RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通用测试指南

RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通用测试指南 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 1 页 共 14 页 RJ45集成磁性组件连接器的插入损耗、反射损耗、串扰、共模抑制比的物理意 义及其通用检测方法 1. 简介 1.1 适用范围 本文件适用于RJ45集成磁性组件连接器(以下简称ICM) 。例如:单口，单层多口，双层多口，USB/RJ45，POE系列的RJ45电子连接器。 1.2 目的 RJ45集成磁性组件连接器的主要频率特性是与其嵌入的网络变压器有关，各种型号网络变压器的插入损耗(IL)、回波损耗(RL)、串扰(Crosstalk)和共模抑制比(CMRR)等四项关于频率特性方面的指标是其主要特性。其所以如此，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。本文将对网络变压器的这四项指标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、串扰和共模抑制比等指标检测的结果。 2. 定义 2.1 Stimulus signal 激励源(信号源) 激励源指产生信号振荡的源头，是施加于系统的外部原因。用频域分析法，激励源信号是正弦波曲线。 2.2 Common Mode Impedance (Z)共模阻抗 共模阻抗是指一个网络输入与输出之间的阻抗，测试时需将所有的输入输出分别短路。共模阻抗能够减弱引起电磁干扰的噪声。在信号传输路径上产生的阻抗不应该影响这个信号。 2.3 Common Mode Signal 共模信号 共模信号是指在两输入端输入极性相同的信号。共模信号将导致电磁干扰。电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰(进入电源线内)。信号传输不对称和阻抗不匹配时差模信号转换都将产生数字终端设备的共模信号。 2.4 Differential Mode Signal 差模信号 差模信号是指在两输入端输入大小相等极性相反的信号，它不会产生辐射。 2.5 Electro Magnetic Interference (EMI)电磁干扰 电磁干扰(EMI): 是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音 电磁干扰(EMI)，有传导干扰和辐射干扰两种。 传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。 辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。 电磁干扰三要素 理论和实践的研究表明，不管复杂系统还是简单装置，任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应该具有干扰源;其次有传播干扰能量的途径和通道;第三还必须有被干扰对象的响应。在电磁兼容性理论 中把被干扰对象统称为敏感设备(或敏感器)。 因此电磁干扰源、干扰传播途径(或传输通道)和敏感设备称为电磁干扰三要素。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 2 页 共 14 页 2.6 Insertion Loss (IL) 插入损耗 插入损耗是指指将某些器件或分支电路(滤波器、阻抗匹配器等)加进某一电路时,能量衰减或增益的损耗。下图显示了插入损耗测试方法. VoutIL=20lg(dB) Vin 图1 2.7 Return Loss(RL) 反射损耗 (也称为回波损耗) 反射损耗是用来描述实测阻抗与标准阻抗不同或不匹配的程度，不同和不匹配既包括幅值大小的不同又包括相位角的不同。反射损耗的单位是分贝，反射损耗的表达式如下: 这里Z是指标准阻抗，Z是实测阻抗。如果匹配理想，反射损耗将会无穷大。 SM 图2 2.8 Crosstalk 串扰 串扰是指两条信号线之间的耦合现象。 串扰又分为近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT):一般人们所说的串扰是指近端串扰(NEXT) 近端串扰(NEXT):是输入一个已知的信号到连接器RJ端的一个通道，同时在连接器RJ端测试另一通道中被感应的信号值，终端电阻需加在同一端，例如PIN脚端。 远端串扰(FEXT):是输入一个已知的信号到连接器RJ端的一个通道，同时在远端(PHY端)测试另一相道中被感应的信号值，终端电阻需加在不同两端。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 3 页 共 14 页 图3 近端串扰 图4 远端串扰 2.9 CMRR (Common mode rejection ratio)共模抑制比 共模抑制比是指同一电路中差模增益与共模增益的比值。增益定义为某一频域内，输出信号与输入信号幅值大小的比值。(信号不是共模信号就是差模信号) 图5 2.10 DCMR (DM TO CM Conversion)差模与共模的转换和CDMR (CM TO DM Conversion). 共模与差模的转换. DCMR:平衡设备在差模信号的激励作用下的共模响应。 CDMR:平衡设备在共模信号的激励作用下的差模响应 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 4 页 共 14 页 DCMR测试连接 CDMR测试连接 BALUN BALUN TXOUTTXOUT50:10050:100TXINTXIN 图6 2.11 CMA (CM to CM Attenuation) 共模衰减. 共模噪声抑制是用来表示减弱共模信号(从一端传到另一端)大小的能力。衰减是表示输出信号大小与输入信号大小的比率，它的单位是分贝。 图7 3( ICM 频率特性及测试 安装在网卡上网络变压器的电路图 图8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端附近。工作时，由收发器送出的上行数据信号从网络变压器的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。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 5 页 共 14 页 图8 安装在计算机内部网卡中的网络变压器电路图 从图8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100Ω，处在良好的阻抗匹配状态下。因为右边与网络变压器Pin10-Pin11和Pin7-Pin6相联接的非屏蔽双绞线的特性阻抗均为100Ω( 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。 3.1 变压器插入损耗(IL)其检测方法 从图8中看到，网络变压器是计算机??集线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8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9所示电路。在图9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10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。 图9 驱动网络变压器的等效电路 图10 信号源与负载电阻直接联接时的电路 插入损耗指的是图9中V与图10中V的比值。一般插入损耗都用分贝(dB)来表示: 12 插入损耗=20Xlog(V,V) (1) 12 检测网络变压器插入损耗一般采用网络分析仪(例如安捷伦E5061B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 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 6 页 共 14 页 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11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11 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11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，E5061B把图11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耗为0dB的水平线。因此人们习惯上把对检测系统的校正过程称为“归零”。 图11 检测网络变压器TX单元电路插入损耗时的电路图 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12所示是测得的TX和RX两个单元电路插入损耗曲线。 图12 典型网络变压器中TX和RX两个单元电路的插入损耗曲线 3.2 网络变压器回波损耗(RL)的定义及其检测方法 在信号源内阻与负载电阻均为100Ω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 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 7 页 共 14 页 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) 式(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13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13中的待测网络变压器和100Ω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50Ω,100Ω阻 抗转换器右端的两联接头短路。 图13 网络分析仪检测网络变压器回波损耗的电路图 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。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 8 页 共 14 页 图14 典型网络变压器中TX和RX两个单元电路回波损耗曲线 然后再按图13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14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。 3.3 网络变压器串扰(Crosstalk)的定义及其检测方法 从图1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串扰(也可以叫做交越干扰)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15， 17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100Ω电阻用来代替实际工作状态下所接的特性阻抗为100Ω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16所示 是测得的典型网络变压器TX和RX两个单元电路之间交越干扰对频率的关系曲线。 图16 图15 图15 网络分析仪检测网络变压器远端串扰的电路图 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 9 页 共 14 页 图17 网络分析仪检测网络变压器近端串扰的电路图 3.4 网络变压器共模衰减(CMA)的检测方法 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衰减作用。 检测网络变压器共模衰减时，网络分析仪仍然设置在Transmission状态下。图18所示是检测网络变压器TX和RX两单元电路的共模衰减(CMA)时的电路图。 图18 检测网络变压器TX和RX两单元电路的共模衰减时的电路图 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衰减时，在其相应的Pin脚上各接有50Ω的电阻。R1、R2两个50Ω电阻串联起来作为输入端的100Ω电阻;R4 、R5两个50Ω电阻串联起来作为输出端的100Ω 电阻。R3和R6 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衰减前，仍然要对检测系统进行校正。校正方法是取走图18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RF IN上的两电缆联起来，再按下校正按键。图19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衰减对频率的关系曲线。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 10 页 共 14 页 网络变压器TX和RX两个单元电路的共模衰减对频率的关系曲线。 图19 3.5 网络变压器共模抑制比(CMRR)的检测方法 我们一般用的是0322BF 98821 经向(经度)匹配器来进行测试，测试前要对检测系统进行校正， 测试原理图(框图)如图20。测试产品时，产品的一端接100Ω的负载，另一端接0322BF 98821 经向(经度)匹配器，仪器和匹配器都要接地良好。 共模抑制比 = 20 x log ( Vout / Vin ) (4) 图20 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 3.6 网络变压器差模与共模转换(DCMR)的检测方法 检测网络变压器差模与共模转换时，网络分析仪仍设置在Transmission状态下。图21所示是检测网络变压器TX和RX两单元电路之间差模到共模时的电路图。 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，检测网络变压器差模到共模转换时，在共模端的Pin脚上各接有50Ω的电阻。R1、R2两个50Ω电阻串联起来作为输出端的100Ω电阻;输入端接一平衡?? 非平衡50Ω,100Ω阻抗转换器，同时，把产品的地和治具的地连在一起。 根据需要在Port 2信号线与地治具接一个50Ω的电阻来匹配特性阻抗为50Ω的电缆线。检测网络变压器差模与共模转换前，仍然要对检测系统进行校正。校正方法是取走图21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RF IN上的两电缆联起来，再按下校正按键。网络变压器的TX和RX两个单元电路的差模与共模转换对频率的关系曲线与图19所示相近。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 11 页 共 14 页 图21 检测网络变压器的差模与共模转换时的电路图 图22 检测网络变压器的共模与差模转换时的电路图 检测网络变压器共模与差模转换时，网络分析仪仍设置在Transmission状态下。图22所示是检测网络变压器TX和RX两单元电路之间共模与差模转换时的电路图。测试方法与测试差模与共模转换的方法相同，只是交换产品与仪器输出、输入端口的方向。 备注:3.1~3.5项讲解的检测方法可以参考 QB054-119《两端口网络分析仪单机操作指示》文件，里面有更为详细的操作步骤和仪器使用方法。 4. 仪器和测试治具 4.1 仪器 频域测试就用射频网络分析仪。像惠普的8712ET、安捷伦的8753、EN5061A、E5061B、E5071C或者其他公司同等功能的仪器，它们都可用来测试插入损耗、回损、串扰、阻抗匹配、共模噪声抑制、共模衰减等等。 , 仪器: 安捷伦的8712ET射频网络分析仪 , 安捷伦的E5061A 300k-1.5GHz ENA系列的网络分析仪 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 12 页 共 14 页 , 安捷伦的E5061B 100 kHz-1.5 GHz ENA系列的网络分析仪 , 安捷伦的E5071A 300 kHz-8.5 GHz ENA系列的网络分析仪 4.2 一对带BNC公端子(50欧姆)的同轴电缆。 4.3 一对带SMA公端子(50欧姆)的同轴电缆。 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 13 页 共 14 页 4.4 50:100的匹配器 可以用North Hills的 0300BB(100KHz-100MHz) 或者 North Hills的NH13734 (100KHz-300MHz)或者是小型的不平衡变压器。 Each 1 piece for 4 channels 4.5 一个不平衡“镜像”匹配器:North Hills的TSM 98821 0322BF 0.1~100MHz,阻抗比是50:100 4.6 一个每个通道带一个100欧姆电阻的RJ45插头 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen 标题:RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通 用测试指南 页 码 第 14 页 共 14 页 100欧 详细的仪器使用方法(包括连接方法和校准方法)请参考《Agilent E5061B网络分析仪产线测试操作指示》， 《Agilent E5061B网络分析仪单机测试操作指示》等。 5. 参考文献 1 汪源浚 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(2007，(20):12~17 2 饶利军 RJ45连接器网络参数测试方法及原理 2006年9月 主审 : 饶利军(Lee Rao) 编写人员 :范良志 饶利军 Dennis Chen