RJ45集成磁性连接器的网络特性说明及其通用测试指南.docx

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1、|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， SBRJ45, 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

2、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

3、输路径上产生的阻抗不应该影响这个信号。2.3 CommonModeSignal 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（EMD ：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

4、。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。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

5、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.OOD尸 (1 () O C=JOooX(=图1主审：饶利军（LeeRao）编写人员：范良志 饶利军 Dennis Chen2.7 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:a=2o g 这里ZS是指标准阻抗，ZM是实测阻抗。如果匹汜理想，反射损耗将会无穷大。图22.8 Crosstalk 串扰串扰是指两条信号线

6、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PlN脚端。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页远端串扰(FEXT)：是输入一个己知的信号到连接器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。HP8712ET 痣 WelAM 8乃3 EQU抽 O DO 000 0000 IRFOUT一W 10O

7、taifi 50 IOOBAfiR8EHP8 712ETE5061AMIt 8753 EquateDO 垣 O Do 。吕 D 1 RFOUTRF NTrmrnRmzSn 1GRMG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)l-T ermn tion图52.10 DCMR (DM TO CM Conversion)差模与共模的转换和 CDMR (CM TO DM Conversion)

8、.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测试连接图6CDMR测试连接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73 . 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

9、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-PinI5进入，由PinIO-PinIl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。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页从图8中看到，网受图8安装在计算机内部网卡中的网络变压器电路图玉信号都是平衡信号，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

10、阻 和网络变压器所带负载电阻的阻值均为IOOQ,处在良好的阻抗匹配状态下。因为右边与网络变压器 PinIO-PinlI和Pin7-Pin6相联接的非屏敝双绞线的特性阻抗均为IOOd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一一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

11、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50C的等效电压源代替驱动电路，用IOOQ电阻代替非屏蔽双绞线。图中Vl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C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。50 Q图9驱动网络变压器的等效电路图IO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

12、I与图10中V2的比值。一般插入损耗都用分贝(dB)来表示:插入损耗=20X1OgM / V2)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50C、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RFOUTI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C通过待测产品后的正弦波信号从网络分析仪RFlN输入C网络分析仪对从RFlN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

13、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50d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一-非平衡 500/10OQ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 中平衡一f非平衡50C/1000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

14、短导线联接到两个平衡一非平衡50Q/100Q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OdB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工图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C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

15、为IOoQ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I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页有一定的衰减，还会在一定程度上破坏阻抗匹配C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=20Og(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

16、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): 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RFoUT联接头和RFlN联接头， 而在回波状态下，只用网络分析仪的RFOUT联接头。图13所示是网络分析仪检测网络变压器TX单元电 路同波损耗的电路图。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IOOQ电阻，使平衡-非平 衡50Q /10OC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 一非

17、平衡50Q/100Q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IoOQ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-6OdB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。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

18、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Vl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=20og(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

19、干扰时的电路图。从图中看到，来自8712网络分析仪RFoUT的 扫频信号只加在TX单元电路上，而网络分析仪RFlN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IOOQ电阻用来代替实际工作状态下所接的特性阻抗为IOOQ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15网络分析仪检测网络变压器远端串扰的电路图图16网络交压器TX和RX两个单元电路之间交越干扰对筑率的关系曲线标题：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1

20、4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，形成共模十扰信号。 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

21、电路的共模衰减（CMA）时的电路图。网络变压器工作时，其输入和输出端都接有IoOQ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50Q的电阻。R1、R2两个50Q电阻串联起来作为输入端的IOOQ电 阻；R4、R5两个50C电阻串联起来作为输出端的IOOC电阻。R3和R6两个50Q电阻是两段特性阻抗 为50C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50C的电缆转接头将接在网络分析仪RFoUT和RFlN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

22、电路的共模衰减对频率的关系曲线。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页图19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。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IOOQ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 )MonBalunGenUnit (Cable) Urder TestR

23、 BAL-Metallic (Transverse) TerminationZL=LongitudinaI impedance of test unit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IOoC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50C的电阻。Rl、R2两个50Q电阻串

24、联起来作为输出端的 IoOQ电阻；输入端接一平衡一非平衡50Q/1000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Port2信号线与地治具接一个50Q的电阻来匹配特性阻抗为50Q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50Q的电缆转接头将接在网络分析仪RFOUT和RFlN上的两电缆联起来，再按卜校止按键。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。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页检测网络变压器共模与差模转换时，

25、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：313.5项讲解的检测方法可以参考QB354-119两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：

26、安捷伦的8712ET射频网络分析仪 安捷伦的E5061A 300k-l. 5GHz ENA系列的网络分析仪标题：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-l. 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。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 0300

27、BB(100KHz-1 OOMHz)或者 North HillS 的 NHI3734 (1 OOKHz-300MHZ)或者是小型的不平衡变压器。Each I piece for 4 channels4.5 一个不平衡“镜像”匹配器：NorthHilIS 的 TSM 98821 0322BF0.1100MH乙阻抗比是 50： 100rNorfh HillcFSCM 98821 BALUN FO LONQ WDIN AL measurement032FUOETK MILUO TOM 9U1O.l - I OO MM =4.6 一个每个通道带一个100欧姆电阻的RJ45插头标题：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）： 12-172饶利军RJ45连接器网络参数测试方法及原理2006年9月