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jbdq 添加時間：2019-09-09 08:42:17 瀏覽：
射頻同軸電纜是用于傳輸射頻和微波信號能量的。它是一種分布參數(shù)電路，其電長度是物理長度和傳輸速度的函數(shù)，這一點和低頻電路有著本質(zhì)的區(qū)別。射頻同軸電纜大致可分為半剛和半柔電纜、柔性編織電纜和物理發(fā)泡電纜等幾大類，不同的應用場合應選擇不******型的電纜。半剛和半柔電纜一般用于設備內(nèi)部的互聯(lián)；在測試和測量領域，應采用柔性電纜；發(fā)泡電纜常用于基站天饋系統(tǒng)。顧名思義，這種電纜不容易被輕易彎曲成型，其外導體是采用鋁管或者銅管制成，其射頻泄漏非常?。ㄐ∮?120dB），在系統(tǒng)中造成的信號串擾可以忽略不計。這種電纜的無源互調(diào)特性也是非常理想的。如果要彎曲到某種形狀，需要專用的成型機或者手工的模具來完成。如此麻煩的加工工藝換來的是非常穩(wěn)定的性能，半剛性電纜采用固態(tài)的聚四氟乙烯材料作為填充介質(zhì)，這種材料具有非常穩(wěn)定的溫度特性，尤其在高溫條件下，具有非常良好的相位穩(wěn)定性。半剛性電纜的成本高于半柔性電纜，大量應用于各種射頻和微波系統(tǒng)中。半柔性電纜是半剛性電纜的替代品，這種電纜的性能指標接近于半剛性電纜，而且可以手工成型。但是其穩(wěn)定性比半剛性電纜略差些，由于其可以很容易的成型，同樣的也容易變形，尤其在長期使用的情況下。柔性電纜是一種“測試級”的電纜。相對于半剛性和半柔性的電纜，柔性電纜的成本十分昂貴，這是因為柔性電纜在設計時要顧及的因素更多。柔性電纜要易于多次彎曲而且還能保持性能，這是作為測試電纜的基本要求。柔軟和良好的電指標是一對矛盾，也是導致造價昂貴的主要原因。柔性射頻電纜組件的選擇要同時考慮各種因素，而這些因素之間有些的相互矛盾的，如單股內(nèi)導體的同軸電纜比多股的具有更低的插入損耗和彎曲時的幅度穩(wěn)定性，但是相位穩(wěn)定性能就不如后者。所以一條電纜組件的選擇，除了頻率范圍，駐波比，插入損耗等因素外，還應考慮電纜的機械特性，使用環(huán)境和應用要求，另外，成本也是一個******不變的因素。射頻同軸電纜由內(nèi)導體，介質(zhì)，外導體和護套組成“特性阻抗”是射頻電纜，接頭和射頻電纜組件中常提到的指標。大功率傳輸，小信號反射都取決于電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其它部件的匹配。如果阻抗完全匹配，則電纜的損耗只有傳輸線的衰減，而不存在反射損耗。電纜的特性阻抗（ZB0）與其內(nèi)外導體的尺寸之比有關，同時也和填充介質(zhì)的介電常數(shù)有關。由于射頻能量傳輸?shù)摹摆吥w效應”，與阻抗相關的重要尺寸是電纜內(nèi)導體的外徑（d）和外導體的內(nèi)徑（D）：（Ω）=式中，為同軸電纜的特性阻抗（Ω），為內(nèi)部填充介質(zhì)的相對介電常數(shù)，D為外導體內(nèi)徑（mm），d為內(nèi)導體外徑（mm）。為內(nèi)導體系數(shù)，和內(nèi)導體的結(jié)構有關：常見的射頻同軸電纜絕大部分是50Ω特性阻抗的，這是為什么呢？通常認為導體的截面積越大損耗就越低，但事實并非完全如此。同軸電纜的每單位長度的損耗是lg(D/d)的函數(shù)，也就是說和電纜的特性阻抗有關。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，當同軸電纜的特性阻抗為77Ω時，單位長度的損耗低。對于同軸電纜的大承受功率，通常認為內(nèi)外導體的間距越大，則同軸電纜可承受電壓越高，即承受功率越大，但實際上也不完全準確。同軸電纜的大承受功率同樣與其特性阻抗有關?？梢杂嬎愠霎斖S電纜的特性阻抗為30Ω時，其承受的功率大。為了兼顧小的損耗和大的功率容量，應該在77Ω和30Ω之間找一個適當?shù)臄?shù)值。二者的算術平均值為53.5Ω，而幾何平均值為48.06Ω；選取50Ω的特性阻抗可以做到二者兼顧。此外，50Ω阻抗的連接器也更加容易設計和加工。絕大部分應用于通信領域的射頻電纜的特性阻抗是50Ω；在廣播電視傳輸系統(tǒng)中則用到75Ω的電纜。大部分的測試儀器都是50Ω的阻抗，如果要測量75Ω阻抗的器件，可以通過一個50-75Ω的阻抗變換器來進行阻抗匹配，但是需要注意這種阻抗變換器有約5.7dB的插入損耗。在射頻和微波系統(tǒng)中，大功率傳輸和小信號反射取決于射頻電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其它部件的匹配。射頻電纜的阻抗變化將會引起信號的反射，這種反射會導致入射波能量的損失。反射的大小可以用電壓駐波比（VSWR）來表達，其定義是入射和反射電壓之比。VSWR的計算公式如下：測試電纜組件的VSWR指標取決于電纜，連接器及其加工工藝。測試電纜組件的典型VSWR值小于1.2，換算成回波損耗為21dB，即入射功率的匹配（傳輸）效率為99.21%。對于傳輸（即S21參數(shù)）測試，一條VSWR<1.2的測試電纜可以滿足要求了；而作為反射（S11參數(shù)）測試應用時，對測試電纜的要求要更高些，一般來說，測試系統(tǒng)的回波損耗應該比被測器件高10dB，當然除了選用精密的測試電纜以外，還可以巧妙的結(jié)合精密衰減器來改善系統(tǒng)的失配損耗。從電纜類型來看，半剛和半柔電纜有著比較良好的VSWR表現(xiàn)。一條普通的.141”或.086”電纜在dc-18GHz范圍內(nèi)可以做到小于1.2的VSWR，而并不需要花費太高的成本，當然加工和焊接工藝是保證VSWR指標的重要因素。而柔性電纜要實現(xiàn)低的VSWR指標卻并非易事。要求電纜在彎曲的條件下仍能保持良好的性能，這二者存在一定的矛盾。為了平衡這種矛盾，也就是得到一條既柔軟又有良好的射頻指標的柔性測試電纜，往往需要付出更多的成本代價。柔性測試電纜組件可分為3GHz、6GHz、 18GHz、26.5GHz、40GHz、50GHz和67GHz這幾種。圖5是某公司生產(chǎn)的一種低成本的3GHz測試電纜組件（P/N：MC03-03-03-1000）的典型VSWR指標，在3GHz以下，其VSWR有著非常良好的表現(xiàn)（小于1.1），這種低成本的測試電纜組件完全可以滿足生產(chǎn)線的測試要求。下面是這個電纜指標的測試圖：而當需要在更高的頻率下使用時，則需要采用微波測試電纜組件，這也就意味著用戶要花費更高的成本。這是因為微波電纜的設計和制造理念與常規(guī)電纜的不同所致，如微波電纜通常采用多層的屏蔽和低密度的聚四氟乙烯材料（LD-PTFE），這種介質(zhì)的介電常數(shù)要比普通的實心聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE）更低，大約在1.38~1.73之間，其相速度（電磁波在電纜中的相對于空氣的傳播速度）達到83%，也就是說更加接近于空氣的介質(zhì)特性。其中k1為電阻損耗系數(shù)，k2為介質(zhì)損耗系數(shù)，f為頻率(MHz)。幾乎所有的電纜手冊中都會給出不同頻率下的損耗值，這為具體的選型和應用提供了極大的方便。對于測試電纜組件，其總的插入損耗是接頭損耗、電纜損耗和失配損耗的總和：I.L(dB) = I.L cable + I.L connector + M.L測試電纜組件的總體表現(xiàn)是頻率越高，損耗越大。下圖表示了一條典型的測試電纜組件的插入損耗與頻率的關系電纜的衰減是表示電纜有效的傳送射頻信號的能力，它由介質(zhì)損耗、導體（銅）損耗和輻射損耗三部分組成。大部分的損耗轉(zhuǎn)換為熱能。導體的尺寸越大，損耗越??；而頻率越高，則介質(zhì)損耗越大。因為導體損耗隨頻率的增加呈平方根的關系，而介質(zhì)損耗隨頻率的增加呈線性關系，所以在總損耗中，介質(zhì)損耗的比例更大。另外，溫度的增加會使導體電阻和介質(zhì)功率因素的增加，因此也會導致?lián)p耗的增加。電纜的損耗計算過程比較繁瑣。首先要計算出導體的射頻表明電阻，然后再計算單位物理長度的電阻值，后再計算出單位長度的損耗值。在工程中，通常采用一種簡化的經(jīng)驗算法：在大功率發(fā)射系統(tǒng)中，則要求天饋系統(tǒng)電纜的損耗盡可能低，因為相對于提高發(fā)射功率來說，降低系統(tǒng)的無源損耗無論如何都是更加經(jīng)濟的。
在測試電纜組件的使用中，不正確的操作也會產(chǎn)生額外的損耗。例如，對于編織電纜，彎曲也會增加其損耗，平均功率容量功率容量是指電纜消耗由電阻和介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱能的能力。在實際使用中，電纜的有效功率與VSWR、溫度和高度有關，VSWR越大，有效功率越??；溫度和高度越高，有效功率越小。聚四氟乙烯（PTFE）介質(zhì)的電纜比聚乙烯（PE）的電纜具有更高的功率容量。如美軍標MIL-C-17中的RG142（PTFE）和RG223（PE），雖然二者的尺寸十分接近，但是由于介質(zhì)材料的不同，導致RG142的功率容量遠遠大于RG223，前者約為400W@1GHz，而后者***約為120W@1GHz。彎曲-相位穩(wěn)定性是衡量電纜在彎曲時的相位變化的指標。在使用過程中電纜的彎曲將會影響到插入相位的變化。減少彎曲半徑或增加彎曲角度都會增加相位的變化。同樣，彎曲次數(shù)的增加也會導致相位變化的增加。而增加彎曲直徑/電纜直徑之比則會減少相位的變化。相位變化和頻率基本上呈線性關系。微孔介質(zhì)電纜的相位穩(wěn)定性會明顯優(yōu)于實心介質(zhì)電纜，多股內(nèi)導體的電纜的相位穩(wěn)定性優(yōu)于單股內(nèi)導體的電纜。TC18-C型柔性微波電纜組件具有良好的相位穩(wěn)定性，當電纜以26mm的半徑彎曲360°時，其相位的變化量***為±0.1°/GHz。電纜的無源互調(diào)失真是由其內(nèi)部的非線性因素引起的。在一個理想的線性系統(tǒng)中，輸出信號的特性與輸入信號是完全一致的；而在非線性系統(tǒng)中，輸出信號和輸入信號相比會產(chǎn)生幅度失真。如果有二個或更多的信號同時輸入一個非線性系統(tǒng)，由于互調(diào)失真的存在，將會在其輸出端產(chǎn)生新的頻率分量。在蜂窩通信系統(tǒng)中，工程師們關心的是三階互調(diào)產(chǎn)物（2f1-f2或2f2-f1），因為這些無用的頻率分量往往會落入接收頻段從而對接收機產(chǎn)生干擾。同軸電纜組件通常被視為線性器件。但是，純線性器件是不存在的。在接頭和電纜之間總有些非線性因素存在，這些非線性因素通常是由于表面氧化層或者接觸不良所造成的。以下的通用設計原則可以減少無源互調(diào)失真：1.在設備中盡量用半鋼電纜或者半柔電纜代替柔性電纜6.采用尺寸盡可能大的接頭（如DIN7/16的互調(diào)特性優(yōu)于N，而N則優(yōu)于SMA）
同軸射頻電纜為射頻及微波行業(yè)的常用部件。這是因為，下至日常生活中使用的智能手機和筆記本電腦，上至軍事及航天領域中的雷達和全球定位系統(tǒng)（GPS），所有重要設備均需此類電纜連接。然而，對于幾乎每一種用途而言，在將信號從一個設備傳遞至另一個設備的過程中，如何保持足夠的信號完整性均是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。要想實現(xiàn)復雜的動態(tài)信號路徑，須***要有可適用于多種環(huán)境及用途的高靈活性平臺。為了解決此問題，******的工程師和數(shù)學家Oliver Heaviside在1880年提出了一種屏蔽電報傳輸線的設計，并獲得該設計的******權。
在之后的1929年，為了克服Heaviside設計的各種局限，貝爾實驗室的Lloyd Espenschied及Herman Affel開發(fā)了一種具有類空氣介電層的寬帶同軸電纜。此項發(fā)明使得同軸電纜技術在材料和性能上均取得極大進展，為各種射頻/微波/毫米波互連問題提供了解決方案。
以上所示為符合不同電氣和機械性能標準的多種同軸電纜。其中，各同軸電纜的物理尺寸由相應的頻率和功率要求所決定。（Pasternack提供）。
基本的同軸電纜結(jié)構包括中心導體，柱形對稱導電屏蔽層，以及將上述兩者相隔開來的類空氣介質(zhì)。這種“圓筒套圓柱”的導體結(jié)構可使大截止頻率以下的電磁信號在兩種導體之間的分隔區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生橫電磁波（或磁分量和電分量垂直的電磁波）。
對于超出截止頻率的信號而言，由于其波長極小，因此還可產(chǎn)生非垂直的橫電和橫磁波導模。這兩種額外產(chǎn)生的波導?？蓪е滦盘柾暾院托盘栃阅艿南陆?。一般而言，同軸電纜的直徑越大，截止頻率越低。此外，同軸電纜所能承受的功率隨尺寸增大而增加。由于上述橫電磁波在同軸電纜內(nèi)的靈敏性非常高，因此電纜的所有幾何分量須***在整個傳輸線路上保持一致。否則，將產(chǎn)生諸多信號反射降低和相位變化方面的問題?！肮こ處燀?**將電纜組件的重要性提高至與其它微波器件同樣的高度。為了實現(xiàn)設計目的，工程師們經(jīng)常需要花費成千上萬美元來獲得精密的放大器、濾波器或其它對系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響的器件”，Pasternack的互連產(chǎn)品經(jīng)理Steve Ellis先生說。
“當電纜使用不合理時，系統(tǒng)性能將受到極大影響”，Ellis先生進一步指出，“有些人認為電纜組件的功用就像PVC管道一樣，充其量不過是把信號從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方。事實上，不加考慮地選擇或布置電纜將對性能產(chǎn)生非常不利的影響。這就是電壓駐波比（VSWR）、插入損耗、相位長度等性能參數(shù)為何都如此重要的原因，也是客戶在購買高端電纜產(chǎn)品時為何如此追求此類參數(shù)的原因”。
同軸電纜材料的電氣性能表現(xiàn)各異，取決于振動、溫度、濕度、電流、撓曲和應力等因素。這些因素的變化都將對電纜性能產(chǎn)生影響。此外，還有趨膚效應的問題。趨膚效應是指當導體內(nèi)的信號頻率增大時，將有更多電子沿導體的表面區(qū)域遷移的物理現(xiàn)象。由于趨膚效應的存在，同軸電纜內(nèi)的信號對于導體表面處理時產(chǎn)生的缺陷極其敏感。
針對上述各敏感性要求，同軸電纜設計者開發(fā)出了各種xj****方法和材料，以在盡可能確保高性能的同時，滿足成本、重量、柔韌性、損耗及耐用性方面的要求。
同軸電纜內(nèi)的介電層保持著兩種導體的同軸幾何構造，所以是同軸電纜的關鍵部件。與此同時，該介電層也為同軸電纜帶來另外的挑戰(zhàn)，這是因為其性質(zhì)須***盡可能地接近空氣。與空氣性質(zhì)接近意味著具有與空氣相仿的磁導率μ/μ0和電容率ε/ε0（或者說大約為1的ε和μ，兩者皆為材料的損耗正切值δ）。
由于極少有材料具有與空氣相同的電磁性質(zhì)，因此通常使用可降低干擾性介電材料用量的技術。此類技術包括對如下材料的使用：具有高空氣含量的發(fā)泡塑料泡沫；螺繞介電層；可保持空氣的介質(zhì)條帶；以及設計上更為接近空氣的材料。
為了使電介質(zhì)保持與空氣相似的機械及熱性能，很多研究著眼于塑料化學材料的開發(fā)。初，由于特氟隆材料的高電性穩(wěn)定性、高耐化性、高耐熱性和低成本優(yōu)點，固體特氟隆管被用作上述同軸電介質(zhì)。然而，由于特氟隆在室溫下可發(fā)生液化流動現(xiàn)象，在大部分的低成本應用中，其已被聚四氟乙烯（PTFE）泡沫或尼龍材料所代替。
擠出氟聚合物樹脂等其他材料在相穩(wěn)定性和傳播速度（VOP）方面的性能優(yōu)于PTFE。特氟隆和尼龍介質(zhì)所提供的相速一般為70%~79%。與此相比，PTFE發(fā)泡空氣介質(zhì)的相速可達到80%~85%，而含氟聚合物樹脂的相速可達85%~89%。
根據(jù)不同應用需求，同軸電纜可使用由多種不同導電材料以不同方式制成的中心導體。傳統(tǒng)中心導體只不過為一條貫穿同軸電纜的簡單實心銅線。為了提高電纜柔性，可在犧牲高頻性能的前提下，使用編織或絞合中心導體。此外，為了降低中心導體的重量和成本，還可使用鍍鋁、鍍鋼、鍍銀或鍍錫銅線。
由于此方式中表面導體仍主要為銅，因此其仍能保證在較高頻率下獲得良好的電性能。在一些應用中，還可使用空心金屬中心導體，以實現(xiàn)在降低重量和成本的同時增加柔軟性的目的。然而，此方式只適用于無需在較低頻率下傳輸高功率的高頻用途。
外層導體也可使用與中心導體類似的技術實現(xiàn)降低重量和成本的目的。此外，設計人員還在提高外層導體的柔性及降低其環(huán)境應力方面傾注精力。由于外層導體為電信號提供返回路徑，因此在大部分應用中，其須***保持足夠的厚度，以防止該信號路徑發(fā)生泄漏或干擾。然而，保持足夠的厚度和堅實度意味著重量的增加和柔性的降低。兩相權衡下，技術人員開發(fā)出了編織、絞合及纏繞技術，以在實現(xiàn)高保護性的同時，保證足夠高的性能。
對于有線電視等低成本應用，可使用小編織技術，達到降低成本、重量和尺寸的目的。正如Gore Microwave Cable Products公司的首席電氣工程師Paul Pino先生所言，“為了實現(xiàn)不同的性能、成本和制造性目標，電纜制造商使用著各種類型的材料。中心導體大部分為鍍銀銅線，同時也有部分為鍍錫銅線。輕質(zhì)用途中使用鍍銀銅包鋁線。此外，同軸屏蔽層也可使用各種材料制造，比如，成型鈹銅、鍍銀銅材和金屬化聚合物等?！?/p>
高性能電纜傾向于具有更輕的質(zhì)量和更小的尺寸。為了達到此目的，已開發(fā)出由編織、纏繞或包裹技術制成的屏蔽層。
但是，這些技術不利于電纜的彎曲和機械運動性能。因此，還需要可在壓力條件下實現(xiàn)高電氣性能的其他技術。例如，在多個屏蔽層之間設置機械絕緣介電層的方式除了有助于防止屏蔽變形和電纜隨運動和時間發(fā)生的磨損之外，還能提高屏蔽層的屏蔽能力（屏蔽材料包括由導電條帶（通常為鋁）制成的纏繞帶、編織帶、編織線及纏繞條）。
此外，在高性能電纜的外周還可套設防壓層。該層一般為繞制的圓柱鋼套，用于防止高壓和高扭矩使用條件下發(fā)生的損傷?！半m然提高介質(zhì)的密度可增加其抗壓性，但同時會導致同軸電纜的性能受損”，Gore Microwave Cable Products公司的首席設計工程師Paul Warren先生說。因此，常見的做法是使用高剛性護套。例如，在同軸屏蔽層外增設不銹鋼編織護套可在犧牲重量和柔軟度性能的同時提高抗壓性能。在此方面，雖然鎧裝電纜護套是為有效的選擇，但是其仍然具有較重且價格昂貴的缺點。
根據(jù)使用環(huán)境，還可使用其他數(shù)種方法為同軸電纜增設套層，以達到性能保護的目的。例如，可使用標準套層材料——聚氯乙烯（PVC）制成各種厚度和顏色的護套。雖然PVC具有較高的耐化和耐高溫性能，但是其無法承受較高的機械壓力。在某些情況下，為了提高同軸電纜的機械性能，還可使用高抗拉性合成材料制成的編織護套。這種護套可緊實地套設在電纜上，而且還具有較好的抗切割和抗擦傷性能。
“其他一個可真正影響電纜組件性能的因素為機械性能，這也是為何電纜組件性能存在著如此諸多變數(shù)的原因所在”，Ellis先生指出，“電纜性能須***符合其使用環(huán)境。比方說，海軍艦船雷達系統(tǒng)的電纜由于繞置于艦船外部，因此常須遭受鹽霧、高低溫和振動因素的影響?，F(xiàn)今，大量的開發(fā)工作已經(jīng)著眼于為如此極端的使用環(huán)境研發(fā)可靠耐用的電纜。”
為了滿足此類極端環(huán)境的使用需求，一些公司已經(jīng)開發(fā)出可在各種條件下提高性能的專有技術電纜材料和套層，并已將其應用于航空航天、航海、軍工等各領域中。
