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  • 如何挑选射频同轴电缆

    千次阅读 2019-05-28 16:31:10
    摘要:概述什么是射频同轴电缆以及挑选射频电缆的相关知识。 在实际挑选射频电缆组件的正确选择时,我们除了要考虑到它的特性阻抗、额定功率、衰减量和频率范围,驻波比、插入损耗等因素以外,还应该考虑电缆的机械...

    关键词:射频电缆组件、射频电缆、同轴电缆
    摘要:概述什么是射频同轴电缆以及挑选射频电缆的相关知识。
    在实际挑选射频电缆组件的正确选择时,我们除了要考虑到它的特性阻抗、额定功率、衰减量和频率范围,驻波比、插入损耗等因素以外,还应该考虑电缆的机械特性以及对使用环境和应用的要求,另外,成本也是一个永亘古不变的因素。下面我们就来说一下关于射频电缆的各种指标和性能以及了解关于电缆性能的相关知识去挑选优质的射频电缆组件。
    概述:射频电缆也叫同轴电缆,由互相同轴的内、外导体及支撑内外导体的介质组成。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。同时射频电缆也是各种无线电通信系统及电子设备中不可缺少的元件,广泛的应用无线通信与广播、电视、雷达、导航、计算机及仪表等方面。www.shqiyue.net
    关于组件选择:
    一、特性阻抗:射频同轴电缆由导体,介质,外导体和护套组成。
    “特性阻抗”是射频电缆,接头以及射频电缆组件中最常提到的指标。最大功率的传输及最小信号的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(Zo)与其内外导体的尺寸比相关。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):Zo(Ω) = ( 138 / √ε ) x ( log D/d )。
    二、驻波比(VSWR)/回波损耗: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。由于制造原因,电缆会在有一些特定的频点上产生一些VSWR的突变。反射的大小可用电压驻波比(VSWR)来表达,其定义是入射和反射电压之比。VSWR的计算公式:VSWR = ( 1 + √Pr/PI ) / (1 - √Pr/Pi)其中Pr为反射功率,Pi为入射功率。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"1.5之间,换算成回波损耗为26.4"14dB,即入射功率的传输效率为99.8%"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。
    三、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能力,由介质损耗、导体(铜)损耗和辐射损耗三部分组成。大部分损耗被转换为热能。导体尺寸越大,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。所以在选择电缆组件时,要先确定好系统最高频率时可接受的损耗值,然后再根据这个损耗值去选择尺寸最小的电缆。
    四、平均功率容量:平均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:有效功率 = 平均功率 x 驻波系数 x 温度系数 x 高度系数,在选择电缆时,应同时考虑以上因素。射频功率常用dBm来表示,会给计算带来的很大的方便。
    五、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,从上式可见介电常数(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。
    六、电缆的无源互调失真:电缆的无源互调失真是由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(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:
    1.用单股内导体的电缆
      2.用表面平滑的高质量接头
      3.保证接头之间良好的接触
      4.采用足够厚度和均匀镀层的接头
      5.使用非磁性材料的接头(如钢和镍)
      6.在设备中,多采用半钢电缆或者半柔电缆代替柔性电缆
      7采用尺寸尽可能大的接头(如DIN716的互调特性优于N,而N则优于SMA)

    七、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。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。低密度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。

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  • 射频同轴电缆,分为四类 半刚性电缆:不易被轻易弯曲成型,外导体采用的是铝管或铜管制成,电磁泄漏非常小(小于-120dB),填充介质通常为固态的聚四氟乙烯,稳定的温度特性,但成本高于半柔性电缆,一般用于设备...

    射频同轴电缆,分为四类

    半刚性电缆:不易被轻易弯曲成型,外导体采用的是铝管或铜管制成,电磁泄漏非常小(小于-120dB),填充介质通常为固态的聚四氟乙烯,稳定的温度特性,但成本高于半柔性电缆,一般用于设备内部的连接,比如矢网和switch box之间的连接

    半柔性电缆:是半刚性电缆的代替品,性能低于半刚性电缆,已成形,长期使用易变形

    柔性(编织)电缆:测试级,成本昂贵,能够多次完全且要保持性能稳定,选择时需要考虑使用场景,频率范围,驻波比,插入损耗,机械性能,成本

    波纹管:外导体为波纹状的铜管,采用低损耗设计用于天馈系统中,易弯曲和运输,抗拉伸

     

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  • 射频同轴电缆浅谈

    千次阅读 2019-11-04 19:07:23
    射频同轴电缆,射频工程师日常生活中用的很多。市场上,电缆有贵的,也有便宜的;贵的可能几千几万,便宜的也就几块钱。今天,就说说同轴电缆吧。 特性阻抗 同轴电缆的尺寸结构,如下图所示。 其中: Di为...

    射频同轴电缆,射频工程师日常生活中用的很多。市场上,电缆有贵的,也有便宜的;贵的可能几千几万,便宜的也就几块钱。今天,就说说同轴电缆吧。

     

    特性阻抗

    同轴电缆的尺寸结构,如下图所示。

     

    其中:

    Di为内导体的尺寸

    Do为外导体的内径

    Er为内外导体之间介质的介电常数

     

    知道了这三个参数,就可以计算同轴电缆的特性阻抗。比如用ADS自带的小软件,可以计算出Di=0.92mm,Do=2.99mm,介电常数为2的同轴电缆的特性阻抗为49.97ohm。

      


     

    为什么要选50ohm为特征阻抗呢?

    除了电视系统用的是75ohm的同轴电缆,大多数常规用的同轴电缆的特性阻抗为50ohm。

    这是因为,同轴电缆的衰减与最大承受功率都是Do/Di的函数,也就是与同轴电缆的特性阻抗有关。

    当电缆的特性阻抗为77ohm时,其有最小的衰减;当电缆的特性阻抗为30,其有最大的功率承受能力。

    所以50ohm为该这两种阻抗的折中值。

     

    为什么电缆也有最高工作频率呢?

    同轴电缆上,电磁波的主模为TEM模,场强分布如下图所示。

     

    但是同轴电缆上除了主模TEM模式外,也会存在TE和TM这些高次模。当多个模式被激发时,他们具有不同的传播常数,会相互影响,导致传播信号质量的恶化。在实际使用过程中,我们需要关注同轴电缆的cutoff frequency,避免产生TE和TM这些高次模。

    减小同轴电缆的尺寸,可以提高其高次模产生的频率,即工作频率,但带来的缺点,是会导致功率容量的降低。

    同轴电缆上会产生的第一个高次模为TE11,所以我们可以将TE11模的产生频率,作为其cutoff频率。在已知电缆的尺寸参数以及介质材料的介电常数时,可以按照下列公式对其最高频率做一个粗略的估算。

    下图是PASTERNACK的RG401/U电缆的部分参数。

     将其代入上述公式,可计算得到fc=19.47GHz,如下图所示。与手册上标称的20GHz的最大工作频率很接近。

    同轴电缆的分类和选择

    射频同轴电缆分为半刚性、半柔性、柔性和波纹管电缆。

    半刚性电缆:很硬,不容易被弯曲,性能稳定,无源互调特性也比较理想。

    半柔性电缆:为半刚性电缆的替代品,指标性能接近半刚性电缆,可以手工成形。但是容易成形,也容易变形,所以稳定性也差于半刚性电缆。

    柔性电缆:柔性电缆多用于测试,为了能够多次弯曲并保持性能,所以成本较贵。同样指标下,前两者则要便宜的多。

    波纹管电缆:波纹管电缆的外导体为波纹状的铜管或铝管,这种电缆采用了低损耗设计常用于天馈系统中。波纹状电缆易于弯曲和运输,抗拉伸性能好。不过,我还没见过这种电缆呢。

     

    那使用过程中,该注意些什么呢?

    在测试时,当测试指标不稳定或者发生比较奇怪的现象时,可以优先考虑一下,是不是电缆出线了什么问题。

    比如用手动一动电缆,看看指标变化大不大;发现矢网校准,怎么较都较不好时,可以试着换对电缆。

     

    参考文献:

    【1】Pozar, David M,微波工程

    【2】朱辉,实用射频测试和测量

     

     

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    1. 损耗

    通常认为导体的截面积越大损耗就越低,实际上同轴电缆的每单位长度的损耗是D/d的函数,也就是说与特性阻抗有关

    电缆衰减公式:z

    \alpha \left ( dB/100ft \right )=\frac{0.4343}{Z_{0}\times D}\left ( \frac{D}{d\times k_{s}}+F_{bd} \right )\sqrt{F}+\frac{2.78\times d_{f}\times F}{V_{p}}

    dB/100ft是电缆损耗单位1 ft= 0.3048m,

    Z0特性阻抗

    Ks内导体系数(1)

    D外导体的内直径(0.39 in)

    d内导体的外直径(0.01~0.28in)

    Fbd编织层系数(1)

    F频率(1000MHz)

    df耗散因子(介质损耗角)(0)

    Vp相速度(100%)

    只变化d,发现损耗最低并非出现在d最大的情况,而是出现在D/d=3.6,Z0=77Ω时

    2.最大承受功率

    通常认为内外导体的间距越大,则电缆可承受的电压越高,既承受功率越大,但实际上也是与特性阻抗有关

    电缆最大峰值功率P_{max}

    P{_{max}}=\frac{E_{m}^{2}}{480}\times D^{2}\times \frac{ln(D/d))}{D/d}^{2}

    E_{m}^{2}最大电场强度约为2.9×10^4V/cm 时,就会发生击穿,当D/d为1.65时,承受功率最大,对应的特性阻抗为30Ω

    为了兼顾最小损耗和最大承受功率,特性阻抗应该在30Ω和77Ω之间选一个合适的值,算术平均53.5Ω,几何平均48.06Ω

    选50Ω是因为二者兼顾,射频连接器容易设计加工

     

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