Минимизация методической погрешности измерений частотных характеристик волнового сопротивления витых пар в Кирове | Интернет-портал «Хороший свет»
ВСЕ ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ И ЭЛЕКТРОМОНТАЖА
Ваш город

Киров (Россия, Кировская область )?

Избранное
Сравнение
Корзина

ОПТОВАЯ ПРОДАЖА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Минимизация методической погрешности измерений частотных характеристик волнового сопротивления витых пар

Минимизация методической погрешности измерений частотных характеристик волнового сопротивления витых пар

Современный объект промышленного и гражданского назначения обязательно содержит информационнотелекоммуникационную систему. Последняя реализуется с учётом проверенной временем семиуровневой сетевой модели Open Systems Interconnection (OSI).

Современный объект промышленного и гражданского назначения обязательно содержит информационнотелекоммуникационную систему. Последняя реализуется с учётом проверенной временем семиуровневой сетевой модели Open Systems Interconnection (OSI). Несмотря на определённые достижения техники беспроводного доступа, в качестве основы физического уровня в силу ряда известных причин используются преимущественно проводные каналы связи, которые реализуются на основе симметричных LANкабелей (LAN, local area network – локальная сеть) из витых пар. За системами Wi-Fi остаются конкретные области применения, главным образом гостевые сети. LAN-кабели популярны также при построении сетей доступа [1]. Отечественной промышленностью серийно выпускаются LAN-кабели различных категорий, контроль их качества потребовал введения соответствующей нормативной базы [2]. При производстве кабелей руководствуются национальным стандартом ГОСТ Р 54429-20111 [3], который заменил ГОСТ Р 53245-20082 и ГОСТ Р 53246-20083 [4]. При разработке ГОСТ Р 54429-2011, в том числе из соображений гармонизации с международной нормативной базой, учтены положения стандартов группы IEC 61156, а также особенности национального рынка LAN-кабелей. Некоторое влияние на нормативную часть документа оказал опыт, накопленный отраслью в процессе построения структурированных кабельных систем и сетей доступа на основе витых пар. ГОСТ Р 54429-2011 в целом положительно встречен специалистами, однако десятилетний опыт его применения выявил ряд недостатков документа, связанных со сложностью практической реализации и даже определённой противоречивостью некоторых положений. Актуальность выявленных недочетов также обусловлена тем, что за истёкший период стандартизированы категории 8.1 и 8.2 LAN-кабелей, для которых верхняя граница диапазона частот контроля достигла 2000 МГц [5]. Цель настоящей статьи – доработать для LAN-кабелей описанные в ГОСТ Р 54429-2011 процедуры измерений ключевых частотных характеристик: затухания отражения RL(f) и волнового сопротивления (импеданса) Zc(f) и представить результаты практического тестирования кабелей из витых пар с учётом достигнутого технического уровня измерительной аппаратуры.

Особенности процесса контроля LAN-кабелей.

LANкабель как высокотехнологичное изделие характеризуется параметрами, нормированными в ГОСТ Р 54429-2011, в том числе затуханием отражения, порождаемом соотношением величин фактического и номинального импеданса пары, а также неоднородностью импеданса. Частотные характеристики импеданса рекомендовано вычислять по комплексному коэффициенту отражения или по задержке в паре и ёмкости пары (см. ГОСТ Р 54429-2011, формулы (50), (51) соответственно). На производстве для контроля качества жёстких инсталляционных (solid) и гибких шнуровых (stranded или multi wire) кабелей применяют измерительные системы, например, DCM 3S-XLD (Beta LaserMike, США), Vega AXT (AESA Cortaillod, Швейцария), CTS-650L (SECRI, КНР) и A132 (Россия). Такие системы содержат широкополосные векторные анализаторы цепей (ВАЦ) и коммутатор, заканчивающийся симметричным разъёмом с импедансом, равным 100 Ом. В ГОСТ Р 54429-2011 косвенно определены требования к конструкции измерительного коммутатора и габаритам клемм на панели подключения: в п. 5.2.1.8 задан предел парной ёмкости LAN-кабелей, составляющий 100 пар; в пп. 5.2.2.4, 5.2.2.5 поставлены задачи контроля сопротивления и электрической прочности изоляции при напряжении до 1000 В; в п. 5.2.2.18 применительно к кабелям категории 7A включено требование создать условия для измерения переходного затухания не менее 78 дБ на частоте 100 МГц. Необходимость совместного обеспечения этих требований обусловливает расположение клемм на панели подключения по кругу радиусом не менее 20 см. Для подключения кабеля к такой панели следует снять внешний покров, удалить экран и разделать подключаемый кабель на значительной длине. Кроме того, необходимо выполнить «раскрыв» (развивку) проводов подключаемой витой пары. Эти обстоятельства оказывают значимое влияние на результаты измерений частотных характеристик кабеля. На рис. 1 представлены схема участка подключения витой пары и рефлектограмма Г(x) как зависимость коэффициента отражения Г от длины кабеля x, отсчитываемой от клемм средства измерений (плоскости калибровки П1). По сравнению со случаем близкого к идеальному согласования (кривая 2) участок разделки вызывает два сильных отражения (кривая 1): от места подключения пары к клеммам (П1) и от входа разделанной пары в измеряемый кабель (П2). Эти отражения не учитываются в методике ГОСТ Р 54429-2011, оказывают значимое влияние на результаты измерений и должны быть устранены.

Обзор результатов измерений LAN-кабелей.

Согласно данным Самарской кабельной компании (СКК) для F/UTP-кабелей при разной длине разделки отмечены как существенная неравномерность частотной характеристики волнового сопротивления в рабочей полосе 0–100 МГц (рис. 2, а), так и заметное увеличение сглаженного значения, составляющее примерно 10 Ом (рис. 2, б). Аналогичные результаты были получены также компанией Спецкабель [6]. В работе [7] специалисты швейцарской компании AESA Cortaillod – ведущего производителя измерительных систем – указывают на повышение измеренного импеданса Zc(f) витых пар кабеля с увеличением частоты до 600 МГц. В качестве причины этого авторы [7] полагают увеличение индуктивности, возникающей в раскрыве пары при её подключении к разъёмам измерительной системы. Согласно результатам выполненных авторами настоящей статьи измерений в полосе частот изменение импеданса носит не монотонный, а осциллирующий характер. На рис. 3 показана осцилляция частотной характеристики измеренного системой A132 импеданса голубой пары четырёхпарного F/UTP-кабеля при длинах участка разделки 51 и 27 см (соответственно а, б), откуда следует, что период осцилляции обратно пропорционален длине разделки. Частота осцилляции уменьшается примерно с 380 МГц при длине разделки 27 см до 200 МГц при длине разделки 51 см. Кардинальным решением проблемы устранения неравномерности частотных характеристик при контроле симметричных многопарных кабелей мог бы стать переход на метод измерений импеданса по задержке и ёмкости, свободный от быстрых и медленных осцилляций [8]. Однако не каждая измерительная система способна определять импеданс по задержке и ёмкости, вычисляя импеданс только по отражению. Но любую такую систему можно откалибровать, в том числе с учётом особенностей подключения. Таким образом, необходимо решить проблему влияния протяжённого участка разделки кабеля на измеряемые характеристики согласованности путём применения распределённых и индивидуальных для каждого типа кабеля калибровочных нагрузок.


3003-1.jpg

3003-2.jpg

Исследование причин нарушения норм импеданса. Модель влияния участка разделки.

Измерению частотной характеристики обычно предшествует калибровка измерительной системы, для чего её выход последовательно подключают к сосредоточенным нагрузкам – согласованной, холостого хода и короткого замыкания. Но между разъёмами системы и телом контролируемого кабеля вынужденно располагается участок разделки, длина которого увеличивается с увеличением числа пар в измеряемом кабеле. Так как выделенная из тела кабеля пара не окружена диэлектриком и соседними парами, то её ёмкость меньше, а следовательно, выше импеданс, чем у той же пары, находящейся под оболочкой за пределами участка разделки, для которого производители стремятся обеспечить соответствие норме 100 Ом. Поэтому можно ожидать, что измерительный сигнал ВАЦ дважды отразится и вернется в ВАЦ. Первое синфазное отражение происходит от стыка откалиброванной на нагрузку 100 Ом измерительной системы и начала участка разделки с повышенным импедансом. Для неэкранированной пары в экранированном или неэкранированном кабеле (F/UTP, U/UTP) импеданс пары на участке разделки на 9–13 % превышает импеданс пары в теле кабеля.

В примере, рефлектограмма которого показана на рис. 1, частотная характеристика импеданса – на рис. 3, 4, первое отражение соответствует времени t=0, а коэффициент отражения от участка разделки определяется по рефлектограмме и в конкретном случае (см. рис. 1) составляет Гр = 0,052-(-0,008) = 006 Следует заметить, что в конкретном случае такое отражение соответствует участку разделки, импеданс Zр которого весьма существенно отличается от номинала 100 Ом:

где Z0 – сопротивление согласованной нагрузки, использованной при калибровке. Считая, что создаваемое ВАЦ напряжение u=1 можно выразить отражение от первой неоднородности в виде

Вторым – противофазным – будет отражение от точки входа разделанной пары с повышенным импедансом в кабель, где импеданс пары близок к норме. Задержка τ между сигналами отражений снимается с конкретной рефлектограммы или вычисляется как

где х – длина участка разделки; v – скорость волны на участке разделки. На рефлектограмме (см. рис. 1) второе отражение соответствует времени задержки 2,4 нс. Затуханием на таком коротком участке разделки можно пренебречь, тогда отражение от второй неоднородности будет соответствовать выражению

Покажем, что нарастание измеренного импеданса в начале диапазона частот и его осцилляция в расширенном диапазоне являются следствием интерференции отражений (1), (3). Если оставить только зависимость от начальной фазы, то коэффициент отражения примет вид

Зависимость импеданса от частоты при таких же условиях описывается как

Результаты расчёта по предложенной модели (2), (4), (5) представлены на рис. 4. Совмещение результатов моделирования и измерений демонстрирует совпадение по основной осцилляции, т. е. подтверждает верность гипотезы о формировании методической погрешности измерения импеданса за счёт отражений измерительного сигнала от неоднородностей, вносимых протяжённым участком разделки.

Устранение влияния неоднородностей.

Минимизация длины участка разделки в целях снижения методической погрешности при измерении частотных характеристик отражения и импеданса кабеля невозможна из-за конечных габаритов разъёмов на панели подключения измерительной системы. Устранить влияние неоднородностей на получаемый результат можно смещением плоскости калибровки от разъёмов в область обреза оболочки. Калибровка проводится в трёх режимах (холостого хода, короткого замыкания и согласованной нагрузки), соответственно необходим комплект из распределённых калибровочных нагрузок. Они представляют собой отрезки витой пары, длины которых соответствует длине разделки тестируемого кабеля (см. рис. 1). При этом процедура калибровки ВАЦ измерительной системы не изменяется и корректировать его программное обеспечение не требуется. На одном конце витой пары калибровочных нагрузок предусмотрены штыревые контакты для подключения к розеткам измерительной системы. Второй конец отрезков витой пары нагружен или на чип-резистор сопротивлением 100 Ом, габариты которого близки к расстоянию между проводами пары, или на замыкание (режим короткого замыкания), или на разрыв (режим холостого хода). Шаги скрутки витых пар LAN-кабелей отличаются друг от друга для подавления переходных помех, не стандартизованы и подбираются при конструировании индивидуально с учётом характеристик крутильных машин и иных технологических параметров [9]. Таким образом, калибровочные нагрузки представляют собой комплект из трёх различных элементов для каждой пары и должны изначально согласовываться с типом тестируемого кабеля. Подобные распределенные калибровочные комплекты достаточно просто изготавливаются в заводской лаборатории непосредственно из витых пар тестируемого LAN-кабеля.

Практическое доказательство эффективности модернизации процесса калибровки измерительной системы

Действенность и практическая пригодность для тестирования предложенной процедуры измерений проверяли сравнением результатов, полученных при калибровке ВАЦ измерительной системы типовой сосредоточенной и модернизированной распределённой калибровочными нагрузками. Частотная характеристика 3 (см. рис. 4) представляет собой импеданс, измеренный по ёмкости и задержке, а характеристика 4 – импеданс, измеренный после калибровки порта с применением комплекта распределённых нагрузок, обеспечивающих перенос плоскости калибровки к началу неразделанного кабеля. Из вида частотной характеристики следует, что применение соответствующего калибровочного комплекта позволяет эффективно скомпенсировать интерференцию, возникающую в результате отражений от начала и конца участка разделки витой пары. Перенос плоскости калибровки анализатора позволяет уменьшить методическую погрешность в полосе частот 1–500 МГц, что обеспечивает контроль характеристик многопарных кабелей (до категории 6A), а применительно к наиболее распространённым 5e-кабелям отклонение от значения 100 Ом в полосе 0–100 МГц уменьшается с 14 до 3 % (см. рис. 4, кривые 1–4).

Дополнительные результаты.

В ходе исследования были определены условия, выполнение которых практически устраняет интерференцию при сохранении традиционной методики калибровки, т. е. калибровки непосредственно на разъёме измерительной системы.

К таким условиям относится необходимая длина разделки:

x<12 см для 5e-кабелей (1–100 МГц);

x<8 см для 6A-кабелей (1–500 МГц);

x<4 см для 7А-кабелей (1–1000 МГц), что практически крайне затруднительно для традиционных подключающих устройств.

Заключение.

Интерференция сигналов, отражённых от начала и окончания участка разделки, вызывает значимые изменения измеренных частотных характеристик затухания отражения и импеданса. Размах осцилляции измеренной частотной характеристики импеданса определяется удвоенным отклонением импеданса участка разделки от контролируемого импеданса собственно кабеля. Период осцилляции характеристики обратно пропорционален длине РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 62 Измерительная техника № 9, 2022 участка разделки контролируемого кабеля. Увеличение измеренного значения импеданса с увеличением частоты не является монотонным процессом, а лишь проявлением осцилляции на начальном участке оси частот. Наиболее эффективная компенсация осцилляции измеренного импеданса при тестировании параметров в производственных условиях обеспечивается калибровкой ВАЦ комплектом распределённых нагрузок, который позволяет перенести плоскость калибровки на обрез оболочки контролируемого кабеля. Перенос плоскости калибровки приводит к практическому результату – уменьшению методической погрешности измерения импеданса с 14 до 3 % для 5e-кабелей. Комплект распределённых калибровочных нагрузок для однопортовой калибровки ВАЦ состоит из трёх отдельных элементов и может быть изготовлен непосредственно в производственной лаборатории кабельного завода или испытательного центра.


Источник