RJ45集成磁性連接器網(wǎng)絡特性說明及其通用測試指南

1、標題：RJ45集成磁性連接器的網(wǎng)絡特性說明及其通用測試指南頁 碼第 14 頁 共 14 頁 RJ45集成磁性組件連接器的插入損耗、反射損耗、串擾、共模抑制比的物理意義及其通用檢測方法1. 簡介1.1 適用范圍本文件適用于RJ45集成磁性組件連接器（以下簡稱ICM） 。例如：單口，單層多口，雙層多口，USB/RJ45，POE系列的RJ45電子連接器。1.2 目的RJ45集成磁性組件連接器的主要頻率特性是與其嵌入的網(wǎng)絡變壓器有關，各種型號網(wǎng)絡變壓器的插入損耗（IL）、回波損耗（RL）、串擾（Crosstalk）和共模抑制比（CMRR）等四項關于頻率特性方面的指標是其主要特性。其所以如此，是因為這四

2、項指標中任何一項達不到要求都會造成網(wǎng)絡通訊不順暢或丟包現(xiàn)象。因此，弄清這四項指標的物理概念和檢測方法是必要的。本文將對網(wǎng)絡變壓器的這四項指標的物理意義和測量方法作簡明介紹，同時還將列出對常用的網(wǎng)絡變壓器的插入損耗、回波損耗、串擾和共模抑制比等指標檢測的結(jié)果。2. 定義2.1 Stimulus signal 激勵源（信號源）激勵源指產(chǎn)生信號振蕩的源頭，是施加于系統(tǒng)的外部原因。用頻域分析法，激勵源信號是正弦波曲線。2.2 Common Mode Impedance （Z）共模阻抗共模阻抗是指一個網(wǎng)絡輸入與輸出之間的阻抗，測試時需將所有的輸入輸出分別短路。共模阻抗能夠減弱引起電磁干擾的噪聲。在信號傳

3、輸路徑上產(chǎn)生的阻抗不應該影響這個信號。2.3 Common Mode Signal 共模信號共模信號是指在兩輸入端輸入極性相同的信號。共模信號將導致電磁干擾。電磁干擾分為輻射干擾和傳導干擾（進入電源線內(nèi)）。信號傳輸不對稱和阻抗不匹配時差模信號轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生數(shù)字終端設備的共模信號。2.4 Differential Mode Signal 差模信號差模信號是指在兩輸入端輸入大小相等極性相反的信號，它不會產(chǎn)生輻射。2.5 Electro Magnetic Interference （EMI）電磁干擾電磁干擾(EMI)： 是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音電磁干擾(EMI)，有傳導干擾和輻射干擾兩

4、種。傳導干擾是指通過導電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡。 輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡。 電磁干擾三要素 理論和實踐的研究表明，不管復雜系統(tǒng)還是簡單裝置，任何一個電磁干擾的發(fā)生必須具備三個基本條件：首先應該具有干擾源;其次有傳播干擾能量的途徑和通道;第三還必須有被干擾對象的響應。在電磁兼容性理論中把被干擾對象統(tǒng)稱為敏感設備(或敏感器)。 因此電磁干擾源、干擾傳播途徑(或傳輸通道)和敏感設備稱為電磁干擾三要素。2.6 Insertion Loss （IL） 插入損耗插入損耗是指指將某些器件或分支電路(濾波器、阻抗匹配器等)加進某一電路時,能量衰

5、減或增益的損耗。下圖顯示了插入損耗測試方法.IL=20lg(dB)圖12.7 Return Loss（RL） 反射損耗 （也稱為回波損耗）反射損耗是用來描述實測阻抗與標準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。反射損耗的單位是分貝，反射損耗的表達式如下：這里ZS是指標準阻抗，ZM是實測阻抗。如果匹配理想，反射損耗將會無窮大。圖22.8 Crosstalk 串擾串擾是指兩條信號線之間的耦合現(xiàn)象。串擾又分為近端串擾（NEXT）和遠端串擾（FEXT）：一般人們所說的串擾是指近端串擾（NEXT）近端串擾（NEXT）：是輸入一個已知的信號到連接器RJ端的一個通道，同時

6、在連接器RJ端測試另一通道中被感應的信號值，終端電阻需加在同一端，例如PIN腳端。遠端串擾（FEXT）：是輸入一個已知的信號到連接器RJ端的一個通道，同時在遠端（PHY端）測試另一相道中被感應的信號值，終端電阻需加在不同兩端。 圖4 遠端串擾圖3 近端串擾2.9 CMRR （Common mode rejection ratio）共模抑制比共模抑制比是指同一電路中差模增益與共模增益的比值。增益定義為某一頻域內(nèi)，輸出信號與輸入信號幅值大小的比值。（信號不是共模信號就是差模信號）圖52.10 DCMR （DM TO CM Conversion）差模與共模的轉(zhuǎn)換和CDMR （CM TO DM Con

7、version）.共模與差模的轉(zhuǎn)換.DCMR：平衡設備在差模信號的激勵作用下的共模響應。CDMR：平衡設備在共模信號的激勵作用下的差模響應 DCMR測試連接 CDMR測試連接圖62.11 CMA (CM to CM Attenuation) 共模衰減.共模噪聲抑制是用來表示減弱共模信號（從一端傳到另一端）大小的能力。衰減是表示輸出信號大小與輸入信號大小的比率，它的單位是分貝。 圖73 ICM 頻率特性及測試 安裝在網(wǎng)卡上網(wǎng)絡變壓器的電路圖圖8示是安裝在計算機內(nèi)部網(wǎng)卡中的網(wǎng)絡變壓器電路圖。位于圖的中間部分的長方框為多個公司生產(chǎn)的一種典型的網(wǎng)絡變壓器。該變壓器一般都安裝在網(wǎng)卡的輸入端附近。工作時，

8、由收發(fā)器送出的上行數(shù)據(jù)信號從網(wǎng)絡變壓器的Pin16-Pin15進入，由Pin10-Pin11輸出，經(jīng)RJ45型轉(zhuǎn)接頭，再通過非屏蔽雙絞線送往服務器；服務器送來的下行數(shù)據(jù)信號經(jīng)另一對非屏蔽雙絞線和RJ45型轉(zhuǎn)接頭，由Pin7-Pin6進入，由Pin1-Pin2輸出，然后送到網(wǎng)卡的收發(fā)器上。圖8 安裝在計算機內(nèi)部網(wǎng)卡中的網(wǎng)絡變壓器電路圖從圖8中看到，網(wǎng)絡變壓器所處工作環(huán)境有兩個特點：一是通過它的數(shù)據(jù)電壓信號都是平衡信號，即兩信號線上電壓的參考點為地線，電壓的幅度大小相等，極性相反；二是驅(qū)動網(wǎng)絡變壓器信號源的內(nèi)阻和網(wǎng)絡變壓器所帶負載電阻的阻值均為100，處在良好的阻抗匹配狀態(tài)下。因為右邊與網(wǎng)絡變壓器

9、Pin10-Pin11和Pin7-Pin6相聯(lián)接的非屏蔽雙絞線的特性阻抗均為100生產(chǎn)網(wǎng)絡變壓器的公司在作產(chǎn)品出廠檢測時，不可能把每一個產(chǎn)品都焊接到網(wǎng)卡上作實際應用的測試。因為這樣檢測過于麻煩，效率也低。因此研發(fā)既接近實際使用條件、檢測又方便、效率又高的檢測方法是十分重要的課題。3.1 變壓器插入損耗（IL）其檢測方法從圖8中看到，網(wǎng)絡變壓器是計算機集線器之間雙向交流數(shù)據(jù)電壓信號鏈條中的一個環(huán)節(jié)。信號通過這個環(huán)節(jié)時，不可避免的會有一些衰減。插入損耗就是衡量信號衰減程度的一項指標。對同一個網(wǎng)絡變壓器來講，它對信號衰減程度與信號的頻率有關。因此，插入損耗一般指的是網(wǎng)絡變壓器對信號衰減程度與信號頻率

10、之間的關系曲線。為了便于討論，將圖8網(wǎng)絡變壓器中傳送上行數(shù)據(jù)電壓信號的單元電路簡化成圖9所示電路。在圖9中，用內(nèi)阻為兩個50的等效電壓源代替驅(qū)動電路，用100電阻代替非屏蔽雙絞線。圖中V1表示在信號與負載電阻之間插入了網(wǎng)絡變壓器后的輸出電壓幅度。圖10所示是信號源與負載電阻之間直接用兩截短導線聯(lián)接時的電路圖。圖中V2表示在信號源與負載電阻之間直接用兩截短導線聯(lián)接時的輸出電壓幅度。圖10 信號源與負載電阻直接聯(lián)接時的電路圖9 驅(qū)動網(wǎng)絡變壓器的等效電路插入損耗指的是圖9中V1與圖10中V2的比值。一般插入損耗都用分貝(dB)來表示：插入損耗=20Xlog(V1V2) (1)檢測網(wǎng)絡變壓器插入損耗一

11、般采用網(wǎng)絡分析儀(例如安捷倫E5061B型網(wǎng)絡分析儀)。網(wǎng)絡分析儀內(nèi)部配備有輸出阻抗為50、幅度恒定、頻率隨著時間線性變化的正弦波信號源。此信號源的信號從RF OUT端輸出。通過待測產(chǎn)品后的正弦波信號從網(wǎng)絡分析儀RF IN輸入。網(wǎng)絡分析儀對從RF IN輸入的正弦波信號進行檢波，并將檢波出來的與輸入信號幅度成比例的電壓信號數(shù)字化。數(shù)字化后的數(shù)據(jù)按照頻率的順序存入網(wǎng)絡分析儀內(nèi)部微型計算機內(nèi)存的相應單元中。檢測完成后，網(wǎng)絡分析儀用這數(shù)據(jù)按照頻率的順序在屏幕上示出一條曲線。網(wǎng)絡分析儀的輸入、輸出阻抗均為50，而且又是非平衡信號，因而不能直接與網(wǎng)絡變壓器相聯(lián)接。在校正(Calibration)檢測系統(tǒng)和

12、檢測產(chǎn)品時，必須在網(wǎng)絡分析儀與網(wǎng)絡變壓器之間加上平衡 非平衡50100阻抗轉(zhuǎn)換器。圖11所示是檢測網(wǎng)絡變壓器TX單元電路插入損耗時的電路圖。測完TX單元電路之后，再將圖11中平衡 非平衡50100阻抗轉(zhuǎn)換器的相應接點轉(zhuǎn)接到RX單元電路的相應Pin腳上，再對RX單元電路進行檢測。在檢測產(chǎn)品之前需要對檢測系統(tǒng)進行校正。校正時，用兩根短導線代替圖11中的網(wǎng)絡變壓器。其中一根短導線聯(lián)接到兩個平衡 非平衡50100阻抗轉(zhuǎn)換器上面的接頭上，另一根聯(lián)接到其下面的接頭上。校正完成后，E5061B把圖11所示狀態(tài)作為無損耗的參考標準。并在顯示屏上示出一條插入損耗為0dB的水平線。因此人們習慣上把對檢測系統(tǒng)的校正

13、過程稱為“歸零”。圖11 檢測網(wǎng)絡變壓器TX單元電路插入損耗時的電路圖檢測產(chǎn)品時，去掉兩條短路線，換上待測產(chǎn)品。顯示屏上將示出插入產(chǎn)品后的幅度隨著頻率改變而變化的插入損耗曲線。圖12所示是測得的TX和RX兩個單元電路插入損耗曲線。圖12 典型網(wǎng)絡變壓器中TX和RX兩個單元電路的插入損耗曲線3.2 網(wǎng)絡變壓器回波損耗（RL）的定義及其檢測方法在信號源內(nèi)阻與負載電阻均為100的發(fā)送或接收系統(tǒng)之間插入網(wǎng)絡變壓器之后，不僅對信號幅度有一定的衰減，還會在一定程度上破壞阻抗匹配。在阻抗失配的情況下，電壓信號在傳送過程中就會產(chǎn)生反射。反射信號疊加在有用信號上，同樣會造成誤碼或丟包現(xiàn)象。回波損耗是用來衡量插入

14、網(wǎng)絡變壓器后系統(tǒng)阻抗失配程度與信號頻率之間的關系曲線?；夭〒p耗的定義是：傳輸系統(tǒng)中插入了網(wǎng)絡變壓器后反射信號與入射信號的比值。一般回波損耗也用分貝(dB)來表示：回波損耗=20log(VrVi) (2)式(2)中的Vi為入射信號的幅度，Vr為反射信號的幅度。檢測網(wǎng)絡變壓器回波損耗的儀器仍然是網(wǎng)絡分析儀。不過要對它重新設置，要由傳送(Transmission)狀態(tài)改到回波(Reflection)狀態(tài)。設置在傳送狀態(tài)下，用到了網(wǎng)絡分析儀的RF OUT聯(lián)接頭和RF IN聯(lián)接頭，而在回波狀態(tài)下，只用網(wǎng)絡分析儀的RF OUT聯(lián)接頭。圖13所示是網(wǎng)絡分析儀檢測網(wǎng)絡變壓器TX單元電路回波損耗的電路圖。在檢測

15、之前要對檢測系統(tǒng)進行校正。在回波狀態(tài)下校正有3個步驟：第一步開路(Open)校正。校正方法是取走圖13中的待測網(wǎng)絡變壓器和100電阻，使平衡非平衡50100阻抗轉(zhuǎn)換器右端處于開路狀態(tài)。第二步短路(Short)校正。校正方法是在第一步的基礎上，用短導線將平衡 非平衡50100阻抗轉(zhuǎn)換器右端的兩聯(lián)接頭短路。圖13 網(wǎng)絡分析儀檢測網(wǎng)絡變壓器回波損耗的電路圖第三步標準負載(Load)校正。校正方法是在第二步的基礎上，去掉短導線用比較精確的100電阻接到阻抗轉(zhuǎn)換器右端的兩聯(lián)接頭上。完成第三步校正后，在網(wǎng)絡分析儀顯示屏上將出現(xiàn)一條低于-60dB的帶有統(tǒng)計起伏的水平線。這條水平線表示回波信號的幅度接近零。圖

16、14 典型網(wǎng)絡變壓器中TX和RX兩個單元電路回波損耗曲線然后再按圖13所示方法接入待測網(wǎng)絡變壓器。此時顯示屏就會示出接入了待測網(wǎng)絡變壓器后的回波損耗對頻率的關系曲線。圖14所示是測得典型網(wǎng)絡變壓TX和RX兩個單元電路的回波損耗曲線。3.3 網(wǎng)絡變壓器串擾（Crosstalk）的定義及其檢測方法從圖1看到，在一個典型網(wǎng)絡變壓器中有TX和Rx兩個單元電路。雖然兩個單元電路之間沒有直接的聯(lián)系通道，但由于它們的距離很近，通過空間感應或寄生參數(shù)的耦合仍然有串擾（也可以叫做交越干擾）的現(xiàn)象。網(wǎng)絡變壓器交越干擾的定義是：兩個單元電路中的一個單元電路中的信號V1與感應到另一個單元電路中的信號V2之比值。一般交

17、越干擾也用分貝(dB)來表示：交越干擾=20log(V2V1) (3)檢測網(wǎng)絡變壓器交越干擾時，網(wǎng)絡分析儀仍設置在Transmission狀態(tài)下。圖15， 17所示是檢測網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩單元電路之間交越干擾時的電路圖。從圖中看到，來自8712網(wǎng)絡分析儀RF OUT的掃頻信號只加在TX單元電路上，而網(wǎng)絡分析儀RF IN接收的卻是RX單元電路的信號。TX和RX兩單元電路另一端的100電阻用來代替實際工作狀態(tài)下所接的特性阻抗為100的非屏蔽雙絞線。檢測交越干擾之前仍然要對檢測系進行校正。校正方法與檢測網(wǎng)絡變壓器插入損耗時相同。圖16所示是測得的典型網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩個單元電路之間交越干擾對

18、頻率的關系曲線。圖15 網(wǎng)絡分析儀檢測網(wǎng)絡變壓器遠端串擾的電路圖圖16圖15圖17 網(wǎng)絡分析儀檢測網(wǎng)絡變壓器近端串擾的電路圖3.4 網(wǎng)絡變壓器共模衰減（CMA）的檢測方法局域網(wǎng)中傳送的數(shù)據(jù)電壓信號采用的是平衡信號。在理想情況下，只有平衡信號通過網(wǎng)絡變壓器。但計算機內(nèi)部的非平衡信號通過某些寄生渠道會感應到與之相聯(lián)接的網(wǎng)絡變壓器上，形成共模干擾信號。網(wǎng)絡變壓器的另一端接的是長達數(shù)十米的非屏蔽雙絞線。非屏蔽雙絞線上接收到的來自外界的共模干擾信號又會通過網(wǎng)絡變壓器傳回到計算機內(nèi)部。接在計算機與非屏蔽雙絞線之間的網(wǎng)絡變壓器對共模干擾信號有衰減作用。檢測網(wǎng)絡變壓器共模衰減時，網(wǎng)絡分析儀仍然設置在Trans

19、mission狀態(tài)下。圖18所示是檢測網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩單元電路的共模衰減（CMA）時的電路圖。圖18 檢測網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩單元電路的共模衰減時的電路圖網(wǎng)絡變壓器工作時，其輸入和輸出端都接有100的電阻。為了模仿實際實情況，檢測網(wǎng)絡變壓器共模衰減時，在其相應的Pin腳上各接有50的電阻。R1、R2兩個50電阻串聯(lián)起來作為輸入端的100電阻；R4 、R5兩個50電阻串聯(lián)起來作為輸出端的100 電阻。R3和R6 兩個50電阻是兩段特性阻抗為50電纜的匹配電阻。檢測網(wǎng)絡變壓器共模衰減前，仍然要對檢測系統(tǒng)進行校正。校正方法是取走圖18中待測產(chǎn)品和所有電阻，利用50的電纜轉(zhuǎn)接頭將接在網(wǎng)絡分析儀

20、RF OUT和RF IN上的兩電纜聯(lián)起來，再按下校正按鍵。圖19所示是測得典型網(wǎng)絡變壓器的TX和RX兩個單元電路的共模衰減對頻率的關系曲線。圖19 網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩個單元電路的共模衰減對頻率的關系曲線。3.5 網(wǎng)絡變壓器共模抑制比（CMRR）的檢測方法我們一般用的是0322BF 98821 經(jīng)向（經(jīng)度）匹配器來進行測試，測試前要對檢測系統(tǒng)進行校正， 測試原理圖（框圖）如圖20。測試產(chǎn)品時，產(chǎn)品的一端接100的負載，另一端接0322BF 98821 經(jīng)向（經(jīng)度）匹配器，儀器和匹配器都要接地良好。共模抑制比 = 20 x log ( Vout / Vin ) (4)圖20 檢測網(wǎng)絡變壓器TX

21、和RX兩單元電路的共模抑制比時的電路圖3.6 網(wǎng)絡變壓器差模與共模轉(zhuǎn)換(DCMR)的檢測方法檢測網(wǎng)絡變壓器差模與共模轉(zhuǎn)換時，網(wǎng)絡分析儀仍設置在Transmission狀態(tài)下。圖21所示是檢測網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩單元電路之間差模到共模時的電路圖。網(wǎng)絡變壓器工作時，其輸入和輸出端都接有100的電阻。為了模仿實際實情況，檢測網(wǎng)絡變壓器差模到共模轉(zhuǎn)換時，在共模端的Pin腳上各接有50的電阻。R1、R2兩個50電阻串聯(lián)起來作為輸出端的100電阻；輸入端接一平衡 非平衡50100阻抗轉(zhuǎn)換器，同時，把產(chǎn)品的地和治具的地連在一起。 根據(jù)需要在Port 2信號線與地治具接一個50的電阻來匹配特性阻抗為50的電

22、纜線。檢測網(wǎng)絡變壓器差模與共模轉(zhuǎn)換前，仍然要對檢測系統(tǒng)進行校正。校正方法是取走圖21中待測產(chǎn)品和所有電阻，利用50的電纜轉(zhuǎn)接頭將接在網(wǎng)絡分析儀RF OUT和RF IN上的兩電纜聯(lián)起來，再按下校正按鍵。網(wǎng)絡變壓器的TX和RX兩個單元電路的差模與共模轉(zhuǎn)換對頻率的關系曲線與圖19所示相近。 圖22 檢測網(wǎng)絡變壓器的共模與差模轉(zhuǎn)換時的電路圖圖21 檢測網(wǎng)絡變壓器的差模與共模轉(zhuǎn)換時的電路圖 檢測網(wǎng)絡變壓器共模與差模轉(zhuǎn)換時，網(wǎng)絡分析儀仍設置在Transmission狀態(tài)下。圖22所示是檢測網(wǎng)絡變壓器TX和RX兩單元電路之間共模與差模轉(zhuǎn)換時的電路圖。測試方法與測試差模與共模轉(zhuǎn)換的方法相同，只是交換產(chǎn)品與儀器輸出、輸入端口的方向。備注：3.13.5項講解的檢測方法可以參考 QB054-119兩端口網(wǎng)絡分析儀單機操作指示文件，里面有更為詳細的操作步驟和儀器使用方法。4. 儀器和測試治具4.1