【實作實驗室】分配器效能測試

Posted By StrongPiLab on 12 月 30, 2024 in 實作派StrongPiLab, 案例研究 | 0 comments

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作者：實作派

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 5 MHz~2300 MHz，而有線電視的頻率範圍大約在 1000 MHz 以下，所以這顆是適用的。

分配器 Splitter（圖片來源：實作派提供）

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 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【實作實驗室】反射率 S11 實測，混搭阻抗在 Smith Chart 有哪些變化？。

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 以減少反射，如下圖 Matching PAD 上方是 F type 75 ohm，下方是 N type 50 ohm，一旦加了 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 7.5 dB 的衰減，這在將來觀察圖表的時候，要記得將它補回去。

Matching PAD（圖片來源：實作派提供）

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，為什麼要買個 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 5 MHz~2300 MHz，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【實作實驗室】高頻電路的好幫手 — 史密斯圖怎麼用？。

分配器的 S11 頻率響應（圖片來源：實作派提供）

根據 S11 的 Magnitude 圖，各位可以發現 S11 衰減量大約落在 20 dB~30 dB 之間，如果考慮 Matching PAD 的衰減量，一來一往大約衰減 11.4 dB，所以這個分配器Port 1實際的 S11 大約是 10~20 dB 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。

Through 的校正選單（圖片來源：實作派提供）

S21 插入損失測量

做完 Through 的校正後，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 3.5 dB 上下，所以這個分配器外殼的標示 3.5 dB 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。

分配器 S21 的頻率響應圖（圖片來源：實作派提供）

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，為什麼要測量衰減量？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。