射频电缆(射频同轴电缆)

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。文中是笔者和客户沟通时所得到的关于射频电缆相关资料，现做以整合，望读者有所受用。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，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。

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图2. 半柔性电缆 柔性编制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. 柔性编制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（Ω）=式中，为同轴电缆的特性阻抗（Ω），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）。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50Ω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77Ω时，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30Ω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77Ω和30Ω之间找一个适当的数值。二者的算术平均值为53.5Ω，而几何平均值为48.06Ω；选取50Ω的特性阻抗可以做到二者兼顾。此外，50Ω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50Ω；在广播电视传输系统中则用到75Ω的电缆。大部分的测试仪器都是50Ω的阻抗，如果要测量75Ω阻抗的器件，可以通过一个50-75Ω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：VSWR=其中Pr为反射功率，Pi为入射功率。测试电缆组件的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<1.2的测试电缆可以满足要求了；而作为反射（S11参数）测试应用时，对测试电缆的要求要更高些，一般来说，测试系统的回波损耗应该比被测器件高10dB，当然除了选用精密的测试电缆以外，还可以巧妙的结合精密衰减器来改善系统的失配损耗。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射频指标的柔性测试电缆，往往需要付出更多的成本代价。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是某公司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图：

互联网小常识：综合布线系统分为六个子系统，分别为：工作区子系统、配线（水平）子系统、干线（垂直）子系统、设备间子系统、管理子系统和建筑群子系统。

图5. 一种低成本的3GHz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1.38~1.73之间，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。衰减（插入损耗）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 connector + 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，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：

图6. 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7。

图7. 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RG142（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400W@1GHz，而后者仅约为120W@1GHz。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：

1.在设备中尽量用半钢电缆或者半柔电缆代替柔性电缆2.用单股内导体的电缆3.用表面平滑的高质量接头4.采用足够厚度和均匀镀层的接头5.采用镀银或者三元合金材料6.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）7.保证接头之间良好的接触8. 使用非磁性材料的接头

以上即是关于射频电缆的简要概述，希望能给读者们在射频电缆的选择与使用上有些许帮助！