CN113075460B - 一种通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的测试方法 - Google Patents

一种通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的通信电缆等效介电常数的测试方法，通过采用矢量网络分析仪对通信电缆的传播延迟的高精度测试，结合传输线原理的理论推导，可进一步得到被测电缆的等效介电常数，该方法能够解决低介电常数εe小于1.4通信电缆的等效介电常数的测量难题。本发明提供的通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，通过对通信电缆的传播延迟的测试结果，获得通信电缆的等效介电常数，通过对该电缆进行衰减测试，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，结合得到的等效介电常数，从介质损耗部分能够分离出等效介质损耗角正切值的大小，本发明适用频率更宽，对通信电缆等效介质损耗角正切值的测试精度极佳，可达到1×10‑5量级。

Description

一种通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的测试 方法
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，具体涉及一种通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的测试方法。
背景技术
材料的介电性能主要用介电常数、介质损耗角正切值来表征。其中介电常数是综合反映电介质极化行为的宏观物理量，介质损耗角正切值表征每个周期内介质损耗的能量与其贮存能量之比。
介电常数用ε表示，应用于通信电缆上，它的意义为：通信电缆中的介质材料为固体材料与真空材料的电容的比值。当通信电缆的介质材料为空气时，介电常数ε＝1。介质损耗角正切值用tanδ来表示，应用于通信电缆上，它的意义为：通信电缆中的介质材料在施加电场后，单位时间内每单位体积中，将电能转化为热能而消耗的能量。当通信电缆的介质材料为空气时，介质损耗角正切值tanδ＝0。
现有对材料的介电常数和介质损耗角正切值的测试一般有两种方法。一种是谐振法，它利用材料在交变电磁场下产生串联谐振的原理，将被测材料制备成一材料压片，并在窄频范围内(比如0.05MHz～150MHz)，对固定频点下材料的电感和谐振回路中的Q值进行测试，进而通过计算得到所需的介电常数和介质损耗角正切值。该方法的优点是精度高(介电常数可测到1.1以内，介质损耗角正切值可测到1×10-4)，缺点是只能对单一频点进行测试，不能反映一个频带内，介质损耗的综合信息。另一种是传输法，它基于有耗传输的原理，将被测材料制备成一圆柱体，并在宽频范围内(比如1GHz～20GHz)，对任一频带内的传播系数进行测试，进而通过改变样品长度，得到不同机械长度及电长度下的幅相特性，计算得到所需的介电常数和介质损耗角正切值。该方法的优点是频宽较宽，可以掌握材料在射频及微波段的介质损耗信息，缺点是精度差(介电常数只可测到1.3以上，介质损耗角正切值可只测到1×10-2)，只能适用于高损耗材料。
通信电缆的衰减由导体损耗和介质损耗这两方面构成。在低频至甚高频(频率为30kHz～300MHz)时，导体损耗为主要贡献。在特高频至极高频(频率为300MHz～300GHz)时，介质损耗的占比随频率的上升而不断提升。因此，国内外均在大力研发各类低损耗材料，以此来降低电缆中的介质损耗。
技术人员采用材料厂商给定的材料特性来对通信电缆进行设计和制造。然而，由于材料在被应用在通信电缆上时，需要经受多重工艺。这些工艺会不同程度的影响到材料的微结构。以四氟绝缘为例(如PTFE、e-PTFE、FEP等)，绝缘绕包时，绕包张力会影响到介质泡孔的变形，甚至消失。以PE为例，加工外导体时，外导体对介质绝缘产生压缩，引起微孔变化，造成孔隙变小。材料微结构的变化，直接导致介电常数、介质损耗角正切值增大，影响到通信电缆的衰减。图1和图2示出了e-PTFE绝缘绕包前后，材料微结构的变化。从图中可见：绕包前，材料的岛状结点呈规律分布，纳米级气孔较多；绕包后，岛状结点大幅减少，纤维丝长度加长，纳米级气孔几乎消失。
目前，通信电缆的发展已跨入了太赫兹阶段(市售的最高使用频率达0.11THz)，因此其介质损耗已受到极大的关注。然而，对于成品电缆的材料特性(即等效介电常数和等效介质损耗角)无法通过现有的谐振法或传输法进行测试，从而无法对通信电缆衰减的影响因素进行分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的测试方法，能够解决成品通信电缆介电性能的定量分析的技术问题，对于高达太赫兹级别的通信电缆也能适用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种通信电缆等效介电常数的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure GDA0004245185790000031
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure GDA0004245185790000032
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为被测电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为被测电缆的等效导磁率，对于非磁性材料，μe＝1，无单位；τp为传播延迟，单位为米每秒m/s。
优选的，所述步骤一中，矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure GDA0004245185790000041
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz。
为实现本发明的目的，本发明还提供一种通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure GDA0004245185790000042
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure GDA0004245185790000043
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为电缆的等效导磁率(对于非磁性材料，μe＝1)，无单位；τp为传播延迟，单位为米每秒m/s；
步骤三：测试通信电缆的总衰减α；
将被测电缆接入所述步骤一中校准后的矢量网络分析仪，测试其截止频率下的总衰减α；当电缆的总衰减小于40dB时，电缆两端连接器的插入损耗不能忽略，需予以扣除，对于单个连接器的插入损耗按照如下步骤进行测试：
首先，制备一根短段电缆组件并将其接入矢量网络分析仪，测试其工作频段内的插入损耗I；在该短段电缆组件的正中位置将其剪断，使之成为两根等长且只有一端含有连接器S的电缆组件，在上述两根电缆组件上分别装配一个与初始短段电缆组件相一致的连接器S，新装配的连接器与初始短段电缆组件的连接器的插入损耗相同，并将其分别接入矢量网络分析仪，测试其工作频段内的插入损耗I1和I2，单个连接器S的插入损耗
Figure GDA0004245185790000051
单位为分贝dB；因此，对于电缆的总衰减小于40dB时，电缆的工作频段内的总衰减α修正后记为α′，α′＝α-2Is，其中：α为电缆的总衰减，单位为分贝dB；Is为单个连接器的插入损耗，单位为分贝dB；
步骤四：对通信电缆的总衰减进行拆分；
通信电缆的总衰减主要由导体损耗、介质损耗、低频下的多次反射这三部分组成，其衰减和频率的关系可表示为：
Figure GDA0004245185790000052
对于每一测试频率点fi，都有实测衰减数据αi，所述αi需根据电缆长度归一化到分贝每米，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，通过求解以下矩阵，分别得到A、B、C的值；其中A、B、C均为正值，如解出负值，则该系数取为零；
Figure GDA0004245185790000061
上式的拟合计算利用Matlab快速实现，并得到系数A、B、C的值；
步骤五：获得通信电缆的等效介质损耗角正切值tanδe；
根据所述步骤二中获得的介电常数εe、所述步骤四中获得的系数B，获得被测电缆的等效介质损耗角正切值tanδe，
Figure GDA0004245185790000062
优选的，所述步骤一中，矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure GDA0004245185790000063
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz。
本发明提供的通信电缆等效介电常数的测试方法，通过采用矢量网络分析仪对通信电缆的传播延迟的高精度测试，结合传输线原理的理论推导，可进一步得到被测电缆的等效介电常数，该方法能够解决低介电常数εe小于1.4通信电缆的等效介电常数的测量难题。本发明提供的通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，通过对通信电缆的传播延迟的测试结果，获得通信电缆的等效介电常数，通过对该电缆进行衰减测试，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，结合得到的等效介电常数，从介质损耗部分能够分离出等效介质损耗角正切值的大小，本发明适用频率更宽，对通信电缆等效介质损耗角正切值的测试精度极佳，可达到1×10-5量级。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、相比传统的对介质材料自身的测试方法，如谐振法、传输法等，本发明可以准确获得通信电缆在成缆后，其材料在加工工艺、温湿度变化等多重因素影响下，通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的大小。
2、相比传统的对材料自身的测试方法，如谐振法、传输法等，本发明适用频率更宽9kHz～110GHz，对等效介质损耗角正切值的测试精度极佳，可达到1×10-5量级。
附图说明
图1是现有技术中e-PTFE材料绕包前的微结构图。
图2是图1中e-PTFE材料绕包后的微结构图。
图3是本发明优选实施例中提供的通信电缆等效介电常数测试方法的步骤流程图。
图4是本发明优选实施例中提供的通信电缆等效介质损耗角正切值测试方法的步骤流程图。
图5是本发明优选实施例中提供的通信电缆等效介质损耗角正切值测试方法步骤中扣除连接器插入损耗的示意图。
图6是本发明实施例1中通信电缆衰减的拟合结果图。
图7是本发明实施例2中通信电缆衰减的拟合结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，本发明提供的一种通信电缆等效介电常数的测试方法，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure GDA0004245185790000081
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
优选的，所述步骤一中，矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure GDA0004245185790000082
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz；当电缆频率在3GHz及以下时，测量点数优选为801点，更为优选的，测量点数不少于1601点；当电缆频率在3GHz～30GHz时，测量点数优选为1601点，更为优选的，测量点数不少于3201点；当电缆频率在30GHz及以上时，测量点数优选为3201点，更为优选的，测量点数不少于6401点；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure GDA0004245185790000091
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为被测电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为被测电缆的等效导磁率，对于非磁性材料，μe＝1，无单位；τp为传播延迟，单位为米每秒m/s；
本发明提供的通信电缆等效介电常数的测试方法，通过采用矢量网络分析仪对通信电缆的传播延迟的高精度测试，结合传输线原理的理论推导，可进一步得到被测电缆的等效介电常数，该方法能够解决低介电常数εe小于1.4通信电缆的等效介电常数的测量难题。
如图4所示，本发明提供的一种通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure GDA0004245185790000092
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
优选的，所述步骤一中，矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure GDA0004245185790000093
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz；当电缆频率在3GHz及以下时，测量点数优选为801点，更为优选的，测量点数不少于1601点；当电缆频率在3GHz～30GHz时，测量点数优选为1601点，更为优选的，测量点数不少于3201点；当电缆频率在30GHz及以上时，测量点数优选为3201点，更为优选的，测量点数不少于6401点；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure GDA0004245185790000101
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为电缆的等效导磁率(对于非磁性材料，μe＝1)，无单位；τp为传播延迟，单位为米每秒m/s；
步骤三：测试通信电缆的总衰减α；
将被测电缆接入所述步骤一中校准后的矢量网络分析仪，测试其截止频率下的总衰减α；
进一步的，所述步骤三中，当电缆的总衰减小于40dB时，电缆两端连接器的插入损耗不能忽略，需予以扣除，对于单个连接器的插入损耗的测试方法如下：
首先，制备一根短段电缆组件并将其接入矢量网络分析仪，测试其工作频段内的插入损耗I；如图5所示扣除连接器插入损耗的示意图，在该短段电缆组件的正中位置将其剪断，使之成为两根等长且只有一端含有连接器S的电缆组件，在上述两根电缆组件上分别装配一个与初始短段电缆组件相一致的连接器S，新装配的连接器与初始短段电缆组件的连接器的插入损耗相同，并将其分别接入矢量网络分析仪，测试其工作频段内的插入损耗I1和I2，单个连接器S的插入损耗
Figure GDA0004245185790000111
单位为分贝dB；因此，对于电缆的总衰减小于40dB时，电缆的工作频段内的总衰减α修正后记为α′，α′＝α-2Is，其中：α为电缆的总衰减，单位为分贝dB；Is为单个连接器的插入损耗，单位为分贝dB；
步骤四：对通信电缆的总衰减进行拆分；
通信电缆的总衰减主要由导体损耗、介质损耗、低频下的多次反射这三部分组成，其衰减和频率的关系可表示为：
Figure GDA0004245185790000112
对于每一测试频率点fi，都有实测衰减数据αi(需根据电缆长度归一化到分贝每米dB/m)，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，通过求解以下矩阵，可分别得到A、B、C的值；其中A、B、C均为正值，如解出负值，则该系数取为零；
Figure GDA0004245185790000113
上式的拟合计算可利用Matlab快速实现，并得到系数A、B、C的值；
步骤五：获得通信电缆的等效介质损耗角正切值tanδe；
根据所述步骤二中获得的介电常数εe、所述步骤四中获得的系数B，获得被测电缆的等效介质损耗角正切值tanδe，
Figure GDA0004245185790000121
本发明提供的通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，通过对通信电缆的传播延迟的测试结果，获得通信电缆的等效介电常数，通过对该电缆进行衰减测试，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，结合得到的等效介电常数，从介质损耗部分能够分离出等效介质损耗角正切值的大小，本发明适用频率更宽，对通信电缆等效介质损耗角正切值的测试精度极佳，可达到1×10-5量级。
实施例1
选取一根工作频段为1GHz～65GHz的SWFCF46-50-1.5型射频电缆作为被测通信电缆，首先将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准频率为1GHz～65GHz，将被测电缆接入矢量网络分析仪，测量点数设置为6401点，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure GDA0004245185790000122
本实施例中获得的传播延迟τp为3.972×10-9s/m，/>
Figure GDA0004245185790000123
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure GDA0004245185790000124
本实施例中该电缆的等效介电常数εe＝1.42；
将被测电缆接入所述步骤一中校准后的矢量网络分析仪，测试其截止频率65GHz下的总衰减α＝51.44dB，本实施例中总衰减α＞40dB；对通信电缆的总衰减进行拆分；对于每一测试频率点fi，记录实测衰减数据αi，并将所测衰减根据电缆长度进行归一化到分贝每米dB/m，该电缆的衰减与测试频率的关系如下表1：
频率(GHz) 衰减(dB/m)
2.0 0.99
6.0 1.73
10.0 2.33
18.0 3.20
26.5 3.94
40.0 5.02
65.0 6.43
表1
基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，采用Matlab对表1的数据，对下式中的系数进行求解，并得到系数A、B、C的值，本实施例中A＝0.0237，B＝8.0798×10-6，C＝0；
Figure GDA0004245185790000131
如图6所示为本实施例中通信电缆衰减的拟合结果图，纵坐标代表在特定频率下测得的通信电缆的信号传输损耗值，测得的数据能够直接反映材料真实的介电性能；
该电缆的等效介质损耗角正切值tanδe可通过下式计算得到：
Figure GDA0004245185790000132
本发明提供的通信电缆等效介电常数、等效介质损耗角正切值的测试方法，能够解决成品通信电缆介电性能的定量分析的技术问题，对等效介质损耗角正切值的测试精度极佳，可达到1×10-5量级，对于高达太赫兹级别的通信电缆也能适用。
实施例2
选取一根工作频段为1GHz～40GHz的SFCG-50-3-54型射频电缆作为被测通信电缆，首先将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准频率为1GHz～40GHz，将被测电缆接入矢量网络分析仪，测量点数设置为6401点，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure GDA0004245185790000141
本实施例中获得的传播延迟τp为3.789×10-9s/m，/>
Figure GDA0004245185790000142
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure GDA0004245185790000143
本实施例中该电缆的等效介电常数εe＝1.29；
将被测电缆接入所述步骤一中校准后的矢量网络分析仪，测试其截止频率40GHz下的总衰减α＝38.16dB，本实施例中总衰减α＜40dB；因此，电缆两端连接器的插入损耗不能忽略，需予以扣除，并采用以下测试方法实现：
首先，制备一根短段电缆组件并将其接入矢量网络分析仪，测试其40GHz下的插入损耗I＝25.20dB；在该短段电缆组件的正中位置将其剪断，使之成为两根等长且只有一端含有连接器的电缆组件；在上述两根电缆组件上分别装配一个与初始短段电缆组件相一致的连接器，并将其分别接入矢量网络分析仪，测试其40GHz下的插入损耗I1＝12.89dB、I2＝13.03dB；单个连接器的插入损耗
Figure GDA0004245185790000151
单位为分贝dB；因此，对于本实施例中的电缆总衰减α修正后记为α′，α′＝α-2Is＝38.16-2×0.36＝37.44；其中，α为电缆的总衰减，单位为分贝dB；Is为单个连接器的插入损耗，单位为分贝dB；
按照实施例1中所述方法，对通信电缆的总衰减进行拆分；对于每一测试频率点fi，记录实测衰减数据αi，并将所测衰减扣除两个连接器的插入损耗后，根据电缆长度进行归一化到分贝每米dB/m，该电缆的衰减与测试频率的关系如下表2：
频率(GHz) 衰减(dB/m)
2.0 1.01
6.0 1.74
10.0 2.32
18.0 3.15
26.5 3.85
40.0 4.72
表2
基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，采用Matlab对表2的数据，对下式中的系数进行求解，并得到系数A、B、C的值，本实施例中A＝0.0239，B＝8.1479×10-6，C＝0；
Figure GDA0004245185790000152
如图7所示为本实施例中通信电缆衰减的拟合结果图，纵坐标代表在特定频率下测得的通信电缆的信号传输损耗值，测得的数据能够直接反映材料真实的介电性能；
该电缆的等效介质损耗角正切值tanδe可通过下式计算得到：
Figure GDA0004245185790000161
本发明提供的通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，通过对通信电缆的传播延迟的测试结果，获得通信电缆的等效介电常数，通过对该电缆进行衰减测试，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，结合得到的等效介电常数，从介质损耗部分能够分离出等效介质损耗角正切值的大小，本发明适用频率更宽，对通信电缆等效介质损耗角正切值的测试精度极佳，可达到1×10-5量级，对于高达太赫兹级别的通信电缆也能适用。

Claims (3)

1.一种通信电缆等效介电常数的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure FDA0004245185780000011
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure FDA0004245185780000012
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure FDA0004245185780000013
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为被测电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为被测电缆的等效导磁率，对于非磁性材料，μe＝1，无单位。
2.一种通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure FDA0004245185780000021
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure FDA0004245185780000022
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure FDA0004245185780000031
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为电缆的等效导磁率(对于非磁性材料，μe＝1)，无单位；
步骤三：测试通信电缆的总衰减α；
将被测电缆接入所述步骤一中校准后的矢量网络分析仪，测试其截止频率下的总衰减α，所述总衰减α≥40dB；
步骤四：对通信电缆的总衰减进行拆分；
通信电缆的总衰减主要由导体损耗、介质损耗、低频下的多次反射这三部分组成，其衰减和频率的关系可表示为：
Figure FDA0004245185780000032
对于每一测试频率点fi，都有实测衰减数据αi，所述αi需根据电缆长度归一化到分贝每米，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，通过求解以下矩阵，分别得到A、B、C的值；其中A、B、C均为正值，如解出负值，则系数取为零；
Figure FDA0004245185780000033
上式的拟合计算利用Matlab快速实现，并得到系数A、B、C的值；
步骤五：获得通信电缆的等效介质损耗角正切值tanδe；
根据所述步骤二中获得的介电常数εe、所述步骤四中获得的系数B，获得被测电缆的等效介质损耗角正切值tanδe，
Figure FDA0004245185780000041
3.一种通信电缆等效介质损耗角正切值的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测试通信电缆的传播延迟τp；
选取被测通信电缆，将矢量网络分析仪(VNA)进行传输模式下的校准，校准的频率范围为被测电缆的工作频段；将被测电缆接入矢量网络分析仪，测试其在中心频率为200MHz的总相位β，并利用公式计算出该电缆的传播延迟τp，
Figure FDA0004245185780000042
其中：f为测试频率，单位为赫兹Hz；β为在频率f时测得的电缆总相位，单位为弧度每米rad/m；τp为传播延迟，单位为秒每米s/m；
矢量网络分析仪(VNA)对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数为NOP，所述NOP的最小要求为：
Figure FDA0004245185780000043
其中：所述NOP为对整个选定频率区间的单一扫描所必须的最小测量点数；Δf为用fmin计算的两测量点间的最大允许频率间隔，单位为兆赫兹MHz；fmin为要测得的频率间隔的最低频率，单位为兆赫兹MHz；fmax为要测得的频率间隔的最高频率，单位为兆赫兹MHz；
步骤二：获得通信电缆的等效介电常数εe；
根据步骤一获得的传播延迟τp，获得传播速度vp，进而得到被测电缆的等效介电常数εe；传播速度vp、传播延迟τp和被测电缆的等效介电常数εe分别存在以下关系：
Figure FDA0004245185780000051
其中：vp为传播速度，单位为米每秒m/s；ε0为真空介质的绝对介电常数，单位为法每米F/m；εe为电缆的等效介电常数，无单位；μ0为真空介质的绝对导磁率，单位为亨每米H/m；μe为电缆的等效导磁率(对于非磁性材料，μe＝1)，无单位；
步骤三：测试通信电缆的总衰减α；
将被测电缆接入所述步骤一中校准后的矢量网络分析仪，测试其截止频率下的总衰减α，所述总衰减α＜40dB；当电缆的总衰减小于40dB时，电缆两端连接器的插入损耗不能忽略，需予以扣除，对于单个连接器的插入损耗按照如下步骤进行测试：
首先，制备一根短段电缆组件并将其接入矢量网络分析仪，测试其工作频段内的插入损耗I；在该短段电缆组件的正中位置将其剪断，使之成为两根等长且只有一端含有连接器S的电缆组件，在上述两根电缆组件上分别装配一个与初始短段电缆组件相一致的连接器S，新装配的连接器与初始短段电缆组件的连接器的插入损耗相同，并将其分别接入矢量网络分析仪，测试其工作频段内的插入损耗I1和I2，单个连接器S的插入损耗
Figure FDA0004245185780000052
单位为分贝dB；因此，对于电缆的总衰减小于40dB时，电缆的工作频段内的总衰减α修正后记为α′，α′＝α-2Is，其中：α为电缆的总衰减，单位为分贝dB；
步骤四：对通信电缆的总衰减进行拆分；
通信电缆的总衰减主要由导体损耗、介质损耗、低频下的多次反射这三部分组成，其衰减和频率的关系可表示为：
Figure FDA0004245185780000061
对于每一测试频率点fi，都有实测衰减数据αi，所述αi需根据电缆长度归一化到分贝每米，基于传输线理论，采用最小二乘法对测试数据进行多项式拟合，通过求解以下矩阵，分别得到A、B、C的值；其中A、B、C均为正值，如解出负值，则系数取为零；
Figure FDA0004245185780000062
上式的拟合计算利用Matlab快速实现，并得到系数A、B、C的值；
步骤五：获得通信电缆的等效介质损耗角正切值tanδe；
根据所述步骤二中获得的介电常数εe、所述步骤四中获得的系数B，获得被测电缆的等效介质损耗角正切值tanδe，
Figure FDA0004245185780000063
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