同轴电缆技术概述.docx

1、同轴电缆技术概述1 射频同轴电缆在电缆行业中的分布图 - 22 射频同轴电缆传输理论 - 33 传输特性及相关指标 - 64 机械特性 - 275.射频电缆的其他安装使用指标- 286.射频电缆原材料介绍 - 307.美军标RG系列电缆简介及资料- 348. 附件1 (原材料简写一览表) - 579 附件2 (原材料电性能一览表) - 5810. 附件3 (射频同轴电缆常用公式) - 5911. 常用微波波段划分- 601. 射频同轴电缆在电缆行业中的分布图.2. 射频同轴电缆传输理论在同轴电缆中，传输回路由内导体、绝缘介质和外导体三部分组成，它们的材料和尺寸决定了电缆的传输性能和其它电气性能

2、。这三部分是同心的，即有共同的中心轴。电缆外导体上一般有一层护套，具体结构在后面的章节中详细讨论。2.1 场分析同轴电缆中的传输可用两种分析方法来研究，即：基于麦克斯威方程的电磁场分析 基于电压和电流的分布电路分析这两种方法是互补的，在同轴电缆传输分析中，这两种都将用到。同轴电缆的电磁场模型是建立在TEM（横向电磁波的缩写）模式基础上的。该模式是一种电磁波传播方式，在任何位置电场传播方向、磁场传播方向以及导体轴向相互正交，如图2 所示。图2 同轴电缆中TEM模式下的电磁场模型据电磁场理论，TEM模式所有的能量都沿电缆轴向传输，其主要特性仍是传输性能，如特性阻抗和衰减等。在一定频率下，TEM模式

3、是同轴电缆中唯一的传播模式。高于此频率时还会激发其它的传播模式。这一频率称之为截止频率，与电缆的结构和绝缘性能有关。在同轴传输中，这些高级模式是有害的，因此，应了解电缆截止频率并保证电缆在该频率下使用。截止频率可用下面的公式计算： （1）fc=截止频率 （2）C=真空中的光速 （3）r=相对介电常数（4） d=内导体外直径 （5）D=外导体内直径在截止频率以下，电缆的不连续性也会激发电磁波以高级模式传播，但衰减很大，其影响可以忽略。TEM模式是同轴电缆传输中所希望的唯一模式，电缆的所有传输特性都是建立在这种模式的基础上。除了截止频率以外，通常还规定了电缆的最大工作频率，它考虑一定的余量，以安全

4、工作在截止频率下。对于某些电缆，根据其它结构标准确定的最大工作频率有时和截止频率相差很大。图2也表明了电磁场中另外一种有趣的现象。在有封闭外导体的同轴电缆中，TEM波在电缆内部传播。如果外导体是完全封闭的，则在电缆内部和外部环境间没有电磁耦合，电缆既不发射也不接收任何信号。这表明有封闭外导体的同轴电缆不会产生任何射频信号干扰其它系统，同时对其它系统的射频信号也有屏蔽作用。而在漏泄电缆中，外导体上的槽孔可在电缆内部和外部环境之间建立一种耦合机制。电缆中传输的能量一部分发射到电缆外部空间，电缆充当天线的作用。这些漏泄电缆将有详细讨论。结论:在工作频率（截止频率以下）内，唯一的传播模式是TEM模式，

5、所有的能量沿电缆轴向传输，这种传播的基本传输性能特点包括特性阻抗和衰减等。在有封闭外导体的同轴电缆中所有的电磁能量都在电缆内部传输，在电缆内部和外部环境中没有电磁耦合。2.2 分布电路分析电磁场分析描述电磁场的空间情况，而分布电路则可计算电压、电流、阻抗和电路网络理论中用到的其它物理量。所有传输线都可用二端口网络的等效电路来描述，如图3。基本参数都沿电路连续分布，主要有四个：L=单位长度电感，H/KmR=单位长度电阻，/KmG=单位长度电导，S/KMC=单位长度电容，F/Km另外，还有四个二次参数： Z=特性阻抗，=单位长度衰减常数，dB/Km =单位长度相位常数，rad/Km=传输常数 图3

6、 微长度传输线的等效电路电路输入端的电压V(z)，输出端V(z+z)，对应的电流I(z) 和 I(z+z)。可以看出，输出电压不等于输入电压，这是由于有电感和电阻的串联；同样，输出电流不等于输入电流，这是由于有电导和电容的并联。但是，均匀传输线任意一点的电压和电流比值为常数。 （2） 根据下面的公式可以看出Z取决于L,R,G和C这几个基本参数: （3） j=复数的虚部 =2f, f是频率另一个重要的传输参数是传播系数，可用下面公式表示： （4）衰减系数的自然单位是Np/m（奈培/米），但在实际工程中用另一单位dB代替Np。下面的公式表示它们之间的关系：1 dB0.115Np 1Np8.686d

7、B 在高频下（f1 MHz），R L，GC，则有以下公式近似成立： （5） （6） （7）特征阻抗、衰减常数及相位常数是表示传输线特性的三个最重要的物理量。然而上面相关的数学表达式在电缆设计和应用中并无实用价值。在下面的章节中，将从同轴电缆工程应用出发以更实用形式来表示这些有关特性的物理量。3 传输特性及相关指标3.1集肤效应在直流作用下，电流能均匀流过导体的横截面。在高频下，电流只流过导体表面。此时，导体有效横截面积减小，阻抗增加。在射频频率下，电流仅流过表面薄层，导体以外的其它任何地方都不存在电磁场。因此，在射频下即使非常薄的金属外导体也能将电磁场完全屏蔽在射频同轴电缆内部。可用穿透深度来

8、解释集肤效应。其定义是：和承受集肤效应的导体具有同样阻抗的表面薄层的厚度(假设电流均匀分布在其中)。非磁性材料的导电层 mm (8) =导电率，m/mm2 f =频率，KHz除了电阻，集肤效应还影响电感、特性阻抗和传输速率等。下表是铜导体对应的导电层厚度:频率(MHz)1101002204505508009001000导电层厚度(m)66.0220.886.604.453.112.822.342.202.09频率(MHz)1800220024003000500010000导电层厚度(m)1.561.411.351.210.930.663.2特征阻抗特征阻抗是同轴电缆的一个很重要的性能。从电气意

9、义上说，它表示导体之间的电势差与流过该导体间的电流比值。在均匀同轴电缆中，特征阻抗在电缆整个长度方向上是一常数。电缆终端负载应与其特征阻抗匹配，因此有必要对电缆的特征阻抗进行重点阐述。在无线通信中，最常用的特征阻抗是50欧姆，象75欧姆等其它值也在其它领域用到，如有线电视系统等。与电缆相连的所有设备或无源元件都应与电缆具有相同的特征阻抗。特征阻抗不同，会出现不匹配和反射，从而导致传输失真。同轴电缆的特征阻抗由导体的尺寸及绝缘的相对介电常数决定。从1.2 节的公式（3）可以看出，特征阻抗是一个复数，且与频率有关。当频率增加，特征阻抗的值会趋近于一个常数（为实数），因此当频率大于5MHz时，该值可

10、用下式表示： （9）Z=特征阻抗 r=绝缘相对介电常数 D=外导体内直径，mm d=内导体外直径，mm从上式看出，可以根据合理选择导体直径和绝缘介电常数来调整特征阻抗的大小。而相对介电常数取决于其材料和其结构，实芯PE的相对介电常数为2.252.34，高发泡情况下可以低于1.25，空气的相对介电常数为1，PTFE的相对介电常数为2.002.10。质量好的电缆，特征阻抗在整个电缆长度上和不同生产批次上都是非常均匀的，且接近一个恒定值，根据不同的规格，通常允许的公差是1至3。特性阻抗随频率的下降而增大。某一频率下的阻抗值与很高频率下的特征阻抗标准值的偏差近似为： (10) 可以通过选择合适的特性阻

11、抗来优化电缆的某些电气特性, 下面就常用的特性阻抗做些分析:3.2.1 通过功率最大:令直径比D/d= ，通过功率的公式可表述如下：求P的极大值, 令得到因此通过功率最大的条件为 : 由此可见,在固定外导体D的条件下, 同轴线获得最大通过功率的最佳直径比D/d约为1.65, 对于空气绝缘的同轴线, 它的特性阻抗为30欧姆时, 通过功率最大。3.2.2 衰减最小对于空气绝缘的同轴线, 衰减系数如下:求最小值。令因此衰减系数最小的条件为该超越方程的解为由此可见，在固定外导体D的条件下, 同轴线获得最小衰减系数的最佳直径比D/d约为3.6, 对于空气绝缘的同轴线, 它的特性阻抗为77欧姆时, 衰减最

12、小。 目前微波技术中常用的同轴线特性阻抗为75和50欧姆为标准值，前者接近于衰减最小的要求， 后者兼顾了大功率与小衰减系数的两个要求。3.3衰减电缆两点处能量的减少就是衰减（有时也称为纵向损耗），电缆的衰减用分贝/单位长度表示，如dB/100m。根据上述定义，电缆衰减公式是：（11）P1终端负载与电缆特征阻抗匹配时电缆的输入功率 P2此电缆远端的功率电缆的衰减也受其结构和使用频率的影响，可用下述公式计算： （12） =给定频率的衰减 R=电阻性衰减 g=介质性衰减 1=导体损耗系数 2=介质损耗系数衰减随频率的升高而增加，这是由于导体的集肤效应和介质的损耗引起的。导体损耗系数与导体电阻率和尺寸

13、有关，内外导体的表面电导率应尽可能高，应用趋肤效应，做大电缆时可选铜管或铜包铝为内导体,而小规格高频电缆则都选用镀银铜(包钢)。介质损耗系数取决于相对介电常数和介质材料的损耗因子。通常使用PTFE或PE，现代的技术中使用发泡聚乙烯作介质材料可以减少这些系数，PE用注气方法的绝缘工艺可以达到80以上的发泡度。注气方法中，氮气直接注入到挤塑机的介质材料中。该方法相对于化学发泡方法也称为物理发泡方法。用化学发泡法，只能得到50左右的发泡度。而PTFE也有相类似的方法,使PTFE里面充满微孔,从而降低相对介电常数。在频率大于10MHz时，衰减可用下面的公式表示（见图4）：（13）=衰减，dB/100m

14、 r=介质的相对介电常数D外导体内径，mm d内导体直径，mm1=内导体导电率，MS/m 2=外导体导电率，MS/m tan=介质损耗因子 f=频率，MHz图4 基本传输公式电缆衰减主要是电阻性衰减R，它与频率的算术平方根成正比。介质的衰减g和频率成正比，它与电缆尺寸无关，仅由绝缘材料的数量和质量决定。随着频率的增加和电缆规格增大，介质衰减在总衰减中所占的比例增大。这就促使我们对高频率下使用的小规格电缆则选用发泡PTFE等高档绝缘材料, 大直径电缆研究物理高发泡工艺以减小介质衰减,。衰减值一般使用网络分析仪进行测试,下图是金信诺公司的RG179电缆( 5.7米试样)的衰减实测曲线图:以上提到的

15、衰减是指室温为20时的值。对发泡PE绝缘的电缆, 衰减与温度有下面的近似公式成立： (14)T=温度T对应的衰减 =20时的衰减如果电缆在传输中被加热，衰减也会增加。当电缆工作在满负荷功率容量下，衰减出现最大增加量，约为1.121.20，具体与电缆的绝缘结构有关，如使用PTFE为绝缘材料，则衰减的温度变化会小很多,所以有高要求的温度稳相电缆一般都选用PTFE或发泡PTFE为绝缘材料, 具体的问题在稳相指标中有描述。最后，如果电缆终端阻抗严重不匹配，衰减也会增加。图5 对此现象进行了解释（假定此电缆与发射端匹配）。图5 电缆终端不匹配引起的附加衰减衰减的一致性:对于结构一致性好的电缆, 衰减应该

16、是一条比较平滑的下滑曲线, 但如果电缆有较大的阻抗跳动时, 对应的衰减曲线也会出现”刺”状的曲线, 则该电缆在此频率时各项指标将会是很恶劣的。衰减的稳定性:编织型电缆的衰减会随时间的增长或弯曲次数的增加而增大，下图是有关的一些测试随着电缆使用时间的增长，衰减增大的原因一般如下：内导体或外导体因为有外界的潮湿空气侵入而氧化，即使有护套材料的保护，实际中空气也可以很慢地渗入进导体中，所以电缆生产中有各方法来保护导体免受侵害，如内薄层技术，防腐胶技术等。另外导体的材料选用上也有相当的影响，如裸铜线的抗氧化能力就不如镀锡或镀银导体等。另外绝缘材料的变质也会影响衰减的增加，如PE发泡绝缘，物理发泡法就比

17、化学发泡法稳定， 因为物理发泡法的PE是闭孔结构的，而化学发泡法是开孔结构的，所以外界的潮湿空气更容易侵入绝缘介质中而使衰减变坏。而对于多次弯曲后，一般导体材料，如铝箔就容易开裂而造成导电性能下降，或绝缘介质已经发生变形等，这些因素都容易使衰减变化。3.4 回波损耗和结构回波损耗在理想同轴电缆中，特征阻抗沿整个电缆长度方向是均匀的、恒定的，而实际中特征阻抗会有微小的波动。这是由于制造过程中导体尺寸和介质材料的微小波动引起的，电缆接头和连接处也会引起同轴电缆特征阻抗微小的局部波动。特征阻抗每一小波动都会引起一小部分信号电压反射回去。特征阻抗变化越大，被反射的电压越大。图6阐述了此现象。图6 阻抗

18、变化引起的反射开路时会引起信号电压全部发射回去，反射系数为1。短路时会使所有的信号电压反相全部反射回去，因此反射系数是-1+1。通常，当特征阻抗从Z1变至Z2时，可根据下式计算反射系数： （15）=反射系数 Z1、Z2=特征阻抗值回波损耗按下式定义： （16）图6 说明了电缆长度上存在无数微小波动的情形。特征阻抗的每一这种变化都会产生一个小的反射电压。这些电压叠加到一起，可在电缆的输入端测到一总的反射信号。电缆输入端的回波损耗定义如下： （17）RL=电缆回波损耗 V=输入电压 Vr=总的反射信号电压图7 同轴电缆中总的反射信号电缆终端电阻若与其特征阻抗匹配，则电缆终端不会产生反射。对于较短长

19、度的电缆，回波损耗与长度有关；但当电缆较长，且其衰减大于6dB时，回波损耗实际上与电缆长度无关。有时，也会用另一个量代替回波损耗，即电压驻波比或VSWR，它的定义如下： （18）回波损耗和电压驻波比的一一对应关系如下表(图8)： 图8 回波损耗和电压驻波比换算表通常可用两个相关的回波损耗值来确定反射信号电平大小：回波损耗（RL）和结构回波损耗（SRL）。两个都有用，但它们的定义和应用领域不同，下面对此作一解释。RL是阻抗偏离标称值（如50）和结构不均匀性共同影响的结果。当重点考虑系统性能时，应规定这一指标。而SRL用来表示电缆本身结构不均匀性对特征阻抗的影响。在SRL中，不考虑电缆输入端和输出

20、端阻抗不匹配的影响。因此，SRL可用于评估电缆本身。在电缆工作频率范围内，SRL应大于规定的最小值。下图是金信诺公司的RG316用网络分析仪测试的VSWR曲线图。对SRL的频率响应进行傅利叶变换（FFT）可得到阻抗不均匀性的时间响应，通过进一步换算，得到阻抗不均匀性与电缆长度的函数。接下来的章节还会对RL和SRL做详细的讨论。RL是一个系统性参数，包括了以下几个因素的影响：转换器不匹配输入端连接头不匹配电缆本身SRL（在成品上测量）安装质量输出端连接头不匹配天线不匹配转换器和天线不匹配与转换器的输出阻抗、天线的输入阻抗和电缆的特征阻抗有关。特征阻抗是50l的同轴电缆，在其阻抗公差范围内对应的R

21、L值是40dB，对于使用来说，这一指标已经足够高了。连接和安装质量也是影响总的RL值的非常重要的因素。接头都会产生串联电感和并联电容，从而产生不匹配。不匹配程度与接头结构和安装方法有关，应使用质量好的接头，并严格按照接头供应商提供的安装说明进行。譬如说，沿塔安装电缆时很要手艺和技巧，若电缆使用不当、安装质量差都会使RL值明显变坏。同时，还应注意电缆的最小弯曲半径和最大拉断力等极限值，使用适当的夹具将电缆固定在安装塔上，避免挤压和变形，否则会改变电缆的特征阻抗，RL值也会随之变坏。在电缆的整个使用过程中，应尽可能小心，以免电缆挤压到尖角上引起过量的变形、电缆撞击和猛拉、尖角或粗糙表面摩擦、过量的

22、扭转或打结等等。周期性不均匀性和SRL在每一同轴电缆中，制造过程中导体尺寸和介质材料的微小变化会引起电缆长度方向上结构的微小变化，在电气性能上会表现为特征阻抗的微小变化，每一变化都会使一小部分信号电平反射回去。这些电平叠加在一起，可在电缆输入端测到一个总的反射信号。尽管电缆各处特征阻抗变化很小，但如果测量不同频率下的RL时，会发现这些周期不均匀性引起的反射在某一频段内按相位叠加起来而产生峰值。这种反射叠加产生的SRL与电缆长度有关。电缆越长，包含的周期性不均匀性越多，总的反射信号越大，SRL越小。然而，当电缆长到一定长度时，远端产生的反射信号衰减比近端大，这样这种长电缆的SRL与长度关系不大。

23、但是在移动通信领域中，电缆长度对SRL值的影响却很大。下面的公式表示SRL值（dB）当与无限长电缆比较时随长度的增加关系： (19) SRL=SRL的增加量，dB =衰减系数，dB L=电缆长度，m下表1、2给出了五种规格电缆长度分别为50米、100米、200米和500米时的SRL值。由表可见，当电缆很短衰减很小时，SRL值有可能会超过10dB。结论:射频电缆安装后的回波损耗性能与许多因素有关。电缆制造商应保证电缆的结构回波损耗大于某一最小值。这些值只与电缆本身有关，是电缆在厂家的测试结果。而SRL与长度有关，其具体数值必须根据长度确定。射频电缆组件总的RL值与连接情况和安装质量有关。生产方应

24、保证电缆本身的质量，而安装方应保证电缆和接头的安装质量，这样以确保整个传输线具有足够高的RL值。表1 950MHz SRL值（dB）当与无限长电缆比较时随长度的增加关系电缆规格SRL，dB50米100米200米500米 1/2”5.01.80.30.0 5/8”7.13.30.90.0 7/8”8.74.51.50.1 1-1/4”10.96.22.60.3 1-5/8”12.67.63.60.6表2 1800MHzSRL值（dB）当与无限长电缆比较时随长度的增加关系电缆规格SRL，dB50米100米200米500米 1/2”3.20.90.10.0 5/8”5.01.80.30.0 7/8”

25、6.32.70.60.01-1/4” 8.24.11.30.11-5/8”9.75.22.00.23.5 屏蔽衰减输入信号在同轴电缆中传输时, 因为外导体在结构上不可能对信号有100%的屏蔽, 总有一部分的信号从外导体中泄漏出去, 除了专用的泄漏电缆应用场合, 该泄漏出去的能量都是一种损失, 在传输中应该尽量避免。屏蔽衰减与传输衰减有着相似的定义，以电缆输入端信号的功率与导体外的泄露信号功率值的对数比，电缆的衰减用分贝（dB）表示。根据上述定义，电缆屏蔽衰减公式是： P1终端负载与电缆特征阻抗匹配时电缆的输入功率 P2此电缆导体外的信号的功率屏蔽衰减随频率的改变而改变，这是由于导体的泄漏孔的形

26、状大小和排列与通过频率之间的关系决定，信号的波长比孔的尺寸相比越大，信号越不容易泄露出去，这也意味着相同外导体结构的电缆，频率高的信号越容易泄露，屏蔽指标也越低。测量射频同轴电缆屏蔽衰减的方法有两种：泄漏法（吸收钳法）和渗透法（GTEM室法）。泄漏法是在同轴电缆内产生强电磁场，由于电缆屏蔽不够好，电缆内、外导体间的强电磁场可通过外导体的缝隙泄漏出来。测量泄漏场强来表征电缆的屏蔽衰减，吸收钳法使用的是泄漏法。渗透法是将被测电缆放在均匀电磁场中，由于电缆的外导体有缝隙，电磁场通过缝隙渗透到电缆内部，测量渗透场强也可表征电缆的屏蔽衰减。随着电磁兼容测量设备的发展，用可以产生均匀横向电磁砀的GTEM室

27、来测量电缆的屏蔽衰减。这种测量方法称为GTEM室法，属于渗透法，比吸收钳法复杂。通常在120 dB以内可以用吸收钳法，但120 dB以上则使用GTEM室法，因为从理论上讲，GTEM室可以产生的电磁场强度仅与输入信号功率有关，只要功率放大器足够大，就可产生很高的场强。这使GTEM室测量屏蔽衰减的灵敏度大大提高。在强功率的射频传输情况下，泄漏的信号不但使传输衰减变差，同时也大大的干扰了系统其他部分的工作，反过来说，系统空间中的其他电磁场也容易进入电缆，而使系统的抗干扰性变坏，这都是我们在设计传输时要尽量避免的，特别是在高频，超高频时尤为明显。在电缆的外导体结构中，以下的方法都可以在不同程度上改善屏

28、蔽性能：a. 增加编织网的覆盖密度。b. 增加编织网的层数，如采用双层编织结构.c. 使用金属箔完全包覆绝缘，甚至采用有合理的搭接率和有黏结层的结构。d. 采用金属带绕包绝缘。e. 采用金属管状结构（焊接或无缝技术）f. 采用高密度金属丝编织+浸锡结构 (半柔电缆).还有很多其他方法，都可以对屏蔽指标进行改善，下面就一些通常结构的屏蔽指标简列如下，作为设计时的大概参考：(1)90%编织密度 ：60 70 dB(2)60%编织密度+ 铝箔 ：50 60 dB(3)双层90%编织密度 ：70 80 dB(4)自粘铝箔+60%编织密度+ 铝箔+ 60%编织密度 ：90 100 dB(5)金属带绕包+90%编织密度 ：100 dB(6)半柔电缆(浸锡结构)：100 110 dB(7)轧纹电缆： 110