分配器 Splitter 效能測試

申請有線電視與網路時,業者通常會在拉進屋子的電纜線上加裝一顆 分配器 Splitter,將訊號分成兩路,一路給機上盒Set top box用來看電視,另一路給Cable modem用來上網,這次我要來分享一下分配器的效能該怎麼測試。

分配器 介紹

一般小型的分配器大都是一進二出,如下圖標示1的地方是輸入,標示2、3的地方是輸出,我之後會用Port1到Port3來稱呼這三個接頭。所有的分配器都各自有適用的頻率範圍,所以購買的時候要看清楚,以我這顆來講,它的頻率範圍是5MHz~2300MHz,而有線電視的頻率範圍大約在1000MHz以下,所以這顆是適用的。

分配器 Splitter
分配器 Splitter

分配器該怎麼測試呢? 基本上會測試三個項目如下

  • S11反射率
  • S21插入損失
  • Isolation隔離度

這裡的S11與S21指的是S參數矩陣裡面的兩個值,這個值跟上圖分配器的Port編號並無直接關係,而是指電路的輸出與輸入,一般習慣輸入在左邊稱為Port 1,輸出在右邊稱為Port 2。字母S後面的第一個數字表示反射波的Port編號,第二個數字表示入射波的port編號,所以S11表示從Port1入射的能量,會有多少從Port1再跑出來,它其實就是反射率的意思。如果想要測試分配器Port2的反射率,就稱為Port2的S11,或著直接稱呼S22意思是一樣的,一般S11要越小越好。

同理,S21指的就是從電路的Port1入射的能量,會有多少從Port2出來,它其實就是路徑衰減量的意思,但它的英文稱為Insertion loss,中文就直譯為插入損失,我一開始對於Insertion這個字眼很有意見,但後來發現Insertion有直直進去的意思,較能反映S21的意義,如果單純使用”衰減量”或”路徑”這些字眼則很難明確表達,因為衰減量涵蓋太廣,S11也是一種衰減量,而路徑在字義上可能是彎彎曲曲的並沒有直線的含意,所以相較之下還是Insertion勝出,一般Insertion loss要越小越好。

Isolation隔離度一般是講不相干的兩個Port不能互相干擾,例如RF switch的多個輸出Port在理論上彼此就不能互相干擾,但實務上還是會有某種程度的串音Crosstalk。以上圖來說,Splitter的Isolation指的就是從Port2入射能量,看有多少從Port3出來,所以Isolation的衰減量要越大越好。

儀器校正與阻抗匹配

使用向量網路分析儀VNA之前,一定要記得先做校正Calibration,務必利用Calibration kits做校正,才能開始測量,否則怎麼測量都是錯誤的結果。關於校正各位可以參考這篇反射率 S11 實測-同軸電纜/終端電阻 在Smith Chart長甚麼樣子

再來要注意的就是阻抗是否匹配,一般CATV用的Splitter都是F type的接頭,這種F頭的阻抗固定是75 ohm,但是一般射頻儀器的阻抗通常都是50 ohm,而且接頭的形式是N type,兩種不同阻抗的接頭如果硬接在一起,會因為阻抗不匹配產生訊號反射,這樣就會形成駐波導致量測不準確,所以在測試時必須在儀器和Splitter之間,額外加裝一個Matching PAD才能減少反射,如下圖Matching PAD上方是F type 75 ohm,下方是N type 50 ohm。一但加了Matching PAD,雖然不會有反射干擾量測,但你需要付出一些代價,這個代價就是7.5dB的衰減,這在將來觀察圖表的時候,要記得將它補回去。

Matching PAD
Matching PAD

剛才有提過在使用向量網路分析儀VNA之前,一定要用Calibration kits作校正,嚴格來說校正必須在Matching PAD與Cable所有東西都裝好之後,以Splitter的待測Port做為參考平面來校正,但由於我手邊只有N type的Calibration kits,我就只能把參考平面設定在儀器上的N type connector。雖然Matching PAD和Cable的長度會讓圖表的相位旋轉,但由於我只要觀察振幅而已,並沒有要看Smith chart,所以不影響後續的Splitter量測。

一定會有人問說,既然要測量75 ohm的射頻元件,那就直接買75 ohm阻抗規格的儀器就好了,為何要買個50 ohm的儀器,然後才來裝Matching PAD呢? 大部分儀器確實有75 ohm系統的選項,但以整個市場來說,絕大部分的射頻元件都還是以50 ohm為主,除非你的應用很明確就是要用在有線電視系統上,而且不會有50 ohm系統的量測需求,這才真的有購買75 ohm系統的必要,否則一般購買儀器時,仍都是以50 ohm為主。

另外還有一個我個人推薦要買50 ohm規格儀器的原因就是,75 ohm規格的N type接頭,它的中心針直徑比50 ohm來得細,如果有人拿50 ohm的N type公頭插入儀器的75 ohm N type母頭,那等於是一根粗粗的銅棒要插入細細的簧片孔,這樣會把儀器的75 ohm N type母頭插爆,四個簧片構成的母頭就會開得跟菊花一樣,只要多來幾次你的儀器接頭就報銷了,因為接頭內的簧片是會斷的喔,這將來的維修費用則會非常驚人,所以買儀器時也要考量豬隊友來攪局。

分配器 S11反射率測量

先來測量S11,我把分配器的Port 1接在Matching PAD的F type接頭上,再把Matching PAD的N type接頭接到頻譜分析儀左邊的Port 1上,頻譜這個Port是訊號輸出用,而分配器的兩個輸出端Port 2和Port 3必須接上終端電阻Terminator,避免訊號反射。接著把儀器的量測模式設定為VNA的S11,頻率範圍設定在5MHz~2300MHz,這個範圍是從分配器上的標籤得到的,設定好之後你就可以在螢幕上看到S11的量測結果,如下圖上方兩個圈圈是Smith chart,下方兩個是振幅Magnitude與駐波比SWR的頻率響應圖,我們這裡只看振幅就好。關於Smith chart的用法,各位可以參考這篇Smith Chart 史密斯圖 怎麼用-高頻電路的好幫手

分配器 的S11頻率響應
分配器 的S11頻率響應

根據S11的Magnitude圖,各位可以發現S11衰減量大約落在20dB~30dB之間,如果考慮Matching PAD的衰減量,一來一往大約衰減11.4dB,所以這個分配器Port 1實際的S11大約是10~20dB左右。

網路分析儀-Through校正

前面測量S11參數的時候,由於只會使用儀器的一個Port,所以之前校正的時候我只做了Open,Short和Load。但是現在我要做分配器Port1到Port2的衰減測試,也就是S21參數,這需要用到儀器的兩個Port,一個送訊號一個收訊號,因此使用前需要做Through的校正,用來校正儀器Port 1直接到Port 2的衰減量並且補償回來。

Through的校正選單
Through的校正選單

S21插入損失測量

做完Through的校正之後,就能測量分配器Port1到Port2的衰減量,也就是S21插入損失。如下圖,你可以看到S21的Magnitude頻率響應圖,整個頻段的軌跡大約在3.5dB上下,所以這個分配器外殼的標示3.5dB算是相當正確的。雖然儀器的Port 1與Port 2都有接上Matching PAD,但由於剛才做Through calibration時已經包含Matching PAD的衰減了,所以這裡就不用在做補償了,我們看到的數字就是實際的數字。

分配器 S21的頻率響應圖
分配器 S21的頻率響應圖

隔離度Isolation

最後要來測量隔離度Isolation,這個參數是用來看分配器的Port 2和Port 3彼此之間的衰減量是多少,可能有些朋友會認為這兩個Port都是輸出,為何要測量衰減量? 那是因為跟它們銜接的下一階設備也可能會產生反射,這時分配器的輸出Port對於反射訊號來說反而變成輸入Port,若輸出Port彼此之間的隔離度不好,反射訊號就可能從其它的輸出Port跑出來,進而影響量測。

測量隔離度的方式就是從頻譜打訊號進分配器的Port 2,然後再從分配器的Port 3收訊號進入頻譜做測量,相信你一定有發現這個測試似乎跟剛才的S21一樣。沒錯! 只要是左近右出的衰減量測試都稱為S21,只不過主角變成分配器的Port 2和Port 3。所以我們只要把分配器改個接法就可以測量Isolation了,如下圖。

分配器 隔離度量測從Port2輸入訊號
分配器 隔離度量測從Port2輸入訊號

把分配器接好之後,下圖顯示的軌跡就是Isolation的頻率響應,看來低頻的隔離度大約是-25dB~-30dB,而高頻的隔離度則只有-15dB左右,這些數據就給各位做參考。

分配器 的隔離度Isolation頻率響應
分配器 的隔離度Isolation頻率響應

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4 Comments

  1. Dear 阿信助教

    您好, 想請教一下VNA TRL calibration 跟使用calibration kits

    是不是兩回事?

    就我的理解, TRL cal for de-embedding transmission line effect

    而使用cal kits for external transmission line

    不知道是否正確

    謝謝

    • 我想這要從需求面來看

      應該說TRL(或稱SOLT)是calibration的手法
      Calibration kits只是使用這個手法的工具
      但因為所有商品化的kits都只有公規的接頭 ,例如N/ F/ SMA 等等
      一旦遇到晶片上的射頻線路, 在晶圓階段是沒有接頭的, 在這個階段射頻測試, 就無法用這些公規接頭, 只能用特殊的探針將晶圓內的訊號轉為公規接頭
      這時就會需要利用數學方法將探針的效應去除, 稱為de-embedding
      所以這些名詞只是為了達成正確量測所需要的各種手段與方法而已

      • Dear 阿信助教

        感謝您的解釋, 讓我對校正觀念又有更進一步的認識了

        謝謝

  2. 阿信助教您好:
    請問,分配器2個輸出port各分享一半功率,如果其中一個port懸空未接,或是接到電視但關機,另一個port是否可以得到全部輸入功率?還是仍然只有一半功率?

    謝謝!

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