常见高频参数不良解析

目前线缆的主要电气性能测试项目
序号 | 常用讯号传输名称 | 简称 | 全称对照表 |
1 | 回路損失 | RL | Return Loss |
2 | 衰 減 | IL(ATT) | Insertion loss(Attenuation) |
3 | 特性阻抗 | Z0 | Differential impedance |
4 | 传输延迟 | Delay | Propagation Delay |
5 | 延迟偏离 | Skew | Delay Skew |
6 | 近端串扰 | Next | Next Nearend crosstalk |
7 | 远端串扰 | Fext | Far end crosstalk |
8 | 近端串扰衰减比 | Acr | Attenuation-to-Crosstalk Ratio |
9 | 上升时间 | Rise time | Rise time |
10 | 单端转共模测试 | SCD21 | NA SCD21 Diff To Comm Convert |
11 | 近端的连接器阻抗 | TDR Connector IMPZ | TDR Connector IMPZ |
12 | 远端的连接器阻抗 | TDR FE Connector IMPZ | TDR FE Connector IMPZ |
13 | 对内延迟差异 | TDR IntraPairSkew | TDR IntraPairSkew |
14 | 远端串音 | TDT NEXT B | TDT NEXT B |
目前常规线缆的电气性能测试项目
序号 | 测试项目 | 测试项目对应中文名称 |
1 | USB3.0 Cable Impedance summary result | USB3.0线对特性阻抗 |
2 |
USB3.0 Mated Connectors Impedance(B-4-4 )summary result |
USB3.0线对的连接头Connecter阻抗 |
3 |
USB3.0 Mated Connectors Impedance(B-4-4 )summary result(Reverse) |
USB3.0线对的连接头Connecter阻抗(Reverse) |
4 | USB2.0 Cable Impedance summary result | USB2.0线对特性阻抗 |
5 | USB2.0 High Speed Delay summary result | USB2.0线对延迟 |
6 | USB2.0 High Speed Delay Skew summary result | USB2.0线对延迟差异 |
7 | USB3.0 NEXT-SS Pairs summary result | USB3.0线对之间的近端串音 |
8 | USB3.0 NEXT-USB2.0 and SS Pairs summary result | USB3.0与USB2.0线对之间的近端串音 |
9 | USB3.0 FEXT-USB2.0 and SS Pairs summary result | USB3.0与USB2.0线对之间的远端串音 |
10 | USB3.0 NA Insertion Loss summary result | 3.0线对插入损耗 |
11 | USB3.0 NA Differential to Common Conversion | 差分转共模 |
12 | USB2.0 NA Insertion Loss summary result | USB2.0线对插入损耗 |
S11 表示在port 1 的反射损耗(return loss),值越接近0 越好(越低越好,一般-25~-40dB),表示传输路径中反射(reflection)越小,也称为输入反射系数(Input Reflection Coefficient),如S11为-25dB,则算出来的Vreflection约为输入信号的6.3%,如S11为-10dB,则Vreflection约为输入信号的30%.

S21 表示信号从port 1 传递到port 2 过程中的插入损耗(insertion loss),值越接近1 越好(0dB),表示传递过程损失(loss)越小,S21=-3dB意味着,约70%的输入信号传递到了输出端.
我们经常用到的单根传输线,或一个过孔,就可以等效成一个二端口网络,一端接输入信号,另一端接输出信号,如果以Port1作为信号的输入端口, Port2作为信号的输出端口,那么S11表示的就是回波损耗,即有多少能量被反射回源端(Port1),这个值越小越好,一般建议S11< 0.1,即-20dB;S21表示插入损耗,也就是有多少能量被传输到目的端(Port2)了,这个值越大越好,理想值是1,即0dB,S21越大传输的效率越高,一般建议S21>0.7,即-3dB。
S11和S21是最常使用的两个参数,除此之外,还有S22和S12,定义如下:

S22是从port2看过去的return loss,跟S11意思一样,只是换了端口,S12表示从Port2看过去的insertion loss,跟S21相等.
写到这,似乎已经差不多了,然而还有我们不常提及的S31,S41.
S31和S41表示的是,两条传输线发生串扰时的反射系数.
S31表示近端串扰(NEXT,near end cross talk),S41表示远端串扰(FEXT, far end cross talk)。

串音的产生原理
S31和S41之所以不常被提及,主要是因为通常单端信号之间,要求尽量减小串扰,在符合设计规范的板子上,S31和S41对于信号质量影响不大,而对于差分信号,则又有差分信号的S参数来描述,把1,3两个端口,看做是差分port1,把2,4两个端口,看做是差分port2.

串音的产生原理
SDD,表示差分模式的输入(Stimulus)和反馈(Response)之间的关系.
SCC,表示共模模式的输入和反馈之间的关系.
SCD,表示差分讯号和共模输出的反馈之间的关系.
SDC,表示共模讯号和差分输出之间的响应关系.

如上图所示,SDD11的意思是,差分激励在差分端口port1处的差分信号reflection loss。
SDC21的意思是,差分激励在差分端口port1处看到的共模信号的inserssion loss.
传统的网络分析仪最多只能有4个端口,所以测试得到的S参数也只能是4端口的,也就是最多一次只能测试一对差分对(不过现在有多端口网络分析仪PXI可以解决多端口网络的测试),对于高速电路仿真而言,如果需要考虑传输线之间的串扰,传统网络分析仪测试得到的S参数就不能直接使用,但是可以通过工具进一步的合成处理,这样就能考虑到串扰的影响啦,但是在实际测量中,如果手头的ENA网络分析仪只有两个物理端口,怎么测量差分对(4个物理端口)的S参数呢?
实际上可以通过测量这四个端口两两之间的S参数,然后计算得出,如:

目前线缆的主要电气性能不良项目
以下项目是目前量测经常遇到的不良项次

实际量测数据报告之 SCD21(共模输出)-SDD21(差模输出)

SCD21 NA SCD21 Diff To Comm Convert,单端转共模测试(差模转共模损耗)
SCD21为端口1至端口2的差模-共模转换
SDD21 为端口1至端口2的差模传输

差模共模转换,也就是说,在传输差模信号时,信号受到干扰,在接收端信号被误判为共模信号;差模信号转化为共模信号,就是指差模共模转换了(理论上是越少越好)主要是描述测试对线间两根讯号线的对称性(或者叫平衡性,电磁耦合好坏的差异),和线对的衰减( Insertion Loss ),延迟差( Intrapair Skew)有关.

虽然从量测最终结果的表现为PASS,但是实际对间差异过大,扫频测试会对其他对数的其他参数产生影响,是一环套一环的存在,当我们对着大山呼喊的时候,我们理解的回音就是一个存在的差模转共模的损耗案例.


典型不良表现
Return Loss SDD22

Return Loss SDD22;RL是回波损耗的简称,是数字电缆产品的一项重要指标,电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方,但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方,所以施工的质量是减少回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动,返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱.


典型不良表现
影响SDD22回波损耗的制程因素﹕
导体均匀性﹑绝缘均匀性﹑发泡度均匀性﹑结构尺寸均匀性。
1) 导体直径不均匀﹑导体有弯﹑导体不圆﹔
2) 绝缘芯线偏心﹑椭圆﹑线径不均匀﹔
3) 发泡度不均匀﹔
4) 编织与外被的松紧也可引起回波的产生﹔工艺改善: 芯线制做均匀,导体圆整度,绝缘偏心度,收放线张力稳定.
Insertion Losss

Insertion Losss;高频电子讯号在传动时由于基本材料电阻,产生讯号强度(电压)降低以外,尚有因高频引发的Impedance,导致电子讯号强度再被降低,基本电阻的衰减取决于导体材质可称直流衰减,电容电感的衰减取决于频率高低可称交流衰减,且频率越高此衰减越严重.

典型不良表现
趋肤效应和介电损耗是造成电缆高频损耗的主要原因
趋肤效应损耗(单位为dB)与电缆长度及频率的平方根成正比;
介电损耗(单位为dB)与电缆长度及频率成正比。
趋肤效应损耗主要来自于中、低频,
介电损耗主要来自于高频。

高频电流流过导体时,电流会趋向于导体表面分布,越接近导体表面电流密度越大。这种现象就是趋肤效应。频率越高,电流就越集中在导体表面,可以想象,当频率足够高时,电流几乎只分布在导体表面上薄薄的一层,导体内部几乎没有电流
影响Insertion Losss的制程因素﹕
电线主要分为两种,一种为同轴系列,一种为对绞系列
对屏蔽厚度﹕ 铝箔厚度增加—衰减减小﹔ 铝箔厚,绕包时不容易绕紧﹐可导致高频衰减跳动。
成缆节距: 成缆节距增大—衰减减小﹔
总屏蔽: 屏蔽厚度及密度增加—衰减减小﹔
对内延时差大—衰减偏大。
设计改善:衰减偏大,加大导体线径,加大绝缘线径,加大发泡度,更改绝缘材料.(降低介质损耗角正切)
工艺改善:芯线押出时尽量圆整,发泡度均匀,水中电容调小
材料衰减:有电压的情况下,分子会产生摆动,摆动会产生热 量,即而把部分能量转化为热能.
导体衰减:导体会发热,消耗的为热能
反射衰减:遇到材料不均匀点