射频同轴电缆设计和制造中若干问题的分析

射 频 同 轴 电 缆 主 要 应 用 于电 子 通 信 设 备 、 无 线 电 通 信 系 统 的 射 频 发 射 单 元 、 楼 宇 布 线 及 CATV的 分 配和 接 入 网 ， 以 其 宽 频 带 、 高 速 率 的 多 媒 体 传 输 性 能 而 广 泛 使 用 。本 文 主 要 论 述 基 站 用 射 频 同 轴电 缆 设 计 和 制 造 的 若 干 问 题 的 分 析 ， 以 及 如 何 解 决 ， 供 有 关 人 员 的 参 考 。

1、损 耗 和 驻 波

1、1损 耗 和 驻 波 峰 值 的 计 算

    射 频 同 轴 电 缆 的 损 耗 和 驻 波 分 别 表 征 了 电 缆 传 输 效 率 及 其 均 匀 性 ， 是 最 重 要 指 标 之 一 。对 于 这 些 传 输 参 数 的 计 算 是 非 常 重 要 的 ， 它 可 以 分 析 电 缆 产 品 性 能 并 反 馈 于 电 缆 的 设 计 或 修改 设 计 方 案 是 必 不 可 少 的 。 其 计 算 公 式 如 下

    a=aR＋ aG＋ △ a aR=2.61 fε (K1/d＋ K2/D)/lgD/d

    aG=91f ε tgδ

    △ a=10lg[(S＋ 1)2/4S] 式 中 ： α 为 电 缆 衰 减 （ dB／ 1000 m） ;α R为导 体 衰 减 （ dB／ 1000 m） ； α G为 介 质 衰 减 （ dB／ 1000 m） ； △ a为 失 配 衰 减 （ dB／ l000m） ； f为 工 作 频 率 （ MHz） ； ε 为 相 对 介 电 常 数 ； K1、 K2分 别 为 内 、 外 导 体 结 构 材 料 系 数 ； d、 D分别 为 内 、 外 导 体 的 等 效 直 径 （ mm） ； tgδ 为 绝 缘 的 介 质 损 耗 角 正 切 ； S为 电 压 驻 波 比 。

    当 电 缆 中 出 现 2倍 波 长 的 不 均 匀 性 时 ， 就 会 出 现 驻 波 峰 值 ， 若 电 磁 波波 速 为 3× 108 m／ s， 则

   f(/△ f)=150/(ε × h) (2)

   式 中 ： f（ /△ f） 动 力 为 测 试 频 率 或 频 率 差 （ MHz） ； h为 阻 抗 不 均 匀点 的 长 度 （ m） 。

驻 波 峰 值 在 电 压 驻 波 比 （ VSWR） 测 试 时 表 现 　　摘 要 ： 本 文 以 电 缆 制造 企 业 的 实 际 生 产 制 造 情 况 出 发 ， 对 射 频 同 轴 电 线 设 计 和 制 造 过 程 中 出 现 的 若 干 问 题 ， 给 以分 析 并 提 出 解 决 的 方 法 ， 也 对 射 频 同 轴 电 线 今 后 的 发 展 方 向 作 了 简 要 探 讨 。

2 导 体 的 结 构 和 选 择

2、1复 合 铜 线 和 铜 层 厚 度

    射 频 同 轴 电 缆 是 传 输 射 频 信 号 ， 因 此 信 号 在 导 体 传 输 中 产 生 集 肤 效 应 ， 即 信 号 仅 仅 在 电缆 的 内 导 体 外 表 面 和 外 导 体 内 表 面 进 行 有 效 传 输 。 内 导 体 除 采 用 实 心 铜 线 外 ， 还 经 常 使 用 钢包 覆 线 或 空 心 铜 管 ， 以 增 加 强 度 或 节 约 材 料 ， 其 中 也 包 含 着 集 肤 效 应 原 因 ， 提 高 有 效 的 传 输。

    对 于 铜 包 覆 线 ， 如 铜 包 钢 线 来 说 ， 铜 层 的 厚 度 δ >0． 07 f mm（ f单 位 为 MHz） ， 即 可 实 现 同 规 格 纯 铜 线 的 传 输 效 果 。 国 家 标 准 规 定 铜 包 钢 线 电 阻 率 ≤ 0． 059Ω · mm2／ m（ R电 导 率 为 29． 7％ IACS） ， 以 直 径 为 1． 6 mm铜 包 钢 线 为 例 ， 铜 电 阻 率 为 0． 0175 Ω · mm2/m， 钢 电 阻 率 为 0． 147 Ω · mm2/m， 将 钢 丝 及 其 表 面 铜 层 看 作 两 个 导 体 并 联 ，可 算 出 表 面 铜 层 的 厚 度 为 0． 025 mm， 代 人 δ >0． 071f可 知 ， 当 传 输 频 率 大 于 1． 67 MHz时， 其 完 全 等 效 于 同 规 格 的 实 心 圆 铜 线 。 了 解 了 这 计 算 方 法 ， 对 于 企 业 采 购 原 材 料 是 非 常 有 用的 。

2、2实 例 分 析

    Amphenol公 司 中 国 分 公 司 需 要 RG－ 213同 轴 电 缆 ， 作 为 移 动 通 信 基 站跳 线 ， 但 该 产 品 采 用 3／ 8 in皱 纹 钢 管 外 导 体 ， 弯 曲 性 能 太 差 ， 故 提 出 电 缆 改 型 的 要 求 。 开 始由 英 国 和 瑞 士 等 两 家 电 缆 制 造 厂 提 供 编 织 银 丝 外 导 体 的 电 缆 样 品 供 其 试 用 ， 但 经 采 购 认 证 试验 后 达 不 到 使 用 要 求 ， 然 后 转 向 本 厂 并 提 出 试 制 的 要 求 。 用 户 提 出 的 产 品 技 术 要 求 ： 试 样 的长 度 ， 即 电 缆 和 组 件 长 度 为 2． 25 m （ 即 包 括 两 端 接 插 连 接 器 ） ， 在 2000 MHz以 下 传 输 损 耗 < 0． 9dB， 因 波 损 耗 〉 15dB。 经 考 虑 ， 作 者 承 诺 两 周 内 送 样 ， 参 与 国 外 产 品 的 竞 争 。

 （ l） 设 计 前 分 析 及 试 制 据 查 ， MIL17／ 74 RG－ Z13／ U产 品 结 构 为 ：内 导 体 为 7× 0． 75mm钢 绞 线 ， 绝 缘 为 实 心 的 聚 乙 烯 ， 外 径 为 7.25mm； 外 导 体 为 Φ 0.18mm探 铜丝 单 层 编 织 ； 外 护 套 为 聚 氯 乙 烯 ， 外 径 10.3mm。 英 国 公 司 提 供 的 产 品 ： 内 导 体 与 绝 缘 的 材 料和 结 构 尺 寸 与 RG－ 2I3／ U相 同 ， 不 同 的 是 外 导 体 采 用 双 层 编 织 铜 丝 ， 护 套 PVC外 径 为 10.8mm，实 际 上 是 MIL17／ 75 RG－ 214／ U的 标 准 产 品 。

    电 缆 及 组 件 的 总 损 耗 （ 包 括 射 频 同 轴 电 缆 本 体 损 耗 与 两 端 连 接 器 接 入 损 耗 ） <0.9 dB。 每 只 连 接 器 接 入 损 耗 为 0． 07 ／ f （ f单 位 为 GHz） ， 按 最 高 频 率 2 GHz计 算 ， 每 只 连 接 器 接 人 损 耗 约 为 0． 099 dB， 因 此 要 求 电 缆 损 耗 小 于 外 力 0.31dB／ m。 若采 用 普 通 型 聚 乙 烯 绝 缘 料 （ tgδ = 5 X 10时 ， 按 式 （ 1） 计 算 求 得 的 衰 减 理 论 值 约 为 0． 344 dB／ m， 不 能 采 用 ； 若 采 用 高 纯 净 聚 乙 烯 绝 缘 料 （ tgδ =1× 10－ 4） ， 衰 减 理 论 值 约 为 0． 233 dB／ m， 可 以 满 足 指 标 要 求 。 因 此 必 须 采 用 高 纯 净 聚 乙 烯 绝 缘 料 。

    按 指 标 规 定 回 波 损 耗 （ SRL） >15dB， 可 通 过 以 下 公 式 计 算 ， 判 别是 否 可 以 达 到 要 求 。

    SRL=－ 20lgΓ >15
    Γ < 10－ （ 15／ 20） = 0． 177828
    S<（ 1＋ Γ ） ／ （ 1— Γ ） =1． 433

    式 中 ， Γ 为 反 射 系 数 ； S为 电 压 驻 波 比 。 通 常 电 压 驻 波 比 S<1． 433， 这 容 易 达 到 的 。

    对 于 编 织 外 导 体 而 言 ， 由 于 耦 合 （ 漏 泄 ） 损 耗 也 是 信 号 另 一 不 可 低 估 传 输 损 耗 ， 为 了 达到 减 低 耦 合 损 耗 的 目 的 ， 要 求 编 织 密 度 达 95％ 。 本 产 品 试 制 中 采 用 ： （ 1） 24× 9× 0． 18 mm裸 铜 丝 单 层 编 织 ； （ 2） 24 × 9× 0． 18 mm＋ 24× 7× 0． 18 mm双 层 编 织。 为 避 开 回 波 损 耗 峰 值 （ 由 式 （ 2） 周 期 性 回 波 公 式 可 知 ， 2000 MHz时 对 应 周 期 长 度 约 为 48.9 mm） ， 编 织 节 距 选 取 40 mm。

    按 上 述 设 计 要 求 ， 试 制 了 产 品 并 进 行 试 验 ， 试 验 结 果 ： (1)单 编 织 外导 体 产 品 在 2000 MHz时 电 缆 衰 减 为 0． 412 dB／ m； （ 2） 双 编 织 外 导 体 产品 衰 减 为 0． 367 dB／ m， 均 不 能 满 足 < 0.31 dB／ m的 指 标 要 求 。

 （ 2） 采 用 钢 箔 ＋ 绸 织 的 外 导 体 结 构 上 述 试 验 结 果 表 明 减 小 编 织 外 导体 的 耦 合 损 耗 是 多 么 重 要 。 经 思 考 决 定 采 用 钢 箔 个 编 织 的 外 导 体 结 构 ， 测 试 结 果 如 图 5、 图 6所 示 。 从 图 5可 知 ， 当 频 率 为 2000MHz时 ， 电 缆 衰 减 为 0． 287 dB／ m， 完 全 满 足 使 用 的 要 求 ，然 后 送 样 给 用 户 即 通 过 采 购 认 证 试 验 。

    铝 箔 的 拉 伸 成 型 性 能 优 秀， 但 抗 腐 蚀 性 能 差 ， 一 般 只 有 3～ 5年 的 使 用 寿 命 ， 并 且 错 的 电 阻 率 比 铜 大 62％ ， 从 而 导 致 相 同 尺 寸 的 同 轴 电 缆 ， 铝 外 导 体 的 比 锡 外 导 体 的 损 耗 大 10％ 左 右 ， 这 也 是 不使 用 铝 箔 的 原 因 。 铜 很 稳 定 ， 电 性 能 好 ， 但 加 工 性 能 不 够 好 ， 至 今 不 能 在 同 轴 电 缆 上 得 到 很好 的 应 用 。 作 者 同 航 天 部 四 院 （ 西 安 ） 的 向 阳 铜 箔 厂 及 材 料 所 合 作 开 发 的 厚 度 为 0.33－ 0.055mm铜 箔 ＋ 厚 度 为 0.018mmPE复 合 薄 膜 ， 伸 长 率 >（ 德 国 标 准 是 4％ ） ， 剥 离 力 >5N/cm， 折 挠 性 能 好 ， 铜 箔 不 易 起 皱 开 裂 ， 柔 软 ， 便 于 纵 包 成 型 ， 利 用 它 设 计 的 一 种 漏 泄同 轴 电 缆 已 申 报 了 发 明 专 利 。

 

 

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