頻譜分析系列：如何準確測試75 Ohm系統(tǒng)的信號

頻譜分析系列：如何準確測試75Ohm系統(tǒng)的信號？射頻同軸線纜特征阻抗的選擇，主要取決于功率容量、衰減強度、可加工性等因素，然而最大功率容量和最小衰減性能對應(yīng)的特征阻抗是不同的。在射頻領(lǐng)域通常采用50Ohm特征阻抗的原因，就是綜合考慮了以上因素。也就是說，50Ohm特征阻抗對應(yīng)的功率容量和衰減性能都不是最佳的。單論衰減性能，75Ohm特征阻抗要比50Ohm低不少，但是其應(yīng)用領(lǐng)域比較專一，主要應(yīng)用于廣播、電視信號的信號傳輸。本文就跟大家聊一聊75Ohm系統(tǒng)下的信號測試，對于這種信號的測試，如果頻譜儀支持75Ohm系統(tǒng)阻抗，可以直接進行測試。但是，絕大多數(shù)通用頻譜儀只有50Ohm系統(tǒng)阻抗，如何進行準確的測試呢？如果頻譜儀僅支持50Ohm系統(tǒng)阻抗，直接測試諸如廣播、電視信號，那么測試的信號電平必然由于阻抗失配而存在較大的誤差。為了提高電平測試精度，必須要引入阻抗匹配電路。直接串接25Ohm的電阻能否改善電平測試精度？當(dāng)然，此處認為電阻可以覆蓋工作頻率范圍。如圖1(a)所示，當(dāng)串接一個25Ohm電阻時，在參考面Ref.1處，阻抗是匹配的，而在參考面Ref.2處，阻抗嚴重失配，回波損耗達到-9.5dB。相比之下，不使用任何匹配，直接將源連接于頻譜儀測試時，測試參考面處的回波損耗約-14dB?？梢?，直接串接25Ohm的電阻，反而不如直接連接測試的情況好。這種局部匹配的方式并不能有效改善測試精度。(a)通過25Ohm電阻實現(xiàn)阻抗匹配(b)通過一個匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)真正的阻抗匹配圖1.75Ohm系統(tǒng)的測試需要阻抗匹配以提高電平測試精度真正的阻抗匹配應(yīng)該像圖1(b)所示，無論是從哪個參考面看，阻抗都是匹配的，此時便可以實現(xiàn)高精度的電平測試。如何設(shè)計這種匹配電路呢？匹配電路的設(shè)計有哪些考慮因素？對于匹配電路的設(shè)計，需要從如下三個方面著手考慮：(1)匹配電路的帶寬是否足夠，是否具有平坦的幅頻響應(yīng)；(2)匹配電路的損耗能否盡可能低，這對于弱信號的測試尤為重要；(3)是否可以實現(xiàn)完全匹配，只有完全匹配才可以實現(xiàn)高精度電平測試。廣播、電視通常工作在VHF、UHF頻段，可以通過采用電感、電容構(gòu)成“L型”匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)50Ohm與75Ohm阻抗的變換，而且這種電抗性匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗非常低，但是其帶寬較窄，而且幅頻響應(yīng)平坦度不是很好，除非采用高階匹配電路，然而這又增加了匹配電路的設(shè)計難度和損耗。有沒有更合適的匹配電路設(shè)計方法呢？答案是肯定的，通過采用高頻電阻設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，不僅可以實現(xiàn)完全匹配，而且具有平坦的寬帶幅頻響應(yīng)，但缺點也是很明顯的——損耗大。對于這種匹配電路，可以將其理解為一個具有阻抗變換作用的衰減器，目前市面上的這種50-to-75Ohm阻抗變換器基本都是采用這種設(shè)計方式。損耗最小的電阻匹配網(wǎng)絡(luò)——MLP采用高頻電阻設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)是很有講究的，電阻畢竟會損耗信號，匹配網(wǎng)絡(luò)中電阻太少起不到阻抗匹配的作用，電阻太多了損耗太大，會降低系統(tǒng)測試靈敏度。其實存在一種最低損耗的匹配網(wǎng)絡(luò)，通過兩個電阻即可實現(xiàn)，通常稱之為MinimumLossPAD(MLP)。下面就介紹一下這種電阻匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，以及如何選擇電阻的阻值。圖2.由電阻構(gòu)建的MinimumLossPADMLP阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)比較簡單，就是由兩個電阻構(gòu)建的“L型”網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，如果要在左、右兩個參考面處得到期望的阻抗，兩個電阻值應(yīng)該如何選取呢？電阻值的確定需要根據(jù)歐姆定律計算，就是串并聯(lián)阻抗的計算過程，具體推導(dǎo)過程不再詳述，這里只給出結(jié)論?？紤]

Z1

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的情況，則為了實現(xiàn)兩個參考面處的阻抗匹配，需要的R1和R2分別為如何確定MLP的衰減度呢？MLP衰減度的確定依然需要根據(jù)歐姆定律，結(jié)合圖3所示的等效電路圖，便可以確定輸入、輸出電壓之間的關(guān)系，繼而確定輸入、輸出功率之間的關(guān)系。經(jīng)過一番推導(dǎo)，輸入、輸出功率之間的關(guān)系如下這意味著MLP阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的衰減度為圖3.引入MinimumLossPAD后的等效電路圖對于50-to-75Ohm的阻抗變換設(shè)計，根據(jù)如上公式，可以確定電阻R1和R2分別為R1=43.3Ω

R2=86.6Ω對應(yīng)的損耗為-5.72dB。實際使用頻譜儀測試時，可以直接將此損耗值寫入頻譜儀，以對測試的電平值自動進行補償。值得一提的是，采用三個或更多個電阻同樣可以實現(xiàn)阻抗變換，只是這種更高階的電路意味著更大的損耗。而一個電阻無法實現(xiàn)阻抗變換，因此圖2所示的這種網(wǎng)絡(luò)是起到阻抗變換的最小衰減網(wǎng)絡(luò)，這也是稱之為MinimumLossPAD的原因。另外，選擇電阻時也要注意電阻的頻率范圍，必須要能夠覆蓋所要測試的信號頻率范圍，否則設(shè)計的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將達不到預(yù)期的效果。75Ohm系統(tǒng)的接口是什么樣的？與50Ohm系統(tǒng)的接口兼容嗎？測試中常用的BNC、N、SMB、SMC等接口都有50Ohm和75Ohm特征阻抗之分，在廣播、電視領(lǐng)域，應(yīng)用更多的是75Ohm特征阻抗的N型接口。對于同軸連接器及線纜，特征阻抗取決于內(nèi)外導(dǎo)體的半徑之比。75Ohm的N型接口和50Ohm的N型接口，兩者的外導(dǎo)體尺寸相同，而特征阻抗越高則內(nèi)導(dǎo)體越細，兩種接口如圖4所示。因此，75Ohm的陽頭可以與50Ohm的陰頭相連接，而75Ohm的陰