CN116381357A - 一种电感耦合式电缆散射参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电感耦合式电缆散射参数测量方法，包括，对探头进行测量，获取第一散射参数矩阵，探头采用电感式探头，包括注入探头及接收探头；将第一散射参数矩阵变换为第一链参数矩阵；矢量网络分析仪通过探头对待测电缆进行非接触电感式耦合测量，得到第二散射参数矩阵；基于第二散射参数矩阵，得到第二链参数矩阵；根据第一链参数矩阵及第二链参数矩阵进行矩阵运算，得到第三链参数矩阵；对第三链参数矩阵进行变换，得到电缆散射参数矩阵。通过上述技术方案，对于不同种类的电缆无需进行阻抗匹配变换，可以极大降低电缆散射参数测量的操作难度与成本，同时提升分析设备的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电缆参数测量技术领域，特别涉及一种电感耦合式电缆散射参数测量方法。
背景技术
电缆的散射参数可以较为全面的反映电缆内部的信号传输特征，因此常被用于进行电缆健康状态监测和分析，因此对于散射参数的准确测量就显得尤为重要。传统的电缆散射参数测量方式是将待测电缆与矢量网络分析仪通过特制转接头直接连接进行，特征阻抗与矢量网络分析仪不同的电缆需要进行复杂的阻抗匹配变换，这加大了测量的复杂度与成本。另一方面，传统的测量方式，待测电缆与矢量网络分析仪存在直接的物理连接，为了避免对测试仪器造成预期之外的危害，因此在测试时需要将待测电缆从工作系统中切断，这无疑将进一步增加测量的复杂度与成本。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的电缆散射参数测量方法需要对测试电缆进行阻抗匹配变换、测试仪器与待测电缆之间存在物理连接可能会危害测试设备的问题，本发明提供种电感耦合式电缆散射参数测量方法，采用非接触式的电缆散射参数测量方法，使用电感式电流探头作为传感器，通过电感耦合的方式实现电缆散射参数的测量，且测量效果与传统测量方法等效，可用于电缆健康状态监测。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种电感耦合式电缆散射参数测量方法，包括：
对探头进行测量，获取第一散射参数矩阵，探头采用电感式电流探头，包括注入探头及接收探头；
将第一散射参数矩阵变换为第一链参数矩阵；
矢量网络分析仪通过探头对待测电缆进行非接触电感式耦合测量，得到第二散射参数矩阵；基于第二散射参数矩阵，得到第二链参数矩阵；
根据第一链参数矩阵及第二链参数矩阵进行矩阵运算，得到第三链参数矩阵；
对第三链参数矩阵进行变换，得到电缆散射参数矩阵。
可选的，通过夹具对探头进行测量，其中夹具包括用于两个固定探头的夹板、其中一夹板上设置有接线端口，另一夹板上设置有短接端口，短接端口通过短路负载进行短路。
可选的，对注入探头进行测量时，矢量网络分析仪的第二端口与夹具的接线端口连接，第一端口与探头的接口连接；对接收探头进行测量时，矢量网络分析仪的第二端口与探头的接口连接，第一端口与夹具的接线端口连接；通过矢量分析仪对采集的探头数据进行分析，生成第一散射参数矩阵，第一散射参数矩阵包括表征注入探头传输特性的散射矩阵及表征接收探头传输特性的散射矩阵。
可选的，对第一散射参数矩阵进行变换的过程为：
其中，A和D为无量纲参数，B为量纲为阻抗的参数，C为量纲为导纳的参数，在两端口网络中，S11为端口1到端口1的散射特性，S12为，端口2到端口1的散射特性，S21为，端口1到端口2的散射特性，S12为端口2到端口2的散射特性，Z0为矢量网络分析仪的端口特征阻抗。
可选的，所述矢量分析仪的第一端口与注入探头连接，第二端口与接收探头连接；其中所述待测电缆的信号线通过注入探头与接收探头的中孔之间，待测电缆的地线置于孔外，且接收探头设置于靠近待测电缆末端一侧，注入探头与接收探头之间大于等于预设距离；
通过矢量分析仪测量分析，得到第二散射参数矩阵，其中第二散射参数矩阵为表征探头传输特性和电缆信号传输特性的总体响应对应的散射参数矩阵。
可选的，所述第二链参数矩阵的获取过程包括：
对第二散射参数矩阵进行变换，得到第二链参数矩阵，其中第二链参数矩阵变换方法与第一链参数矩阵的变换方法相同。
可选的，所述第三链参数矩阵Mdut的获取过程为：
其中，Minj为表征注入探头传输特性的散射矩阵对应链参数矩阵，M为表征探头传输特性和电缆信号传输特性总体响应的散射参数矩阵的对应链参数矩阵，Mrec为表征接收探头传输特性的散射参数矩阵对应的链参数矩阵。
可选的，对第三链参数矩阵进行变换的过程为：
本发明具有如下技术效果：
通过上述技术方案，本发明提供了一种对于电缆散射参数新的测量方法，对于不同种类的电缆无需进行阻抗匹配变换，同时测试仪器与电缆之间无物理连接，可以极大降低电缆散射参数测量的操作难度与成本，同时提升设备的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电缆散射参数非接触式测量配置示意图；
图2为本发明实施例提供的非接触式测量等效电路示意图；
图3为本发明实施例提供的探头传输特性测量方式示意图；
图4为本发明实施例提供的电缆散射参数非接触式测量实现流程示意图；
图5为本发明实施例提供的所提非接触式测量方法与传统测量方式测量结果对比示意图；
图6为本发明实施例提供的故障检测结果示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种电感耦合式电缆散射参数测量方法，对应的测量系统构成：
本发明所提的电缆散射参数测量配置如图1所示，主要包含一个二端口矢量网络分析仪，两个电感式电流探头和待测电缆及其附件，图1中，Zw为电缆等效寄生参数，ZX为端接负载等效阻抗。其中，电流注入探头接矢量网络分析仪的第一端口1，用于向待测电缆注入扫频测试信号；电流接收探头接矢量网络分析仪的第二端口2，用于接收电缆上电流信号。测试过程中，待测电缆的信号线从两个探头的中孔通过，地线则置于孔外。则可以通过测量矢网两个端口之间的散射参数，并配合本发明提出的数据处理方法实现待测电缆散射参数的非接触式测量。
图1所示的测量配置的等效电路如图2所示，可由注入探头与电缆、电缆及其附件、电缆与接收探头分别构成的3个二端口网络级联而得,Vvna为电压源，探头和电缆之间可用匝数比为N:1的变压器模型等效。因此通过二端口网络的可级联性，在提前预知注入探头与电缆、电缆与接收探头的二端口网络特性的情况下，可以准确获取电缆及其附件的二端口网络特性，最后由二端口网络特性推导出散射参数，实现电缆散射参数的等效测量。
测量原理：
1.使用图3所示的配置，其中图3中的(a)为对注入探头传输特性测量方式示意图，图3中的(b)为对接收探头传输特性测量方式示意图，对电流注入探头和接收探头进行测量，获取表征其传输特性的散射参数矩阵。需要指出的是，此夹具是针对探头单独设计的，如使用探头夹具FCLCE-452，能够达到最佳匹配效果，且夹具接线的一端需要使用短路负载进行短路，保证夹具构成一个良好的信号回路。
2.然后将测量得到的可表征探头传输特性的散射参数矩阵即第一散射参数矩阵进行变换，获取其等效二端口网络的链参数矩阵即第一链参数矩阵，表征电流注入探头特性的链参数矩阵用Minj表示，表征电流接收探头特性的链参数矩阵用Mrec表示。其中由散射参数矩阵到链参数矩阵之间的变换如下，其中Z0为矢量网络分析仪的端口特征阻抗：
其中，A和D为无量纲参数，B为量纲为阻抗的参数，C为量纲为导纳的参数，在两端口网络中，S11为端口1到端口1的散射特性，S12为，端口2到端口1的散射特性，S21为，端口1到端口2的散射特性，S12为端口2到端口2的散射特性，Z0为矢量网络分析仪的端口特征阻抗。
3.将矢量网络分析仪、注入探头、接收探头和待测电缆及其附件按照图1所示的配置进连接，接收探头应放置于靠近电缆末端的一侧，且两个探头之间应保持足够距离以保证足够的隔离度，然后使用与探头传输特性测量时相同的测试配置测量矢量两个测试端口之间的散射参数矩阵。此处测量得到的散射参数矩阵是探头传输特性和电缆信号传输特性的总体响应即第二散射参数矩阵，将其用式(1)变换为链参数矩阵即第二链参数矩阵后，对应为图2所示等效电路中的链参数矩阵M。
4.根据图2所示的等效电路图，三个二端口网络之间为级联关系，因此根据二端口网络的级联特性，结合已经获取的探头传输特性链参数矩阵Minj和Mrec，可以进行矩阵运算，获取待测电缆及其附件的链参数矩阵Mdut，计算方法如下：
5.在获取待测电缆及其附件链参数矩阵Mdut后，根据链参数和散射参数之间的相互变换理论，将链参数矩阵变换为散射参数矩阵，即获取了待测电缆及其附件的散射参数，实现了散射参数的非接触式等效测量，且该测量结果可以传统的直接测量方法等效。此过程涉及到的链参数矩阵变换为散射参数矩阵的计算如下：
本发明整体的实现流程如图4所示。
本发明上述方法中进行了基于电感式电流探头进行电缆的散射参数电感耦合式测量；基于链参数矩阵的级联变换，实现电缆散射参数的非接触式测量结果与传统接触式测量结果等效。基于电感式探头的信号注入与测量，测量散射参数时，不同特征阻抗电缆无需进行阻抗匹配变换。
通过实验验证了本发明的效果，以一根30m长且在20.5m处预设一个故障的电缆为例，图5中实线结果是使用传统方式进行物理连接后的测量结果，图5中点划线是使用本发明所提方法进行非接触式测量的结果。
从两图的对比可以看出两种测试方法的测量结果中，幅值处在同一量级，非常接近，而相位几乎完全相等。上述对比结果可以说明本发明所提测量方法与传统的测量方法测量结果相近，同时将两种方法测量结果用于故障检测与定位，其结果如图6所示，可以看到所提方法与传统方法一样，均可以实现电缆故障的检测与准确定位。上述实验结果表明，本发明所提的非接触式散射参数测量方法测量结果可与传统测量方法的测量结果等效，充分验证了本发明的可行性与正确性。
此外，需要指出的是，本发明所提的方法采用电感耦合的注入方式，针对不同的电缆均可适用，无需像传统方法一样对电缆进行阻抗匹配变换，降低了测量需求，但保证了测量结果的准确性。
实施例二
1.根据实际需求，确定测试频率范围、测试频点和扫描方式等关键测试参数，在后续的测试过程中保持该参数的恒定，以保证测试结果的正确性。
2.对注入探头的传输特性进行测试，使用图3所示的接法分别对注入探头和接收探头进行测试。矢量网络分析仪的第一端口1作为信号发射端接夹具进行信号注入，夹具另一侧使用短路端子进行短接，矢量网络分析仪的第二端口2作为接收端，接接收探头。对于注入探头，其接法与接收探头相反。然后分别测量在该配置下注入探头和接收探头的散射参数矩阵。
3.然后将第一散射参数矩阵，包括表征注入探头和接收探头特性传输特性的散射参数矩阵使用公式(1)变换为第一链参数矩阵，包括链参数矩阵Minj和Mrec做备用。
4.使用矢量网络分析仪，搭配两个探头对电缆进行测试。为了保证测试效果，两个探头之间应保持足够的间距以获取足够的隔离度。然后测量两个端口之间的散射参数矩阵即第二散射参数矩阵，该矩阵包含了注入探头，待测电缆，接收探头之间的传输关系。
5.将步骤4获取的散射参数矩阵按照式(1)的变换形式进行变换，获取其对应的链参数矩阵即第二链参数矩阵M,作为后续处理的备用。
6.获取M后，结合已经获取的Minj和Mrec，进行二端口网络级联逆运算，获取待测电缆的链参数矩阵即第三链参数矩阵Mdut，
7.在获取待测电缆的链参数矩阵Mdut后，按照式(3)的形式将其变换为散射参数矩阵，即可完成电缆散射参数的非接触式测量。图5位本发明所提非接触式测量结果与传统测量结果的对比，二者可等效。
8.为了证明上述测量结果可以用于故障检测，测试电缆在约20.5m处预设一故障，使用本发明所提测试方法和传统测试方法测量结果分别进行故障检测与定位，其结果如图6所示。两者均可实现故障检测，定位差异在于非接触测量的引出线长度，该结果进一步证明了本发明的可行性。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种电感耦合式电缆散射参数测量方法，其特征在于，包括：
对探头进行测量，获取第一散射参数矩阵，探头采用电感式电流探头，包括注入探头及接收探头；
将第一散射参数矩阵变换为第一链参数矩阵；
矢量网络分析仪通过探头对待测电缆进行非接触电感式耦合测量，得到第二散射参数矩阵；基于第二散射参数矩阵，得到第二链参数矩阵；
根据第一链参数矩阵及第二链参数矩阵进行矩阵运算，得到第三链参数矩阵；
对第三链参数矩阵进行变换，得到电缆散射参数矩阵。
2.根据权利要求1所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
通过夹具对探头进行测量，其中夹具包括用于两个固定探头的夹板、其中一夹板上设置有接线端口，另一夹板上设置有短接端口，短接端口通过短路负载进行短路。
3.根据权利要求2所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
对注入探头进行测量时，矢量网络分析仪的第二端口与夹具的接线端口连接，第一端口与探头的接口连接；对接收探头进行测量时，矢量网络分析仪的第二端口与探头的接口连接，第一端口与夹具的接线端口连接；通过矢量分析仪对接收的探头数据进行分析，生成第一散射参数矩阵，第一散射参数矩阵包括表征注入探头传输特性的散射矩阵及表征接收探头传输特性的散射矩阵。
4.根据权利要求1所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
对第一散射参数矩阵进行变换的过程为：
其中，A和D为无量纲参数，B为量纲为阻抗的参数，C为量纲为导纳的参数，在两端口网络中，S11为端口1到端口1的散射特性，S12为，端口2到端口1的散射特性，S21为，端口1到端口2的散射特性，S12为端口2到端口2的散射特性，Z0为矢量网络分析仪的端口特征阻抗。
5.根据权利要求1所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
所述矢量分析仪的第一端口与注入探头连接，第二端口与接收探头连接；其中所述待测电缆的信号线通过注入探头与接收探头的中孔之间，待测电缆的地线置于孔外，且接收探头设置于靠近待测电缆末端一侧，注入探头与接收探头之间大于等于预设距离；
通过矢量分析仪测量分析，得到第二散射参数矩阵，其中第二散射参数矩阵为表征探头传输特性和电缆信号传输特性的总体响应对应的散射参数矩阵。
6.根据权利要求1所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
所述第二链参数矩阵的获取过程包括：
对第二散射参数矩阵进行变换，得到第二链参数矩阵，其中第二链参数矩阵变换方法与第一链参数矩阵的变换方法相同。
7.根据权利要求1所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
所述第三链参数矩阵Mdut的获取过程为：
其中，Minj为表征注入探头传输特性的散射矩阵对应链参数矩阵，M为表征探头传输特性和电缆信号传输特性总体响应的散射参数矩阵的对应链参数矩阵，Mrec为表征接收探头传输特性的散射参数矩阵对应的链参数矩阵。
8.根据权利要求1所述的电缆散射参数测量方法，其特征在于：
对第三链参数矩阵进行变换的过程为：
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