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用了这么多年射频电缆,这些指标你可知道?

射频同轴电缆是用于传输射频和微波信号能量的。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。
射频同轴电缆大致可分为半刚和半柔电缆、柔性编织电缆和物理发泡电缆等几大类,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;在测试和测量领域,应采用柔性电缆;发泡电缆常用于基站天馈系统。
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。
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。
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。
射频同轴电缆由内导体,介质,外导体和护套组成
“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(ZB0)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):
(Ω)=式中,为同轴电缆的特性阻抗(Ω),为内部填充介质的相对介电常数,D为外导体内径(mm),d为内导体外径(mm)。为内导体系数,和内导体的结构有关:
单股内导体 - ks = 1,
 7芯内导体 - ks = 0.939,
19芯内导体 - ks = 0.97。
常见的射频同轴电缆绝大部分是50Ω特性阻抗的,这是为什么呢?
通常认为导体的截面积越大损耗就越低,但事实并非完全如此。同轴电缆的每单位长度的损耗是lg(D/d)的函数,也就是说和电缆的特性阻抗有关。经过计算可以发现,当同轴电缆的特性阻抗为77Ω时,单位长度的损耗最低。
对于同轴电缆的最大承受功率,通常认为内外导体的间距越大,则同轴电缆可承受电压越高,即承受功率越大,但实际上也不完全准确。同轴电缆的最大承受功率同样与其特性阻抗有关。可以计算出当同轴电缆的特性阻抗为30Ω时,其承受的功率最大。
为了兼顾最小的损耗和最大的功率容量,应该在77Ω和30Ω之间找一个适当的数值。二者的算术平均值为53.5Ω,而几何平均值为48.06Ω;选取50Ω的特性阻抗可以做到二者兼顾。此外,50Ω阻抗的连接器也更加容易设计和加工。
绝大部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是50Ω;在广播电视传输系统中则用到75Ω的电缆。
大部分的测试仪器都是50Ω的阻抗,如果要测量75Ω阻抗的器件,可以通过一个50-75Ω的阻抗变换器来进行阻抗匹配,但是需要注意这种阻抗变换器有约5.7dB的插入损耗。
驻波比(VSWR)/回波损耗
在射频和微波系统中,最大功率传输和最小信号反射取决于射频电缆的特性阻抗和系统中其它部件的匹配。射频电缆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。
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的计算公式如下:
VSWR=
其中Pr为反射功率,Pi为入射功率。
测试电缆组件的VSWR指标取决于电缆,连接器及其加工工艺。测试电缆组件的典型VSWR值小于1.2,换算成回波损耗为21dB,即入射功率的匹配(传输)效率为99.21%。对于传输(即S21参数)测试,一条VSWR<1.2的测试电缆可以满足要求了;而作为反射(S11参数)测试应用时,对测试电缆的要求要更高些,一般来说,测试系统的回波损耗应该比被测器件高10dB,当然除了选用精密的测试电缆以外,还可以巧妙的结合精密衰减器来改善系统的失配损耗。
从电缆类型来看,半刚和半柔电缆有着比较良好的VSWR表现。一条普通的.141”或.086”电缆在dc-18GHz范围内可以做到小于1.2的VSWR,而并不需要花费太高的成本,当然加工和焊接工艺是保证VSWR指标的重要因素。
而柔性电缆要实现低的VSWR指标却并非易事。要求电缆在弯曲的条件下仍能保持良好的性能,这二者存在一定的矛盾。为了平衡这种矛盾,也就是得到一条既柔软又有良好的射频指标的柔性测试电缆,往往需要付出更多的成本代价。
柔性测试电缆组件可分为3GHz、6GHz、 18GHz、26.5GHz、40GHz、50GHz和67GHz这几种。图5是某公司生产的一种低成本的3GHz测试电缆组件(P/N:MC03-03-03-1000)的典型VSWR指标,在3GHz以下,其VSWR有着非常良好的表现(小于1.1),这种低成本的测试电缆组件完全可以满足生产线的测试要求。下面是这个电缆指标的测试图:
而当需要在更高的频率下使用时,则需要采用微波测试电缆组件,这也就意味着用户要花费更高的成本。这是因为微波电缆的设计和制造理念与常规电缆的不同所致,如微波电缆通常采用多层的屏蔽和低密度的聚四氟乙烯材料(LD-PTFE),这种介质的介电常数要比普通的实心聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)更低,大约在1.38~1.73之间,其相速度(电磁波在电缆中的相对于空气的传播速度)达到83%,也就是说更加接近于空气的介质特性。
衰减(插入损耗)
其中k1为电阻损耗系数,k2为介质损耗系数,f为频率(MHz)。
几乎所有的电缆手册中都会给出不同频率下的损耗值,这为具体的选型和应用提供了极大的方便。
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:
I.L(dB) = I.L cable + I.L connector + M.L
测试电缆组件的总体表现是频率越高,损耗越大。下图表示了一条典型的测试电缆组件的插入损耗与频率的关系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。
电缆的损耗计算过程比较繁琐。首先要计算出导体的射频表明电阻,然后再计算单位物理长度的电阻值,最后再计算出单位长度的损耗值。在工程中,通常采用一种简化的经验算法:
在大功率发射系统中,则要求天馈系统电缆的损耗尽可能低,因为相对于提高发射功率来说,降低系统的无源损耗无论如何都是更加经济的。
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,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。在实际使用中,电缆的有效功率与VSWR、温度和高度有关,VSWR越大,有效功率越小;温度和高度越高,有效功率越小。
聚四氟乙烯(PTFE)介质的电缆比聚乙烯(PE)的电缆具有更高的功率容量。如美军标MIL-C-17中的RG142(PTFE)和RG223(PE),虽然二者的尺寸十分接近,但是由于介质材料的不同,导致RG142的功率容量远远大于RG223,前者约为[email protected],而后者仅约为[email protected]
弯曲时的相位稳定性
弯曲-相位稳定性是衡量电缆在弯曲时的相位变化的指标。在使用过程中电缆的弯曲将会影响到插入相位的变化。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。而增加弯曲直径/电缆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,多股内导体的电缆的相位稳定性优于单股内导体的电缆。
TC18-C型柔性微波电缆组件具有良好的相位稳定性,当电缆以26mm的半径弯曲360°时,其相位的变化量仅为±0.1°/GHz。
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会产生幅度失真。
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。在蜂窝通信系统中,工程师们最关心的是三阶互调产物(2f1-f2或2f2-f1),因为这些无用的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减少无源互调失真:
1.在设备中尽量用半钢电缆或者半柔电缆代替柔性电缆
2.用单股内导体的电缆
3.用表面平滑的高质量接头
4.采用足够厚度和均匀镀层的接头
5.采用镀银或者三元合金材料
6.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)
7.保证接头之间良好的接触
8. 使用非磁性材料的接头


同轴射频电缆为射频及微波行业的常用部件。这是因为,下至日常生活中使用的智能手机和笔记本电脑,上至军事及航天领域中的雷达和全球定位系统(GPS),所有重要设备均需此类电缆连接。然而,对于几乎每一种用途而言,在将信号从一个设备传递至另一个设备的过程中,如何保持足够的信号完整性均是一项具有挑战性的任务。要想实现复杂的动态信号路径,必须要有可适用于多种环境及用途的高灵活性平台。为了解决此问题,著名的工程师和数学家Oliver Heaviside在1880年提出了一种屏蔽电报传输线的设计,并获得该设计的专利权。

在之后的1929年,为了克服Heaviside设计的各种局限,贝尔实验室的Lloyd Espenschied及Herman Affel开发了一种具有类空气介电层的宽带同轴电缆。此项发明使得同轴电缆技术在材料和性能上均取得极大进展,为各种射频/微波/毫米波互连问题提供了解决方案。

以上所示为符合不同电气和机械性能标准的多种同轴电缆。其中,各同轴电缆的物理尺寸由相应的频率和功率要求所决定。(Pasternack提供)。

最基本的同轴电缆结构包括中心导体,柱形对称导电屏蔽层,以及将上述两者相隔开来的类空气介质。这种“圆筒套圆柱”的导体结构可使最大截止频率以下的电磁信号在两种导体之间的分隔区域内产生横电磁波(或磁分量和电分量垂直的电磁波)。

对于超出截止频率的信号而言,由于其波长极小,因此还可产生非垂直的横电和横磁波导模。这两种额外产生的波导模可导致信号完整性和信号性能的下降。一般而言,同轴电缆的直径越大,截止频率越低。此外,同轴电缆所能承受的功率随尺寸增大而增加。由于上述横电磁波在同轴电缆内的灵敏性非常高,因此电缆的所有几何分量必须在整个传输线路上保持一致。否则,将产生诸多信号反射降低和相位变化方面的问题。“工程师必须将电缆组件的重要性提高至与其它微波器件同样的高度。为了实现设计目的,工程师们经常需要花费成千上万美元来获得精密的放大器、滤波器或其它对系统性能产生较大影响的器件”,Pasternack的互连产品经理Steve Ellis先生说。

“当电缆使用不合理时,系统性能将受到极大影响”,Ellis先生进一步指出,“有些人认为电缆组件的功用就像PVC管道一样,充其量不过是把信号从一个地方转移到另一个地方。事实上,不加考虑地选择或布置电缆将对性能产生非常不利的影响。这就是电压驻波比(VSWR)、插入损耗、相位长度等性能参数为何都如此重要的原因,也是客户在购买高端电缆产品时为何如此追求此类参数的原因”。

同轴电缆材料的电气性能表现各异,取决于振动、温度、湿度、电流、挠曲和应力等因素。这些因素的变化都将对电缆性能产生影响。此外,还有趋肤效应的问题。趋肤效应是指当导体内的信号频率增大时,将有更多电子沿导体的表面区域迁移的物理现象。由于趋肤效应的存在,同轴电缆内的信号对于导体表面处理时产生的缺陷极其敏感。

针对上述各敏感性要求,同轴电缆设计者开发出了各种先进方法和材料,以在尽可能确保高性能的同时,满足成本、重量、柔韧性、损耗及耐用性方面的要求。

同轴电缆内的介电层保持着两种导体的同轴几何构造,所以是同轴电缆的关键部件。与此同时,该介电层也为同轴电缆带来另外的挑战,这是因为其性质必须尽可能地接近空气。与空气性质接近意味着具有与空气相仿的磁导率μ/μ0和电容率ε/ε0(或者说大约为1的ε和μ,两者皆为材料的损耗正切值δ)。

由于极少有材料具有与空气相同的电磁性质,因此通常使用可降低干扰性介电材料用量的技术。此类技术包括对如下材料的使用:具有高空气含量的发泡塑料泡沫;螺绕介电层;可保持空气的介质条带;以及设计上更为接近空气的材料。

为了使电介质保持与空气相似的机械及热性能,很多研究着眼于塑料化学材料的开发。最初,由于特氟隆材料的高电性稳定性、高耐化性、高耐热性和低成本优点,固体特氟隆管被用作上述同轴电介质。然而,由于特氟隆在室温下可发生液化流动现象,在大部分的低成本应用中,其已被聚四氟乙烯(PTFE)泡沫或尼龙材料所代替。

挤出氟聚合物树脂等其他材料在相稳定性和传播速度(VOP)方面的性能优于PTFE。特氟隆和尼龙介质所提供的相速一般为70%~79%。与此相比,PTFE发泡空气介质的相速可达到80%~85%,而含氟聚合物树脂的相速可达85%~89%。

根据不同应用需求,同轴电缆可使用由多种不同导电材料以不同方式制成的中心导体。传统中心导体只不过为一条贯穿同轴电缆的简单实心铜线。为了提高电缆柔性,可在牺牲高频性能的前提下,使用编织或绞合中心导体。此外,为了降低中心导体的重量和成本,还可使用镀铝、镀钢、镀银或镀锡铜线。

由于此方式中表面导体仍主要为铜,因此其仍能保证在较高频率下获得良好的电性能。在一些应用中,还可使用空心金属中心导体,以实现在降低重量和成本的同时增加柔软性的目的。然而,此方式只适用于无需在较低频率下传输高功率的高频用途。

外层导体也可使用与中心导体类似的技术实现降低重量和成本的目的。此外,设计人员还在提高外层导体的柔性及降低其环境应力方面倾注精力。由于外层导体为电信号提供返回路径,因此在大部分应用中,其必须保持足够的厚度,以防止该信号路径发生泄漏或干扰。然而,保持足够的厚度和坚实度意味着重量的增加和柔性的降低。两相权衡下,技术人员开发出了编织、绞合及缠绕技术,以在实现高保护性的同时,保证足够高的性能。

对于有线电视等低成本应用,可使用最小编织技术,达到降低成本、重量和尺寸的目的。正如Gore Microwave Cable Products公司的首席电气工程师Paul Pino先生所言,“为了实现不同的性能、成本和制造性目标,电缆制造商使用着各种类型的材料。中心导体大部分为镀银铜线,同时也有部分为镀锡铜线。轻质用途中使用镀银铜包铝线。此外,同轴屏蔽层也可使用各种材料制造,比如,成型铍铜、镀银铜材和金属化聚合物等。”

高性能电缆倾向于具有更轻的质量和更小的尺寸。为了达到此目的,已开发出由编织、缠绕或包裹技术制成的屏蔽层。

但是,这些技术不利于电缆的弯曲和机械运动性能。因此,还需要可在压力条件下实现高电气性能的其他技术。例如,在多个屏蔽层之间设置机械绝缘介电层的方式除了有助于防止屏蔽变形和电缆随运动和时间发生的磨损之外,还能提高屏蔽层的屏蔽能力(屏蔽材料包括由导电条带(通常为铝)制成的缠绕带、编织带、编织线及缠绕条)。

此外,在高性能电缆的外周还可套设防压层。该层一般为绕制的圆柱钢套,用于防止高压和高扭矩使用条件下发生的损伤。“虽然提高介质的密度可增加其抗压性,但同时会导致同轴电缆的性能受损”,Gore Microwave Cable Products公司的首席设计工程师Paul Warren先生说。因此,最常见的做法是使用高刚性护套。例如,在同轴屏蔽层外增设不锈钢编织护套可在牺牲重量和柔软度性能的同时提高抗压性能。在此方面,虽然铠装电缆护套是最为有效的选择,但是其仍然具有较重且价格昂贵的缺点。

根据使用环境,还可使用其他数种方法为同轴电缆增设套层,以达到性能保护的目的。例如,可使用标准套层材料——聚氯乙烯(PVC)制成各种厚度和颜色的护套。虽然PVC具有较高的耐化和耐高温性能,但是其无法承受较高的机械压力。在某些情况下,为了提高同轴电缆的机械性能,还可使用高抗拉性合成材料制成的编织护套。这种护套可紧实地套设在电缆上,而且还具有较好的抗切割和抗擦伤性能。

“其他一个可真正影响电缆组件性能的因素为机械性能,这也是为何电缆组件性能存在着如此诸多变数的原因所在”,Ellis先生指出,“电缆性能必须符合其使用环境。比方说,海军舰船雷达系统的电缆由于绕置于舰船外部,因此常须遭受盐雾、高低温和振动因素的影响。现今,大量的开发工作已经着眼于为如此极端的使用环境研发可靠耐用的电缆。”

为了满足此类极端环境的使用需求,一些公司已经开发出可在各种条件下提高性能的专有技术电缆材料和套层,并已将其应用于航空航天、航海、军工等各领域中。


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