高频通道基本概念(第三版).doc

高频通道基本概念一、电平的基本概念电路中任一点的功率P1和另一点的功率P2之比的对数，称之为电平（相对电平）。电平表示信号功率的强弱，被测信号的电平高表示电信号强；电平低表示电信号弱。电平的单位是分贝（dB）。电路中两点功率之比值的常用对数（10lgP1/P2）称为电平的分贝值，这种关系的电平值称为相对电平。在实际工作中，通常以某点的功率作为零电平（0dB），然后把其它点的功率与零电平功率相比并取常用对数，这个电平值称为绝对电平，简称电平。 当某点的功率大于lmW时，绝对电平为正值；某点的功率等于lmW时，绝对电平为零；某点的功率小于lmW时，绝对电平为负值。 电平的测量实际上是以交流电压测量来实现的，因此，虽然电平是以功率比取对数来定义的，但它可以变换成电压的测量。由于零功率电平是在600W负载上获得lmW功率时的电平，则零功率电平时负载上的电压，这个电压数值就是零电平电压，因此电压（绝对）电平： （dB）式中，Vx为某点的电压值，单位为V。1. 功率绝对电平电路中某测试点的功率Px和标准比较功率P0（P0=1mW）之比取常用对数的10倍，称之为该点的功率绝对电平，此时电平的单位为dB。 dB 2. 电压绝对电平当U0=0.775V在600欧姆电阻上的功率为1mW，则测量电压U1与U0相比得到的电平称之为绝对电压电平电路中某测试点的功率Ux和标准比较电压U0（U0=0.775V）之比取常用对数的20倍，称之为该点的电压绝对电平，此时电平的单位为dB。 dB 因为1mW的功率在600欧姆负载上所需的电压约是0.775V，所以我们选U0=0.775V作标准比较电压3. 功率电平与电压电平的关系dB 当Z=600欧姆时 dB当Z= 75 欧姆时 dB电平的本质是测量能量强度的单位。工程中为了计算方便，根据电压电平与功率的电平的关系，常常在实际负载接近额定负载时近似的用电压电平进行计算。但是从式中可以看到，Z的改变将引起功率电平的改变，也就是说，即使U未改变而Z变化时，功率电平也将改变。比如一个信号源（如振荡器）在空载时，功率电平是负无穷；在接75欧姆负载时，则功率电平比电压电平大9dB。所以在测量高频通道时，若实际负载与额定负载相差较大，上述近似计算就将产生较大的误差。为了更好的体现电压（V）、功率（w）、电压电平和功率电平与负载阻抗的关系，我们在表1列举了在负载上施加27.7V时，不同负载得到的功率（w）、电压电平、功率电平及电平间的差值。而图1表示的是电压电平与功率电平的差值与负载阻抗的函数关系。表1 电压（V）、功率（w）、电压电平和功率电平与负载阻抗的关系z()U(V)P(W)LU(dBV)LP(dBm)L(dB)2027.4 37.5 31.0 45.7 14.7 4027.4 18.8 31.0 42.7 11.7 6027.4 12.5 31.0 41 10 7527.4 10.0 31.0 40 9 10027.4 7.5 31.0 38.7 7.7 12027.4 6.3 31.0 38 7 15027.4 5 31.0 37 6 30027.4 3 31.0 34 3 60027.4 1.3 31.0 31 0 120027.4 0.6 31.0 28 -3 图1 4. 其它计量单位奈培（Np）在实际应用中，还常常采用功率或电压之比的自然对数表示电平，单位为奈培（Np）， 显然 1Np8.686dB二、阻抗的基本概念1. 阻抗的定义在一般状态下的导体，多少都存有阻止电流流动的作用，而表示其阻止程度者，称为“电阻”，单位值是“欧姆”，代号为“”。在交流电路中，除电阻外，还有电感和电容等皆有阻碍电流作用，通常将阻止交流电流作用的部分，总称为“阻抗”。对高频信号，它的阻抗显然应包括电阻和电抗两部分。但是，若同时考虑电阻和电抗，显然会造成数学模型和计算的复杂化。实际上，在设计频带内高频加工设备的电抗远小于电阻，因而在工程应用时，我们假设高频加工设备在设计频带内只有电阻而没有电抗。这样，我们对于阻抗和频率的计算就可以用如下公式： () (W) 必须注意的是，在设计频带外，高频加工设备的电抗与电阻是可比的，此时公式、将不再适用。2. 四端网络任何复杂的电气网络，如果有且只有四个端子与外部连接。且其中一对端子为电能的输入端,i 另外一对端子为电能的输出端，则这样的网络称为四端网络。 四端网络内部无电源者称无源四端网络，如结合滤过器、高频电缆等。四端网络内部有电源者称有源四端网络。图23. 特性阻抗特性阻抗是一个仅与四端网络的结构元件参数有关的物理量，与它的输出端所接负载阻抗无关。一个对称四端网络，从两侧看进去时它们的特性阻抗是相等的。一个不对称的四端网络，从两侧看进去它们的特性阻抗是不相等的。经计算表明，假定在输出端接入一个与本端特性相等的负载阻抗，则输入端的负载阻抗与本端的特性阻抗相等。这时负载可以得到最大功率，称为阻抗匹配连接。当接入一个与输出端的特性阻抗不相等的负载时，则输入端口的输入阻抗要随负载阻抗的变化而变化。4. 波阻抗输电线作为最主要的加工设备，它的特性阻抗又被称为波阻抗。波阻抗的计算公式是：可见，输电线的波阻抗与 有关。5. 输入阻抗在数值上等于负载(无源)的输入电压与输入电流之比。它表示负载的大小。 图36. 输出阻抗在数值上等于等效电源的内阻(或者说在数值上等于等效电源的电动势为零时从输出端子看进去的输入阻抗)。图47. 匹配当电源的输出阻抗等于负载的输人阻抗时，负载上可取得最大功率，这时电源与负载称为匹配连接。在下图中，负载上得到的功率为:由此可知当RSRL 时，负载上可得到最大功率。如果电源内阻不是纯电阻，那么负载阻抗的绝对值除了应与电源的内阻抗绝对值相等外，且电抗符号应相反。图5在高频通道的传输中，阻抗匹配很重要，否则在接收端就不可能收到最大的功率信号。如结合滤过器的参数设计，不仅要与高压输电线的高频参数匹配，还要与高频电缆的高频参数匹配就是这个道理。实际上，高频通道是由电源（包括内阻）、负载和多个四端网络共同组成的。在高频通道的各联接处望向电源侧（发信侧），自然有一个等效的输出阻抗；而望向负载侧（收信侧），自然有一个等效的输入阻抗。如果忽略电抗的话，若输入阻抗与输出阻抗相差不大，我们就认为在这一点上高频通道是近似匹配的。若高频通道每一点都满足近似匹配，则高频通道就是匹配的。图6在高频通道中，我们可以通过测量阻抗判别各元件的参数是否符合设计值，从而确定该元件是否与通道的其他元件匹配。一般情况下，误差在10以内是可以接受的。但由于一个完整的高频通道是由多个元件所组成的，这就存在累积误差的可能。也就是说，从收发信机往出去，输入阻抗可能超过100甚至120欧姆，而收发信机内阻只有70欧姆。此时必然有较大的反射。但具体每个元件的特性阻抗可能都不超过10（82欧姆）的误差范围。8. 输入阻抗测定因为现场一般无高频电流表，一般采用外加电阻R1，通过测量外加电阻的电压间接测量电流，进而求得输入阻抗。图8图7当R1两侧均不接地时（如图7），应用选平电平表（或高频电压表）的平衡档测量R1上的电平（电压），而R2上的电平（电压）则既可用不平衡档测量，也可用不平衡档测量。现场若无平衡表计，则应按图8接线，此时可用不平衡档测量R1的电平，但须注意此时信号源不能接地。注：平衡档可测量任意两点之间的电压电平。两测试线是对地悬空且不分极性的。而同轴（不平衡）档则只能测量某点对地的电压电平，且需要注意测试线的极性，因为其中一条线（多为黑线）是接地的。因而在测量均不接地的两点或反极性测量某点电平时，会造成回路接地，测得的数据也是错误的。9. 输出阻抗的测量输出阻抗为信号源内阻，一般由厂商给予。对于收发信机来说，在发信时其信号源，其内阻自然是输出阻抗，但在接收信号时又是负载，其内阻自然是输入阻抗。近年来，常常发现由于收发信机内阻与额定值（75欧姆）相差较远造成通道严重不匹配的情况，值得大家注意。因此，有必要测量收发信机作为负载时的输入阻抗。10. 特性阻抗的测量图9特性阻抗测试图见图当S打开时，测得四端网络A侧的输入阻抗为ZK当S闭合时，测得四端网络A侧的输入阻抗为Z0则该四端网络A侧的特性阻抗为:四、衰耗的基本概念1. 衰耗衰耗是表征不同测试点之间或同一测试点不同状态下功率电平变化的指标。因此，衰耗的测试必须使用功率电平为基准，如实测为电压电平就必须转换为功率电平。1) 工作衰耗bw工作衰耗bw为当负载阻抗RL 与电源阻抗Rs 相等并直接相连时，负载RL所得的最大接收功率（Pmax）与经过四端网络后负载R所得功率(P2）,取Pmax 与P2之比的常用对数的十倍称为工作衰耗。图10负载直接与电源相连接及经四端网络与电源连接图图11 测量工作衰耗接线图（1）电压表法。接入四端网络后负载所得功率（2）电平表示法。当R=Rs时，则 dB工作衰耗能反应各环节的固有衰耗及匹配情况，表示电源功率经四端网络传输时被利用的程度。计算公式和试验方法一定要弄清楚。值得注意的是，收发信机并不是一个电压源，也就是说，负载不同时收发信机的信号幅度（U1）也不同。所以不能利用收发信机作为信号源测量工作衰耗。2) 传输衰耗bt传输衰耗为接人四端网络后，输人端与输出端的相对电平。 dBPi输入功率Po输出功率图12 测量传输衰耗接线图 (1)电压表法。 （2） 电平表法传输衰耗与信号源的内阻大小无关，只反映四端网络的传输衰耗，在通道异常时，可以用来检查四端网络好坏的。3) 分流衰耗bdi分流衰耗bdi 是某一回路在无分支回路时和有分支回路Rb 时，二者在负载上所得功率之比的常用对数的10倍。图14图13 (1)电压表法。 dB(2)电平表法 dB在实际的高频通道或高频回路中，往往存在多个高频元件并接的情况。如：阻波器、高频差接网络，多台载波机并机等。这是因为并接的几个元件的带通频带是不一样的。通过测量分流衰耗可以判断并接元件特性的好坏。对于高频保护通道，最多的是利用分流衰耗检查阻波器的特性。当分流衰耗大于2dB时，阻波器就可能需要吊检了。4) 回波衰耗brt一个内阻为Zs 的电源和阻抗为ZL 的负载相连。在连接点将会产生电压和电流的反射.则：反射系数为：电压和电流反射回电源产生的损耗称回波衰耗。则回波衰耗为： dB回波衰耗的大小可以表示阻抗匹配的程度。它是ZS/ZL的一个函数。当ZS/ZL越接近1时，brt当越大，匹配程度越好。反之，则brt 越接近零，匹配越差。5) 反射衰耗brf反射衰耗是根据负载阻抗R不等于电源内阻RS；时所引起的能量反射确定的衰耗。当R=RS时，负载电阻分配到的功率当R=RS时，负载电阻分配到的功率 则反射衰耗为： dB因而反射衰耗的大小与阻抗的不匹配程度有关，如果R=RS时6) 跨越衰耗在高频信号的传输中，由于本通道与相邻通道之间有耦合作用，在相邻通道中常常可测到本通道的信号。跨越衰耗是指相邻通道之间的衰耗，数值为相邻通道测试点之间的相对功率电平值。如图，AB两相的同向相邻通道的跨越衰耗为：图15近端：远端：图16不仅同向相邻通道之间有跨越衰耗，反向相邻通道同相或不同相间也有跨越衰耗。如图,则跨越衰耗为：众所周知，变电站的跨越衰减与与线路间的跨越衰减是不同的，线路之间的跨越衰减主要决定于到线路的相对位置的排列和换位情况，串扰信号是经过电磁和静电耦合传到被串通道的。而变电站近端跨越衰减值，主要决定于变电站内各种电气设备的高频特性、母线的结构和尺寸。串扰信号主要以耦合形式传送至被串通道。而对连接在同一母线不同出线或同一出线不同相线之间的衰耗的大小，主要取决于变电站的母线耦合程度。不同线路上是否装设阻波器或同一出线的不同相线上是否装设阻波器以及阻波器阻塞性能的好坏，将直接影响变电站近端跨越衰耗的大小。因此，应用这一原理，可以在任何不停电的情况下，测量检查阻波器运行中的阻塞特性。高频测试实务1. 电平表的刻度和电平表的使用一般说来，电平表实质上就是电压表，但它不是以电压单位“伏”为单为刻度，而是以“分贝”为单位刻度的。由于引入电平表输人端的量是电压值，并且以的原则进行刻度的，即0dBu 对应的输入电压值为0.775V，因而测量得到的值为电压的绝对电平。若已知该点的电压电平Lu，则该点的电压值为这种测量与被测点的阻抗无关，也就是说无论阻抗为多少值，只要电压数值相等，测得的电平值总相同。若要知该点的功率电平，则要用式计算。使用电平表时，应注意设置其内阻，一般电平表的内阻有7 5,150，600 欧姆和高阻四档。常用的测试方法有跨接测量和终端测量两种。根据不同的测试项目选用不同的内阻。使用电平表时，还应注意应使用选频档，决不能用宽频测量。使用电平表时，还应注意同轴（不平衡）与平衡的区别。平衡口可测量任意两点之间的电压电平。它是对地悬空的。而同轴（不平衡）口则只能测量某点对地的电压电平，且需要注意测试线的极性，因为其中一条线（多为黑线）是接地的。因而在测量均不接地的两点或反极性测量某点电平时，会造成回路接地。因而测得的数据也是错误的。附：1 跨接测量法将电平表放高阻挡，跨接在被测物两端，如图所示。不论使用电平表还是使用电压表测量，都要注意接地点问题。在下图中，“1表”、“3表”、“4表”可使用一般真空管电压表或不平衡输入电平表测量。但“2”表就不能用不平衡表计,而一定要使用平衡输入式表计测量，因为被测两点均不接地。图18终端测量图17跨接测量注意：需要接地的测量仪表，应将接地点直接接地网,不能几台仪器并起来接地，否则会因杂散电流的影响造成误差，特别是测量小信号时影响更大。在日常使用中，建议使用高频选频表的平衡选频档测量，以减小干扰。2 终端测量法将被测物断开，用电平表代替被试物，使电平表内阻等于被试物的输入阻抗，如下图。在高频通道的测量中，被试物的输入阻抗是往往未知数，而且一般不与电平表内阻匹配，故多不采用此法。但在通信设备的调试工作中因载波机的各级输入阻抗一般为已知数并与表计内阻相符因此可以采用之。在以后的电平测量中，若无特殊说明，电平测量均指跨接测量。2. 高频通道测试盒的介绍从以往的经验中发现，当高频通道异常时，如何正确的检查高频高频通道时继保人员的一个难题。而正确的检查方法除了需要选平电平表和高频振荡器外还需要合适的无感电阻和电容。包括：5欧姆无感电阻75欧姆无感电阻300欧姆无感电阻400欧姆无感电阻5000PF电容然而，很多情况下，各单位没有配备上述元件。为了各单位更好的维护高频通道，现将上述元件集成在高频通道测试盒供各单位使用。图19图205欧姆无感电阻 用于在回路中附加一小电阻，通过测量这个小电阻的电压进而求得回路中的电流。75欧姆无感电阻在测量衰耗的时候，300欧姆无感电阻400欧姆无感电阻5000PF电容3. 输入阻抗测试详细步骤仪器仪表准备：选频电平表、高频振荡器、5欧姆无感电阻（高频测试盒）表计设置选频电平表内阻：高阻测量范围：选频测量接口：同轴（不平衡）或平衡（建议使用平衡）高频振荡器内阻：75欧姆或0欧姆测试步骤：1.校准表计后按下图接线图212.调整振荡器的发射频率和功率，输出信号。3.使用选频电平表测试待测设备两端的电压电平(A1、A2点之间)。应注意：a）若使用同轴（不平衡）测量，应将正极侧（红线）接在A1处，将地线（黑线）接在A2处。b）若使用平衡接口测量，两条测试线可不分极性的接在A1、A2处，地线悬空。C）选频电平表的量程应设在最大档位，然后逐级降低量程，防止表计受到冲击毁坏。4. 使用选频电平表测试比较电阻(R)的电压电平(B1、B2点之间)。应注意：a）若使用平衡接口测量，两条测试线可不分极性的接在B1、B2处，地线悬空。b）若使用同轴（不平衡）测量，应按照下图2重新接线,再将正极侧（红线）接在B1处，将地线（黑线）接在B2处。图22C）选频电平表的量程应设在最大档位，然后逐级降低量程，防止表计受到冲击毁坏。5. 根据公式计算被测设备的输入阻抗。6. 四段网络的特性阻抗，可通过分别测量本侧的的输入阻抗求得本侧的四端网络的特性阻抗。ZT ：特性阻抗，ZK ：四端网络对侧开路时本侧的输入阻抗 Z0 ：四端网络对侧短路时本侧的输入阻抗 图234. 四端网络传输衰耗测试详细步骤仪器仪表准备：选频电平表、高频振荡器、两个高频测试盒(包括5欧姆无感电阻、75欧姆无感电阻、300欧姆无感电阻、400欧姆无感电阻、5000PF电容)表计设置1.选频电平表内阻：高阻测量范围：选频测量接口：同轴（不平衡）或平衡（建议使用平衡）2高频振荡器内阻：75欧姆或0欧姆电源内阻为75欧姆四端网络传输衰耗测试步骤：1. 校准表计后按下图接线，振荡器侧的75欧姆内阻可使用振荡器自身的内阻（此时振荡器内阻档打在75欧姆），也可外接75欧姆无感电阻作为内阻（此时振荡器内阻档打在0欧姆）。图242. 调整振荡器的发射频率盒功率，输出信号。3. 测量输入四端网络的电压电平，建议使用平衡测量。a）若使用同轴（不平衡）测量，应将正极侧（红线）接在A1处，将地线（黑线）接在A2处。b）若使用平衡接口测量，两条测试线可不分极性的接在A1、A2处，地线悬空。C）选频电平表的量程应设在最大档位，然后逐级降低量程，防止表计受到冲击毁坏。4. 测量四端网络输出的电压电平，建议使用平衡测量。a）若使用同轴（不平衡）测量，应将正极侧（红线）接在C1处，将地线（黑线）接在C2处。b）若使用平衡接口测量，两条测试线可不分极性的接在C1、C2处，地线悬空。C）选频电平表的量程应设在最大档位，然后逐级降低量程，防止表计受到冲击毁坏。5. 测量附加电阻的电压电平，建议使用平衡测量。a）应用平衡接口测量，两条测试线可不分极性的接在B1、B2处，地线悬空。b）选频电平表的量程应设在最大档位，然后逐级降低量程，防止表计受到冲击毁坏。6. 测量四端网络负载的输入阻抗，按照前面的测试方法测试。7. 按照下列公式计算传输衰耗。8. 电源的内阻不为75欧姆时，应按照实际情况外接无感电阻。5. 高频通道异常时应测试项目当收发信机出现“3db”报警后，继保人员不允许盲目地减少收信插件的衰耗来复归报警信号，而必须详细地检查高频通道（两侧同时）各点收发信电平，查找衰耗增大的原因，与以往的实测值比较，逐个排除故障，使通道恢复正常运行状态。通道检查简单项目如下：1、收发信机收发信电平检查（所有检查全部采用电压电平。选频表用选频档、高阻挡，决不能用宽频测量）（1）在发信机输出电缆端，用选频表测量收发信电平。图25（2）将发信机切到75负载(R)上，测出发信电平，将通道切在75负载(R)上测出收信电平。（3）如果通道上的收发信电平与在75负载(R)上的收发信电平误差大于2db以上，说明存在通道输入阻抗或收发信机输入阻抗不匹配。图262、通道输入阻抗检查（1）在发信机输出电缆芯中串入55W电阻（可用高频电流表）用发信机发信，测出发信电平P1，测出5电阻上电平PR，然后算出通道输入阻抗。图27注意测量PR时选频表用平衡高阻测量，以减小误差。电压表法： 电平表法：（2）由发信机发信，在场地结合滤波器电缆侧测出发信电平，记下发信机，及电缆侧电平，两点电平误差大于2db时，将接在结合滤波器上的电缆拆开，并上7520W无感电阻，由发信机发信，用电平表测出P1、P75、P1-P75应小于2db（若电缆回路中串有分频器，差接网络时，此值应加上分频器衰耗约1db差接网络衰耗约4db）。如果误差较大，应检查高频电缆的绝缘电阻，（用1000V摇表，应在100M以上）。直流电阻。注：通常使用的高频电缆为SYV-100-7或是SYV-75-9结构一样，阻抗不一样，只是芯线的粗细，100的为10.68mm，75的为11.3mm，直流电阻约50/km，约13.6/km，一般衰耗值500KHZ-200KHZ3.3db/km、200KHZ-400KHZ4.5db/km图283、结合滤波器检查（1）由发信机发信，选频表测量滤波器二次侧及一次侧收发信电平，根据电缆与输出线路阻抗匹配关系，结合滤波器阻抗变格为电缆侧ZC2=75线路侧为ZC1=400（或300）， 此