射频到数字:同轴电缆的极端要求

本文将重点介绍同轴电缆在高速数字信号应用中的重要性，以及这些电缆如何与更广泛认可的射频(RF)应用相关联。同轴电缆可以处理数字协议中使用的越来越高的频率，如USB4和DisplayPort 2.0，以及数据中心内高速以太网中使用的56 G和112G PAM4信号(1)。为了更好地理解同轴电缆的重要性，让我们首先研究它们的历史和早期应用。

同轴电缆的历史

同轴电缆已经存在了140多年。它最早于1880年由Oliver Heaviside在英国申请专利(见图1)。这种“电缆”由坚硬的铜管作为外部导体，铜线作为内部导体，由绝缘材料制成的圆盘支撑。同轴电缆设计的下一次改进于1931年在美国获得专利(2)。这种电缆由Lloyd Espenschied和Herman Affel发明，是一种用于电话工业的柔性同轴电缆。他们把注意力集中在同轴电缆上，因为同轴电缆的同心设计限制了外部噪声对传输信号的影响，同时也限制了自身信号辐射出的噪声。

在第二次世界大战之前的几年里，英国在他们的无线电探测系统中使用了同轴电缆;几年后，“雷达”一词出现了。在这段时间里，爱德华·鲍文用帝国化学学院创造的一种新型介电材料聚乙烯开发了一种更灵活的同轴电缆。他的第一段柔性同轴电缆是一段很短的电线，外面包裹着一层固定直径的聚乙烯，外面覆盖着铜编织和绝缘层(2)。

射频参数

这两个域到底在同轴电缆中寻找什么，它们有多少重叠?我们将首先看看射频场和他们的一些特定的因素是什么。其中一些非常常见和直接，例如:

• 特性阻抗
• 衰减
• 额定频率
• 最大电压和功率
• 传播速度

射频参数:相位稳定性

还有两个额外的量对电缆有更广泛的影响，特别是从信号完整性领域。即相位稳定性和电压驻波比(VSWR)。相位稳定性与电缆的物理设计以及运行时的物理方向有关;几何设计(如同轴电缆)在弯曲时发生变化，因此过去是适当圆柱的一侧现在是较短的路径。在测量特性时，注意电缆的方向和物理设计是非常重要的，否则每根电缆都会表现相同。从中心导体是绞合还是实心，到护套挤压电缆的速度，都会影响测量结果。其他需要考虑的因素包括介电材料和屏蔽的紧密程度。弯曲引起的变化在输出时被视为相移，因此测量被称为相位稳定。

射频参数:驻波比

驻波比是在传输线上发现的最大电压电平和最小电压电平之比。理想情况下，比例为1:1，其中线路上的电压就是传输的电压。沿传输线阻抗的每一个不连续都会引起信号的反射，从而产生不同的最大和最小电压。

VSWR的主要用途是在射频领域。特别是在为天线设计馈线时，天线本身必须紧密匹配以最小化反射。反射波是未被传送到天线的能量。当它们建设性地干扰时，它们会导致线路达到传输电平以上的电压，可能会对系统造成损坏(4)。

VSWR vs.返回损失

射频指标(VSWR)如何与数据通信世界中的信号完整性相关，以及可以使用哪些其他指标来替代?为此，我与Samtec公司的斯科特·麦克莫罗进行了交谈。VSWR不直接使用，相反，回波损耗被用作电缆和连接器的度量标准，通常以分贝为单位。回波损失是对反射大小的度量，是几个散射参数之一(5)。驻波比和回波损失有内在联系，可由下式(6)计算:

VSWR的一个小优点是，在低值时，当连接器串联添加时，VSWR会增加。在电缆和连接器的设计中，高频下的驻波比更难控制，因此额定用于低频的连接器通常具有较低的驻波比(5)。

我们现在来看看数字领域的关键参数。

数字参数:散射参数

表征器件信号完整性的主要方法是通过其散射参数(s参数)。这些是设备端口之间的传输和反射系数矩阵。其中最相关的是S₁₁,年代₂₁，和S₂₂．年代₁₁是端口1的反射，端口1通常是系统的输入。此值也称为返回损失，并在前面的VSWR部分中定义过。年代₂₁为端口1到端口2的传输系数;它的倒数叫做插入损失。年代₂₂是端口2外的反射系数。这些只是在研究信号完整性时使用的一些主要s参数。尽管如此，整个矩阵完全定义了系统(7)。

数字参数:倾斜

系统的时序对信号完整性也至关重要。计时误差的一种测量方法是倾斜，这与系统的物理结构有关。它是由信号之间的传输线布局和组成的差异引起的。当多个信号同时发射时，例如差分对，它们到达接收机的时间之差就是偏度。另一种常见的偏斜现象是时钟;时钟信号需要同步到达所有接收器以保持系统定时。

校正及检定

需要注意的是，矢量网络分析仪(VNA)经过了非常仔细的校准(和验证)，这一点至关重要，因为倾斜测量与VNA的校准参考平面相关联。下面的图2是一个经过校准的VNA通道示例。简单的KF-KF连接器用于连接端口1到端口2;返回损耗非常低(-50dB)，插入损耗非常接近0dB (VNA的典型规格是0.1 dB，最大插入损耗变化范围为40 GHz)。

实践结果

在实践中，收集这些数字并证明信号完整性特征是什么样子的?在Wild River Technology公司实习期间，我有机会了解并见证了部分过程，使用了他们的一些电缆，如图3所示。在撰写本文时，这些电缆对作为Wild River Technology的ISI-USB4损失建模工具包的一部分可供购买。这个过程自然从SLOT校准开始。在测量时，电缆的一端被固定住。该VNA有两个端口，因此对中的每根电缆都必须分别测量。然而，末端的位置保持不变。电缆在40 MHz到40 GHZ的频率范围内进行测试。下面的图4中可以看到来自其中一个测试的数据示例。

图4给出了一根电缆的s参数，以及对中每根电缆的时延计算结果。通过适当的校准和足够的样本，该工具可以计算到十分之一皮秒，或100飞秒的延迟。(将延迟计算到如此狭窄的程度，并围绕这一计算设计电缆的方法目前是专有的。)该测试装置无法同时测量两根电缆，因此无法直接计算斜度。

电缆之间延迟值的差异是对之间的相对倾斜。这对电缆的延迟值分别为2.1336 ns和2.1337 ns，因此相对倾斜的数量级为100飞秒。这是一个非常低的相对倾斜，是在制造过程中实现的。首先制作并测量一根电缆。然后根据需要切断第二根电缆以匹配延迟，确保电缆之间的相对倾斜较低。

我了解到的最后一个测试组件与电缆的寿命有关。这些电缆设计用于实验室的特性测试，在那里它们将被扭曲和管理。因此，电缆对弯曲了相当多的次数，并在一定的弯曲里程碑计数时重新计算相对斜度。这是一种不同的弯曲方法，比早期的相稳定性测试更长期。在电缆对上进行测试时的数据可以在图5中看到，并且清楚地显示了与重复弯曲相比表现良好的相位和插入损失稳定性。

图5。电缆对斜度测试结果

电缆通过热收缩绑在一起，以确保它们遇到相同的物理应力。这对于在实际应用中保持对的紧密倾斜匹配至关重要。图6显示了电缆对如何响应大量的模拟使用。电缆在测试过程中弯曲在一起。即使在1000次弯曲后，对仍然保持100飞秒的相对倾斜，远低于USB4的指定极限。一致性意味着电缆在测试期间将产生可重复的测量结果。

潜在的应用

这个过程中的下一个部分是应用，电缆将用于什么?多年来，数字通信协议的工作频率越来越高，测试设备的物理规范也变得更加严格。用于测试这些协议的设备必须能够在不干扰测试本身的情况下测量性能。

在图6中，浅蓝色电缆都是相位匹配的对。这个设置是为了校准一个有压力的信道的接收机。结果将用于错误率测试(9)。

结论

数字和射频应用都能够使用同轴电缆作为其实现的一部分。它们甚至可以使用相同的电缆，尽管电缆通常是根据其射频用途来描述的。同轴电缆作为无线电应用的中流砥柱有着悠久的历史，已经存在了一个多世纪。这些系统的参数之间有一些相似之处，如衰减和插入损耗。也有不同之处，例如数字信号对眼图和散射参数的兴趣。这篇文章着眼于同轴电缆的数字应用，例如在测试USB4实现中。此外，还重点介绍了一对同轴电缆，以强调在基于射频的数据表上不总是考虑测量一些面向数字的参数。

确认

1. 艾尔·内维斯，感谢他是我在野河科技的导师
2. Scott McMorrow -关于VSWR和信号完整性工程的非常有用的对话
3. Mike Engbretson -关于测试和电缆应用的非常有用的对话

参考文献

1. 霍纳,丽塔。400G以太网从NRZ转向PAM-4信令剧情简介， Synopsis Inc.
2. 《同轴电缆的历史》银彗星业余无线电协会．
3. “同轴电缆——1929年。”磁铁学院,国家MagLab, 2014年12月10日．
4. 乌拉比，法瓦兹·T，拉瓦奥利，翁贝托。应用电磁学基础．7^th培生，2007年。
5. 对话来自Samtec的Scott McMorrow
6. “VSWR /退货损失计算器。”关于电路．
7. Bogatin,埃里克。"如何不被s参数所迷惑"信号完整性日志2020年4月7日。
8. Wild River Technology USB4损失建模工具包
9. 来自Teledyne-LeCroy的Mike Engbretson的图像和测试信息