Калибровочная нагрузка векторного анализатора цепей
CALIBRATION LOAD OF THE VECTOR CIRCUIT ANALYZER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при измерениях параметров симметричных кабелей из витых пар.
Калибровочную нагрузку подключают к физическому интерфейсу векторного анализатора цепей перед проведением измерений для выполнения предварительной настройки. Данная процедура направлена на подавление помех и искажений, создаваемых внутренними цепями и интерфейсом векторного анализатора цепей при обработке отклика симметричного кабеля из витых пар на воздействие тестовым сигналом, который генерирует векторный анализатор цепей. Результатом становится увеличение точности измерения параметров симметричных кабелей из витых пар.
Симметричные кабели из витых пар широко используются при построении физического уровня современных информационных систем. Кабели этой разновидности функционируют в широком частотном диапазоне (от 1 до 100 МГц для продукции категории 5е, от 1 до 2000 МГц для продукции категории 8.2), а их параметры нормированы рядом стандартов (ISO/IEC 11801, ANSI/TIA/EIA-568, EN-50173, ГОСТ Р 54429-2011 и другими). Для измерения фактических значений нормируемых параметров используют векторные анализаторы цепей. Оборудование этой разновидности генерирует тестовые сигналы, подаваемые на витые пары тестируемого кабеля, и измеряет отклик витых пар на воздействие тестовым сигналом.
При измерении некоторых параметров, например, переходного затухания ближнего и дальнего конца, NEXT и FEXT, соответственно, отклик на воздействие тестовым сигналом имеет очень небольшую величину (на 60-80 дБ ниже уровня тестового сигнала). В результате этого отклик на воздействие тестовым сигналом, обрабатываемый приемником векторного анализатора цепей, без применения дополнительных мер подвержен сильным влияниям со стороны помех и искажений, создаваемых собственными внутренними цепями и интерфейсом векторного анализатора цепей, а также поступающих от внешних источников. Результат такого воздействия - снижение точности измерения параметров симметричного кабеля из витых пар.
Увеличению точности измерений векторным анализатором цепей с учетом работы в частотном диапазоне 1-100 МГц и выше способствует исполнение отдельных проводов его внутренних цепей по коаксиальной схеме и применения коаксиальных розеток в качестве физического интерфейса. Обращение к коаксиальным проводам обеспечивает надежное подавление помех от внешних источников. Соответственно, физический интерфейс векторного анализатора цепей также выполнен на коаксиальных розетках, в качестве которых применяют SMA, N и другие конструктивно аналогичные им компоненты.
Для увеличения точности измерений перед их проведением к физическому интерфейсу векторного анализатора цепей подключают калибровочную нагрузку, на которую подают тестовые сигналы, используемые при выполнении тестирования. Контроллер векторного анализатора цепей осуществляет процедуру настройки своих внутренних цепей и физического интерфейса таким образом, чтобы свести помехи и искажения к минимуму. Результатом выполнения процедуры настройки становится увеличение точности измерений фактических значений параметров тестируемого кабеля из витых пар.
Для облегчения выполнения процедуры подключения калибровочной нагрузки на коаксиальные розетки физического интерфейса допустимо устанавливать элементы оперативного подключения выводов калибровочной нагрузки.
Известен выполняющий совместно с другими цепями также функции калибровочной нагрузки адаптер стационарной линии (permanent link adaptor) кабельного сканера DSX-5000 (см. DSX CableAnalyzer. Руководство пользователя, стр. 32. Компания Fluke Networks, 2013), который представляет собой один из вариантов векторного анализатора цепей. Адаптер как многофункциональное устройство при измерениях обеспечивает удобство работы со смонтированными стационарными линиями структурированной кабельной системы, а перед началом измерений после подключения к адаптеру тракта (channel adaptor) выполняет функции калибровочной нагрузки.
Адаптер содержит первую монтажную плату с набором контактов для подключения к физическому интерфейсу сканера и сменную вилку электрически центрированного модульного разъема. Набор контактов связан с вилкой электрически центрированного модульного разъема цепями передачи тестовых сигналов, которые выполнены в виде микрококсиальных трубок. При проведении калибровки к вилке подключают адаптер тракта, который в этом режиме выполняет функции нагрузки. Точность измерения параметров тестируемого симметричного кабеля из витых пар возрастает за счет того, что из результатов измерения дополнительно исключено влияние цепи передачи тестовых сигналов на участке от вилки электрически центрированного модульного разъема до физического интерфейса сканера. Де-факто калибровка позволяет сформировать так называемый вынесенный электрический интерфейс.
Недостаток известной калибровочной нагрузки состоит в невозможности ее использования при измерении неоконцованных кабелей из витых пар из-за несоответствия типов физических интерфейсов. Устранение этого несоответствия установкой на тестируемый кабель розетки модульного разъема не решает задачу из-за того, что розетка искажает отклик тестируемого симметричного кабеля из витых пар на воздействие тестовым сигналом, а векторный анализатор цепей не разделяет этот отклик на части, которые соответствуют тестируемому кабелю и разъему.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой калибровочной нагрузке для векторного анализатора цепей является калибровочная нагрузка для векторного анализатора цепей, которая выполнена в виде высокоомного, согласованного или короткозамыкающего безвыводного резистора, установленного на несущей плате и непосредственно подключенного к штыревым контактам (см. Анализаторы цепей векторные С1205. Руководство по эксплуатации. PLANAR. Стр. 12, табл.2.7).
Штыревые контакты известной калибровочной нагрузки параллельны друг другу, выступают за пределы несущей платы и выполнены как часть вилки коаксиального разъема. Расстояние между контактами равно расстоянию между осями коаксиальных розеток физического интерфейса векторного анализатора цепей. Данная особенность позволяет не использовать в процессе калибровки анализатора элементы оперативного подключения.
Перед началом измерения калибровочную нагрузку подключают к коаксиальным розеткам физического интерфейса векторного анализатора цепей, после чего подают на нее тестовый сигнал и в автоматическом режиме выполняют соответствующие настройки. Для дополнительного увеличения точности измерений процедуру калибровки выполняют несколько раз, меняя калибровочные нагрузки, которые отличаются только величиной нагрузочного сопротивления, после выполнения каждой настроечной процедуры.
Недостаток известной калибровочной нагрузки состоит в том, что она принципиально не обеспечивает высокую точность калибровки при работе с симметричными кабелями из витых пар. Это связано с тем, что плоскость калибровки совпадает с выводами коаксиальных розеток физического интерфейса векторного анализатора цепей. При этом из-за большого диаметра коаксиальной розетки при подключении витой пары необходимо разводить ее провода на большое расстояние. Это приводит к увеличению волнового сопротивления и появлению отражений в плоскости подключения тестируемой витой пары, которые искажают тестовый сигнал и отклик на воздействие тестовым сигналом, что приводит к снижению точности измерений. Калибровочная нагрузка не позволяет учесть этот эффект.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании такой калибровочной нагрузки, которая увеличивает точность проводимых измерений исключением влияния на отклик тестируемого симметричного кабеля из витых пар, возникающего из-за изменения волнового сопротивления тестируемой витой пары в точке ее подключения к коаксиальным розеткам физического интерфейса векторного анализатора цепей.
Для достижения технического результата предложена конструкция калибровочной нагрузки для векторного анализатора цепей, содержащая
первую монтажную плату с установленной на ней парой идентичных по конструкции штыревых контактов, передние участки которых параллельны друг другу и осям коаксиальных розеток физического интерфейса векторного анализатора цепей, причем расстояние между осями этих участков равно расстоянию между осями упомянутых коаксиальных розеток, и выступающих за обрез монтажной платы на длину, равную длине зачистки проводов тестируемой витой пары, нормативной для упомянутого анализатора;
вторую монтажную плату с установленным на ней безвыводным нагрузочным резистором;
и цепь передачи тестовых сигналов, которая соединяет задние участки штыревых контактов с безвыводным нагрузочным резистором.
При этом задние участки штыревых контактов параллельны друг другу и передним участкам, а расстояние между ними меньше расстояния между передними участками, причем соединение переднего и заднего участков контактов выполнено плавным переходом;
в качестве цепи передачи тестовых сигналов между задним участком тестовых контактов и безвыводным нагрузочным резистором использована витая пара, характеристики которой идентичны характеристикам витых пар симметричного кабеля, тестируемого векторным анализатором цепей.
В качестве нагрузочного резистора используется высокоомный, согласованный или короткозамыкающий резистор, а штыревой контакт может быть выполнен в виде центрального контакта вилки коаксиального разъемного соединителя.
Конструкция калибровочной нагрузки для векторного анализатора цепей поясняется чертежами фиг. 1 - фиг. 9.
На фиг. 1 представлена конструкция калибровочной нагрузки векторного анализатора цепей.
На фиг. 2 изображен штыревой контакт и выделены его отдельные участки.
На фиг. 3 показано поперечное сечение витой пары с заводской скруткой.
На фиг. 4 изображена известная калибровочная нагрузка, которая подключена к коаксиальным розеткам векторного анализатора цепей, и выделено место расположения плоскости калибровки.
На фиг. 5 показано место расположения плоскости калибровки при тестировании витой пары симметричного кабеля после калибровки векторного анализатора цепей известной калибровочной нагрузкой.
На фиг. 6 приведено сечение витой пары тестируемого кабеля при ее подключении к коаксиальным розеткам векторного анализатора цепей.
На фиг. 7 показана калибровочная нагрузка, которая подключена к коаксиальным розеткам векторного анализатора цепей, и место расположения формируемой ею плоскости вынесенного электрического интерфейса.
На фиг. 8 изображено место расположения плоскости вынесенного электрического интерфейса при тестировании витой пары симметричного кабеля после калибровки векторного анализатора цепей предлагаемой калибровочной нагрузкой.
На фиг. 9 приведено сечение витой пары предлагаемой калибровочной нагрузки в плоскости вынесенного электрического интерфейса.
На данных рисунках показаны
1, 2 - штыревые контакты;
3 - первая монтажная плата;
4, 5 - элементы соединения штыревых контактов с проводами витой пары;
6, 7 - провода витой пары;
8 - витая пара;
9 - вторая монтажная плата;
10 - безвыводный нагрузочный резистор;
11 - передний участок штыревого контакта;
12 - задний участок штыревого контакта;
13 - плавный переход;
14 - векторный анализатор цепей;
15, 16 - коаксиальные розетки;
17, 18 - элементы оперативного подключения;
19 - изоляция проводов витых пар;
20 - проводник витых пар;
21 - витая пара тестируемого кабеля
22 - плоскость калибровки;
23 - первый участок с повышенным волновым сопротивлением;
24 - плоскость вынесенного электрического интерфейса;
25 - второй участок с повышенным волновым сопротивлением;
26 - известная калибровочная нагрузка;
27, 28 - провода витой пары тестируемого кабеля.
Калибровочная нагрузка для векторного анализатора цепей содержит
первую монтажную плату 3 с установленной на ней парой идентичных по конструкции штыревых контактов 1 и 2, передние участки 11 которых параллельны друг другу и осям коаксиальных розеток 15, 16 физического интерфейса векторного анализатора цепей 14, причем расстояние между осями передних участков 11 равно расстоянию между осями упомянутых коаксиальных розеток 15, 16, и выступающих за обрез первой монтажной платы 3 на длину, равную длине зачистки проводов тестируемой витой пары, нормативной для упомянутого анализатора 14;
вторую монтажную плату 9 с установленным на ней безвыводным нагрузочным резистором 10;
и цепь передачи тестовых сигналов в виде витой пары 8, которая соединяет задние участки 12 штыревых контактов 1, 2 с безвыводным нагрузочным резистором 10.
Задние участки 12 штыревых контактов 1 и 2 параллельны друг другу и передним участкам 11, а расстояние между ними меньше расстояния между передними участками 11, причем соединение переднего и заднего участков контактов выполнено плавным переходом 13.
В качестве цепи передачи тестовых сигналов между задним участком тестовых контактов и безвыводным нагрузочным резистором использована витая пара 8, характеристики которой идентичны характеристикам витых пар 21 симметричного кабеля, тестируемого векторным анализатором цепей 14.
В качестве нагрузочного резистора используется высокоомный, согласованный или короткозамыкающий резистор, а штыревой контакт может быть выполнен в виде центрального контакта вилки коаксиального разъемного соединителя.
Для соединения проводов 6, 7 со штыревыми контактами 1, 2 может быть использован IDC-контакт, пайка и иные аналогичные элементы. Для соединения проводов 6, 7 с безвыводным нагрузочным резистором 10 из-за малых габаритов последнего предпочтительна пайка.
При соединении цепей с разным волновым сопротивлением из-за нарушения условий согласования возникают отражения, которое приводит к искажениям тестового сигнала и отклика тестируемого симметричного кабеля из витых пар на воздействие этим тестовым сигналом. При калибровке векторного анализатора цепей 14 максимально полно исключается влияние этого нежелательного явления на результат измерения.
Поставленная цель достигнута следующим образом.
0
Отражение в области подключения витой пары 21 тестируемого симметричного кабеля при его подключении к векторному анализатору цепей 14 возникает потому, что при соединении ее проводов 27, 28 с коаксиальными розетками 15, 16 через элементы оперативного подключения 17, 18 происходит нарушение фабричной скрутки витой пары 21. Волновое сопротивление витой пары 21 задано соотношением диаметров изоляции 19 и проводника 20 образующих ее отдельных проводов, а также расстоянием между ними. При фабричной скрутке витой пары последнее расстояние указано на фиг. 3 и равно L. Обычно диаметры изоляции 19 и проводника 20 подобраны таким образом, чтобы с учетом диэлектрической проницаемости изоляции 19 волновое сопротивление было равно 100 Ом.
0
2
2
При подключении отдельных витых пар 21 тестируемого симметричного кабеля к векторному анализатору цепей 14 расстояние между осями проводов витой пары тестируемого симметричного кабеля неизбежно возрастает с L до L, что показано на фиг. 6. L численно равно расстоянию между осями коаксиальных розеток 15, 16 и элементов оперативного подключения 17, 18. Диаметры изоляции 19 и проводника 20 фиксированы, поэтому происходит увеличение волнового сопротивления.
2
При подключении известной калибровочной нагрузки 26 к коаксиальным розеткам 15, 16 через элементы оперативного подключения 17, 18 так, как это показано на фиг. 4, векторный анализатор цепей 14 осуществляет настройку своих внутренних цепей. При этом векторный анализатор цепей 14 формирует плоскость калибровки 22, которая практически совпадает с местом расположения безвыводного нагрузочного резистора 10. В результате при измерениях параметров витой пары 21 тестируемого симметричного кабеля провода 27, 28, которые связаны с коаксиальными розетками 15, 16 через элементы оперативного подключения 17, 18, разведены на расстояние L., что показано на фиг. 5. Это приводит к возникновению области 23 с повышенным волновым сопротивлением, которая расположена за плоскостью калибровки 22. Векторный анализатор цепей 14 относит эту область на витую пару тестируемого кабеля 21. Сильные отражения измерительного сигнала и отклика витой пары тестируемого кабеля 21 от области 23 приводят к ошибкам измерения параметров.
Конструкция предлагаемой калибровочной нагрузки для векторного анализатора цепей показана на фиг. 1. Ее также подключают штыревыми контактами 1, 2 к коаксиальным розеткам 15, 16 через элементы оперативного подключения 17, 18 перед проведением измерений параметров витых пар тестируемого симметричного кабеля, что демонстрирует фиг. 7. После этого запускают процедуру калибровки, в процессе выполнения которой на калибровочную нагрузку подают тестовый сигнал и автоматически выполняют соответствующие настройки внутренних цепей и физического интерфейса векторного анализатора цепей 14 с учетом подключенной к коаксиальным розеткам 15, 16 через элементы оперативного подключения 17, 18 предлагаемой калибровочной нагрузки таким образом, чтобы свести помехи и искажения к минимуму. Результат такой калибровки - формирование плоскости вынесенного электрического интерфейса 24 в области безвыводного нагрузочного резистора 10 на второй монтажной плате 9. Последнее означает, что измерения параметров витой пары тестируемого кабеля 21 происходят за плоскостью вынесенного электрического интерфейса 24, что демонстрирует фиг. 8.
Увеличение точности измерений за счет применения предлагаемой калибровочной нагрузки достигнуто переносом плоскости калибровки 22 в положение вынесенного электрического интерфейса 24, что сопровождается учетом неоднородности, создаваемой первым участком с повышенным волновым сопротивлением 23, непосредственно в ходе калибровки векторного анализатора цепей.
1
1
2
2
1
Дополнительное увеличение точности измерений происходит за счет того, что расстояние L между осями проводов 6, 7 витой пары 8 в точке подключения к безвыводному резистору 10, который расположен на второй монтажной плате 9, задано габаритами корпуса безвыводного резистора 10, т.е. L<L., что показывает фиг. 9. Переход от значения L к L происходит за счет того, что каждый штыревой контакт 1, 2 содержит передний и задний участки 11, 12, которые соединены плавным переходом 13 так, как это показано на фиг. 2. Применение плавного перехода 13 обеспечивает уменьшение отражений.
В результате волновое сопротивление в плоскости вынесенного электрического интерфейса 24 имеет минимальные отличия от волнового сопротивления витой пары тестируемого кабеля 21 и вызывает меньшие отражения. Это, в свою очередь, уменьшает искажения тестового сигнала и отклика на воздействие тестовым сигналом, т.е. растет точность измерения параметров тестируемого симметричного кабеля из витых пар.
Для дополнительного увеличения точности измерений процедуру калибровки выполняют несколько раз, меняя калибровочные нагрузки после каждого этапа. Последние имеют идентичную конструкцию и отличаются только величиной сопротивления безвыводного нагрузочного резистора 10.