原位测试双导体形式线缆的宽频带传输线参数的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种线缆的传输线参数测试方法，所获取的参数用于与线缆耦合相关 的电磁兼容整改分析与故障诊断中，属于电磁兼容技术领域。
【背景技术】
[0002] 双导体形式线缆指传输横电磁波或准横电磁波的宽频带传输线，包括平行双线、 同轴线、单芯屏蔽线等。传输线参数指传播常数与特性阻抗。
[0003] 当设备或系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，90%是线缆的原因（何宏，张 宝峰，张大建，孟晖等.电磁兼容与电磁干扰[M].北京：国防工业出版社，200744~45)。线缆 成为电磁兼容整改分析与故障诊断过程中的主要研究对象，而线缆的传输线参数是必需的 输入条件。然而，线缆厂家不直接提供传输线参数，且其提供的信息也不足以计算传输线参 数，因此必须通过测试获取。此外，很多设备或系统的线缆均是已安装固定好的，拆卸成本 大，原位测试线缆传输线参数十分必要。
[0004] 现有的原位测试双导体形式线缆传输参数的方法主要有两类：
[0005] 第一类为相量测量法，相量即包含幅值和相位的量，该方法在线缆两端加装相位 测量装置，并使用GPS模块进行同步定位，这样便可测到线缆两端的电压相量与电流相量， 再利用传输线理论公式即可得出传输线参数。
[0006] 第二类为开路-短路法，即令线缆一端开路，测另一端的开路输入阻抗;再令线缆 一端短路，测另一端的短路输入阻抗。线缆的开路输入阻抗、短路输入阻抗与传输线参数有 相应的转换关系式，将测得的阻抗值通过关系式的计算即可得出传输线参数。
[0007] 第一类方法适用于电力系统的超长输电线，所获取传输线参数的频率在Hz量级， 测量装置也不是电磁兼容实验室的常备仪器;第二类方法所获取传输线参数的频率不超过 几十MHz量级，频率升高后，由于该类方法不能完全消除测试中使用的连接器的影响，结果 会出现严重偏差。
【发明内容】
[0008] 为了获取双导体形式线缆的传输线参数，本发明提出一种易于工程操作、频率可 达百MHz量级的原位测试方法。该测试方法所需使用的部件为:矢量网络分析仪及其配套的 校准件、连接线和连接器。首先，将连接线接到矢量网络分析仪进行校准，以消除后续测试 中连接线的影响;校准后，将被测线缆一端与连接线相连，另一端与校准件相连，进行单端 口散射参数测试;然后，利用测试到的单端口散射参数与校准件的单端口散射参数，计算出 未消除连接器影响的被测线缆的双端口散射参数;最后，根据连接器的影响原理，通过参数 优化过程得到消除连接器影响后的双端口散射参数，进而可计算出被测线缆的传输线参 数，用于与线缆相关的电磁兼容分析。
[0009] 本发明原位测试双导体形式线缆的宽频带传输线参数的方法，包括有下列步骤：
[0010] 步骤一:矢量网络分析仪接连接线进行校准；
[0011] 将连接线接到矢量网络分析仪的1端口，利用校准件进行单端口校准，从而消除后 续测试中连接线的影响；
[0012] 步骤二:对被测线缆进行单端口散射参数测试；
[0013] 校准后，将连接线与被测线缆的一端相连，被测线缆的另一端与校准件相连。在校 准件为开路、短路、50欧姆负载三种情况下分别进行单端口散射参数测试；
[0014]步骤三:计算未消除连接器影响的被测线缆的双端口散射参数；
[0015]整个测试系统为级联系统，利用级联系统各部分散射参数的关系，计算出未消除 连接器影响的被测线缆的双端口散射参数；
[0016]步骤四：消除连接器的影响；
[0017]连接器在频率较高时，带来明显的相移与不连续效应，使结果出现严重偏差。此影 响可以用两组参数表示，通过这两组参数的优化过程得到不含连接器影响的被测线缆双端 口散射参数，最后将双端口散射参数转换为被测线缆的传输线参数。
[0018] 本发明测试方法的优点在于：
[0019] (1)本发明测试方法在获取线缆的传输线参数时，不需将线缆双端同时连接到测 试仪器，而是采用单端口测试，因此免去了对已安装线缆进行拆卸及重新安装所带来的额 外工程量，测试过程方便快捷。
[0020] (2)测试所使用的仪器为矢量网络分析仪，该仪器为工程与实验室常用仪器，测试 条件简单。
[0021] (3)测试中附加使用的连接器与连接线无特殊的长度与型号要求，只需根据测试 操作所需进行选取。
[0022] (4)本发明方法消除了连接器的影响，可以在百MHz频率范围内较准确地获取线缆 的传输线参数。
【附图说明】
[0023] 图1是矢量网络分析仪接连接线进行校准的连接示意图。
[0024]图2是对被测线缆进行单端口散射参数测试的连接示意图。
[0025] 图3是本发明方法得到的、未消除连接器影响的与标称的三种传输常数结果的对 比图。
[0026] 图4是本发明方法得到的、未消除连接器影响的与标称的三种特性阻抗结果的对 比图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0028] 本发明针对双导体形式线缆，在较宽频率范围内通过原位测试获取线缆传输线参 数，用于电磁兼容分析。本发明方法所需使用的部件为：矢量网络分析仪及其配套的校准 件、连接线和连接器。其中，连接线为特性阻抗是50欧姆的同轴线，使用的目的是方便测试 仪器与被测线缆的连接，长度和型号无特殊要求;连接器也是同轴形式，用于连接线与被测 线缆、被测线缆与校准件之间的连接，型号无特殊要求。所述测试仪器和校准件为矢量网络 分析仪及其配套的校准件。
[0029] 本发明原位测试双导体形式线缆的宽频带传输线参数的方法，包括有下列步骤：
[0030] 步骤一:矢量网络分析仪接连接线进行校准；
[0031 ]如图1所示，将连接线接到矢量网络分析仪的1端口。把校准件的开路端口与连接 线的空闲端相连，进行1端口开路校准;再把校准件的短路端口与连接线的空闲端相连，进 行1端口短路校准;最后把校准件的50欧姆负载端口与连接线的空闲端相连，进行1端口 50 欧姆负载校准。这样便完成了单端口校准，后续测试的结果将不受连接线的影响。
[0032]步骤二:对被测线缆进行单端口散射参数测试；
[0033]校准后，保持连接线与矢量网络分析仪的连接不变。如图2所示，将连接线的空闲 端通过连接器与被测线缆的一端相连，被测线缆的另一端通过连接器与校准件的开路端口 相连，在矢量网络分析仪中设置好所需的频段和频点数(频点数设为η)后，进行单端口散射 参数测试，得到η个测量值，后续计算中使用到相应频点处的测量值时，用Sn+op表示；接 着，上述连接与设置不变，仅把校准件的开路端口换为短路端口，再次进行测试，得到η个测 量值，后续计算中使用到相应频点处的测量值时，用Sn+short表示;最后，上述连接与设置不 变，仅把校准件的短路端口换为50欧姆负载端口，再次进行测试，得到η个测量值，后续计算 中使用到相应频点处的测量值时，用Sn_ 5Q表示。
[0034] 步骤三:计算未消除连接器影响的被测线缆的双端口散射参数；
[0035] 图2中虚线框内部分的双端口散射参数记为^^^"^。'^。'^^，即未消除连接 器影响的被测线缆的双端口散射参数，在每个频点处利用下式计算：
[0037] 步骤四：消除连接器的影响；
[0038] 被测线缆两端连接器的影响主要为相移和不连续性，用两组参数表示:ajPU，a2 和L2。这两组参数的值是待确定的，通过下面的参数优化过程得出。
[0039] 首先，在每个频点处将被测线缆的未消除连接器影响的双端口散射参数[S'n， S' 12，S'21，S'22]，转换为未消除连接影响的双端口传输参数[Τ' η，Τ'12，Τ'21，Τ'22]:
[0041]然后，设定a#Pa2的取值范围为：（以厘米为单位的连接器长度±0.5)X1(T1Q，设定 LjPL2的取值范围：0~ΚΓ8,上述的两组参数的取值范围可以根据经验或优化结果调整。 ai、 &2山、1^在各自的取值范围内取值，这样将有很多组合情况，通过下面的计算去掉不满足要 求的取值组合，选出最优的取值组合：
[0042]在测试的每个频点(频率表示为f，ω为角频率)处计算：
[0048]其中，[Τιι，Ti2，T2i，T22]和[Sii，S12，S21，S22]分别是经ai、a2、Li、L2tfc化后的被测线缆 的双端口传输参数和双端口散射参数。d和Z。是两个中间变量。
[0049] (1)去掉不满足要求的取值组合。将所有频点处的d加起来， 设定的阈值，则相应的取值组合保留，否则去掉。阈值可先设为3，若没有取值组合能够满足 该阈值要求，则增大阈值;若最终优化的参数结果不能满足要求，则减小阈值。