射频电缆概述

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1、射频电缆概述射频电缆组件的正确选择除了频率范围，驻波比，插入 损耗等因素外，还应考虑电缆的机械特性，使用环境和应用 要求，另外，成本也是一个永远不变的因素。在本文中，详 细讨论了射频电缆的各种指标和性能，了解电缆的性能对于 选择一条最佳的射频电缆组件是十分有益的。射频电缆组件 的基本选择原则射频同轴电缆是用于传输射频和微波信号能量的。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。射频同轴电缆大致可分为 半刚和半柔电缆、柔性编织电缆和物理发泡电缆等几大类， 不同的应用场合应选择不同类型的电缆。半刚和半柔电缆一 般用于设备内部的互联；在测试和测量领域

2、，应采用柔性电 缆；发泡电缆常用于基站天馈系统。半刚性电缆顾名思义，这种电缆不容易被轻易弯曲成型，其 外导体是采用铝管或者铜管制成，其射频泄漏非常小（小于 -120dB）,在系统中造成的信号串扰可以忽略不计。这种电缆的无源互调特性也是非常理想的。如果要弯曲到某 种形状，需要专用的成型机或者手工的模具来完成。如此麻 烦的加工工艺换来的是非常稳定的性能，半刚性电缆采用固 态的聚四氟乙烯材料作为填充介质，这种材料具有非常稳定 的温度特性，尤其在高温条件下，具有非常良好的相位稳定 性。半刚性电缆的成本高于半柔性电缆，大量应用于各种射 频和微波系统中。图1.半刚性电缆半柔性电缆半柔性电缆是半刚性电缆的替

3、 代品，这种电缆的性能指标接近于半刚性电缆，而且可以手 工成型。但是其稳定性比半刚性电缆略差些，由于其可以很 容易的成型，同样的也容易变形，尤其在长期使用的情况下。 图2.半柔性电缆柔性编织电缆柔性电缆是一种“测试级”的 电缆。相对于半刚性和半柔性的电缆，柔性电缆的成本十分 昂贵，这是因为柔性电缆在设计时要顾及的因素更多。柔性 电缆要易于多次弯曲而且还能保持性能，这是作为测试电缆 的最基本要求。柔软和良好的电指标是一对矛盾，也是导致 造价昂贵的主要原因。柔性射频电缆组件的选择要同时考虑 各种因素，而这些因素之间有些的相互矛盾的，如单股内导 体的同轴电缆比多股的具有更低的插入损耗和弯曲时的幅 度

4、稳定性，但是相位稳定性能就不如后者。所以一条电缆组 件的选择，除了频率范围，驻波比，插入损耗等因素外，还 应考虑电缆的机械特性，使用环境和应用要求，另外，成本 也是一个永远不变的因素。图3.柔性编织电缆特性阻抗射频同轴电缆由内导体，介质，外导体和护套组成，见下图 4。“特性阻抗”是射频电缆，接头和射频电缆组件中最常提到的指标。最大功率传输，最小信号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（ZB0）与其内外导体的尺寸之比有关，同时也和填充 介质的介电常数有关。由于射频能量传输的“趋肤效应”，与 阻抗相

5、关的重要尺寸是电缆内导体的外径（d）和外导体的 内径（D）:图4.射频同轴电缆的结构式中，Z0为同轴电缆的特性阻抗（Q） ,r为内部填充介质 的相对介电常数，D为外导体内径（mm）, d为内导体外径 （mm）。ks为内导体系数，和内导体的结构有关：单股内导体-ks = 1 ,7芯内导体-ks = 0.939 ,19芯内导体-ks = 0.97。常见的射频同轴电缆绝大部分是 50Q特性阻抗的，这是为什么呢？通常认为导体的截面积越大损耗就越低，但事实并非完全如 此。同轴电缆的每单位长度的损耗是lg（D/d）的函数，也就是 说和电缆的特性阻抗有关。经过计算可以发现，当同轴电缆 的特性阻抗为77Q时，

6、单位长度的损耗最低。对于同轴电缆的最大承受功率，通常认为内外导体的间距越 大，则同轴电缆可承受电压越高，即承受功率越大，但实际 上也不完全准确。同轴电缆的最大承受功率同样与其特性阻 抗有关。可以计算出当同轴电缆的特性阻抗为30Q时，其承 受的功率最大。为了兼顾最小的损耗和最大的功率容量 应该在77Q和30Q 之间找一个适当的数值。二者的算术平均值为53.50,而几 何平均值为48.060;选取500的特性阻抗可以做到二者兼 顾。此外,500阻抗的连接器也更加容易设计和加工。绝大 部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是500;在广播 电视传输系统中则用到750的电缆。大部分的测试仪器都是 50

7、0的阻抗，如果要测量750阻抗的器件，可以通过一个 50-750的阻抗变换器来进行阻抗匹配，但是需要注意这种 阻抗变换器有约5.7dB的插入损耗。驻波比（VSWR ）/回波 损耗在射频和微波系统中，最大功率传输和最小信号反射取决于 射频电缆的特性阻抗和系统中其它部件的匹配。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。反射的大小可以用电压驻波比（VSWR ）来表达， 其定义是入射和反射电压之比。VSWR的计算公式如下： 全角输入两个空格就可以首行缩进了 最好使用谷歌浏览器安卓预览效果不对，肯定是二次复制了，看下右上角帮助吧 其中Pr为反射功率，Pi为入射功率。测试电

8、缆组件的VSWR 指标取决于电缆，连接器及其加工工艺。测试电缆组件的典型VSWR值小于1.2 ,换算成回波损耗为21dB，即入射功 率的匹配（传输）效率为99.21%。对于传输（即S21参数） 测试，一条VSWR从电缆类型来看，半刚和半柔电缆有着比较良好的VSWR 表现。一条普通的.141”或.086”电缆在dc-18GHz范围内可 以做到小于1.2的VSWR，而并不需要花费太高的成本，当 然加工和焊接工艺是保证VSWR指标的重要因素。而柔性电缆要实现低的VSWR指标却并非易事。要求电缆 在弯曲的条件下仍能保持良好的性能，这二者存在一定的矛 盾。为了平衡这种矛盾，也就是得到一条既柔软又有良好的

9、 射频指标的柔性测试电缆，往往需要付出更多的成本代价。 有经验的射频工程师在用网络分析仪测量柔性测试电缆对 其进行选择时，往往会在S11的测量状态下轻微的抖动电缆， 并观察其VSWR指标是否随着电缆的抖动而变化。通常， 柔性测试电缆组件可分为3GHz、6GHz、18GHz.26.5GHz, 40GHz、50GHz和67GHz这几种。图5是BXT生产的一 种低成本的3GHz测试电缆组件（ P/N :MC03-03-03-1000 ） 的典型VSWR指标，在3GHz以下，其VSWR有着非常良 好的表现（小于1.1 ），这种低成本的测试电缆组件完全可以 满足生产线的测试要求。下面是这个电缆指标的测试

10、图：图 5. 一种低成本的3GHz测试电缆的典型VSWRBXT的MC 系列中，有一种可以达到6GHz的低成本测试电缆组件-MC06 ,这种电缆在6GHz以下有着良好的VSWR表现（图 6 ），十分适合移动通信应用。图6. BXT低成本的6GHz测 试电缆的典型VSWR而当需要在更高的频率下使用时，则 需要采用微波测试电缆组件，这也就意味着用户要花费更高 的成本。这是因为微波电缆的设计和制造理念与常规电缆的 不同所致，如微波电缆通常采用多层的屏蔽和低密度的聚四 氟乙烯材料（LD-PTFE）,这种介质的介电常数要比普通的 实心聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE）更低，大约在 1.381.73之间

11、，其相速度（电磁波在电缆中的相对于空气 的传播速度）达到83%，也就是说更加接近于空气的介质特 性。在BXT，18GHz以上的微波测试电缆被命名为TC系列。 图7是典型的TC18系列电缆的VSWR在18GHz全频段， 其VSWR均小于1.2，TC18系列可扩展应用到20GHz，其 VSWR小于1.25。图7. TC18（ 18GHz）测试电缆的典型 VSWR 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的能力，它由介 质损耗、导体（铜）损耗和辐射损耗三部分组成。大部分的 损耗转换为热能。导体的尺寸越大，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，

12、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。电缆的损耗计算过程比较繁琐。首先要计算出导体的射频表 明电阻，然后再计算单位物理长度的电阻值，最后再计算出 单位长度的损耗值。在工程中，通常采用一种简化的经验算 法：其中k1为电阻损耗系数，k2为介质损耗系数，f为频率 (MHz)。几乎所有的电缆手册中都会给出不同频率下的损耗 值，这为具体的选型和应用提供了极大的方便。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：I.L(dB) = I.L cable + I.L conn

13、ector + M.L 测试电缆组件的总体表现是频率越高，损耗越大。下图表示 了一条典型的测试电缆组件的插入损耗与频率的关系。图8. 测试电缆组件的插入损耗与频率的关系在大功率发射系统 中，则要求天馈系统电缆的损耗尽可能低，因为相对于提高 发射功率来说，降低系统的无源损耗无论如何都是更加经济 的。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。例如，对于编织电缆，弯曲也会增加其损耗，见图9。图9.由于弯曲而产生的电缆损耗平均功率容量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，VSWR越大，有效功率越小；温度和高度

14、越高，有 效功率越小。聚四氟乙烯（PTFE ）介质的电缆比聚乙烯（PE ）的电缆具 有更高的功率容量。如美军标MIL-C-17中的RG14（ PTFE ） 和RG223（ PE）,虽然二者的尺寸十分接近，但是由于介质 材料的不同，导致RG142的功率容量远远大于RG223，前 者约为400W1GHz，而后者仅约为120W1GHz。BXT 的MC系列电缆则结合了这二种电缆的优点，既有RG223 的柔软度，又可达到RG142的功率容量和温度稳定性。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的指标。在 使用过程中电缆的弯曲将会影响到插入相位的变化。减少弯 曲半径或增加弯曲角度都

15、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。而增加弯曲直径/电缆直 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。微孔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。 TC18-C型柔性微波电缆组件具有良好的相位稳定性，当电 缆以26mm的半径弯曲360时，其相位的变化量仅为 0.1/GHz。电缆的无源互调失真电缆的无源互调失真是由其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，输出信号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

16、线性系 统，由于互调失真的存在，将会在其输出端产生新的频率分 量。在蜂窝通信系统中，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于表面氧化层或者接触不良所造成的。以下的通用设计原 则可以减少无源互调失真：?在设备中，尽量用半钢电缆或者半柔电缆代替柔性电缆？用 单股内导体的电缆？用表面平滑的高质量接头？采用足够厚 度和均匀镀层的接头？采用镀银或者三元合金材料？采用尺 寸尽可能大的接头（如DIN7/16的互调特性优于N，而N则 优于SMA）？保证接头之间良好的接触？使用非磁性材料的 接头BXT可提供无源互调指标为-165dBc的专用低互调测试电缆， 即使是普通的编织电缆，也可以达到-140dBc，可以满足绝 大多数测试的需要。B