电缆阻抗与衰减的影响因素

2022-06-17 11:23:58 嘉兴翼波电子有限公司 浏览次数 86

射频微波电缆组件是微波系统中的重要信号传输部件,对射频同轴电缆特性参数的充分理解,能够帮助各位使用者更好地理解产品、选择产品、运用产品。为此,翼波特开设技术中心专题合集,从材料、设计、工艺、应用等方面为各位提供参考。本篇文章我们将着重介绍电缆阻抗与衰减的影响因素。


电缆阻抗的选择

为了使系统匹配而得到更好的传输性能,电缆阻抗的选择必须匹配系统中其他元器件的阻抗。通常阻抗的分类主要是根据系统功率要求和衰减要求而综合平衡的长期实践结果。如下图1所示,75欧姆阻抗的传输系统中的衰减最低,而35欧姆阻抗的传输系统可以传输更高的功率。在选择射频电缆时,最重要的就是根据系统的阻抗来选择电缆的阻抗。

 

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图1 阻抗与衰减和功率关系

 

阻抗的选择通常是匹配整个系统。同轴电缆最常用的阻抗是50和75欧姆。其他从35到185欧姆也时有用到。在微波和无线电传输中主要用到50欧姆。有线电视和视频监控系统中主要选用75欧姆。85和100欧姆主要用在数据传输系统中。

 

影响阻抗的因素有哪些?

特征阻抗的大小由同轴电缆的外导体与内导体直径的比值和两个导体之间绝缘介质的介电常数所决定。因为射频能量总是在射频电缆的导体表面传输,所以导体的直径是指内导体的外径和外导体的内径。

一般来说,我们所使用的系统阻抗是固定的。根据图2阻抗计算公式可以看出,阻抗与中心导体外径、介电常数大小是成反比的;阻抗与外导体内径是成正比的。中心导体外径、外导体内径和介电常数的变化均会引起阻抗的变化。

 

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图2 阻抗计算公式

 

另外值得注意的是,相同结构尺寸的电缆,中心导体为绞合导体比单根导体阻抗更大,那是因为绞合导体并不是一个完整的圆导体,所以在计算绞合中心导体电缆的阻抗时,中心导体外径需乘以导体系数:3根绞合导体0.871,7根绞合导体0.93,19根绞合导体0.97。

 

损耗与衰减

损耗是指信号在电缆组件中传输过程中的能量损失。当射频信号在电缆组件的传输过程中,一部分能量转变成热量消耗掉,一部分能量通过电缆的外导体泄露出去。这两部分能量的损失之和称之为损耗,或者叫做衰减。对一个射频系统,损耗通常有着严格的指标,毕竟损耗对能量的损失非常大,3dB的衰减对能量的损失为50%。


一、中心导体

多芯导体比单芯导体更加柔软,但同样尺寸和结构的电缆,多芯导体会牺牲一部分损耗。这主要是因为导体表面的不圆整而导致的表面电阻的增大。相同尺寸的电缆,如果单根导体切换成多股绞合导体,增加的衰减幅度约为10%~20%左右。以翼波电子FSA-460为例,下图展示了同样结构和尺寸下多芯导体和单芯导体的衰减对比(图3)。



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图3 FSA-460单芯与多芯导体下的衰减

 

二、外导体

外导体结构相对于内导体的结构有着更丰富的选择。对于柔性电缆,通常有镀银圆线编织、镀银扁平编织、镀银铜带绕包。镀银圆线编织是最传统的RG电缆结构,成本非常低廉。镀银圆线是上个世纪60年代的发明的结构,这种结构衰减相对低,弯曲稳定性好,高温特性比较稳定;而镀银铜带绕包是上个世纪80年代的发明的结构,其特点是超低损耗、极佳的机械相位,但成本也是最高的一种结构,对生产工艺要求也比较苛刻。

圆线编织,扁线编织,铜带绕包和纵包铝箔衰减系数:圆线>扁线>铝箔>绕包。

镀银铜带绕包比镀银扁线编织损耗会好约20%,如图4。

 

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图4 FSA-460三种外导体结构下的衰减

 

三、介质

常见的介质有:固态PTFE芯线、推挤发泡PTFE芯线、以及低密度PTFE绕包芯线,按照材料密度不同,低密度PTFE又分为76%和83%传输速率两种。将传统的固态PTFE推挤芯线的141半钢电缆换成低密度PTFE介质的电缆,同等外径的情况下,损耗会降低约30%。而对于76%速率和83%速率的比较,从衰减上看,基本上没有特别明显区别(速率增大,尺寸减小)。以翼波电子的半钢电缆FSD-141为例,图5详细说明了三种不同介质对电缆损耗的影响。

 

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图5 FSD-141不同介质下的衰减

 

四、温度

衰减通常是在室温25℃下测量,温度的变化对衰减有影响,可以通过修正系数修正。温度对衰减的影响主要是因为导体的电阻随着温度的增加和介质的功率因数的增加而导致的。图6是翼波电子FSB-330-P电缆衰减随温度变化的曲线,衰减变化同温度变化基本呈线性关系。在室温初因PTFE的裂变过程形成一个小的拐点,基本可以忽略。

 

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图6 FSB-330-P衰减随温度变化曲线

 

需注意的是,每种电缆结构的衰减曲线的斜率略有不同,如有需要请联系翼波电子获得相应产品较全面的数据。