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射频同轴电缆正确选用

发布时间:2014.08.06 新闻来源:镇江拓蓝电子科技有限公司 浏览次数:
   现在,射频同轴电缆已经大大的应用于我们的生活和军事通讯之中。小到蓝牙,射频设别卡,大到卫星通讯,微薄技术。总之射频同轴电缆已经越来越广泛的被人们应用。  
1.什么是“射频”?
  按定义,能够发射到空中的频率信号通常称为射频。实际上,除直流而外,所有交流电都能发射到空中,例如托福等英语听力考试用的无线耳机,就是直接采用音频发射的,这是大家熟悉的事。可见20Hz~20kHz的音频(低频)交流电,完全可以直接发射到空中。但是频率低的发射效率也低,多数人认为100kHz以上的频率信号发射效率才高,所以一般的“射频”都是指100kHz以上的频率。
  无线电频段的划分,一般都用十倍频划分的,例如30kHz~300kHz为长波,300kHz~3000kHz为中波,3000kHz~30000kHz为短波等,其中150kHz~270kHz是分配给长波广播电台的,按照公式:波长=光速/频率,算出其波长为2000m~1111m,因它很长而得名。上世纪二、三十年代欧洲的广播电台就是以长波为主。我国起步晚,还没有来得及采用这种天线外形庞大,而效率又低的系统,它就被淘汰了。我国国内的无线广播是以中波为主,即530kHz~1605kHz(波长566m~187m)。还有2000kHz(即2兆赫)~22MHz(波长150m~13.6m)是短波波段,这个波段范围较宽,广播只断续的占用了一部分,其他就分给通信、导航、业余等使用。
  30MHz~300MHz(波长10m~1m)称为甚高频(VHF)主要用于电视广播及调频广播。300MHz~10000MHz称为超高频(UHF),其频率范围更宽,用途也更广,300MHz~30000MHz一般称为微波。频率再高就变成为光波了,即红外光、可见光、紫外线等。
  2.射频传输
  在低频时电能的传输,对两条电线的间距要求并不严格,例如50Hz市电电力线。但是当频率到兆赫以上,特别是高到VHF频段时,两条传输线的间距和线径就要求严格一致,这种平行双线在西方被称为“莱秀线”,在我国常称为双线(即平行双线)。过去从天线引到电视机的一种扁的塑料线就属于这种双线。现在,城市中都使用有限电视了,所以就改用同轴电缆,他的工作频率更高。其实这两种高频传输线基本上是相同的。
  平行双线有一个很重要的电参数叫“特型阻抗Z0),它由D、d及周围介质的介电常数所决定,若介质为空气,则特型阻抗Z0=120ln(2D/d)Ω。过去电视机用的那种一塑料为介质的扁线,其特型阻抗设计为300Ω。若双线末端所接的负载与特型阻抗不相等(不匹配),则高频电流在双线上传输时便不会把全部能量传给负载,其中一部分会反射回来而形成“驻波”,特别是空载或短路时能量将全部反射回来
  3.射频同轴电缆
  射频同轴电缆是指无线电频率范围内传输电信号或能量的同轴电缆的总称,是用于传输高频电信号、射频和微波信号能量的。高频电信号具有“波”的属性,要考虑电磁波的特性。使用同轴电缆就是为了信号传输损耗小、抗干扰能力强。它是一种分布参数电路,其电长度是物理长度和传输速度的函数,这一点和低频电路有着本质的区别。射频同轴电缆由内导体、介质、外导体和护套组成。它按用途可分为三类:即CATV同轴电缆、移动通信基站用同轴电缆和漏同轴电缆。按特性可分为半刚、半柔和柔性电缆三种,不同的应用场合应选择不同类型的电缆。半刚和半柔电缆一般用于设备内部的互联;而在测试和测量领域,应采用柔性电缆。
  (1)半刚性电缆
  顾名思义,这种电缆不容易被轻易弯曲成型,其外导体是采用铝管或者铜管制成,其射频泄漏非常小(小于120dB),在系统中造成的信号串扰可以忽略不计。这种电缆的无源互调特性也是非常理想的。如果要弯曲到某种形状,需要专用的成型机或者手工的模具来完成。如此麻烦的加工工艺换来的是非常稳定的性能,半刚性电缆采用固态的聚四氟乙烯材料作为填充介质,这种材料具有非常稳定的温度特性,尤其在高温条件下,具有非常良好的相位稳定性。
  半刚性电缆的成本高于半柔性电缆,大量应用于各种射频和微波系统中。
  (2)半柔性电缆
  半柔性电缆是半刚性电缆的替代品,这种电缆的性能指标接近于半刚性电缆,而且可以手工成型。但是其稳定性比半刚性电缆略差些,由于其可以很容易的成型,同样的也容易变形,尤其在长期使用的情况下。
  (3)柔性(编织)电缆
  柔性电缆是一种“测试级”的电缆。相对于半刚性和半柔性的电缆,柔性电缆的成本十分昂贵,这是因为柔性电缆在设计时要顾及的因素更多。柔性电缆要易于多次弯曲而且还能保持性能,这是作为测试电缆的最基本要求。柔软和良好的电指标是一对矛盾,也是导致造价昂贵的主要原因。
  柔性射频电缆组件的选择要同时考虑各种因素,而这些因素之间有些的相互矛盾的,如单股内导体的同轴电缆比多股的具有更低的插入损耗和弯曲时的幅度稳定性,但是相位稳定性能就不如后者。所以一条电缆组件的选择,除了频率范围,驻波比,插入损耗等因素外,还应考虑电缆的机械特性,使用环境和应用要求,另外,成本也是一个永远不变的因素。
  射频电缆组件的正确选择除了频率范围、驻波比、插入损耗等因素外,还应考虑电缆的机械特性,使用环境和应用要求,另外,成本也是一个永远不变的因素。射频同轴电缆的损耗和驻波比分别表征了电缆传输效率及其均匀性,是最重要指标之一。低损耗、低驻波、高相位稳定性是当前毫米波、微波同轴电缆的研制方向。
  射频同轴电缆是传输射频信号,因此信号在导体传输中产生集肤效应,即信号仅仅在电缆的内导体外表面和外导体内表面进行有效传输。内导体除采用实心铜线外,还经常使用铜包覆线或空心铜管,以增加强度或节约材料,其中也包含着集肤效应原因,提高有效的传输。
  对于铜包覆线,如铜包钢线来说,铜层的厚度δ>0.07mm•sptr(f)(f单位为MHz),即可实现同规格纯铜线的传输效果。国家标准规定铜包钢线电阻率≤0.059Ω•mm2/m(即电导率为29.7%IACS),以直径为1.6mm铜包钢线为例,铜电阻率为0.0175Ω•mm2/m,钢电阻率为0.147Ω•mm2/m,将钢丝及其表面铜层看作两个导体并联,可算出表面铜层的厚度为0.025mm,当传输频率大于1.67MHz时,其完全等效于同规格的实心圆铜线。
  在欧美国家,铜包铝主要应用在通信领域,特别是高频领域中做导电芯与屏蔽用。铝线外面包一层铜经拉制而成的双金属线,由于具有比重小,传输性能好等优点,特别适用于做射频同轴电缆的内导体,与纯铜线相比,其密度为纯铜40%左右,而传输特性优于纯铜线,是最理想的射频同轴电缆分支线内导体,假设我国电线电缆行业实现了以铝代铜,可节约大量有限的铜资源。
  从全球设备制造商和电缆制造商来讲,射频同轴电缆外导体的轧纹方式一般可分为两种:一种为同心式轧纹,另一种为偏心式轧纹。同心式轧纹是指对射频同轴电缆外导体进行轧纹的道具其结构中心与电缆处于同一中心。偏心式轧纹是指对射频同轴电缆外导体进行轧纹的道具其结构中心与电缆有一定的偏离。同心式轧纹设备生产厂商主要有:美国原Watson公司、上海Maxwell公司;偏心式轧纹设备生产厂商主要有:美国Webscher公司、上海科辰线缆设备技术合作公司。
  (1)特性阻抗
  “特性阻抗”是射频电缆,接头和射频电缆组件中最常提到的指标。最大功率传输,最小信号反射都取决于电缆的特性阻抗和系统中其它部件的匹配。如果阻抗完全匹配,则电缆的损耗只有传输线的衰减,而不存在反射损耗。电缆的特性阻抗(Z0)与其内外导体的尺寸之比有关,同时也和填充介质的介电常数有关。由于射频能量传输的“趋肤效应”,与阻抗相关的重要尺寸是电缆内导体的外径(d)和外导体的内径(D):Z0(Ω)=138√ε×logDd
  绝大部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是50Ω;在广播电视中则会用到75Ω的电缆。
  (2)驻波比(VSWR)回波损耗
  对于理想的同轴电缆,在整个长度方向上电缆的特性阻抗是不变的,然而事实上阻抗完全均匀的电缆是不存在的,因而在长度方向上电缆特性阻抗总会存在一些细微的变化。在同轴电缆长度方向上阻抗的任何细微的变化,均会导致在电缆传输的一部分信号能量被反射回去,就如同在不同介质的媒质中传播时在两媒质的界面会发生反射和折射一样。信号的反射不仅会造成信号在传输信号的能量损失,而且反射回去的信号会对传输信号源产生干扰,轻者会导致信号线性失真,严重的将导致电缆根本无法使用。同轴电缆(VSWR)稀能使电缆结构均匀性、稳定性在电气上的反映。
  电压驻波比(VSWR)是同轴电缆最重要的电气参数之一。VSWR性能不仅影响传输信号的线性度,还会对电缆的纵向损耗、传输功率产生影响,也是射频同轴电缆制造的一个主要难点。
  电缆组件中的阻抗变化将会引起信号的反射,这种反射会导致入射波能量的损失。测试电缆组件之间的连接和电缆接头之间的连接是产生反射损耗的主要原因。由于制造的原因,电缆在某些特定的频点上也会产生一些VSWR突变。
  反射的大小可以用电压驻波比(VSWR)来表达,其定义是入射和反射电压之比。VSWR越小,说明电缆生产的一致性越好。VSWR的等效参数是反射系数或回波损耗。
  典型的微波电缆组件的VSWR在1.1到1.5之间,换算成回波损耗为26.4至14dB,即入射功率的传输效率为99.8%至96%。
  匹配效率的含义是,如果输入功率为100W,在VSWR为1.33时,输出功率为98W,即2W被反射回来。
  (3)衰减(插入损耗)
  电缆的衰减是表示电缆有效的传送射频信号的能力,它由介质损耗、导体(铜)损耗和辐射损耗三部分组成。大部分的损耗转换为热能。导体的尺寸越大,损耗越小;而频率越高,则介质损耗越大。因为导体损耗随频率的增加呈平方根的关系,而介质损耗随频率的增加呈线性关系,所以在总损耗中,介质损耗的比例更大。另外,温度的增加会使导体电阻和介质功率因素的增加,因此也会导致损耗的增加。
  对于测试电缆组件,其总的插入损耗是接头损耗、电缆损耗和失配损耗的总和。
  在测试电缆组件的使用中,不正确的操作也会产生额外的损耗。例如,对于编织电缆,弯曲也会增加其损耗。每种电缆都有最小弯曲半径的要求。
  在选择电缆组件时,应先确定系统最高频率时可接受的损耗值,然后再根据这个损耗值来选择尺寸最小的电缆。
  (4)平均功率容量
  功率容量是指电缆消耗由电阻和介质损耗所产生的热能的能力。BXT提供的电缆组件均提供了平均功率容量的指标。
  在实际使用中,电缆的有效功率与VSWR、温度和高度有关:
  有效功率 = 平均功率×驻波系数×温度系数×高度系数
  在选择电缆时,应同时考虑以上因素。
  射频功率经常用dBm来表示,其好处是给计算带来的很大的方便。
  BXT可提供功率容量高达数千瓦的射频电缆组件,这些电缆可用于特殊的领域,如大功率短波发射机,广播电视发射机和半导体制造中的射频功率校准等。
  (5)传播速度
  电缆的传播速度是指信号在电缆中传输的速度和光速的比值,和介质的介电常数的根号呈反比关系:
  Vp = 1√ε ×100 
  由上式可见介电常数(ε)越小,则传播速度越接近光速,所以低密度介质的电缆其插入损耗更低。
  理解电缆的传播速度这个指标,有助于正确使用电缆和天线分析仪(如Bird SA系列或Anristu SiteMaster系列)。在用这些仪器对电缆进行故障点定位(DTF)时,需要在仪器中正确设定被测电缆的传播速度,才能保证测试结果有足够的精度。
  (6)弯曲时的相位稳定性
  射频同轴电缆相位稳定性包含着温度与机械等两个方面的相位稳定性。同轴电缆受到弯曲(或扭转等)机械力的作用,引起同轴电缆各部件(内导体、外导体、绝缘等)的尺寸变化及结构变异错位,导致了电气长度(相位)变化;同轴电缆不同的缓建温度下,内外导体金属的线伸胀引起的机械长度变化及绝缘材料的等效介电常数变化是引起的相移常数变化的两种因素。从而导致总相位的变化。同轴电缆相位随温度变化程度则取决于其材料及结构等两个因素。
  弯曲-相位稳定性是衡量电缆在弯曲时的相位变化。在使用过程中的弯曲将会影响到插入相位。减少弯曲半径或增加弯曲角度都会增加相位的变化。同样,弯曲次数的增加也会导致相位变化的增加。而增加电缆直径弯曲直径之比则会减少相位的变化。相位变化和频率基本上呈线性关系。微孔介质电缆的相位稳定性会明显优于实心介质电缆。
  在用矢量网络分析仪测量时,可以采用铠装测试电缆系列。这种电缆可以工作到13GHz,并在电缆组件的外部加装了铠装护套,有助于降低电缆弯曲时所产生的相位偏差。
  一般的通信频段(3GHz)测量中,可以采用低成本的RG214HF电缆,这种电缆比常用的RG214U有着更好的相位稳定性。
  (7)电缆的屏蔽
  无论是航天和军事通信,微波测量还是蜂窝通信系统应用,射频电缆的泄漏指标都是十分重要的。过大的泄漏会造成系统间的互相串扰。
  通常,在测试和测量应用中,应至少采用二层以上屏蔽的射频电缆,其射频泄漏小于-75dBc。BXT提供的柔性编织射频电缆组件的射频泄漏指标为-75dBc到-100dBc。
  (8)电缆的无源互调失真
  电缆的无源互调失真是由其内部的非线性因素引起的。在一个理想的线性系统中,输出信号的特性与输入信号是完全一致的;而在非线性系统中,输出信号和输入信号相比产生了幅度失真。
  如果有二个或更多的信号同时输入一个非线性系统,由于互调失真的存在,将会在其输出端产生新的频率分量。在现代通信系统中,工程师们最关心的是三阶互调产物(2fB1B-fB2B或2fB2B-fB1B),因为这些无用频率分量往往会落入接收频段从而对接收机产生干扰。
  同轴电缆组件通常被视为线性器件。但是,纯线性器件是不存在的。在接头和电缆之间总有些非线性因素存在,这些非线性因素通常是由于表面氧化层或者接触不良所造成的。以下的通用设计原则可以尽量减少无源互调失真:
  在设备中,尽量用半钢电缆或者半柔电缆代替柔性电缆
  用单股内导体的电缆
  用表面平滑的高质量接头
  采用足够厚度和均匀镀层的接头
  采用尺寸尽可能大的接头(如DIN716的互调特性优于N,而N则优于SMA)
  保证接头之间良好的接触
  使用非磁性材料的接头(如钢和镍)
  BXT可提供专用的低互调测试电缆,其无源互调指标优于-165dBc。
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