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          射頻同軸電纜正確選用

          發布時間:2014.08.06 新聞來源:鎮江拓藍電子科技有限公司 瀏覽次數:
             現在,射頻同軸電纜已經大大的應用于我們的生活和軍事通訊之中。小到藍牙,射頻設別卡,大到衛星通訊,微薄技術?傊漕l同軸電纜已經越來越廣泛的被人們應用。  
          1.什么是“射頻”?
            按定義,能夠發射到空中的頻率信號通常稱為射頻。實際上,除直流而外,所有交流電都能發射到空中,例如托福等英語聽力考試用的無線耳機,就是直接采用音頻發射的,這是大家熟悉的事?梢20Hz~20kHz的音頻(低頻)交流電,完全可以直接發射到空中。但是頻率低的發射效率也低,多數人認為100kHz以上的頻率信號發射效率才高,所以一般的“射頻”都是指100kHz以上的頻率。
            無線電頻段的劃分,一般都用十倍頻劃分的,例如30kHz~300kHz為長波,300kHz~3000kHz為中波,3000kHz~30000kHz為短波等,其中150kHz~270kHz是分配給長波廣播電臺的,按照公式:波長=光速/頻率,算出其波長為2000m~1111m,因它很長而得名。上世紀二、三十年代歐洲的廣播電臺就是以長波為主。我國起步晚,還沒有來得及采用這種天線外形龐大,而效率又低的系統,它就被淘汰了。我國國內的無線廣播是以中波為主,即530kHz~1605kHz(波長566m~187m)。還有2000kHz(即2兆赫)~22MHz(波長150m~13.6m)是短波波段,這個波段范圍較寬,廣播只斷續的占用了一部分,其他就分給通信、導航、業余等使用。
            30MHz~300MHz(波長10m~1m)稱為甚高頻(VHF)主要用于電視廣播及調頻廣播。300MHz~10000MHz稱為超高頻(UHF),其頻率范圍更寬,用途也更廣,300MHz~30000MHz一般稱為微波。頻率再高就變成為光波了,即紅外光、可見光、紫外線等。
            2.射頻傳輸
            在低頻時電能的傳輸,對兩條電線的間距要求并不嚴格,例如50Hz市電電力線。但是當頻率到兆赫以上,特別是高到VHF頻段時,兩條傳輸線的間距和線徑就要求嚴格一致,這種平行雙線在西方被稱為“萊秀線”,在我國常稱為雙線(即平行雙線)。過去從天線引到電視機的一種扁的塑料線就屬于這種雙線,F在,城市中都使用有限電視了,所以就改用同軸電纜,他的工作頻率更高。其實這兩種高頻傳輸線基本上是相同的。
            平行雙線有一個很重要的電參數叫“特型阻抗Z0),它由D、d及周圍介質的介電常數所決定,若介質為空氣,則特型阻抗Z0=120ln(2D/d)Ω。過去電視機用的那種一塑料為介質的扁線,其特型阻抗設計為300Ω。若雙線末端所接的負載與特型阻抗不相等(不匹配),則高頻電流在雙線上傳輸時便不會把全部能量傳給負載,其中一部分會反射回來而形成“駐波”,特別是空載或短路時能量將全部反射回來
            3.射頻同軸電纜
            射頻同軸電纜是指無線電頻率范圍內傳輸電信號或能量的同軸電纜的總稱,是用于傳輸高頻電信號、射頻和微波信號能量的。高頻電信號具有“波”的屬性,要考慮電磁波的特性。使用同軸電纜就是為了信號傳輸損耗小、抗干擾能力強。它是一種分布參數電路,其電長度是物理長度和傳輸速度的函數,這一點和低頻電路有著本質的區別。射頻同軸電纜由內導體、介質、外導體和護套組成。它按用途可分為三類:即CATV同軸電纜、移動通信基站用同軸電纜和漏同軸電纜。按特性可分為半剛、半柔和柔性電纜三種,不同的應用場合應選擇不同類型的電纜。半剛和半柔電纜一般用于設備內部的互聯;而在測試和測量領域,應采用柔性電纜。
            (1)半剛性電纜
            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,其射頻泄漏非常小(小于120dB),在系統中造成的信號串擾可以忽略不計。這種電纜的無源互調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定的性能,半剛性電纜采用固態的聚四氟乙烯材料作為填充介質,這種材料具有非常穩定的溫度特性,尤其在高溫條件下,具有非常良好的相位穩定性。
            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中。
            (2)半柔性電纜
            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。
            (3)柔性(編織)電纜
            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最基本要求。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定性,但是相位穩定性能就不如后者。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,使用環境和應用要求,另外,成本也是一個永遠不變的因素。
            射頻電纜組件的正確選擇除了頻率范圍、駐波比、插入損耗等因素外,還應考慮電纜的機械特性,使用環境和應用要求,另外,成本也是一個永遠不變的因素。射頻同軸電纜的損耗和駐波比分別表征了電纜傳輸效率及其均勻性,是最重要指標之一。低損耗、低駐波、高相位穩定性是當前毫米波、微波同軸電纜的研制方向。
            射頻同軸電纜是傳輸射頻信號,因此信號在導體傳輸中產生集膚效應,即信號僅僅在電纜的內導體外表面和外導體內表面進行有效傳輸。內導體除采用實心銅線外,還經常使用銅包覆線或空心銅管,以增加強度或節約材料,其中也包含著集膚效應原因,提高有效的傳輸。
            對于銅包覆線,如銅包鋼線來說,銅層的厚度δ>0.07mm•sptr(f)(f單位為MHz),即可實現同規格純銅線的傳輸效果。國家標準規定銅包鋼線電阻率≤0.059Ω•mm2/m(即電導率為29.7%IACS),以直徑為1.6mm銅包鋼線為例,銅電阻率為0.0175Ω•mm2/m,鋼電阻率為0.147Ω•mm2/m,將鋼絲及其表面銅層看作兩個導體并聯,可算出表面銅層的厚度為0.025mm,當傳輸頻率大于1.67MHz時,其完全等效于同規格的實心圓銅線。
            在歐美國家,銅包鋁主要應用在通信領域,特別是高頻領域中做導電芯與屏蔽用。鋁線外面包一層銅經拉制而成的雙金屬線,由于具有比重小,傳輸性能好等優點,特別適用于做射頻同軸電纜的內導體,與純銅線相比,其密度為純銅40%左右,而傳輸特性優于純銅線,是最理想的射頻同軸電纜分支線內導體,假設我國電線電纜行業實現了以鋁代銅,可節約大量有限的銅資源。
            從全球設備制造商和電纜制造商來講,射頻同軸電纜外導體的軋紋方式一般可分為兩種:一種為同心式軋紋,另一種為偏心式軋紋。同心式軋紋是指對射頻同軸電纜外導體進行軋紋的道具其結構中心與電纜處于同一中心。偏心式軋紋是指對射頻同軸電纜外導體進行軋紋的道具其結構中心與電纜有一定的偏離。同心式軋紋設備生產廠商主要有:美國原Watson公司、上海Maxwell公司;偏心式軋紋設備生產廠商主要有:美國Webscher公司、上?瞥骄纜設備技術合作公司。
            (1)特性阻抗
            “特性阻抗”是射頻電纜,接頭和射頻電纜組件中最常提到的指標。最大功率傳輸,最小信號反射都取決于電纜的特性阻抗和系統中其它部件的匹配。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(Z0)與其內外導體的尺寸之比有關,同時也和填充介質的介電常數有關。由于射頻能量傳輸的“趨膚效應”,與阻抗相關的重要尺寸是電纜內導體的外徑(d)和外導體的內徑(D):Z0(Ω)=138√ε×logDd
            絕大部分應用于通信領域的射頻電纜的特性阻抗是50Ω;在廣播電視中則會用到75Ω的電纜。
            (2)駐波比(VSWR)回波損耗
            對于理想的同軸電纜,在整個長度方向上電纜的特性阻抗是不變的,然而事實上阻抗完全均勻的電纜是不存在的,因而在長度方向上電纜特性阻抗總會存在一些細微的變化。在同軸電纜長度方向上阻抗的任何細微的變化,均會導致在電纜傳輸的一部分信號能量被反射回去,就如同在不同介質的媒質中傳播時在兩媒質的界面會發生反射和折射一樣。信號的反射不僅會造成信號在傳輸信號的能量損失,而且反射回去的信號會對傳輸信號源產生干擾,輕者會導致信號線性失真,嚴重的將導致電纜根本無法使用。同軸電纜(VSWR)稀能使電纜結構均勻性、穩定性在電氣上的反映。
            電壓駐波比(VSWR)是同軸電纜最重要的電氣參數之一。VSWR性能不僅影響傳輸信號的線性度,還會對電纜的縱向損耗、傳輸功率產生影響,也是射頻同軸電纜制造的一個主要難點。
            電纜組件中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。測試電纜組件之間的連接和電纜接頭之間的連接是產生反射損耗的主要原因。由于制造的原因,電纜在某些特定的頻點上也會產生一些VSWR突變。
            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越小,說明電纜生產的一致性越好。VSWR的等效參數是反射系數或回波損耗。
            典型的微波電纜組件的VSWR在1.1到1.5之間,換算成回波損耗為26.4至14dB,即入射功率的傳輸效率為99.8%至96%。
            匹配效率的含義是,如果輸入功率為100W,在VSWR為1.33時,輸出功率為98W,即2W被反射回來。
            (3)衰減(插入損耗)
            電纜的衰減是表示電纜有效的傳送射頻信號的能力,它由介質損耗、導體(銅)損耗和輻射損耗三部分組成。大部分的損耗轉換為熱能。導體的尺寸越大,損耗越小;而頻率越高,則介質損耗越大。因為導體損耗隨頻率的增加呈平方根的關系,而介質損耗隨頻率的增加呈線性關系,所以在總損耗中,介質損耗的比例更大。另外,溫度的增加會使導體電阻和介質功率因素的增加,因此也會導致損耗的增加。
            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。
            在測試電纜組件的使用中,不正確的操作也會產生額外的損耗。例如,對于編織電纜,彎曲也會增加其損耗。每種電纜都有最小彎曲半徑的要求。
            在選擇電纜組件時,應先確定系統最高頻率時可接受的損耗值,然后再根據這個損耗值來選擇尺寸最小的電纜。
            (4)平均功率容量
            功率容量是指電纜消耗由電阻和介質損耗所產生的熱能的能力。BXT提供的電纜組件均提供了平均功率容量的指標。
            在實際使用中,電纜的有效功率與VSWR、溫度和高度有關:
            有效功率 = 平均功率×駐波系數×溫度系數×高度系數
            在選擇電纜時,應同時考慮以上因素。
            射頻功率經常用dBm來表示,其好處是給計算帶來的很大的方便。
            BXT可提供功率容量高達數千瓦的射頻電纜組件,這些電纜可用于特殊的領域,如大功率短波發射機,廣播電視發射機和半導體制造中的射頻功率校準等。
            (5)傳播速度
            電纜的傳播速度是指信號在電纜中傳輸的速度和光速的比值,和介質的介電常數的根號呈反比關系:
            Vp = 1√ε ×100 
            由上式可見介電常數(ε)越小,則傳播速度越接近光速,所以低密度介質的電纜其插入損耗更低。
            理解電纜的傳播速度這個指標,有助于正確使用電纜和天線分析儀(如Bird SA系列或Anristu SiteMaster系列)。在用這些儀器對電纜進行故障點定位(DTF)時,需要在儀器中正確設定被測電纜的傳播速度,才能保證測試結果有足夠的精度。
            (6)彎曲時的相位穩定性
            射頻同軸電纜相位穩定性包含著溫度與機械等兩個方面的相位穩定性。同軸電纜受到彎曲(或扭轉等)機械力的作用,引起同軸電纜各部件(內導體、外導體、絕緣等)的尺寸變化及結構變異錯位,導致了電氣長度(相位)變化;同軸電纜不同的緩建溫度下,內外導體金屬的線伸脹引起的機械長度變化及絕緣材料的等效介電常數變化是引起的相移常數變化的兩種因素。從而導致總相位的變化。同軸電纜相位隨溫度變化程度則取決于其材料及結構等兩個因素。
            彎曲-相位穩定性是衡量電纜在彎曲時的相位變化。在使用過程中的彎曲將會影響到插入相位。減少彎曲半徑或增加彎曲角度都會增加相位的變化。同樣,彎曲次數的增加也會導致相位變化的增加。而增加電纜直徑彎曲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。微孔介質電纜的相位穩定性會明顯優于實心介質電纜。
            在用矢量網絡分析儀測量時,可以采用鎧裝測試電纜系列。這種電纜可以工作到13GHz,并在電纜組件的外部加裝了鎧裝護套,有助于降低電纜彎曲時所產生的相位偏差。
            一般的通信頻段(3GHz)測量中,可以采用低成本的RG214HF電纜,這種電纜比常用的RG214U有著更好的相位穩定性。
            (7)電纜的屏蔽
            無論是航天和軍事通信,微波測量還是蜂窩通信系統應用,射頻電纜的泄漏指標都是十分重要的。過大的泄漏會造成系統間的互相串擾。
            通常,在測試和測量應用中,應至少采用二層以上屏蔽的射頻電纜,其射頻泄漏小于-75dBc。BXT提供的柔性編織射頻電纜組件的射頻泄漏指標為-75dBc到-100dBc。
            (8)電纜的無源互調失真
            電纜的無源互調失真是由其內部的非線性因素引起的。在一個理想的線性系統中,輸出信號的特性與輸入信號是完全一致的;而在非線性系統中,輸出信號和輸入信號相比產生了幅度失真。
            如果有二個或更多的信號同時輸入一個非線性系統,由于互調失真的存在,將會在其輸出端產生新的頻率分量。在現代通信系統中,工程師們最關心的是三階互調產物(2fB1B-fB2B或2fB2B-fB1B),因為這些無用頻率分量往往會落入接收頻段從而對接收機產生干擾。
            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盡量減少無源互調失真:
            在設備中,盡量用半鋼電纜或者半柔電纜代替柔性電纜
            用單股內導體的電纜
            用表面平滑的高質量接頭
            采用足夠厚度和均勻鍍層的接頭
            采用尺寸盡可能大的接頭(如DIN716的互調特性優于N,而N則優于SMA)
            保證接頭之間良好的接觸
            使用非磁性材料的接頭(如鋼和鎳)
            BXT可提供專用的低互調測試電纜,其無源互調指標優于-165dBc。
          本文共分 1
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