同軸電纜壓接頭檢測-利用反射波一翻兩瞪眼

話說有一年實驗室需要佈建CATV的同軸電纜線,找來的施工廠商當然是拍胸脯保證沒問題,但根據我多年的經驗,無論是廠商或是自己人都有可能犯錯,若沒有事先把驗收方法講清楚,雙方可能會造成不必要的誤會。

今天就來分享一下Coaxial cable壓接頭施作之後的驗收技巧,講到驗收基本上就分為兩種,完整功能驗收Full function與單純電器訊號Physical layer的驗收,至於選哪一種就看自己的需求,沒有誰好誰壞。

壓接頭哪裡有問題

先講一下同軸電纜Coaxial cable的壓接過程,通常是把線剪斷之後,利用剝線工具把電纜剝成如下圖的樣子,這已經是我能做出來的最好狀況了,通常剝線工具不會剝得很完美,仍然需要斜口鉗把周圍的隔離層金屬網稍微修剪一下。

同軸電纜與壓接頭
同軸電纜與壓接頭

問題在於隔離網的金屬絲有時候會纏到中心導體,有時燈光昏暗一時不察就可能發生。此時若再把壓接頭Crimp connector套上,然後用壓接工具擠壓之後就無法挽救了,除非剪掉重做。我個人喜歡用圓形的壓接頭,因為壓接時不會出現金屬毛邊,將來使用時手指比較不會被刮傷。

順帶一提,我喜歡用含有防水橡膠的接頭,別小看這個橡膠環,台灣濕氣重,若沒有這個環擋著,容易造成導體的接觸面氧化,對於訊號品質要求很高的裝置,可能會有問題。

圓形的壓接工具會將接頭的尾巴擠壓,讓接頭緊緊束住Cable線。雖然市面上也有六角的壓接頭與工具,由於它可能會在壓接處產生毛邊,會刮傷手指,我不是很喜歡用。

圓形接頭的同軸電纜壓接工具
圓形接頭的同軸電纜壓接工具

經過擠壓的Connector會變成如下圖的形狀,整個摸起來就非常的光滑,使用時也不會刮傷手指,如果你有40~50條線需要處理,我想你應該會選這種接頭。

同軸電纜壓接前後比較
同軸電纜壓接前後比較

以上這些屬於分支訊號的Cable線,比較常出現的問題大概就是中心導體與隔離層GND短路。若是訊號的主幹線Trunk,那種值徑大約13mm甚至18mm的Cable,它們的問題就不太一樣了。

主幹線的Connector不是直接以中心導體來當作中心針,而是Connector(通常是N Type)本身會附一個零件包,其中一樣是中心針,使用者需自行把中心導體插入中心針,把所有零件都安裝好套好之後,再用專有工具壓接,而這個工具還是跟Connector搭配的。

所以線材、電纜、接頭、壓接工具,都是彼此搭配的缺一不可,要買之前最好先弄清楚是否適合,否則買來後甚麼都不能作,若硬要做就可能會發生中心導體與中心針根本沒有接觸到的狀況,也就是開路Open了。

Full Function驗收

所謂完整驗收就是把發射與接收設備分別安裝在Cable的兩端,例如一端連接Video的RF訊號源,另一端則接一台電視,用來確認是否能收視,甚至每個頻道都切換一遍,這種需要整個系統擺上去驗證的方式,就稱為Full function驗收。

完整功能Full function驗收
完整功能Full function驗收

它的好處是,能夠確認整個系統在這條cable上是可以運作的,甚至某些頻道可能無法接收到,也能在測試過程中發現。但壞處是殺機用牛刀,為了驗證一條Cable線,因為需要額外弄一個訊號給它,這可能會影響到原有的訊號配置。

而且驗證時你必須帶著電視機,東奔西跑一條一條線驗證,其實還頗麻煩的。如果只是接電視看看那可能還好,若有些裝置例如纜線數據機Cable Modem每次上電之後還需要幾分鐘的開機時間,那真的會讓你抓狂,尤其是有幾十條Cable等著驗證時。

再來若真的發現通訊不良,也很難知道發生了甚麼問題,到底是接頭沒接觸到Open了? 還是接頭短路Short? 還是cable線裡面的中心導體斷了? 還是根本是TV有問題? 你只知道電視畫面怪怪的而已。

我以前聽過因為驗證用的電視規格拿錯,導致畫面一直有雜訊出現,那位老兄一直在跟廠商魯責任問題,結果當然是很尷尬。

我個人比較傾向使用實體層Physical Layer的驗證方式,實體層的訊號就實體層解決,我想這很合理。基本上就是只針對電氣特性做測量,比起拿上層的設備來驗證底層的東西,實體層驗證的設備數量與體積應該都是最精簡的。

三用電表驗證

這種測試方式是把Cable一端先短路,用電表測量另一端看看是否也為先短路,之後再將短路移開形成開路,再用電表測量另一端是否也開路。之所以短路開路都要測量,是因為接頭可能本身就短路,所以開路也要測才能抓到問題。

但這個方法又要開路又要短路,你要跑兩次,有點麻煩,所以我喜歡下面介紹的方法。

利用三用電表驗收同軸電纜
利用三用電表驗收同軸電纜

反射波驗證

利用反射波做驗證是我個人較喜歡使用的方式,它能清楚掌握整個Cable connector施工的狀況,可以馬上看出哪裡有問題,甚至Cable線裡面的哪個位置有斷掉,都看得出來,而且儀器全部可以擺在一端,另一端你只需要帶個終端電阻就可以很輕鬆的跑來跑去做驗證。

如下圖,我們需要準備一台訊號產生器,它必須要能產生10~15ns寬度的Pulse脈衝波,更窄當然更好,這樣大概可以分辨到1~2m長度的Cable。

另外再準備一台示波器如下圖,用T型接頭”監看“電纜內的波形,只要有波形經過T型接頭示波器就能顯示出來,在電纜的末端,只要加上終端電阻Terminator,阻抗必須與Cable相同,如此就可以判斷Cable的近端或遠端的接頭是否有做好。

利用反射波驗收同軸電纜
利用反射波驗收同軸電纜

這種測量方式又稱為TDR(Time Domain Reflectometer),它的原理是脈衝波Pulse會從訊號產生器Signal generator出發,往右一路行走,沿途會先經過示波器,所以示波器會顯示出一個Pulse波形,接著Pulse繼續向右走,直到碰到最右邊的端點,脈衝波便會被終端電阻消耗掉而消失。

如下圖,對於Signal generator來說,這個Pulse就彷彿是肉包子打狗有去無回,也就是無反射的意思,示波器上只會看到一個脈衝波,若看到這樣的波形,就表示Connector的壓接是正常的。

有終端電阻的情況之下,入射波無反射,只看到一個Pulse
有終端電阻的情況之下,入射波無反射,只看到一個Pulse

接下來要看看甚麼是不正常的波形,若施工壓接不慎造成Cable的內導體與隔離層短路Short,Pulse便會在短路處反射,並以相反的相位沿著Cable走回左邊的訊號產生器。示波器上會看到一正一負的Pulse,如下圖左邊正相的Pulse是入射波,負相的Pulse是反射波,兩者的時間距離就是Pulse一來一往所經過的時間。

端點為Short的情況之下,左邊的Pulse為入射波,右邊負的是反射波
端點為Short的情況之下,左邊的Pulse為入射波,右邊負的是反射波

另外一種情況是內導體與隔離層沒有完全貼緊,端點呈現開路Open的狀態,因此反射波以正相反彈。

在端點開路Open的情況之下,左邊的Pulse是入射波,右邊正的是反射波
在端點開路Open的情況之下,左邊的Pulse是入射波,右邊正的是反射波

還有一種情況是,Cable的隔離層不良甚至沒接觸到,此時中心導體彷彿是一根長長的天線,沿路收進外界的雜訊。

Cable隔離層沒有壓接好,於近端浮接收到Noise
Cable隔離層沒有壓接好,於近端浮接收到Noise

Cable長度測量

由於波形反射一定會產生在Cable斷掉的地方,因此我們也可以拿它來當作測量Cable長度的依據,基本上新品Cable不會斷,所以反射的位置就會是整段Cable的末端,也就剛好是它的長度。若Cable內部有地方斷裂,Pulse會提早反射,你就知道斷裂的位置在哪裡了。

利用反射波可計算Cable長度
利用反射波可計算Cable長度

我們來試著計算上圖的Cable有多長,先來看看Cable的Datasheet of LMR-400-UF,我們的重點是每公尺有多少寄生電容C與電感L,摘要如下圖。

根據電磁學的傳輸線理論,波在同軸電纜內的相位速度為,套入datasheet內的值就能得到波速:

\(v_{p}=\frac{1}{\sqrt{LC}}=2.5\times 10^{8}\; m/s\)

根據上圖的示波器波形,兩個Pulse入射與反射波之間的距離目測一下大約為來回200ns,單趟為100ns因此Cable的長度大約為:

\(2.5 \times 10^{8} \times 200n \times \frac{1}{2}=25 \; m \)

上面計算出來的答案與實際的Cable長度差不多,我沒有實際拿尺測量,因為實際的Cable路徑有點曲折很難Follow,我只能拿著平面圖大概估算一下,我認為是相符的。當然不是每間廠商都會標示L/C的值,所以你可以先拿個5公尺的cable測量一下反射的時間,再以此計算整段cable的距離,這樣是最準的,如果Pulse越窄,說不定拿個1公尺的Cable就能辨認入射波與反射波了。

這種TDR儀器其實市面上都有,只不過久久才會需要用到一次,買了似乎不划算,我是都自己用儀器兜個土炮Solution,可以用就好。

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5 Comments

  1. 這樣還叫土炮,助教真是太客氣了。
    請問能以這方式辨認出 50ohm 與 75ohm 的差別嗎?看不到或是對纜線表皮字樣存疑的話。

    • 感謝您的抬舉
      這方法可以辨認出50/75 ohm
      阻抗若沒有匹配 會有較小的反射波出現

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