正確選擇射頻測試電纜

1、正確選擇射頻測試電纜中心議題:討論正確選擇射頻測試電纜的方法解決方案:充分利用半剛性電纜和半柔性電纜解決電纜的無源互調(diào)失真問題概述射頻電纜的通用設(shè)計準(zhǔn)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(yīng)考慮電纜的機(jī)械特性,使用環(huán)境和應(yīng)用要求,另外,成本也是一個永遠(yuǎn)不變的因素。在本文中,詳細(xì)討論了射頻電纜的各種指標(biāo)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(yīng)用場合應(yīng)選擇不同類型的電

2、纜。半剛和半柔電纜一般用于設(shè)備內(nèi)部的互聯(lián);而在測試和測量領(lǐng)域,應(yīng)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(dǎo)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?dāng)_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,需要專用的成型機(jī)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(yīng)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

3、種電纜的性能指標(biāo)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(shè)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(biāo)是一對矛盾,也是導(dǎo)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(dǎo)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

4、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(yīng)考慮電纜的機(jī)械特性,使用環(huán)境和應(yīng)用要求,另外,成本也是一個永遠(yuǎn)不變的因素。特性阻抗射頻同軸電纜由導(dǎo)體,介質(zhì),外導(dǎo)體和護(hù)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(biāo)。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(dǎo)體的尺寸之比有關(guān)。由于射頻能量傳輸?shù)摹摆吥w效應(yīng)”,與阻抗相關(guān)的重要尺寸是電纜內(nèi)導(dǎo)體的外徑(d和外導(dǎo)體的內(nèi)徑(D:Zo( = ( 138 / x ( log D/d 絕大部分應(yīng)用于通信領(lǐng)域

5、的射頻電纜的特性阻抗是50;在廣播電視中則用到75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(dǎo)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(dá),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1.11.5之間,換算成回波損耗為26.414

6、dB,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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體電阻和介質(zhì)功率因素的增加,因此也會導(dǎo)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

7、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(yīng)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(yīng)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?和介質(zhì)的介電常數(shù)的根號呈反比關(guān)系:Vp = (1 / x 100由上式可見介電常數(shù)(越小,則傳播速

8、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(dǎo)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(dǎo)體的電纜的相位穩(wěn)定性優(yōu)于單股內(nèi)導(dǎo)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

9、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(jī)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(shè)計原則可以盡量減少無源互調(diào)失真:* 在設(shè)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(dǎo)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