射頻電纜及測試電纜組件的性能指標及通用設計準則
摘要： 該文詳細討論了射頻電纜及測試電纜組件的各項指標和性能，為廣大測試工程人員在選用高性能高可靠性射頻測試電纜組件時所應關(guān)注的幾個方面提出了專業(yè)建議。
Abstract：
Key words :
該文詳細討論了射頻電纜及測試電纜組件的各項指標和性能，為廣大測試工程人員在選用高性能高可靠性射頻測試電纜組件時所應關(guān)注的幾個方面提出了專業(yè)建議。
概述—射頻電纜的通用設計準則
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最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(lǐng)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。這種電纜的互調(diào)" title="無源互調(diào)">無源互調(diào)特性也是非常理想的。如果要彎曲到某種形狀，需要專用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最基本要求。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最常提到的指標。最大功率傳輸，最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。如果阻抗完全匹配，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(guān)。由于射頻能量傳輸?shù)?ldquo;趨膚效應”，與阻抗相關(guān)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(logD/d)絕大部分應用于通信領(lǐng)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，最大功率傳輸和最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，損耗越小；而頻率越高，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(guān)系，而介質(zhì)損耗隨頻率的增加呈線性關(guān)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。每種電纜都有最小彎曲半徑的要求。在選擇電纜組件時，應先確定系統(tǒng)最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最小的電纜。
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(guān)：
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(guān)系：Vp=(1/√ε)x100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(guān)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完全一致的；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，工程師們最關(guān)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Din7/16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）
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(guān)：
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(guān)系：Vp=(1/√ε)x100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(guān)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完全一致的；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，工程師們最關(guān)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Din7/16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）
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