低損耗同軸電纜組件設計方法研究

王小愛（陜西工業職業技術學院 機械工程學院，陜西 咸陽 712000）

低損耗穩相同軸電纜組件是現代電子產品中重要的傳輸元件之一，其具有優良的傳輸性能，傳輸頻率更高、信號更穩定，愈來愈廣泛的應用在雷達系統當中。較普通的同軸電纜組件而言，低損耗穩相同軸電纜組件具有更優越的相位穩定性和相位一致性、更低的組件損耗和電壓駐波比等性能。

低損耗穩相電纜組件的研制，在射頻傳輸理論、射頻連接器仿真技術、低損耗穩相電纜組件的設計上總結經驗，針對產品總結設計方法。

1 特征阻抗

特征阻抗是同軸電纜的一個很重要的性能。特征阻抗不同，會出現不匹配和反射，從而導致傳輸失真。低損耗穩相同軸電纜組件的特征阻抗由同軸電纜和連接器導體的尺寸及絕緣的相對介電常數決定。特征阻抗是一個復數，且與頻率有關。

式中： L 單位長度傳輸線上的電感；R 單位長度傳輸線內部的電阻；G 單位長度傳輸線介質的電導；C 傳輸線上的電容；j 復數的虛部；ω=2πf, f是頻率。

在高頻下，電流只流過導體表面，此現象稱為集膚效應。此時，導體有效橫截面積減小，阻抗增加。因此在高頻下公式（1）中的R、G可以看做為0。那么式（1）簡化為：

高頻率下，導體的內部電感很小，每單位長度上的電感接近于每單位長度上的外部電感，因此L可以表達為：

式中：μr介質的相對磁導率；μ0真空的磁導率；D外導體的內徑；d內導體的外徑。

單位導體的電容可按下式計算：

式中：ωr介質的介電常數；ω0真空的介電常數

將式（3）、（4）代入式（2），并只考慮非磁性介質，可以得到工程上常用的特征阻抗計算公式：

從上式看出，可以根據合理選擇導體直徑和絕緣介電常數來調整特征阻抗的大小。

在理想傳輸線中，特征阻抗是均勻的、恒定的，而實際中連接器的結構、電纜的尺寸都會引起特征阻抗的變化。這是由于連接器內部設計必須有支撐內導體的結構和與電纜匹配的直徑突變；同軸電纜制造過程中導體尺寸和介質材料的微小變化，這些都會引起特征阻抗的失配。特征阻抗每一小波動都會引起一小部分信號電壓反射回去，特征阻抗變化越大，被反射的電壓越大，圖1闡述了此現象。

圖1 阻抗變化引起的反射Fig. 1 Reflection caused by impedance changes

特征阻抗的每一這種變化都會產生一個反射電壓。這些電壓疊加到一起，可在電纜的輸入端測到一總的反射信號。電纜輸入端的回波損耗RL定義如下：

式中：V=輸入電壓；Vr=總的反射信號電壓。

電纜終端電阻若與其特征阻抗匹配，則電纜終端不會產生反射。一般行業中采用電壓駐波比代替回波損耗，即電壓駐波比或VSWR，它的定義如下：

從阻抗匹配的研究獲得保證阻抗匹配的常用公式（5），但由于設計結構和制造公差不可避免的產生阻抗突變，可以采用回波損耗式（6）或電壓駐波比式（7）來衡量阻抗突變造成的影響大小。

從輸入端到輸出端處能量的減少就是衰減（有時也稱為縱向損耗），電纜的衰減用分貝/單位長度表示，如dB/m。根據上述定義，電纜衰減公式是：

式中：P1終端負載與電纜特征阻抗匹配時電纜的輸入功率，P2此電纜遠端的功率

組件中同軸電纜的衰減受其結構和使用頻率的影響，衰減隨頻率的升高而增加，這是由于導體的集膚效應和介質的損耗引起的。可用下述公式計算給定頻率的衰減α：

式中：αR=電阻性衰減;αg=介質性衰減;α1=導體損耗系數;α2=介質損耗系數。

導體損耗系數與導體電阻率和尺寸有關，內外導體的表面電導率應盡可能高。衰減的一致性，對于阻抗一致性好的組件,衰減應該是一條比較平滑的下滑曲線, 但如果組件電纜有較大的阻抗跳動時, 對應的衰減曲線也會出現“刺”狀的曲線如圖2,產生阻抗跳動最主要的地方是連接器與電纜的連接處。

圖2 衰減曲線的”刺”狀現象Fig. 2 Phenomenon like "thorn"of decay curve

衰減的穩定性，編織型電纜的衰減會隨時間的增長或彎曲次數的增加而增大， 主要原因是內導體或外導體因為有外界的潮濕空氣侵入而氧化，另外絕緣材料的變質也會影響衰減的增加。而對于多次彎曲后，一般導體材料，如鋁箔就容易開裂而造成導電性能下降，或絕緣介質已經發生變形等，這些因素都容易使衰減變化。

2 低損耗穩相電纜組件的工作頻率

低損耗穩相電纜組件的工作頻率高，一般達到18 GHz，因此要求射頻同軸連接器的工作頻率相應的滿足要求，根據截止頻率的計算式（1）確定連接器的界面尺寸。連接器的連接形式一般采用螺紋連接，連接時采用扭矩扳手旋合到位時，并且在振動和受到外力的情況下連接器的插頭、插座電氣基準面不應產生間隙。

式中：fc截止頻率;D同軸連接器外導體內徑;d同軸連接器內導體外徑;εr絕緣介質介電常數。

3 連接器與電纜端接結構設計

圖3 同軸連接器配接電纜結構Fig. 3 Coaxial connector adapter cable structure

同軸電纜與連接器的中心導體主要采用焊接形式，在低損耗穩相電纜中為保證阻抗的連續和相位的一致性通常采用焊接后螺母固定方式。如圖3所示，焊接后螺母固定，主要適配低損耗穩相同軸電纜，外導體掛錫處理，便于焊接，螺母起的作用是將焊接電纜外殼固定的作用。

在低損耗穩相電纜的設計中同軸電纜自身的相位穩定性指標至關重要，而連接器本身所帶來的相位變化及微小，在設計中只考慮結構連接的牢固可靠即可。

4 結束語

文中介紹了低損耗穩相電纜組件的設計，低損耗穩相電纜組件設計包含連接器界面的選擇、連接器與電纜端接形式設計、連接器阻抗匹配設計。

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