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。

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。

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。

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。

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。

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。

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