L'impedenza caratteristica è un parametro elettrico molto importante quando si progettano e si selezionano cavi RF coassiali. Questo articolo presenta diversi metodi di misurazione dell'impedenza caratteristica comunemente utilizzati nella produzione dal punto di vista delle applicazioni ingegneristiche.
I cavi RF coassiali sono ampiamente utilizzati come linee di trasmissione nei sistemi di comunicazione. L'impedenza caratteristica è il primo parametro elettrico da considerare durante la progettazione e la selezione dei cavi RF coassiali. La massima trasmissione di potenza e la minima riflessione del segnale dipendono dall'impedenza caratteristica del cavo e dal suo adattamento con gli altri componenti del sistema. Nelle applicazioni pratiche, lo stato di funzionamento della linea di trasmissione può essere convenientemente analizzato in base all'impedenza caratteristica del cavo, quindi è fondamentale misurarne accuratamente il valore.
I. Definizione di impedenza caratteristica
Quando le onde elettromagnetiche si propagano in un cavo, di solito ci sono onde incidenti che si propagano in avanti e onde riflesse che si propagano all'indietro, e le onde incidenti e le onde riflesse si sovrappongono per formare onde stazionarie. Il rapporto tra la tensione totale e la corrente totale in qualsiasi punto della linea di trasmissione è definito come l'impedenza di ingresso di quel punto rivolto verso l'estremità del carico. In generale l'impedenza di ingresso della linea di trasmissione è correlata non solo alla lunghezza della linea ma anche alla frequenza. Tuttavia, quando la linea di trasmissione è infinitamente lunga, ci sono solo onde che si propagano in avanti (onde viaggianti) sulla linea di trasmissione. In questo momento, l'impedenza di ingresso in qualsiasi punto della linea di trasmissione è indipendente dalla lunghezza della linea ed è uguale ad un valore costante Zc, chiamato impedenza caratteristica della linea di trasmissione.
Inoltre, quando l'estremità della linea di trasmissione è collegata ad un carico resistivo puro costante, anche l'impedenza di ingresso in qualsiasi punto della linea di trasmissione è uguale ovunque e indipendentemente dalla lunghezza della linea. Questo valore di resistenza costante è l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. L'impedenza caratteristica Zc del cavo coassiale RF dipende solo dal diametro dei conduttori interno ed esterno della linea di trasmissione e dalla costante dielettrica equivalente del mezzo di riempimento tra loro, ed è indipendente dalla lunghezza della linea.
II. Metodi di misurazione dell'impedenza caratteristica
L'impedenza caratteristica dei cavi RF coassiali può essere misurata con metodi nel dominio della frequenza o nel dominio del tempo. Il metodo nel dominio della frequenza utilizza generalmente un analizzatore di rete vettoriale per testare le prestazioni del cavo. Poiché l'analizzatore di rete vettoriale utilizza filtri passa-banda e filtri digitali, ha un rumore di fondo molto basso, quindi può misurare con precisione l'impedenza caratteristica del cavo. A seconda delle diverse direzioni di trasmissione del segnale di prova, il metodo nel dominio della frequenza può essere suddiviso in misurazione della trasmissione e misurazione della riflessione. Tra i metodi di misurazione attualmente comunemente utilizzati per l'impedenza caratteristica dei cavi RF coassiali, il metodo della fase di trasmissione, il metodo della differenza di fase di trasmissione e il metodo della risonanza a circuito aperto o di cortocircuito appartengono alla misurazione della trasmissione nel metodo del dominio della frequenza, mentre il metodo singolo più recente Il metodo di misurazione del connettore appartiene alla misurazione della riflessione nel metodo del dominio della frequenza.
Metodo della fase di trasmissione Il principio di misurazione del metodo della fase di trasmissione si basa sul rapporto tra l'impedenza caratteristica Zc della linea di trasmissione e la fase, la frequenza e la capacità totale del cavo:
Z=2πfC×10
(1) dove ϕ è la fase di trasmissione assoluta del campione di cavo in prova; f è la frequenza di prova, in MHz; C è la capacità totale del cavo, in pF. Finché vengono misurate la capacità totale del campione di cavo e la sua fase assoluta in un determinato punto di frequenza, l'impedenza caratteristica del cavo può essere calcolata secondo la formula sopra.
Metodo della differenza di fase di trasmissione Il principio di misurazione del metodo della differenza di fase di trasmissione si basa sul rapporto tra l'impedenza caratteristica Zc della linea di trasmissione e la velocità di trasmissione di fase VP:
Z=C1
(2) dove C è la capacità per unità di lunghezza del cavo. Il cambiamento di fase dell'onda che si propaga nella linea di trasmissione è 2π, e il rapporto tra la velocità di trasmissione di fase VP e la differenza di frequenza Δf corrispondente al cambiamento di fase di 2π è VP=Δf1, quindi
Z=ΔfC10
(3) Finché vengono misurate la differenza di frequenza e la capacità totale del cavo, l'impedenza caratteristica del cavo può essere calcolata secondo la formula sopra.
Metodo di risonanza del circuito aperto o del cortocircuito Quando un'estremità del cavo è aperta o cortocircuitata, la variazione di frequenza causerà variazioni periodiche nell'impedenza di ingresso del cavo, che si manifestano come variazioni periodiche nella lettura del rilevatore. La differenza tra due risonanze parallele adiacenti o risonanze in serie (cioè due valori massimi o minimi adiacenti) è mezza lunghezza d'onda, cioè una differenza di fase di π. A condizione che venga misurata la differenza di frequenza Δf′ (in MHz) tra due valori massimi (o minimi) adiacenti sul campione di cavo e la capacità totale C del cavo campione (in pF) venga misurata secondo lo standard GB 4098. 2-1983, l'impedenza caratteristica del cavo può essere calcolata secondo la seguente formula:
Z=Δf′C2π
(4) Metodo del connettore singolo Quando il terminale del cavo è collegato al carico, il rapporto tra l'impedenza di ingresso Zin del cavo, l'impedenza caratteristica Zc del cavo in prova e il coefficiente di riflessione T è:
Zin=Zc(1+T)/(1−T)
(5) Quando si utilizza un analizzatore di rete vettoriale per i test di riflessione, il rapporto delle onde stazionarie di tensione del gruppo cavo coassiale RF può essere misurato tramite i parametri S11 o S22. Il coefficiente di riflessione T riflette il grado di disadattamento tra l'impedenza di ingresso del cavo in prova e l'impedenza nominale Z0 del sistema. Ha la seguente relazione con l'impedenza di ingresso Zin del cavo e l'impedenza nominale Z0 (50Ω o 75Ω) del sistema di prova:
Z0=Zin(1+T)/(1−T)
(6) Dalla formula precedente, purché misuriamo il coefficiente di riflessione T, possiamo calcolare l'impedenza di ingresso Zin del cavo. Poiché il coefficiente di riflessione T è un vettore e i dati attualmente misurati sono un rapporto scalare di onde stazionarie di tensione e il coefficiente di riflessione T può ottenere solo l'impedenza di ingresso, non l'impedenza caratteristica, deve essere misurato misurando il rapporto di onde stazionarie di tensione di un singolo connettore RF per ottenere l'impedenza caratteristica del cavo. Il rapporto di onde stazionarie di tensione misurato del gruppo di cavi è la sovrapposizione dei rapporti di onde stazionarie di due connettori e una sezione di cavo, che include l'irregolarità del cavo, la deviazione di impedenza e la discontinuità e la deviazione di impedenza del connettore.
Il rapporto d'onda stazionaria della tensione del connettore RF è causato principalmente dall'impedenza irregolare all'interno del connettore e dalla deviazione dall'impedenza caratteristica del cavo. Poiché l'impedenza caratteristica del connettore RF è facile da controllare (come (50±0,5) Ψ), l'impedenza irregolare al suo interno, compreso il rapporto delle onde stazionarie causato dalla capacità discontinua generata dalla mutazione delle dimensioni, è molto piccolo e a basse frequenze (come 200 MHz) al di sotto della sezione, il rapporto delle onde stazionarie del connettore è generalmente solo di circa 1,005, molto più piccolo del rapporto delle onde stazionarie della tensione del cavo assemblato, quindi il rapporto delle onde stazionarie della tensione di il connettore può essere ignorato, ma non può essere ignorata la riflessione causata dall'impedenza irregolare all'interno del cavo misurato. Durante il test, questa parte dell'impatto dovrebbe essere eliminata, in modo che la principale fonte di riflessione in un singolo connettore provenga dalla deviazione dell'impedenza del cavo dall'impedenza standard, e infine l'impedenza caratteristica del cavo misurato possa essere ottenuta direttamente mediante misurazione del rapporto d'onda stazionaria della tensione di un singolo connettore.
Nella banda RF, l'impedenza caratteristica del cavo RF è indipendente dalla frequenza, quindi è necessario misurarla solo a qualsiasi frequenza all'interno dell'intervallo di frequenza 30-200MHz specificato dallo standard nazionale GB 4098.3 "Metodo di misurazione delle caratteristiche Impedenza dei cavi RF" utilizzando il metodo della fase di trasmissione. Poiché l'errore del metodo della differenza di fase di trasmissione è relativamente ampio, è meglio utilizzarlo con cautela. Il metodo del connettore singolo è semplice da utilizzare, i dati misurati sono accurati ed è direttamente collegato al rapporto delle onde stazionarie della tensione, ha una forte praticità, è un buon metodo comodo e pratico per misurare l'impedenza caratteristica dei cavi RF ed è consigliato ad uso preferenziale.
[Fonte: fibra ottica e cavo e relativa tecnologia applicativa]