射頻電纜及測(cè)試電纜組件的性能指標(biāo)

該文詳細(xì)討論了射頻電纜及測(cè)試電纜組件的各項(xiàng)指標(biāo)和性能，為廣大測(cè)試工程人員在選用高性能高可靠性射頻測(cè)試電纜組件時(shí)所應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)方面提出了專業(yè)建議。

概述—射頻電纜的通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

射頻電纜組件的正確選擇除了頻率范圍，駐波比，插入損耗等因素外，還應(yīng)考慮電纜的機(jī)械特性，使用環(huán)境和應(yīng)用要求，另外，成本也是一個(gè)永遠(yuǎn)不變的因素。
在本文中，詳細(xì)討論了射頻電纜的各種指標(biāo)和性能，了解電纜的性能對(duì)于選擇最佳的射頻電纜組件是十分有益的。

射頻同軸電纜是用于傳輸射頻和微波信號(hào)能量的。它是一種分布參數(shù)電路，其電長度是物理長度和傳輸速度的函數(shù)，這一點(diǎn)和低頻電路有著本質(zhì)的區(qū)別。射頻同軸電纜分為半剛，半柔和柔性電纜三種，不同的應(yīng)用場合應(yīng)選擇不同類型的電纜。半剛和半柔電纜一般用于設(shè)備內(nèi)部的互聯(lián)；而在測(cè)試和 測(cè)量領(lǐng)域，應(yīng)采用柔性電纜。

半剛性電纜

顧名思義，這種電纜不容易被輕易彎曲成型，其外導(dǎo)體是采用鋁管或者銅管制成的，其射頻泄露非常小(＜-120dB)，在系統(tǒng)中造成的信號(hào)串?dāng)_可以忽略不計(jì)。這種電纜的無源互調(diào)特性也是非常理想的。如果要彎曲到某種形狀，需要專用的成型機(jī)或者手工的磨具來完成。如此麻煩的加工工藝換來的是非常穩(wěn)定的性能，半剛性電纜采用固態(tài)聚四氟乙烯材料作為填充介質(zhì)，這種材料具有非常穩(wěn)定的溫度特性，尤其在高溫條件下，具有非常良好的相位穩(wěn)定性。半剛性電纜的成本高于半柔性電纜，大量應(yīng)用于各種射頻和微波系統(tǒng)中。

半柔性電纜

半柔性電纜是半剛性電纜的替代品，這種電纜的性能指標(biāo)接近于半剛性電纜，而且可以手工成型。但是其穩(wěn)定性比半剛性電纜略差些，由于其可以很容易的成型，同樣的也容易變形，尤其在長期使用的情況下。

柔性(編織)電纜

柔性電纜是一種“測(cè)試級(jí)”的電纜。相對(duì)于半剛性和半柔性的電纜，柔性電纜的成本十分昂貴，這是因?yàn)槿嵝噪娎|在設(shè)計(jì)時(shí)要顧及的因素更多。柔性電纜要易于多次彎曲而且還能保持性能，這是作為測(cè)試電纜的最基本要求。柔軟和良好的電指標(biāo)是一對(duì)矛盾，也是導(dǎo)致造價(jià)昂貴的主要原因。柔性射頻電纜組件的選擇要同時(shí)考慮各種因素，而這些因素之間有些的相互矛盾的，如單股內(nèi)導(dǎo)體的同軸電纜要比多股的具有更低的插入損耗和彎曲時(shí)的幅度穩(wěn)定性，但是相位穩(wěn)定性能就不如后者。所以一條電纜組件的選擇，除了頻率范圍，駐波比，插入損耗等因素外，還應(yīng)考慮電纜的機(jī)械特性，使用環(huán)境和應(yīng)用要求，另外，成本也是一個(gè)永遠(yuǎn)不變的因素。

特性阻抗

射頻同軸電纜由導(dǎo)體，介質(zhì)，外導(dǎo)體和護(hù)套組成。

“特性阻抗”是射頻電纜，接頭和射頻電纜組件中最常提到的指標(biāo)。最大功率傳輸，最小信號(hào)反射都取決于電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其它部件的匹配。如果阻抗完全匹配，則電纜的損耗只有傳輸線的衰減，而不存在反射損耗。電纜的特性阻抗(Zo)與其內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸之比有關(guān)。由于射頻能量傳輸?shù)摹摆吥w效應(yīng)”，與阻抗相關(guān)的重要尺寸是電纜內(nèi)導(dǎo)體的外徑(d)和外導(dǎo)體的內(nèi)徑(D)：Zo(Ω) = ( 138 / √ε ) x ( log D/d )絕大部分應(yīng)用于通信領(lǐng)域的射頻電纜的特性阻抗是50Ω；在廣播電視中則用到75Ω的電纜。

駐波比(VSWR)/回波損耗

在射頻和微波系統(tǒng)中，最大功率傳輸和最小信號(hào)反射取決于射頻電纜的特性阻抗和系統(tǒng)中其它部件的匹配。射頻電纜的阻抗變化將會(huì)引起信號(hào)的反射，這種反射會(huì)導(dǎo)致入射波能量的損失。反射的大小可以用電壓駐波比(VSWR)來表達(dá)，其定義是入射和反射電壓之比。VSWR的計(jì)算公式如下：VSWR = ( 1 + √Pr/Pi ) / (1 - √Pr/Pi)其中Pr為反射功率，Pi為入射功率。VSWR越小，說明電纜生產(chǎn)的一致性越好。VSWR的等效參數(shù)是反射系數(shù)或回波損耗。典型的微波電纜組件的VSWR在1.1"1.5之間，換算成回波損耗為26.4"14dB，即入射功率的傳輸效率為99.8%"96%。匹配效率的含義是，如果輸入功率為100W，在VSWR為1.33時(shí)，輸出功率為98W，即2W被反射回來。

衰減(插入損耗)

電纜的衰減是表示電纜有效的傳送射頻信號(hào)的能力，它由介質(zhì)損耗、導(dǎo)體(銅)損耗和輻射損耗三部分組成。大部分的損耗轉(zhuǎn)換為熱能。導(dǎo)體的尺寸越大，損耗越?。欢l率越高，則介質(zhì)損耗越大。因?yàn)閷?dǎo)體損耗隨頻率的增加呈平方根的關(guān)系，而介質(zhì)損耗隨頻率的增加呈線性關(guān)系，所以在總損耗中，介質(zhì)損耗的比例更大。另外，溫度的增加會(huì)使導(dǎo)體電阻和介質(zhì)功率因素的增加，因此也會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗的增加。對(duì)于測(cè)試電纜組件，其總的插入損耗是接頭損耗、電纜損耗和失配損耗的總和。在測(cè)試電纜組件的使用中，不正確的操作也會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。例如，對(duì)于編織電纜，彎曲也會(huì)增加其損耗。每種電纜都有最小彎曲半徑的要求。在選擇電纜組件時(shí)，應(yīng)先確定系統(tǒng)最高頻率時(shí)可接受的損耗值，然后再根據(jù)這個(gè)損耗值來選擇尺寸最小的電纜。

平均功率容量

平均功率容量是指電纜消耗由電阻和介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱能的能力。在實(shí)際使用中，電纜的有效功率與VSWR、溫度和高度有關(guān)：
有效功率 = 平均功率 x 駐波系數(shù) x 溫度系數(shù) x 高度系數(shù)
在選擇電纜時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮以上因素。

傳播速度

電纜的傳播速度是指信號(hào)在電纜中傳輸?shù)乃俣群凸馑俚谋戎?，和介質(zhì)的介電常數(shù)的根號(hào)呈反比關(guān)系：Vp = (1 / √ε) x 100由上式可見介電常數(shù)(ε)越小，則傳播速度越接近光速，所以低密度介質(zhì)的電纜其插入損耗更低。

彎曲時(shí)的相位穩(wěn)定性

彎曲-相位穩(wěn)定性是衡量電纜在彎曲時(shí)的相位變化。在使用過程中的彎曲將會(huì)影響到插入相位。減少彎曲半徑或增加彎曲角度都會(huì)增加相位的變化。同樣，彎曲次數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致相位變化的增加。而增加電纜直徑/彎曲直徑之比則會(huì)減少相位的變化。相位變化和頻率基本上呈線性關(guān)系。低密度介質(zhì)電纜的相位穩(wěn)定性會(huì)明顯優(yōu)于實(shí)心介質(zhì)電纜，多股內(nèi)導(dǎo)體的電纜的相位穩(wěn)定性優(yōu)于單股內(nèi)導(dǎo)體的電纜。

電纜的無源互調(diào)失真

電纜的無源互調(diào)失真是由其內(nèi)部的非線性因素引起的。在一個(gè)理想的線性系統(tǒng)中，輸出信號(hào)的特性與輸入信號(hào)是完全一致的；而在非線性系統(tǒng)中，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相比會(huì)產(chǎn)生幅度失真。如果有二個(gè)或更多的信號(hào)同時(shí)輸入一個(gè)非線性系統(tǒng)，由于互調(diào)失真的存在，將會(huì)在其輸出端產(chǎn)生新的頻率分量。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，工程師們最關(guān)心的是三階互調(diào)產(chǎn)物(2f1-f2或2f2-f1)，因?yàn)檫@些無用的頻率分量往往會(huì)落入接收頻段從而對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。

同軸電纜組件通常被視為線性器件。但是，純線性器件是不存在的。在接頭和電纜之間總有些非線性因素存在，這些非線性因素通常是由表面氧化層或者接觸不良所造成的。以下的通用設(shè)計(jì)原則可以盡量減少無源互調(diào)失真：

* 在設(shè)備中，盡量用半剛電纜或半柔電纜代替柔性電纜
* 用單股內(nèi)導(dǎo)體電纜
* 用表面平滑的高質(zhì)量接頭
* 采用足夠厚度和均勻鍍層的接頭
* 采用尺寸盡可能大的接頭(如Din 7/16的互調(diào)特性優(yōu)于N，而N則優(yōu)于SMA）
* 保證接頭之間的良好接觸
* 使用非磁性材料的接頭（如鋼和鎳）