射频电缆的幅相稳定性测试研究

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

相位、幅度稳定性是衡量电缆性能的重要指标参数。随着通信技术的不断发展，对于使用大规模阵列天线的5G NR 设备、相控阵雷达设备等民生基建、国防类项目，都对稳幅稳相电缆有较高的要求。尤其在阵列天线设备中，要求连接电缆有较高的相位一致性，而且还有衰减低，驻波比不因温度的变化而变化等要求。例如，雷达系统在探测目标时，通过接收到发射出去并返回系统的信号时间来确定目标的方位，但如果一个雷达系统的不同T/R 单元（发射接收单元）的同轴电缆组件的电长度不同，将会由于在电缆组件中的传输的时间不一致而导致整个雷达系统的定位精度出现问题。正所谓失之毫厘，差之千里。

1 电缆幅相稳定性简介

在日常射频测试中，为确保精确、可重复的测量，所使用测试电缆的稳定性是需要考虑的重要因素。稳幅稳相电缆具有以下几个特点：随着温度的变化能够确保良好的相位跟踪，可以降低剩余误差和不确定度；改善天线增益，提高系统性能和精度；提供更好的误码率，增加有效覆盖范围；延长校准间的时间长度和最小化校准间的漂移。但是，在大多数的测试环境当中，测试电缆在正常使用过程中会经受很频繁的弯折，将会导致相位、幅度和其他性能参数发生意想不到的变化。如图1和图2所示，不同类型电缆在长期折弯情况下的幅度和相位稳定性的变化曲线。

图1 幅度变化曲线

图2 相位变化曲线

对于不同类型的测试电缆，微小的弯折也能够很明显的降低测量准确性和测量精度[1]。因此，测试前首先要选择合适的测试电缆，考虑电缆弯折对测量电缆的相位、幅度性能产生的影响是择取电缆的至关重要的因素，最终才能保证测量的准确性。

2 相位和幅度变化的因素

在一般情况下，相位是由电缆的物理长度、电缆弯折半径和电缆组件技术影响的。以度为单位的射频线的电长度公式为：

式中，f代表以Hz 为单位的频率；L代表以米为单位的物理长度；εr代表所使用电缆材料的介电常数；c代表光速；λ代表波长。

线缆通常被设计为在很宽的频率范围内工作和减小衰减（损耗）。电长度越长，损耗就越大。由于电长度（或损耗）对εr的平方根成正比，所以大多数射频线缆由低介电常数的材料制作的，通常是PTFE（聚四氟乙烯），这种材料具有非常稳定的温度特性，尤其在高温条件下，具有非常良好的相位稳定性。然而在某些情况下也会运用到二氧化硅材料制作，但PTFE 在日常使用中更加常见，因为它更容易受到外力弯折不容易损坏，有良好的柔韧性。而二氧化硅材质的电缆，只适用于半钢性组件。该种电缆在弯折中很容易损坏外管壁，导致外壁中的波纹影响电缆组件的电性能。其实射频同轴电缆大致可分为半钢和半柔电缆、物理发泡电缆和柔性编织电缆等几大类，根据不同的应用场合选择使用不同类型的电缆。半钢和半柔电缆一般适用于设备的互联，发泡电缆常用于基站天馈系统，在测量领域则应采用柔性电缆。

当然，柔韧的PTFE 结构的一个缺点是，由于弯折可能对相位产生变化（和其他性能的变化），根据不同的弯折半径会对相位产生不同的变化，随着电缆弯折半径的减少，相位和幅度变化就越大，并且弯折电缆在弯折点改变物理长度，它还可能使收缩和放松中心导体周围的介电层、屏蔽层和编织层，也能够影响电长度和导致相位和幅度变化。如图3所示。

图3 电缆结构图

3 相位和幅度稳定性的测量方法

射频电缆的相位和幅度差损是我们在日常测试中是非常关心的指标，相位和幅度差损测试都可以使用一台VNA[2]（矢量网络分析仪）分别进行S11和S21的测试来获得。在测试过程中，可以有意对电缆进行弯折验证，来鉴定弯折时电缆稳定性。接下来将通过电缆连接到VNA 测试端口，并将电缆弯折成指定的半径来扫描频率相位曲线，显示相应的相位变化。当然，有许多配置可以帮助到我们去测量相位稳定性，并且测量可靠性取决于所使用的测试方法的鲁棒性[3]。

3.1 十字弓/双端口测试法[4]

图4所示的双端口测量法测试电缆相位的解决方案，通常也被称为十字弓夹具测试法，该测试法是通过十字弓夹具将测试电缆进行固定，用两个可调臂支撑测试电缆连接到VNA的端口1和端口2。将测试电缆缠绕在4 in（1 in=2.54 cm）芯轴上，沿着可调臂上的比例尺进行滑动，形成特定弯折半径，测量S11的相位。以下操作图片分别是在十字弓设备上用于测量电缆在10 in、3.25 in、2.4 in 弯折半径时的性能与弯折实景[5]。

图4 十字弓/双端口测试连接图

然而，使用十字弓的测试方法收集的测试电缆数据可能会出现以下几种问题：由于测试电缆可能存在多个径向（沿直径或半径的直线方向，或垂直于轴的直线方向）弯折：两个在一个方向上，并且一个在相反的方向上，所以会出现抛物线型的相位曲线，如图5所示，该图说明了测试电缆的相位变化的抛物线关系，偏离了预期的性能[6]。因为相位变化与频率基本上呈线性关系，所以本次测试的测试数据可以判定为是不可用的。

图5 相位变化的抛物线关系图

3.2 单端口测试法

单端口测试法是测试相位时比较推荐使用的测试方法，测试步骤如图6所示。

图6 单端口测试法

首先，在VNA 上进行单端口校准，将被测线缆连接到VNA 接口处，另外一端用Short Terminal 进行端接，然后将测试电缆自然拉直，在VNA 上进行归一。其次，将线缆沿一个方向在指定半径的芯轴缠绕一整圈（360°），通过VNA 扫描频率进行测量。拉直线缆，并在VNA 上再次归一。最后是将测试电缆围绕相反方向在指定半径的芯轴缠绕一整圈进行测量。该种测试方法收集到的电缆数据能够显示出相位变化与弯折之间呈线性关系，达到了预期效果，并且该测量结果是有效可用的，这种测试方法避免了线缆额外的弯折影响以及其他可能使测量失真的因素。

4 相位稳定性的测量结果

以下根据四种电缆进行了测试研究。图7中根据电缆外观类型分别标记为蓝色粗、蓝色细、绿色、银色，采用上述单端口测试法，具体测试步骤如下：

图7 电缆外观类型

步骤一：通过校准器件校准VNA 端口1。

步骤二：分别测量四种电缆拉直状态下的S11-phase（short 端接）状态。如图8所示。

图8 电缆拉直状态

步骤三：将测试电缆以一定的弯折半径（大约5cm左右）分别沿左右两个方向弯折360°，并测量S11-phase（short 端接）状态。如图9所示。

步骤四：在VNA 内将步骤二和步骤三的数值导出，将两个数值取差并除以2，最后得出相位稳定度的测量曲线图，使用纵轴S11的相位度数值随横轴的频率Hz的变化进行了数据对比。如图10所示。

图9 电缆弯折360°状态

图10 相位稳定性测量曲线图

从图10可以清晰地看出蓝色粗线的相位稳定度最好，蓝色细线次之（1.8 GHz 部分有一个坏值）。此两款测试电缆均大体呈线性变化，符合相位线性变化的特征。但是绿线随着频率的变化呈现出较大的非线性变化。银色电缆在1-3 GHz 处在弯折后有接近70°的相位变化。

5 幅度稳定性测量结果

也许RF 电缆的相位稳定度在某些测量中还不是那么的举足轻重，但幅度差损，可是每时每刻都要面对的。对上面的四根测试电缆继续做了幅度稳定性的测量，具体操作步骤如下：

步骤一：首先通过使用VNA 连接端口一和端口二测量基准电缆，校准S21的Transmission 的校准链路并进行归一化。

步骤二：分别将四种测试线缆在拉直状态下测量S21的Log-Mag 状态，连接到基准线缆和VNA 的端口二。如图11所示。

图11 幅度测量连接图

步骤三：将测量电缆仍按图9以一定的弯折半径（大约5 cm 左右）分别沿左右两个方向弯折360°，并分别测量S21的Log-Mag 状态。

步骤四：在VNA 内将步骤二和步骤三的数值导出，最后画出幅度稳定度的测量曲线图。

使用纵轴S21的dB 值随横轴的频率Hz 的变化进行了数据对比。如图12所示。

图12 幅度稳定性曲线图

表1 电缆幅度相位稳定性总结

从图12可以看出，蓝色粗电缆的幅度稳定性较好，在0.4 dB 以内；蓝色细电缆在5.1 GHz 处幅度稳定性较差，其余频率良好，绿色电缆1.4 GHz 处幅度稳定性较差，银色电缆在1-3 GHz 处幅度稳定性很差，其余频率很好。表1对四种电缆类型的幅度和相位稳定性测试做了总结。

6 结束语

好的电缆即便使用很长时间，弯折1万次，损耗和相位的稳定性也不会出现明显变化，而差的电缆仅仅使用一年或弯折100次、300次，就会出现较出厂状态极大的变化。而且通过以上对电缆的相位和幅度的测量，越是高频变化就越是明显，说明了在日常的测试过程当中，尽量不要在弯折的情况下使用电缆，降低对测试结果的不良影响。