的系统有关联，FieldFox都能对天线间隔离进行验证。

图1是X波段天线的回波损耗测量(上方轨迹)和DTF测量(下方轨迹)，天线连接至3米长的同轴电缆。把天线安装在直立杆的顶部，使用配置CalReady的FieldFox进行测量。回波损耗测量包含两个频率游标，放在特定的工作频段8GHz和12.4GHz上。DTF测量包含一个距离游标，放在天线3.23米的位置。本应用指南探讨了电缆和天线测试的实际问题，解析了测量结果和仪器操作，本文将FieldFox配置为电缆和天线分析仪，并使用CalReady和QuickCal等校准选件。

为什么电缆和天线测试很重要?

在电信系统的安装、操作和维护过程中，已连接的电缆、适配器和天线随着时间的推移会性能下降或受损。众所周知，50%至60%的蜂窝基站问题都是起因于故障电缆、连接器和天线。这些元件发生故障，会导致测试覆盖范围下降，并在蜂窝系统中产生不必要的切换。在任何的通信系统中，如果发现问题，有必要采取适当的流程和仪器来验证电缆和天线的性能。电缆和天线可以安装到各种各样的环境中，包括室内和室外。室外安装可能包括屋顶、塔顶和地下电缆。室内安装可能包括仪器室、办公楼、船、飞机以及特定的汽车应用。对于无线蜂窝系统的户外安装，天线和部分同轴电缆都会暴露在极端的天气条件下，包括雨、雪、冰、风和闪电。

严峻的环境条件会对系统元器件造成物理损害，包括:电缆和连接器之间的防水密封层破损;电缆接头的密封破损;由于天气状况引起隔离层破裂，从而使水分进入电缆和接口。屏蔽安装会使元器件受到误操作、压力、热量、振动、油以及其它可能流入系统中的物质的影响。电缆和连接器之间的任意接口也会发生电缆故障，例如焊点和电缆夹损坏。

在安装时或安装之后，电缆可能出现凹损、压碎或是不恰当的路由。如果最小弯曲半径超出了电缆制造商规定的数值，就可能产生其它的情况。例如，低损耗同轴电缆的最小弯曲半径是1至10英寸，如果电缆的弯曲半径低于技术指标，则会导致电缆损坏，进而降低电气性能。射频与微波传输系统的操作验证和维护—包括同轴电缆、波导和双绞线、天线—要求对插入损耗和回波损耗(与频率有关)进行快速而精确的测量。在现场操作中，重要的一点是要对电缆和连接器的故障与损坏快速进行故障诊断和定位。现代手持式分析仪针对电缆和天线测试(CAT)而配置，FieldFox是一款功能强大的工具，可对整个传输系统以及单个元器件的性能进行表征。本应用指南接下来将会提供一些测量示例，介绍在传输系统中测量插入损耗、回波损耗和故障定位的方法。使用频率范围高达26.5GHz的FieldFoxN991XA分析仪执行测量。

电缆插入损耗测量

传输线或同轴电缆的插入损耗与工作频段有着直接关系。插入损耗，又称为电缆衰减，是指电缆的能量消耗。插入损耗还包含因源和负载间的失配反射而引起的能量损耗。源(发射机)、传输线(同轴电缆)和负载(天线)都是针对相同的特征阻抗Zo而设计，使用同轴电缆时，Zo一般是50或75Ω。如[1]所示，采用空气介质的同轴电缆在75Ω时具有最低插入损耗，在30Ω时具有最高的功率处理能力。有线电视(CATV)行业采用标准化的75Ω电缆，以便在极长的电缆距离中实现信号传输的最大化。另一方面，射频与微波行业大多采用标准化的50Ω阻抗，在最低损耗和最高功率处理能力之间寻找平衡。大部分射频与微波分析仪(FieldFox)都配置了50Ω测试端口阻抗。在测量75Ω电缆和元件时，应当将50Ω至75Ω适配器(例如KeysightN9910X-846)连接至分析仪。

一旦传输线电缆安装到系统中，在验证电缆操作和进行故障诊断时需要移除电缆，这就会变得非常困难且昂贵。对于极长的电缆，同时接入电缆的两端是不可能的，更不必说把电缆连接到测试仪器。在这种情况下，更适合采用支持单端测量电缆插入损耗的技术。图2是使用配有CAT模式的FieldFox测量电缆插入损耗的两种配置。图2a是使用双端口技术测量电缆插入损耗的传统方法。图2b是FieldFox推出的创新型方法，仅需接入电缆的一端即可测量插入损耗。本文将会探讨这两种方法。

在传统的双端口设置中，被测电缆连接至FieldFox两个单独的端口。FieldFox把射频输出端口中的测试信号注入到电缆，输出端口位于分析仪的顶部。当测试信号经过电缆时，一小部分能量被电缆的电阻和介电损耗吸收。电缆连接器的中断、电缆接头破损及其它因素都会把一部分能量发射回源，由此增加了插入损耗。FieldFox会在射频输入端口上测量其余的离开电缆的信号。

输入和输出信号的比值就是电缆的插入损耗，通常用分贝(dB)表示。理想的无耗电缆具有0dB插入损耗。电缆制造商一般会提供一个插入损耗随频率变化的表格。例如，LMR900同轴电缆具有2.2dB插入损耗，长度为100米，在150MHz上测得。在1.5GHz上，同样的电缆可能具有7.4dB的插入损耗。熟悉矢量网络分析仪(VNA)的用户会把插入损耗测量结果视为S21传输离散参数(S参数)的绝对值。

校准能够消除设备、适配器、跳线电缆的插入损耗效应 ( 与频率有直接关系 )。本应用指南稍后会介绍FieldFox 的校准，以执行单端口和双端口测量。图 3 是使用双端口技术在30 kHz 至 18 GHz 范围内对同轴电缆进行插入损耗测量。图中还显示了使用单端口技术对电缆进行插入损耗测量。如前所述，当电缆安装到系统中时，很难将 FieldFox 连接到极长电缆的连段，而不使用等长的跳线电缆。

FieldFox 提供便利的方法，只需连接被测电缆的一端即可测量插入损耗。设备无需采用极长的、高质量的测试电缆。图 2b 显示了使用单端口配置测量电缆插入损耗，通过将电缆的一端连接到 FieldFox，另一端打开或者短路。更适合在微波频率上使用短路，以消除开放式电缆中的边缘磁场 ( 可能导致测量结果发生变化 )。与之前相同，FieldFox 把射频输出端口中的测试信号注入到电缆。测试信号经过电缆，并由开路端 ( 或短路端 ) 完全反射，再次经过电缆，最终使用相同的端口进行测量。FieldFox 内置了经过工厂校准的“反射计”[1]，以测量射频输出端口中的反射信号。内部校准CalReady 是在仪器启用和预置时提供。本应用指南稍后会介绍。

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