陈明森：关于网络变压器的四项频率特性简介

陈明森：关于网络变压器的四项频率特性简介
陈明森

摘要：网络变压器的插入损耗、回波损耗、交越干扰和共模抑制比等四项关于频率特性方面的指标。这四项指标中任何一项达不到要求都会造成网络通讯不顺畅或丢包现象。

关键词：插入损耗；回波损耗；交越干扰；共模抑制比

 

网络变压器具体有T1/E1隔离变压器;ISDN/ADSL接口变压器;VDSL高通/低通滤波器模块、接口变压器;T3/E3、SDH、64KBPS接口变压器;10/100BASE、 1000BASE-TX网络滤波器;RJ45集成变压器;还可根据客户需要设计专用变压器。

在国内外生产网络变压器各公司的产品介绍中，首先列出的都是各种型号网络变压器的插入损耗、回波损耗、交越干扰和共模抑制比等四项关于频率特性方面的指标。

之所以如此，是因为这四项指标中任何一项达不到要求都会造成网络通讯不顺畅或丢包现象。因此，弄清这四项指标的物理概念和检测方法是必要的。 现对网络变压的这四项指的物理意义和测量方法作简明介绍，同时还将列出对常用的网络变压器的插入损耗、回波损耗、交越干扰和共模抑制比等指标检测的结果。

安装在网卡上网络变压器的电路图图l所示是安装在计算机内部网卡中的网络变压器电路图。位于图的中间部分的长方框为多个公 司生产的一种典型的网络变压器。该变压器一般都安装在网卡的输入附近。工作时，由收发器送出的上行数据信号从络变压器的Pin16.Pin15进入，由Pin10-Pin11输出，经RJ45型转接头，再通过非屏 蔽双绞线送往服务器;服务器送来的下行数据信号经另一对非屏蔽双绞线和RJ45型转接头，由 Pin7-Pin6进入，由Pin1.Pin2输出，然后送到网卡的收发器上。

从图l中看到，网络变压器所处工作环境有两个特点：一是通过它的数据电压信号都是平衡信号，即两信号线上电压的参考点为地线，电压的幅度大小相等，极性相反;二是驱动网络变压器信号源的 内阻和网络变压器所带负载电阻的阻值均为l00Ω，处在良好的阻抗匹配状态下。因为右边与网络变压 器Pin10-Pin10和Pin7.Pin6相联接的非屏蔽双绞线的特性阻抗均为l00Ω. 生产网络变压器的公司在作产品出厂检测时，不可能把每一个产品都焊接到网卡上作实际应用的 测试。因为这样检测过于麻烦，效率也低。因此研发既接近实际使用条件、检测又方便、效率又高的 检测方法是十分重要的课题。

1网络变压器插入损耗的定义及其检测方法

从图l中看到，网络变压器是计算机服务器之间双向交流数据电压信号链条中的一个环节。信号通过这个环节时，不可避免的会有一些衰减。插入损耗就是衡量信号衰减程度的一项指标。对同一个网络变压器来讲，它对信号衰减程度与信号的频率有关。因此，插入损耗一般指的是网络变压器对信号衰减程度与信号频率之间的关系曲线。 为了便于讨论，将图l网络变压器中传送上行数据电压信号的单元电路简化成图2所示电路。在 图2中，用内阻为两个50Ω的等效电压源代替驱动电路，用100Ω电阻代替非屏蔽双绞线。图中V1表示在信号与负载电阻之间插入了网络变压器后的输出电压幅度。 图3所示是信号源与负载电阻之间直接用两截短导线联接时的电路图。图中V2表示在信号源与负 载电阻之间直接用两截短导线联接时的输出电压幅度。

插入损耗指的是图2中V1与图3中V2的比值。

一般插入损耗都用分贝(dB)来表示：

插入损耗=20Xlog(V1/V2) (1)

检测网络变压器插入损耗一般采用网络分析仪(例如HP 8712型网络分析仪)。网络分析仪内部配备 有输出阻抗为50Ω、幅度恒定、频率随着时间线性变化的正弦波信号源。此信号源的信号从RF OUT 端输出。通过待测产品后的正弦波信号从网络分析仪RF IN输入。网络分析仪对从RF IN输入的正弦 波信号进行检波，并将检波出来的与输入信号幅度成比例的电压信号数字化。数字化后的数据按照频率的顺序存入网络分析仪内部微型计算机内存的相应单元中。检测完成后，网络分析仪用这数据按照 频率的顺序在屏幕上示出一条曲线。

网络分析仪的输入、输出阻抗均为50Ω，而且又是非平衡信号，因而不能直接与网络变压器相联接。在校正(Calibration)检测系统和检测产品时，必须在网络分析仪与网络变压器之间加上平衡 非平 衡50Ω/100Ω阻抗转换器。

图4所示是检测网络变压器TX单元电路插入损耗时的电路图。测完TX单元电路之后，再将图4中平衡 --- 非平衡50Ω/100Ω阻抗转换器的相应接点转接到RX单元电路的相应Pin脚上，再对RX单元 电路进行检测。

在检测产品之前需要对检测系统进行校正。校正时，用两根短导线代替图4中的网络变压器。其中一根短导线联接到两个平衡 非平衡50Ω/100Ω阻抗转换器上面的接头上，另一根联接到其下面的 接头上。校正完成后，HP 8712把图4所示状态作为无损耗的参考标准。并在显示屏上示出一条插入损 为0dB的水平线。因此人们习惯上把对测系统的正过称为“归零”。

检测产品时，去掉两条短路线，换上待测产品。显示屏上将示出插入产品后的幅度随着频率改变 而变化的插入损耗曲线。图5所示是测得的TX和RX两个单元电路插入损耗曲线。

2网络变压器回波损耗的定义及其检测方法

在信号源内阻与负载电阻均为10OΩ的发送或接收系统之间插入网络变压器之后，不仅对信号幅度 有一定的衰减，还会在一定程度上破坏阻抗匹配。在阻抗失配的情况下，电压信号在传送过程中就会 产生反射。反射信号叠加在有用信号上，同样会造成误码或丢包现象。回波损耗是用来衡量插入网络 变压器后系统阻抗失配程度与信号频率之间的关系曲线。

回波损耗的定义是：传输系统中插入了网络变压器后反射信号与入射信号的比值。

一般回波损耗 也用分贝(dB)来表示：

回波损耗=20×log(Vr/Vi) (2)

(2)中的vi为入射信号的幅度，Vr为反射信号的幅度。

检测网络变压器回波损耗的仪器仍然是网络分析仪。不过要对它重新设置，要由传送(Transmission) 状态改到回波(Reflection)状态。设置在传送状态下，用到了网络分析仪的RF OUT联接头和RF IN联 接头，而在回波状态下，只用网络分析仪的RF OUT联接头。图6所示是网络分析仪检测网络变压器 TX单元电路回波损耗的电路图。

在检测之前要对检测系统进行校正。在回波状态下校正有3个步骤：

第一步开路(Open)校正。校正方法是取走图6中的待测网络变压器和lOOΩ电阻，使平衡--非平衡50Ω/100Ω阻抗转换器右端处于开路状态。 第二步短路(Short)校正。校正方法是在第一步的基础上，用短导线将平衡 非平衡5OΩ/100Ω阻抗转换器右端的两联接头短路。

第三步标准负载(Load)校正。校正方法是在第二步的基础上，去掉短导线用比较精确的100Ω电阻 接到阻抗转换器右端的两联接头上。完成第三步校正后，在网络分析仪显示屏上将出现一条低于.60dB 的带有统计起伏的水平线。这条水平线表示回波信号的幅度接近零。

然后再按图6所示方法接入待测网络变压器。此时显示屏就会示出接入了待测网络变压器后的回 波损耗对频率的关系曲线。图7所示是测得典型网络变压TX和RX两个单元电路的回波损耗曲线。

3网络变压器交越干扰的定义及其检测方法

从图l看到，在一个典型网络变压器中有TX和Rx两个单元电路。虽然两个单元电路之间没有直 接的联系通道，但由于它们的距离很近，通过空间感应或寄生参数的耦合仍然有交越干扰的现象。 网络变压器交越干扰的定义是：两个单元电路中的一个单元电路中的信号V1与感应到另一个单元电路中的信号V2之比值。

一般交越干扰也用分贝(dB)来表示：

交越干扰=20×log(V2/V1) (3)

检测网络变压器交越干扰时，网络分析仪仍设置在Transmission状态下。图8所示是检测网络变 压器TX和RX两单元电路之间交越干扰时的电路图。从图中看到，来自8712网络分析仪RF OUT的 扫频信号只加在TX单元电路上，而网络分析仪RF IN接收的却是RX单元电路的信号。TX和RX两 单元电路另一端的IOOΩ电阻用来代替实际工作状态下所接的特性阻抗为lOOΩ的非屏蔽双绞线。 检测交越干扰之前仍然要对检测系进行校正。校正方法与检测网络变压器插入损耗时相同。图9所示是测得的典型网络变压器TX和R.X两个单元电路之间交越干扰对频率的关系曲线。

4网络变压器共模抑制比的定义及其检测方法

局域网中传送的数据电压信号采用的是平衡信号。在理想情况下，只有平衡信号通过网络变压器。 但计算机内部的非平衡信号通过某些寄生渠道会感应到与之相联接的网络变压器上，形成共模干扰信号。网络变压器的另一端接的是长达数十米的非屏蔽双绞线。非屏蔽双绞线上接收到的来自外界的共 模干扰信号又会通过网络变压器传回到计算机内部。接在计算机与非屏蔽双绞线之间的网络变压器对 共模干扰信号有抑制作用。 网络变压器共模抑制比的定义是：网络变压器输入端的共模干扰信号幅度V'm与输出端的共模干 扰信号幅度Vout之比值。

一般共模抑制比也用分贝(dB)来表示：

共模抑制比=20~log(Vout/V-m) (4)

检测网络变压器共模抑制比时，网络分析仪仍然设置在Transmission状态下。图l0所示是检测网 络变压器TX和RX两单元电路的共模抑制比时的电路图。

网络变压器工作时，其输入和输出端都接有100Ω的电阻。为了模仿实际实情况，检测网络变压器 共模抑制比时，在其相应的Pin脚上各接有50Ω的电阻。Rl、R2两个50Ω电阻串联起来作为输入端的100Ω电阻; 、R5两个50Ω电阻串联起来作为输出端的100Ω电阻。R3和 两个50Ω电阻是两段特性 阻抗为50Ω电缆的匹配电阻。 检测网络变压器共模抑制比前，仍然要对检测系统进行校正。校正方法是取走图lO中待测产品和 所有电阻，利用50Ω的电缆转接头将接在网络分析仪RF OUT和I IN上的两电缆联起来，再按下校正按键。

图ll所示是测得典型网络变压器的TX和RX两个单元电路的共模抑制比对频率的关系曲线。

参考 《电阻、扼流圈组成的平衡与非平衡之间阻抗转换器.教学与科技》