高頻同軸電纜組件的設(shè)計(jì)及性能研究

摘要：隨著高頻同軸電纜組件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和組件型式的復(fù)雜多樣，如何確保射頻系統(tǒng)的性能和可靠性顯得尤為重要。首先，介紹了高頻同軸電纜組件設(shè)計(jì)過(guò)程中射頻同軸電纜、同軸連接器等零部件的分類(lèi)及應(yīng)用；其次，分析了各類(lèi)零部件的電氣性能、機(jī)械性能、環(huán)境性能等特性及應(yīng)用場(chǎng)景；最后，對(duì)同軸電纜組件設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行研究，從而達(dá)到同軸電纜組件設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：同軸電纜組件；同軸電纜；射頻連接器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM248+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

同軸電纜組件（簡(jiǎn)稱(chēng)“組件”）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，既包括航空航天和通信等成熟領(lǐng)域，也包括汽車(chē)、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)等新興行業(yè)。該類(lèi)組件具有高帶寬、低損耗、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用能提高現(xiàn)代化通信傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率。

同軸電纜組件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大促進(jìn)了該類(lèi)組件的開(kāi)發(fā)。市場(chǎng)上組件型式復(fù)雜多樣，為了確保射頻系統(tǒng)的性能和可靠性，需要基于細(xì)致的方法和清晰的路線圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文對(duì)組件關(guān)鍵零部件中的同軸電纜、連接器的選型及性能進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且對(duì)組件的電氣特征、物理結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而達(dá)到組件設(shè)計(jì)的目的。

1 組件的設(shè)計(jì)原則

同軸電纜組件是采用焊接、壓接、螺紋旋接等裝配工藝，將同軸電纜與相適配的連接器連接起來(lái)共同構(gòu)成的一段傳輸線。在電纜組件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)權(quán)衡同軸電纜和連接器的選材，從電氣、機(jī)械和環(huán)境參數(shù)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之符合系統(tǒng)應(yīng)用要求，再根據(jù)需要選擇適合的連接方案。設(shè)計(jì)的基本原則如下。

1.1 實(shí)現(xiàn)功能和性能的要求

不同功能要求的電纜組件針對(duì)連接器與電纜的選型也不同，如傳輸數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)的組件和傳輸功率的組件等，單根組件、集束組件等。性能參數(shù)通常包括適用頻率范圍、特性阻抗、駐波比、插入損耗、相位一致性、相位穩(wěn)定性、耐功率和耐電壓等。

1.2 環(huán)境條件的要求

不同的使用環(huán)境（如航空航天、船舶、地面、機(jī)載彈載等）需要考慮不同的耐環(huán)境性能。例如，對(duì)于航空產(chǎn)品，需要考慮耐高低溫、耐振動(dòng)、耐沖擊、耐濕熱、阻燃等性能；對(duì)于艦載產(chǎn)品，需要考慮耐鹽霧、耐霉菌、耐濕熱等性能；對(duì)于宇航產(chǎn)品，需要考慮耐輻照、真空釋氣、熱失重等真空環(huán)境下的性能。

1.3 實(shí)際使用中的顯性和隱性需求

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意產(chǎn)品的顯性需求，如產(chǎn)品需明確相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，以及具體應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)的附加要求等。例如，在安裝使用過(guò)程中，產(chǎn)品必須抗拉、抗壓、可拆卸、可反復(fù)彎折等。除上述要求之外，還應(yīng)在與客戶(hù)交流的過(guò)程中充分發(fā)掘客戶(hù)的隱性需求。

2 組件中零部件的選型及性能

2.1 常見(jiàn)同軸電纜的分類(lèi)及性能

按同軸電纜的特性可分為半剛性電纜、半柔性電纜、柔軟電纜、穩(wěn)相電纜等，常見(jiàn)電纜及性能如下。

2.1.1 半剛性電纜

半剛性電纜通常是實(shí)心的金屬外導(dǎo)體，該結(jié)構(gòu)可保證在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下電纜性能的穩(wěn)定性，這類(lèi)電纜通常應(yīng)用在相位匹配的相控陣天線系統(tǒng)中。實(shí)心金屬外導(dǎo)體表面可鍍鎳、錫、三元合金等，在屏蔽性、耐鹽霧、耐霉菌、抗腐蝕性等方面的性能都較好。通常情況下，半剛性電纜只能可靠地成型/彎曲一次，重復(fù)成型/彎曲半剛性電纜會(huì)導(dǎo)致外導(dǎo)體的損壞。

2.1.2 半柔性電纜

半柔性電纜外導(dǎo)體通常為編織屏蔽層整體浸錫結(jié)構(gòu)，屏蔽性能僅次于半剛性電纜，而穩(wěn)定性基本一致，但相較于半剛性電纜，此類(lèi)電纜能夠輕易實(shí)現(xiàn)手工成型，良好的柔韌性和電性能通常應(yīng)用在空間狹小且形狀復(fù)雜的機(jī)箱里。

2.1.3 柔軟電纜

柔軟電纜采用柔軟的絕緣層和屏蔽層材料，具有較高的柔性和抗扭曲性能，通常使用金屬編織屏蔽層，而不是半剛性電纜中使用的實(shí)心管，這使它們具有更強(qiáng)的靈活性和彈性，適用于頻繁彎曲的場(chǎng)合。

2.1.4 穩(wěn)相電纜

穩(wěn)相電纜是幅度穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性等特定功能的同軸電纜，具有低損耗、高幅度和相位穩(wěn)定性等特點(diǎn)，穩(wěn)相電纜的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為鍍銀銅內(nèi)導(dǎo)體、聚四氟乙烯繞包絕緣層、鍍銀銅繞包外導(dǎo)體、鍍銀銅編織屏蔽層、氟塑料護(hù)套。穩(wěn)相特性通常包括機(jī)械相位和溫度相位的穩(wěn)定，機(jī)械穩(wěn)相是指電纜在機(jī)械物理變化時(shí)相位變化的程度；溫度穩(wěn)相是指在發(fā)生溫度變化時(shí)相位變化的程度[1]。

穩(wěn)相電纜廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)、導(dǎo)彈、電子對(duì)抗等。例如，在高原地區(qū)部署的相控陣?yán)走_(dá)等設(shè)備，由于要經(jīng)受高低溫、強(qiáng)日照等惡劣條件，導(dǎo)致隨著使用時(shí)間的增加，設(shè)備穩(wěn)定性逐漸變差，從而影響信號(hào)傳輸?shù)木群唾|(zhì)量。常見(jiàn)的穩(wěn)相電纜包括Astrolab公司的32051、32055、32099，Times公司的Tflex系列、SF系列，MCC公司的UFB311、UFB205，以及Gore公司的CXN系列等產(chǎn)品。此外，二氧化硅絕緣同軸電纜可以應(yīng)用于航天航空等特殊領(lǐng)域。采用高純度泡沫二氧化硅作為絕緣材料，可以滿(mǎn)足耐溫1 000℃的要求，并且具有在-40～100℃的相位變化不大于300×10-6的超穩(wěn)相性能。

2.2 同軸連接器的選型及性能

同軸連接器的種類(lèi)繁多，適用的范圍場(chǎng)合也有所不同。根據(jù)適用環(huán)境，連接器可以分為適用于宇航環(huán)境的釋氣孔型連接器、適用于水下的氣密性連接器、適用于車(chē)載輕便緊湊環(huán)境的Fakra/mini-Fakra連接器、適用于振動(dòng)環(huán)境的自鎖連接器等；根據(jù)接口界面類(lèi)型，連接器可以分為N、SMA、TNC、BNC、BMA、DIN等類(lèi)型；根據(jù)接觸結(jié)構(gòu)，連接器可以分為公頭和母頭；根據(jù)安裝形式，連接器可以分為插頭和插座；根據(jù)材質(zhì)，連接器可以分為不銹鋼、銅合金、鈦合金、鋁合金等類(lèi)型；根據(jù)表面處理方式，連接器可以分為鈍化、鍍金、鍍鎳、鍍?nèi)辖稹㈥?yáng)極氧化等類(lèi)型。

在選擇連接器時(shí)，需要考慮其頻率范圍、阻抗匹配、插入損耗、耐電壓、耐功率等性能，同時(shí)還要考慮接口關(guān)系、材料及表面處理、匹配電纜等。其中，需要根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境選擇相應(yīng)的連接器材料及表面處理。例如，303不銹鋼鈍化后的耐鹽霧時(shí)長(zhǎng)約為192 h，在艦載等要求高的場(chǎng)合應(yīng)避免使用，可采用耐鹽霧時(shí)長(zhǎng)為300 h以上的316 L不銹鋼；在航空航天環(huán)境下，可選用重量輕、耐環(huán)境性能更優(yōu)異的鈦合金。

3 組件關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)

組件的關(guān)鍵性能通常包括特性阻抗、插入損耗、電壓駐波比和回波損耗、傳輸速率、耐功率、屏蔽效率、相位與相位匹配等。根據(jù)產(chǎn)品功能要求進(jìn)行連接器與電纜的選型后，還要對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

3.1 特性阻抗

特性阻抗是指沿線信號(hào)傳輸時(shí)入射波電壓和電流的比值，是同軸電纜最基本的電氣特性。由于射頻能量總是在射頻電纜的導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚虼颂匦宰杩筞0可通過(guò)以下公式計(jì)算：

Z0 = ×ln 或Z0 = ×lg 。" " " " " " " "（1）

式中，D為外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑，ε為絕緣材料介電常數(shù)。

3.2 插入損耗

插入損耗是指信號(hào)傳輸過(guò)程中的能量損耗，當(dāng)射頻信號(hào)在組件傳輸時(shí)，一部分能量轉(zhuǎn)變成熱量消耗掉，另一部分能量通過(guò)電纜的外導(dǎo)體向外界輻射，這兩個(gè)部分能量的損失之和稱(chēng)為損耗。損耗對(duì)能量損失的影響較大，3 dB損耗相當(dāng)于能量損失50%，因此，降低組件的損耗對(duì)于射頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)較為重要。

對(duì)于組件來(lái)說(shuō)，最主要的損耗來(lái)源于3個(gè)方面：電纜、連接器和失配損耗。在某規(guī)定頻率下，組件的插入損耗IL計(jì)算公式如下：

IL=a×L+b+c。" " " " " " nbsp; " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，a為規(guī)定頻率下電纜損耗，L為電纜長(zhǎng)度，b為連接器損耗，c為失配損耗。

衰減與導(dǎo)體電阻有關(guān)，導(dǎo)體的電阻取決于導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面積以及環(huán)境溫度。因此，電纜溫度升高時(shí)，衰減增大；電纜溫度降低時(shí)，衰減減小。當(dāng)電纜溫度不是20℃時(shí)，需要采用溫度系數(shù)換算任意溫度下的衰減，在工程計(jì)算時(shí)，可采用每℃變化0.2%的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算。

3.3 電壓駐波比和回波損耗

電壓駐波比和回波損耗是衡量組件性能的關(guān)鍵指標(biāo)，傳輸線阻抗的隨機(jī)變化會(huì)導(dǎo)致射頻信號(hào)的反射，根據(jù)阻抗變化幅度可計(jì)算反射系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算駐波比和回波損耗，具體計(jì)算公式：

Г =" 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

VSWR = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

RL = -20×lg 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，Г為反射系數(shù)，Z為實(shí)際特性阻抗，Z0為標(biāo)稱(chēng)特性阻抗，VSWR為電壓駐波比，RL為回波損耗。

3.4 傳輸速率

傳輸速率是指信號(hào)在電纜中的傳播速度和光速的比值，與絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)ε存在以下關(guān)系：

Vp=×100%。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中，Vp為傳輸速率。

3.5 耐功率

同軸電纜組件在傳輸信號(hào)時(shí)，電纜的衰減會(huì)產(chǎn)生熱量，電纜的功率處理能力主要體現(xiàn)在電纜耐受衰減所產(chǎn)生熱量的能力。影響電纜平均功率的最重要因素有兩個(gè)：一是電纜的最高工作溫度；二是電纜本身的衰減。電纜能承受的工作溫度越高，其所能承受的功率越大；同等條件下，電纜衰減越小，其本身產(chǎn)生的熱量就越小，承受的功率也就越大。

電纜額定功率一般在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度40℃和海平面高度標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325 kPa）的條件下求出，當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，額定功率隨之變化，電纜組件平均功率受海拔、溫度和電壓駐波比的影響較大，海拔增加、溫度升高或駐波比變大時(shí)，平均功率會(huì)隨之下降。

電纜額定功率與某海拔的氣壓計(jì)算關(guān)系如下[2]：

PX =P×（）0.26。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

式中，PX為電纜額定功率，P為海平面額定功率，ρX為某海拔的氣壓，ρ為海平面上的氣壓。

3.6 屏蔽效率

屏蔽效率是指屏蔽層一邊入射的射頻能量與透射到另一邊的射頻能量之間的比率，是表征電纜抗干擾和防止電磁能量泄漏能力的關(guān)鍵參數(shù)。屏蔽性能不良會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)受到外部噪聲信號(hào)的干擾，同時(shí)自身信號(hào)也會(huì)泄漏、干擾外部信號(hào)。

同軸電纜的屏蔽層形式多樣，最簡(jiǎn)單有效的屏蔽層是半剛性與螺紋同軸電纜的外導(dǎo)體，其在

1 GHz～18 GHz頻率下的屏蔽效率超過(guò)140 dB。柔性同軸電纜有4種常見(jiàn)屏蔽層類(lèi)型：第1種是最常見(jiàn)的編織圓線屏蔽層；第2種是編織扁平線屏蔽層，這類(lèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；第3種是螺旋繞扁平線屏蔽層；第4種是螺旋繞硬化復(fù)合薄膜（聚酯薄膜、聚酰亞胺或聚酯）屏蔽層[3]。4種常見(jiàn)屏蔽層的屏蔽衰減如圖1所示。

3.7 相位與相位匹配

對(duì)于穩(wěn)相電纜組件還需要考慮相位匹配特性。由于受電纜加工過(guò)程和所用原材料一致性波動(dòng)的影響，電纜在各點(diǎn)的均勻性無(wú)法完全一致，導(dǎo)致信號(hào)通過(guò)相同物理長(zhǎng)度的組件時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)和相位差，此時(shí)可以采用電氣長(zhǎng)度來(lái)決定電纜的長(zhǎng)度，該電氣長(zhǎng)度特性就是相位。相位的計(jì)算公式：

Φ = × f ×360。" " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

式中，Φ為總相位，VP為傳輸速率，?為工作頻率。

相位匹配用來(lái)描述兩個(gè)或多個(gè)電纜組件具有相同相位長(zhǎng)度的能力，更準(zhǔn)確地說(shuō)是電長(zhǎng)度匹配，相位匹配主要分為相對(duì)匹配和絕對(duì)匹配。行業(yè)內(nèi)，穩(wěn)相性能判定通常依據(jù)GJB 973B—2021標(biāo)準(zhǔn)中穩(wěn)定性和一致性的相關(guān)要求[3]。

4 結(jié)論

同軸電纜組件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大促進(jìn)了新型同軸電纜組件的開(kāi)發(fā)，而設(shè)計(jì)出符合要求的同軸電纜組件存在一定難度，因此需要了解組件要實(shí)現(xiàn)的功能、應(yīng)用環(huán)境、兼容性、空間限制和維護(hù)等多重因素。本文通過(guò)介紹同軸電纜組件的設(shè)計(jì)原則，并且通過(guò)對(duì)常用類(lèi)型的同軸連接器、同軸電纜、輔材等的選型及性能介紹，從而達(dá)到射頻同軸電纜組件設(shè)計(jì)的目的，為同軸電纜組件的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李慶和.同軸電纜的溫度相位穩(wěn)定性及其影響因素分析[J].電線電纜，2007（2）：25-27.

[2] 倪艷榮.通信電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：102-103.

[3] 中央軍委裝備發(fā)展部信息系統(tǒng)局.柔軟和半硬射頻電纜通用規(guī)范：GJB 973B—2021[S].北京：國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)出版發(fā)行部，2022.