原位測試雙導(dǎo)體形式線纜的寬頻帶傳輸線參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種線纜的傳輸線參數(shù)測試方法，所獲取的參數(shù)用于與線纜耦合相關(guān) 的電磁兼容整改分析與故障診斷中，屬于電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙導(dǎo)體形式線纜指傳輸橫電磁波或準(zhǔn)橫電磁波的寬頻帶傳輸線，包括平行雙線、 同軸線、單芯屏蔽線等。傳輸線參數(shù)指傳播常數(shù)與特性阻抗。
[0003] 當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時(shí)，90%是線纜的原因（何宏，張 寶峰，張大建，孟暉等.電磁兼容與電磁干擾[M].北京：國防工業(yè)出版社，200744~45)。線纜 成為電磁兼容整改分析與故障診斷過程中的主要研究對象，而線纜的傳輸線參數(shù)是必需的 輸入條件。然而，線纜廠家不直接提供傳輸線參數(shù)，且其提供的信息也不足以計(jì)算傳輸線參 數(shù)，因此必須通過測試獲取。此外，很多設(shè)備或系統(tǒng)的線纜均是已安裝固定好的，拆卸成本 大，原位測試線纜傳輸線參數(shù)十分必要。
[0004] 現(xiàn)有的原位測試雙導(dǎo)體形式線纜傳輸參數(shù)的方法主要有兩類：
[0005] 第一類為相量測量法，相量即包含幅值和相位的量，該方法在線纜兩端加裝相位 測量裝置，并使用GPS模塊進(jìn)行同步定位，這樣便可測到線纜兩端的電壓相量與電流相量， 再利用傳輸線理論公式即可得出傳輸線參數(shù)。
[0006] 第二類為開路-短路法，即令線纜一端開路，測另一端的開路輸入阻抗;再令線纜 一端短路，測另一端的短路輸入阻抗。線纜的開路輸入阻抗、短路輸入阻抗與傳輸線參數(shù)有 相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，將測得的阻抗值通過關(guān)系式的計(jì)算即可得出傳輸線參數(shù)。
[0007] 第一類方法適用于電力系統(tǒng)的超長輸電線，所獲取傳輸線參數(shù)的頻率在Hz量級， 測量裝置也不是電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的常備儀器;第二類方法所獲取傳輸線參數(shù)的頻率不超過 幾十MHz量級，頻率升高后，由于該類方法不能完全消除測試中使用的連接器的影響，結(jié)果 會出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了獲取雙導(dǎo)體形式線纜的傳輸線參數(shù)，本發(fā)明提出一種易于工程操作、頻率可 達(dá)百M(fèi)Hz量級的原位測試方法。該測試方法所需使用的部件為:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及其配套的 校準(zhǔn)件、連接線和連接器。首先，將連接線接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除后續(xù)測試 中連接線的影響;校準(zhǔn)后，將被測線纜一端與連接線相連，另一端與校準(zhǔn)件相連，進(jìn)行單端 口散射參數(shù)測試;然后，利用測試到的單端口散射參數(shù)與校準(zhǔn)件的單端口散射參數(shù)，計(jì)算出 未消除連接器影響的被測線纜的雙端口散射參數(shù);最后，根據(jù)連接器的影響原理，通過參數(shù) 優(yōu)化過程得到消除連接器影響后的雙端口散射參數(shù)，進(jìn)而可計(jì)算出被測線纜的傳輸線參 數(shù)，用于與線纜相關(guān)的電磁兼容分析。
[0009] 本發(fā)明原位測試雙導(dǎo)體形式線纜的寬頻帶傳輸線參數(shù)的方法，包括有下列步驟：
[0010] 步驟一:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接連接線進(jìn)行校準(zhǔn)；
[0011] 將連接線接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口，利用校準(zhǔn)件進(jìn)行單端口校準(zhǔn)，從而消除后 續(xù)測試中連接線的影響；
[0012] 步驟二:對被測線纜進(jìn)行單端口散射參數(shù)測試；
[0013] 校準(zhǔn)后，將連接線與被測線纜的一端相連，被測線纜的另一端與校準(zhǔn)件相連。在校 準(zhǔn)件為開路、短路、50歐姆負(fù)載三種情況下分別進(jìn)行單端口散射參數(shù)測試；
[0014]步驟三:計(jì)算未消除連接器影響的被測線纜的雙端口散射參數(shù)；
[0015]整個(gè)測試系統(tǒng)為級聯(lián)系統(tǒng)，利用級聯(lián)系統(tǒng)各部分散射參數(shù)的關(guān)系，計(jì)算出未消除 連接器影響的被測線纜的雙端口散射參數(shù)；
[0016]步驟四：消除連接器的影響；
[0017]連接器在頻率較高時(shí)，帶來明顯的相移與不連續(xù)效應(yīng)，使結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。此影 響可以用兩組參數(shù)表示，通過這兩組參數(shù)的優(yōu)化過程得到不含連接器影響的被測線纜雙端 口散射參數(shù)，最后將雙端口散射參數(shù)轉(zhuǎn)換為被測線纜的傳輸線參數(shù)。
[0018] 本發(fā)明測試方法的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0019] (1)本發(fā)明測試方法在獲取線纜的傳輸線參數(shù)時(shí)，不需將線纜雙端同時(shí)連接到測 試儀器，而是采用單端口測試，因此免去了對已安裝線纜進(jìn)行拆卸及重新安裝所帶來的額 外工程量，測試過程方便快捷。
[0020] (2)測試所使用的儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該儀器為工程與實(shí)驗(yàn)室常用儀器，測試 條件簡單。
[0021] (3)測試中附加使用的連接器與連接線無特殊的長度與型號要求，只需根據(jù)測試 操作所需進(jìn)行選取。
[0022] (4)本發(fā)明方法消除了連接器的影響，可以在百M(fèi)Hz頻率范圍內(nèi)較準(zhǔn)確地獲取線纜 的傳輸線參數(shù)。
【附圖說明】
[0023] 圖1是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接連接線進(jìn)行校準(zhǔn)的連接示意圖。
[0024]圖2是對被測線纜進(jìn)行單端口散射參數(shù)測試的連接示意圖。
[0025] 圖3是本發(fā)明方法得到的、未消除連接器影響的與標(biāo)稱的三種傳輸常數(shù)結(jié)果的對 比圖。
[0026] 圖4是本發(fā)明方法得到的、未消除連接器影響的與標(biāo)稱的三種特性阻抗結(jié)果的對 比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0028] 本發(fā)明針對雙導(dǎo)體形式線纜，在較寬頻率范圍內(nèi)通過原位測試獲取線纜傳輸線參 數(shù)，用于電磁兼容分析。本發(fā)明方法所需使用的部件為：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及其配套的校準(zhǔn) 件、連接線和連接器。其中，連接線為特性阻抗是50歐姆的同軸線，使用的目的是方便測試 儀器與被測線纜的連接，長度和型號無特殊要求;連接器也是同軸形式，用于連接線與被測 線纜、被測線纜與校準(zhǔn)件之間的連接，型號無特殊要求。所述測試儀器和校準(zhǔn)件為矢量網(wǎng)絡(luò) 分析儀及其配套的校準(zhǔn)件。
[0029] 本發(fā)明原位測試雙導(dǎo)體形式線纜的寬頻帶傳輸線參數(shù)的方法，包括有下列步驟：
[0030] 步驟一:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接連接線進(jìn)行校準(zhǔn)；
[0031 ]如圖1所示，將連接線接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口。把校準(zhǔn)件的開路端口與連接 線的空閑端相連，進(jìn)行1端口開路校準(zhǔn);再把校準(zhǔn)件的短路端口與連接線的空閑端相連，進(jìn) 行1端口短路校準(zhǔn);最后把校準(zhǔn)件的50歐姆負(fù)載端口與連接線的空閑端相連，進(jìn)行1端口 50 歐姆負(fù)載校準(zhǔn)。這樣便完成了單端口校準(zhǔn)，后續(xù)測試的結(jié)果將不受連接線的影響。
[0032]步驟二:對被測線纜進(jìn)行單端口散射參數(shù)測試；
[0033]校準(zhǔn)后，保持連接線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接不變。如圖2所示，將連接線的空閑 端通過連接器與被測線纜的一端相連，被測線纜的另一端通過連接器與校準(zhǔn)件的開路端口 相連，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中設(shè)置好所需的頻段和頻點(diǎn)數(shù)(頻點(diǎn)數(shù)設(shè)為η)后，進(jìn)行單端口散射 參數(shù)測試，得到η個(gè)測量值，后續(xù)計(jì)算中使用到相應(yīng)頻點(diǎn)處的測量值時(shí)，用Sn+op表示；接 著，上述連接與設(shè)置不變，僅把校準(zhǔn)件的開路端口換為短路端口，再次進(jìn)行測試，得到η個(gè)測 量值，后續(xù)計(jì)算中使用到相應(yīng)頻點(diǎn)處的測量值時(shí)，用Sn+short表示;最后，上述連接與設(shè)置不 變，僅把校準(zhǔn)件的短路端口換為50歐姆負(fù)載端口，再次進(jìn)行測試，得到η個(gè)測量值，后續(xù)計(jì)算 中使用到相應(yīng)頻點(diǎn)處的測量值時(shí)，用Sn_ 5Q表示。
[0034] 步驟三:計(jì)算未消除連接器影響的被測線纜的雙端口散射參數(shù)；
[0035] 圖2中虛線框內(nèi)部分的雙端口散射參數(shù)記為^^^"^。'^。'^^，即未消除連接 器影響的被測線纜的雙端口散射參數(shù)，在每個(gè)頻點(diǎn)處利用下式計(jì)算：
[0037] 步驟四：消除連接器的影響；
[0038] 被測線纜兩端連接器的影響主要為相移和不連續(xù)性，用兩組參數(shù)表示:ajPU，a2 和L2。這兩組參數(shù)的值是待確定的，通過下面的參數(shù)優(yōu)化過程得出。
[0039] 首先，在每個(gè)頻點(diǎn)處將被測線纜的未消除連接器影響的雙端口散射參數(shù)[S'n， S' 12，S'21，S'22]，轉(zhuǎn)換為未消除連接影響的雙端口傳輸參數(shù)[Τ' η，Τ'12，Τ'21，Τ'22]:
[0041]然后，設(shè)定a#Pa2的取值范圍為：（以厘米為單位的連接器長度±0.5)X1(T1Q，設(shè)定 LjPL2的取值范圍：0~ΚΓ8,上述的兩組參數(shù)的取值范圍可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化結(jié)果調(diào)整。 ai、 &2山、1^在各自的取值范圍內(nèi)取值，這樣將有很多組合情況，通過下面的計(jì)算去掉不滿足要 求的取值組合，選出最優(yōu)的取值組合：
[0042]在測試的每個(gè)頻點(diǎn)(頻率表示為f，ω為角頻率)處計(jì)算：


[0048]其中，[Τιι，Ti2，T2i，T22]和[Sii，S12，S21，S22]分別是經(jīng)ai、a2、Li、L2tfc化后的被測線纜 的雙端口傳輸參數(shù)和雙端口散射參數(shù)。d和Z。是兩個(gè)中間變量。
[0049] (1)去掉不滿足要求的取值組合。將所有頻點(diǎn)處的d加起來， 設(shè)定的閾值，則相應(yīng)的取值組合保留，否則去掉。閾值可先設(shè)為3，若沒有取值組合能夠滿足 該閾值要求，則增大閾值;若最終優(yōu)化的參數(shù)結(jié)果不能滿足要求，則減小閾值。