Häufige Herausforderungen bei Kabeltests:
Kabel (z. B. Hohlleiter-, Koaxial- oder Twisted-Pair-Kabel) sind mit Abstand die am weitesten verbreiteten Komponenten in modernen HF- und Mikrowellensystemen wie Mobil- und Datenkommunikation, Satelliten- oder Radartechnik. Sie sind auch die häufigste Fehlerursache in diesen Systemen. Daher sind ordnungsgemäße Wartung und der Einsatz geeigneter Prüfgeräte unerlässlich.

Der typische Kabeltest beginnt mit der Feststellung, ob ein Kabel defekt ist oder seine Leistung außerhalb der gewünschten Spezifikation liegt. In solchen Fällen muss die Fehlerstelle entlang des Kabels lokalisiert werden. Sobald diese Stelle bestimmt ist, muss der Fehler identifiziert und behoben werden. Bei Wartung und Fehlersuche können Ingenieure und Techniker die Fehlerstelle mithilfe von Rückflussdämpfung (RL) und Fehlerortmessung (DTF) eingrenzen, jedoch nicht die Ursache oder Art des Fehlers bestimmen, was die Reparatur erschwert. Oftmals lassen sich Probleme (z. B. lose oder beschädigte Stecker, Wassereintritt oder gebrochene Lötstellen) nicht allein durch eine Sichtprüfung des Kabels erkennen.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass Ingenieure und Techniker bisher zur Messung der Kabelleistung Antennen- und Kabelanalysatoren, Netzwerkanalysatoren, Signalgeneratoren und Leistungsmesser mit ins Feld nehmen mussten. Bei Systemen in schwer zugänglichen oder explosionsgefährdeten Bereichen wird der Prozess noch komplexer. Vor Ort müssen die Geräte für die Tests korrekt konfiguriert werden. Trotz seiner Effektivität kann dieses Verfahren zu Fehlern führen und die Geräte beschädigen.

Erschwerend kommt hinzu, dass Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) Schwierigkeiten haben, genaue und wiederholbare Vor-Ort-Messungen der hohen Verluste in Mikrowellenkabeln durchzuführen, deren Testanschlüsse weit voneinander entfernt sind.

Vereinfachte Kabelmessungen mit dem erweiterten FieldFox-Testpaket.
Die neue FieldFox-Option für Zeitbereichsreflektometrie (TDR) (Option 215) ergänzt die bestehenden RL- und DTF-Messungen des Analysators. Die RL-Messung identifiziert Fehlanpassungen in Kabelverbindungen, während die DTF-Methode Fehler oder fehlerhafte Verbindungen im Kabel präzise lokalisiert. Mit der neuen TDR-Option erhalten Ingenieure mehr Daten zur Messung von Impedanzänderungen entlang des Kabels und können die Ursache (Art) spezifischer Fehler ermitteln, sei es ein Kurzschluss, eine Unterbrechung oder Wassereintritt. FieldFox ist bisher der einzige Analysator, der RL-, DTF- und TDR-Messungen mit einem einzigen Gerät ermöglicht.

Die Laufzeitmessung (TDR) oder Schrittmessung von FieldFox nutzt dasselbe Datenerfassungsverfahren wie die DTF-Option. Im Gegensatz zur DTF-Methode charakterisiert diese Messung jedoch die Art des Fehlers, einschließlich induktiver oder kapazitiver Diskontinuitäten. Dies geschieht durch die Beobachtung der von einem sich im Kabel ausbreitenden Schritt reflektierten Wellenformen. Durch die Analyse von Dauer, Amplitude und Form der Reflexionen lässt sich die Impedanzänderung im Kabel bestimmen. Der TDR-Messmodus von FieldFox ist nur für Gleichstromkabel (z. B. Zweileiter-Übertragungsleitungen) geeignet.

Zur Messung von Wellenleitern verwendet FieldFox ein Bandpass-Zeitbereichsverfahren. Dies liegt an der schmalbandigen Resonanz des Wellenleiters, die die durchführbaren Zeitbereichsmessungen einschränkt. Die Bandpassmessung eignet sich ideal für Prüflinge mit einer begrenzten Frequenz; sie liefert jedoch lediglich die Fehlerstelle. Es lässt sich nicht feststellen, ob es sich um eine induktive, kapazitive oder resistive Diskontinuität handelt.

Eine weitere neue Option von FieldFox, die Extended Range Transmission Analysis (ERTA, Option 209), überwindet die Herausforderungen bei der Messung langer Mikrowellenkabel im Feld. Diese tragbare Lösung misst die skalaren Einfügungsdämpfungen in Mikrowellenkabeln mit großen Abständen zwischen den Testanschlüssen und ermöglicht den gleichzeitigen Zugriff auf beide Enden des Kabels oder Wellenleiters.

Die Verwendung eines Skalaranalysators als Signalquelle mit einem Leistungssensor oder Breitbanddetektor zur Messung von Kabelverlusten kann ebenfalls ein langsamer und störungsanfälliger Prozess sein; zudem bietet er keinen hohen Dynamikbereich. Andererseits ist der Einsatz einer Tischlösung im Feld aufgrund ihrer Größe und Kosten nicht empfehlenswert.

Bei der ERTA-Option werden zwei FieldFox-Analysatoren eingesetzt, jeweils einer an jedem Ende des zu messenden Kabels. Einer dient als Sender, der andere als Empfänger; die Messschritte werden per Hardware-Trigger synchronisiert. Dank Keysights einzigartiger InstAlign-Spektrumanalyse können Ingenieure und Techniker mit diesem Setup hochpräzise Kabeldämpfungsmessungen ohne Kalibrierung oder Aufwärmphase durchführen (Abbildung 1). Es bietet zudem einen erstklassigen Dynamikbereich und ermöglicht so Messungen an langen, dämpfenden Kabeln. Darüber hinaus lässt sich diese Option mit Frequenzversatz für Messgeräte wie Mischer und Wandler konfigurieren.

FieldFox: Das umfassendste Handmessgerät.
Neben den neuen TDR- und ERTA-Optionen bietet der Analysator zahlreiche weitere Messungen und ist damit das umfassendste Handmessgerät (Abbildung 2). Zu diesen zusätzlichen Messungen gehören:
• RL, VSWR und DTF für Breitband- und Durchlassband-Kabelsysteme
• S-Parameter, Gruppenlaufzeit, Phase, Smith-Diagramm und Zeitbereichsanalyse
• Umwandlungsdämpfung/-verstärkung am Frequenzumrichter
• S-Parameter und Zeitbereichsanalyse im Mischmodus, 1-Port-S-Parameter

Praktische Beispiele
Um besser zu verstehen, wie die Zeitbereichsmesstechnik von FieldFox bei der Lokalisierung und Ursachenermittlung von Kabelfehlern hilft, betrachten wir das Beispiel zweier kurzer, 50-Ohm-Koaxialkabel, die mit einem Koaxialadapter verbunden sind. Das kürzere Kabel ist an Port 1 des FieldFox angeschlossen, während das zweite mit einem 50-Ohm-Abschlusswiderstand versehen ist. Wie in Abbildung 3 dargestellt, erweist sich eine DTF-Messung der Kabel als sehr hilfreich bei der Lokalisierung von Unterbrechungen.

Beachten Sie, dass die Markierungen an den drei Maxima der gemessenen DTF-Antwort liegen. Die Maxima repräsentieren die Stärke der jeweiligen Reflexion an der Diskontinuität. Markierung 1, die die Schnittstelle zwischen dem kalibrierten FieldFox-Gerät und dem ersten Koaxialkabel darstellt, zeigt einen Abstand von 0 Metern an. Markierung 2, am Adapter zwischen den beiden Kabeln, registriert einen Abstand von 4 Metern. Dies entspricht der Länge des ersten Kabels von 4 Metern. Markierung 3, am 50-Ohm-Widerstand, zeigt einen Abstand von 13,8 Metern an. Aus diesen Daten lässt sich die Länge des zweiten Kabels berechnen (13,8 m – 4 m = 9,8 m). Der erkennbare Abfall der gemessenen Amplitude rechts vom 50-Ohm-Widerstand markiert das Kabelende. Da diese Reflexionsmessung bidirektionale Signalwege darstellt, passt FieldFox die Markierungswerte und das Format der x-Achse an die entsprechenden unidirektionalen Längen an.

 
Betrachten wir nun ein Koaxialkabel mit Beschädigungen an zwei Stellen (Abbildungen 4A und 4B). Fehler A ist eine Biegung des Kabels, die den vom Hersteller vorgegebenen minimalen Biegeradius von 25,4 mm (1 Zoll) überschreitet. Bei Fehler A ist das Kabel deutlich über den zulässigen Radius hinaus gebogen, sodass dieser Kabelabschnitt unerwünschte Reflexionen verursacht. Fehler B ist ein Schnitt im Außenleiter des Kabels. Ein Teil der Abschirmung ist beschädigt, wodurch das innere dielektrische Material des Koaxialkabels freiliegt. Beide Fehler können mit den DTF- und TDR-Modi von FieldFox untersucht werden, jedoch kann nur die TDR-Messung die Art des Fehlers bestimmen.

Abbildung 4C zeigt die Messung des beschädigten Kabels mit FieldFox im TDR-Modus. Wie aus der TDR-Antwort ersichtlich, beträgt die Kabelimpedanz im Zeitbereich typischerweise 50 Ohm, bis eine Diskontinuität auftritt. Die Diskontinuitäten befinden sich am Eingangsstecker, an der Faltstelle von Fehler A, an der Unterbrechung von Fehler B und am 50-Ohm-Abschlusswiderstand am Kabelende.

Von allen Kabelunterbrechungen weist die Unterbrechung, die auf Fehler B hinweist, die größte Fehlanpassung auf, was sich an der Amplitude des entsprechenden Peaks erkennen lässt. Die Unterbrechung im TDR-Signal zeigt einen einzelnen Peak in positiver Richtung, was auf eine induktive Fehlanpassung hindeutet. Dies ist typisch für Unterbrechungen im Außenleiter eines Koaxialkabels. Im Allgemeinen zeigt das TDR-Signal einen Sprung in negativer Richtung, wenn das Kabel an einer Last mit einem Widerstand unterhalb der Wellenimpedanz endet. Wäre der Lastwiderstand hingegen größer als die Wellenimpedanz, würde das TDR-Signal einen Sprung in positiver Richtung zeigen.  

 
 
Abbildung 4. Die Bilder oben links (A) und oben rechts (B) zeigen Beschädigungen an einem Koaxialkabel. Das untere Bild (2C) wurde durch Messung des beschädigten Kabels mit der FieldFox-TDR-Option erstellt. FieldFox kann im TDR-Modus verschiedene Arten von Diskontinuitäten erkennen, darunter: R > Z0, R < Z0, induktive und kapazitive.

Zusammenfassung:
Kabelprüfungen im Feld können komplex sein. Die Feststellung, ob ein Kabel defekt ist, ist nur der erste Schritt. Anschließend müssen Ingenieure und Techniker den genauen Ort und die Ursache des Fehlers ermitteln. Hierfür eignen sich verschiedene Zeitbereichsverfahren. Die umfassende Suite von FieldFox mit Kabelprüffunktionen, einschließlich der neuen TDR- und ERTA-Optionen, ist die ideale Lösung für die Prüfung von Kabelsystemen im Feld. Die TDR- und DTF-Zeitbereichsmessungen von FieldFox lokalisieren und bestimmen die Fehlerursachen in Koaxialkabeln, während die Bandpassmessung den genauen Ort von Fehlern in Hohlleitern ermittelt. Mit FieldFox steht Ingenieuren und Technikern nun eine schnellere und einfachere Möglichkeit zur Verfügung, Kabel im Feld zu prüfen.

Weitere Informationen zur Modellierung von Übertragungsleitungen oder zu Messverfahren im Zeitbereich finden Sie in unserem Keysight-Webcast zum Thema Kabelprüfung unter www.keysight.com/find.fieldfoxwebcasts und in der FieldFox-Anwendungsbeschreibung zur Kabelprüfung unter www.keysight.com/find/fieldfoxapps.

Tom Hoppin, Keysight Technologies, Inc.*
*Keysight Technologies Inc., ehemals der Geschäftsbereich für elektronische Messtechnik von Agilent Technologies

Über den Autor:
Tom Hoppin ist Anwendungsberater bei Keysight Technologies. Er begann seine Karriere als Avioniktechniker beim United States Marine Corps. Nach seinem Militärdienst trat er 1973 in die Dienste von Hewlett-Packard. Im Laufe der Jahre bekleidete er verschiedene Positionen im Ingenieurwesen und Management bei HP, Agilent und nun Keysight mit Schwerpunkt auf Testsystemdesign und Spektrumanalyse. Tom Hoppin ging 2009 in den Ruhestand. Er kehrte jedoch als Anwendungsspezialist für tragbare HF- und Mikrowellenanalysatoren zu Keysight zurück.