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(huán)境和應用要求,另外,成本也是一個永遠不變的因素。
在本文中,詳細討論了射頻電纜的各種指標和性能,了解電纜的性能對于選擇佳的射頻電纜組件是十分有益的。
射頻同軸電纜是用于傳輸射頻和微波信號能量的。它是一種分布參數(shù)電路,其電長度是物理長度和傳輸速度的函數(shù),這一點和低頻電路有著本質(zhì)的區(qū)別。射頻同軸電纜分為半剛,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(nèi)部的互聯(lián);而在測試和 測量領域,應采用柔性電纜。
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的,其射頻泄露非常小(<-120dB),在系統(tǒng)中造成的信號串擾可以忽略不計。這種電纜的無源互調(diào)特性也是非常理想的。如果要彎曲到某種形狀,需要的成型機或者手工的磨具來完成。如此麻煩的加工工藝換來的是非常穩(wěn)定的性能,半剛性電纜采用固態(tài)聚四氟乙烯材料作為填充介質(zhì),這種材料具有非常穩(wěn)定的溫度特性,尤其在高溫條件下,具有非常良好的相位穩(wěn)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(tǒng)中。
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(wěn)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。
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(nèi)導體的同軸電纜要比多股的具有更低的插入損耗和彎曲時的幅度穩(wěn)定性,但是相位穩(wěn)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(huán)境和應用要求,另外,成本也是一個永遠不變的因素。
特性阻抗
射頻同軸電纜由導體,介質(zhì),外導體和護套組成。
“特性阻抗”是射頻電纜,接頭和射頻電纜組件中常提到的指標。大功率傳輸,小信號反射都取決于電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其它部件的匹配。如果阻抗*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(Zo)與其內(nèi)外導體的尺寸之比有關。由于射頻能量傳輸?shù)?ldquo;趨膚效應”,與阻抗相關的重要尺寸是電纜內(nèi)導體的外徑(d)和外導體的內(nèi)徑(D):Zo(Ω) = ( 138 / √ε ) x ( log D/d )絕大部分應用于通信領域的射頻電纜的特性阻抗是50Ω;在廣播電視中則用到75Ω的電纜。
駐波比(VSWR)/回波損耗
在射頻和微波系統(tǒng)中,大功率傳輸和小信號反射取決于射頻電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其它部件的匹配。射頻電纜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。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的計算公式如下:VSWR = ( 1 + √Pr/Pi ) / (1 - √Pr/Pi)其中Pr為反射功率,Pi為入射功率。VSWR越小,說明電纜生產(chǎn)的一致性越好。VSWR的等效參數(shù)是反射系數(shù)或回波損耗。典型的微波電纜組件的VSWR在1.1"1.5之間,換算成回波損耗為26.4"14dB,即入射功率的傳輸效率為99.8%"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。
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(zhì)損耗、導體(銅)損耗和輻射損耗三部分組成。大部分的損耗轉(zhuǎn)換為熱能。導體的尺寸越大,損耗越?。欢l率越高,則介質(zhì)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(zhì)損耗隨頻率的增加呈線性關系,所以在總損耗中,介質(zhì)損耗的比例更大。另外,溫度的增加會使導體電阻和介質(zhì)功率因素的增加,因此也會導致?lián)p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(chǎn)生額外的損耗。例如,對于編織電纜,彎曲也會增加其損耗。每種電纜都有小彎曲半徑的要求。在選擇電纜組件時,應先確定系統(tǒng)高頻率時可接受的損耗值,然后再根據(jù)這個損耗值來選擇尺寸小的電纜。
平均功率容量
平均功率容量是指電纜消耗由電阻和介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱能的能力。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 x 駐波系數(shù) x 溫度系數(shù) x 高度系數(shù)
在選擇電纜時,應同時考慮以上因素。
傳播速度
電纜的傳播速度是指信號在電纜中傳輸?shù)乃俣群凸馑俚谋戎担徒橘|(zhì)的介電常數(shù)的根號呈反比關系:Vp = (1 / √ε) x 100由上式可見介電常數(shù)(ε)越小,則傳播速度越接近光速,所以低密度介質(zhì)的電纜其插入損耗更低。
彎曲時的相位穩(wěn)定性
彎曲-相位穩(wěn)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(shù)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。低密度介質(zhì)電纜的相位穩(wěn)定性會明顯優(yōu)于實心介質(zhì)電纜,多股內(nèi)導體的電纜的相位穩(wěn)定性優(yōu)于單股內(nèi)導體的電纜。
電纜的無源互調(diào)失真
電纜的無源互調(diào)失真是由其內(nèi)部的非線性因素引起的。在一個理想的線性系統(tǒng)中,輸出信號的特性與輸入信號是*一致的;而在非線性系統(tǒng)中,輸出信號和輸入信號相比會產(chǎn)生幅度失真。如果有二個或更多的信號同時輸入一個非線性系統(tǒng),由于互調(diào)失真的存在,將會在其輸出端產(chǎn)生新的頻率分量。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,工程師們關心的是三階互調(diào)產(chǎn)物(2f1-f2或2f2-f1),因為這些無用的頻率分量往往會落入接收頻段從而對接收機產(chǎn)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(diào)失真:
* 在設備中,盡量用半剛電纜或半柔電纜代替柔性電纜
* 用單股內(nèi)導體電纜
* 用表面平滑的高質(zhì)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Din 7/16的互調(diào)特性優(yōu)于N,而N則優(yōu)于SMA)
* 保證接頭之間的良好接觸
* 使用非磁性材料的接頭(如鋼和鎳)