本文主要讨论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射频(RF)应用联系在一起。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(1)内高速以太网中使用的56g和112G PAM4信号。为了更好地理解同轴电缆的重要性，让我们首先检查其历史和早期应用。

同轴电缆的历史

同轴电缆已经有140多年的历史。1880年，由Oliver Heaviside在英国首次申请专利(见图1)。这种“电缆”由刚性铜管作为外导体，铜线作为内导体，由绝缘材料制成的圆盘支撑。同轴电缆设计的第二个改进于1931年在美国获得专利(2)。该电缆由Lloyd Espenschied和Herman Affel发明，是一种用于电话行业的柔性同轴电缆。他们专注于同轴同轴的设计，因为它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，英国在无线电探测系统中使用了同轴电缆;几年后，“雷达”一词才出现(3)。在这段时间里，爱德华·鲍恩(Edward Bowen)利用帝国化学学院(Imperial College of Chemistry)创造的一种新型介电材料聚乙烯(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，外面包裹着一定直径的聚乙烯，上面覆盖着编织铜和绝缘层(2)。

射频参数

在同轴电缆中，这两个域到底在寻找什么?它们有多少重叠?我们将首先看射频场和一些特定的因素是什么。其中一些是非常常见和直接的，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。它们是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过程中的物理方向有关;几何设计(如同轴电缆)在弯曲时发生变化，因此原来圆柱体的一侧现在变成了一条更短的路径。当测量一个特性时，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。从中心导体是否绞线或实心到护套在电缆上挤压的速度，所有的事情都将影响这个测量。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处被视为相移，因此测量称为相稳定性。

射频参数:电压驻波比

VSWR是在传输线上发现的最大和最小电压水平的比值。理想的比例是1:1，即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。特别是在设计天线的馈线时，天线本身必须紧密匹配，以减少反射。反射波是没有传递到天线的能量。当它们产生干扰时，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.回程损失

射频指标(VSWR)如何与数据通信世界中的信号完整性相关，以及可能使用哪些其他指标?为此，我与Samtec公司的Scott McMorrow进行了交谈。VSWR没有直接使用，相反，返回损耗被用作电缆和连接器的度量，通常用分贝来测量。回波损耗是反射大小的度量，是几个散射参数(5)之一。驻波比和回波损耗有内在联系，可由下式(6)计算:

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

现在我们来看看数字领域的关键参数。

数字参数:散射参数

表征设备信号完整性的主要方法是通过其散射参数(s参数)。这是设备端口之间传输和反射系数的矩阵。其中最相关的是S₁₁,年代₂₁,年代₂₂．年代₁₁是端口1的连接器反射，端口1通常是系统的输入。这个值也称为返回损耗，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;与之相反的是插入损耗。年代₂₂是2号端口的反射系数。这些只是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:斜

系统的定时对信号完整性也很关键。计时误差的一种测量方法是歪斜，这与系统的物理结构有关。这是由于信号之间的传输线布局和组成不同造成的。当多个信号同时发射时，例如一个差分对，它们到达接收器的时间差就是偏度。另一种常见的歪斜现象是在时钟中;时钟信号需要同步到达所有的接收器，以维持系统定时。

校准和验证

值得注意的是，矢量网络分析仪(VNA)经过了非常仔细的校准(和验证)，这是非常重要的，因为倾斜测量与VNA的校准参考平面相关联。下面的图2是一个标定的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，最大插入损耗变化到40 GHz)。

结果在实践中

在实践中，收集这些数据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。在写这篇文章的时候，这些电缆对作为Wild River Technology的ISI-USB4损耗建模套件(8)的一部分可以购买。这个过程自然从SLOT校准开始。测量时，电缆的一端被固定住。这个VNA有两个端口，所以对中的每根电缆必须分别测量。然而，末端的位置保持不变。该电缆在40 MHz到40 GHZ的频率范围内进行了测试。下面的图4中显示了其中一个测试的数据示例。

图4显示了一根电缆的s参数，以及计算出的每对电缆的延迟。通过适当的校准和足够的样本，该工具可以将延迟计算到十分之一皮秒，或100飞秒。(计算如此小范围的延迟和围绕这种计算设计电缆的方法目前是专利。)这种测试设置不能同时测量两根电缆，因此不能直接计算斜度。

两根电缆之间延迟值的差值就是两根电缆之间的相对斜度。这对电缆分别有2.1336 ns和2.1337 ns的延迟值，所以相对倾斜在100飞秒的量级上。这是一个非常低的相对倾斜，并在制造过程中实现。先制作一根电缆并测量。然后根据需要切断第二根电缆，以匹配该延迟，确保电缆之间的相对斜度较低。

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，电缆对弯曲了大量的次数，并在一定的弯曲次数时重新计算相对斜度。这是一种不同的弯曲方法，比早期的相位稳定性测试更长期。在电缆对上运行测试时的数据可以在图5中看到，并清楚地展示了与重复弯曲相比良好的相位和插入损耗稳定性。

图5。电缆对的歪斜测试结果

电缆通过热收缩捆扎在一起，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是至关重要的。图6显示了电缆对对大量模拟使用的响应。这些电缆在测试时弯曲在一起。即使经过1000次弯曲，这对对仍然保持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复制的测量。

潜在的应用

这一进展的下一部分是应用，电缆将用于什么?多年来，数字通信协议在越来越高的频率下运行，测试设备的物理规格也变得更加严格。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，浅蓝色的电缆都是相位匹配对。这个设置是为一个有压力的通道校准接收器。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。他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支柱有着悠久的历史，已经存在了一个多世纪。这些系统的参数有一些相似之处，如衰减和插入损耗。也有差异，如数字信号的兴趣眼图和散射参数。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。还有一个重点是一对同轴电缆，以强调测量一些数字导向的参数，并不总是考虑在基于射频的数据表。

确认

1. 艾尔·内维斯，感谢你在野河科技做我的导师
2. Scott McMorrow -关于VSWR和一般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。”剧情简介简介公司。
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，拉瓦奥里，翁贝托。应用电磁学基础“，．7^thed。皮尔森,2007年。
5. 与Samtec公司的Scott McMorrow对话
6. “VSWR / Return Loss Calculator。”所有关于电路．
7. Bogatin,埃里克。《如何不被s参数迷惑》信号完整性的杂志2020年4月7日。
8. Wild River Technology USB4损失建模套件
9. 图片和测试信息来自Teledyne-LeCroy的Mike Engbretson