Messung der Kabelimpedanz

Impedanz von Koaxialkabeln

Ein Koaxialkabel, gerne kurz als „Koax“ bezeichnet, besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Innenleiter: Die Mittelader, die das Signal überträgt.
• Dielektrischer Isolator: Eine Schicht aus Isoliermaterial, die den Innenleiter umgibt.
• Außenleiter: Eine metallische Abschirmung, welche die dielektrische Schicht einschließt. Der Außenleiter dient einerseits als Signalrückweg und schützt andererseits vor externen elektromagnetischen Störungen.

In der Regel sind diese Kernkomponenten noch von einer zusätzlichen Kunststoffisolierung umgeben. Die Wellenimpedanz eines Koaxialkabels ist eine Funktion des Innen- und Außenleiterdurchmessers sowie der Dielektrizitätszahl des Isoliermaterials dazwischen. Die meisten Koaxialkabel weisen eine Wellenimpedanz von entweder 50 oder 75 Ohm auf. Die Impedanz ist häufig auf dem Außenmantel des Kabels angegeben. Wenn nicht, kann sie mit einem VNA gemessen werden.

Messen der Wellenimpedanz eines Koaxialkabels mit einem VNA

Ein VNA kann die Wellenimpedanz eines Koaxialkabels auf dem Weg einer sogenannten λ/4-Transformation bestimmen. Hierbei kommt eine Übertragungsleitung zum Einsatz, die eine Viertel Wellenlänge (λ/4) lang ist und eine bekannte Impedanz ZL besitzt. Die Wellenimpedanz Z0 kann aus dem bekannten Wert von ZL und der mit dem VNA gemessenen Eingangsimpedanz Zin berechnet werden.

Der Messvorgang umfasst vier Schritte:

• Kalibrierung des VNA: Führen Sie eine Open-Short-Match-(OSM)-Kalibrierung am VNA durch. Dieser Schritt dient der Genauigkeit. Geht es nur um die Bestimmung, ob die Kabelimpedanz 50 oder 75 Ohm beträgt, ist er nicht unbedingt erforderlich.
• Anschließen des Kabels: Schließen Sie das Koaxialkabel an den VNA an und schließen Sie es mit einer 50-Ohm-Last ab.
• Durchführen einer S11-Messung: Konfigurieren und führen Sie eine Reflexionsmessung (S11) am VNA durch. Die Start- und Stoppfrequenzen des Sweeps müssen entsprechend eingestellt werden.
• Interpretieren der Ergebnisse mittels Smith-Diagramm: Tragen Sie die Messergebnisse in ein Smith-Diagramm ein, um die Impedanz zu bestimmen. Wenn sowohl die Kabel- als auch die Lastimpedanz 50 Ohm betragen, zeigt das Smith-Diagramm im Zentrum einen Punkt oder kleinen Kreis. Wenn die Kabel- und Lastimpedanz unterschiedlich sind, bildet die Messlinie unvollständige oder mehrere Kreise.

Einstellen der richtigen Sweep-Frequenzen

Um die Impedanz genau messen zu können, müssen die Sweep-Frequenzen richtig konfiguriert werden:

• Die Startfrequenz sollte niedrig sein, normalerweise 100 kHz oder weniger.
• Die Stoppfrequenz darf nicht zu niedrig eingestellt werden – die Messlinie sollte die Widerstandsachse genau einmal kreuzen. Als Schätzung für die ideale Stoppfrequenz (in MHz) kann 75 geteilt durch die ungefähre Kabellänge (in Metern) verwendet werden. Diese Schätzung basiert auf der Viertelwellenlänge der Signalgeschwindigkeit im Kabel.

Aufgrund der langsameren Signalausbreitungsgeschwindigkeit in einem Kabel im Vergleich zum Vakuum kann die berechnete Stoppfrequenz im Smith-Diagramm zu einem leichten Überschwingen führen. Die Ergebnisse können jedoch trotzdem brauchbar sein.

Bestimmung der Kabelimpedanz

Wenn eine „ideale“ Messlinie erhalten wurde, verwenden Sie einen Marker, um den Punkt zu finden, an dem die Messlinie die Wirkwiderstandsachse kreuzt. Dieser Wert entspricht der Eingangsimpedanz Z_in. Fällt kein Messkurvenpunkt genau auf die Wirkwiderstandsachse, kann auch der nächstgelegene Punkt verwendet werden, um gute Ergebnisse zu erzielen. Berechnen Sie abschließend die Wellenimpedanz des Kabels mit Hilfe des gemessenen Werts von Z_in und der bekannten Lastimpedanz Z_L.