圖1. 測試設備(DUT)典型框圖

 

 

圖2所示典型同軸電纜主要有兩種損耗：趨膚效應損耗和介電損耗。

 

圖2. 典型同軸電纜

 

 

高頻信號沿著導體內側的表麵傳輸(圖2所示)，這種現象即為所謂的趨膚效應損耗。趨膚深度(δ)定義為：

 

 

式中，ω為頻率，單位為rad/s；µ為導體的導磁率

，單位為H/m

；ρ為導體的電阻係數
，單位為歐姆•米。趨膚效應使導線每單位長度的電阻Rl和電感Ll隨頻率的平方根而成比例增長。單位長度電阻的計算公式為：

 

 

w為導線寬度。對於半徑為r的圓形電纜，其寬度為2πr。返回路徑的電阻也需要考慮，由於該阻抗通常遠小於正向路徑的電阻
，可以忽略。

 

 

圖2中，電介質絕緣體同樣會產生與頻率相關的電纜損耗。介電常數(ε)定義為：

 

 

其中
，ε''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''為介電常數的實數部分
；tanδ代表虛數，或損耗正切值，它是電介質損耗因數。因為電介質絕緣體會影響電纜的電容，單位長度電纜的等效電容將從(Cl)變為Cl(1 + jtanδ)。

 

 

考慮到趨膚效應損耗和介電損耗，單位電纜的理想模型可簡化為圖3所示，包含上述損耗。

 

圖3. 簡化電纜模型

 

圖3中，我們定義傳輸係數為jk = √ZK，Z為分布串聯電阻，Y為分布並聯導納。這種情況下：

 

 

使用泰勒級數展開後可以得到近似的簡化方程式

，如下所示：

 

 

ZO為傳輸線特征阻抗
，εr是相對介電常數，c為光速。

 

我們最終需要的是電纜增益，H(f) = e-jkl，其中l為電纜長度。使用上式
，可以得到：

 

 

其中：

 

 

並且

 

 

通過以上計算，可以得到下麵簡單結論：

 

 

實際電纜的H(f)與上述近似公式稍有區別。對於自動測試設備
，該近似公式能夠提供足夠的精度，這些應用中的電纜衰減最大為增加到6dB。

 

圖4. 電纜趨膚效應損耗(內層導體)、介電損耗以及返回路徑(外層導體)損耗的典型特性曲線

 

圖4給出了典型同軸電纜中各種損耗的基本特性曲線。該同軸電纜內部是特征阻抗為50Ω銅線，外層是辮狀金屬導體。每類電纜損耗的特性不同，但變化趨勢與圖4一致。

 

 

本應用筆記的目的不是提供一套嚴格的數學方法計算電纜損耗—這些內容可以從教科書中得到。所推到的方程用於證明圖4所示特性曲線。從上述分析可以得到以下幾個結論：

 

 

a. 趨膚效應損耗
，對於低頻信號起主要作用。

 

b. 介電損耗
，對於高頻信號起主要作用。

 

c. 返回路徑損耗較小，多數情況下可以忽略。

 

d. 連接器
、繼電器以及其它輸出節點或DUT連線的損耗。

 

 

圖5給出了各種典型電纜的損耗特性曲線，表1對一些電纜的成本和損耗進行了對比。

 

圖5. 不同電纜的損耗

 

表1. 柔性同軸電纜的每英尺價格，出自同一製造商

 

 

 

 

對於運行在200Mbps範圍的測試設備

，電纜損耗的影響不大。而當速率超過500Mbps時，需要對整個信號路徑、電路、電纜以及引腳的性能進行仔細分析，以保證每個引腳得到正確的測量指標。以下列舉了測試設備的重要指標：

 

 

電纜的選擇會直接影響上述指標。提高觸發率，不考慮電纜驅動器的帶寬，電纜損耗將成為製約測試設備性能的主要因素。從圖6、圖7可以明顯看出這一問題。

 

圖6. 短電纜/高質量電纜的階躍響應

 

圖7. 長電纜/劣質電纜的階躍響應

 

大多數工程師已經了解圖6、圖7所示階躍響應結果
，但仍需關注以下事項：

 

 

 

高(gao)速(su)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)纜(lan)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)，最(zui)終(zhong)製(zhi)約(yue)係(xi)統(tong)指(zhi)標(biao)。由(you)於(yu)不(bu)同(tong)電(dian)纜(lan)的(de)價(jia)格(ge)差(cha)異(yi)較(jiao)大(da)，高(gao)速(su)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)大(da)多(duo)選(xuan)用(yong)損(sun)耗(hao)較(jiao)大(da)的(de)劣(lie)質(zhi)電(dian)纜(lan)。當(dang)速(su)率(lv)接(jie)近(jin)或(huo)超(chao)過(guo)1Gbps時，設計人員必須考慮電纜損耗。使用寬帶驅動器也無法補償電纜的損耗，因此

，電纜成為限製係統性能的關鍵因素。

 

為了充分利用帶寬大於1Gbps的測試設備的性能，必須解決電纜損耗問題。值得慶幸的是，目前已經能夠獲得解決電纜補償問題的有效方案。