同轴线缆特性阻抗的介绍及测量

同轴线缆特性阻抗的介绍及测量
特性阻抗是长线传输中的概念，通常用来衡量高频领域下系统的对信号的传输能力大小。

对于低频线路，根据欧姆定律：R=U/I 。

在高频下，还需要计算信号的波动性，反映传输线任一点特性的参量为反射系数τ和特性阻抗Z，因为传输线上的阻抗不可能始终为一个恒定的值，即阻抗不连续，在这些阻抗变化的点就会产生波的反射，任意传输线上的波均是由入射波和反射波的叠加组成，区别在于入射波与反射波成分的不同。

因此，传输线有两种极限状态：
1. 无反射波，反射系数=0，称之为行波状态或匹配；
2. 全反射，反射系数模=1，称之为驻波状态。

传输线上任意点Z’上的反射系数τ(z’)与特性阻抗Z(z’)的关系如下：
其中：
Z0：负载阻抗
传输线上任一点都可以等效为一段匹配线路与一个阻抗为Z’的负载，特性阻抗即为负载上入射波电压与入射波电流之比，类似地，特性阻抗也等于反射波电压与反射波电流之比：
根据阻抗计算公式：
其中：
Z：特性阻抗
R：电阻
L：电感
G：电导
C：电容
j：复数虚部
w：2πf（f=频率）
可知特性阻抗是一个与频率相关的复数。

FAKRA匹配的线路为同轴线缆，在实际应用中，同轴线缆的阻抗可以按如下公式计算：
其中：
Z：特性阻抗
εr：绝缘体的相对介电常数
D：外导体内径
d：内导体外径
可以通过调节连接器及线缆的结构及材质来限制特性阻抗，但FAKRA连接器的导体与线缆需要通过压接装配在一起，这势必会导致连接部位的尺寸变化，因此对于完整的线缆组件，我们也需要验证其特性阻抗是否满足也在规定的范围之内。

阻抗特性测试使用“时域反射法”，特性阻抗分析仪本质上是“高速脉冲源+高宽带取样示波器”模块的有机结合并辅以复杂的校准算法。

如下图所示，测试时通过带宽测试探头向被测线缆组件输入高速脉冲信号，取样接头接受反射信号，采样得到其反射电压，因为入射的阶跃脉冲的幅度是已知的，这样就可以计算出被测线路的反射系数τ，而仪器的输出阻抗为50Ω，根据上述公式，可以计算出反射点的特性阻抗值Z。

罗森伯格实验室现在使用的测试仪器为Keysight公司(是德科技)的E5071C TDR矢网分析仪，测试范围可达300KHz~20GHz，可以满足SAE/USCAR-2, ISO 20860, LV214,等各类汽车行业标准的参数测试要求。