同轴电缆75和50区别同轴电缆介绍

同轴电缆75和50区别同
轴电缆介绍
射频线缆组件：被忽视的系统元器件
作者：Dave Slack
时代微波系统（Times Microwave Systems）
射频线缆组件通常是只是被视为系统附件，而不是完整系统中的组成部份。

但要指出的是，一个微波线缆组件不“仅仅只是一根简单线缆”。

它是一个无源的、TEM模式的微波元件，并且是一个完整微波系统的必要组成部份。

在设计微波系统使其在恶劣环境下工作时，必须事先对线缆选择有所考虑，以免对整个系统的工作寿命有所影响。

本篇文章将分两部分来讨论射频线缆组件的各种重要特性及如何以降低某些性能为代价来优化某些特定的属性。

这里涉及到“权衡”的概念。

有了合理的设计及成熟的生产技术，射频线缆可以在优化某些特性的同时减少降低其他性能。

而在长电缆组件上的两个连接器是被电缆的当微波线缆组件只是面对某种特定的机
损耗所相互隔离的。

械或环境影响因素，针对性的设计可以相当
连接器有两个非常重要的功能。

第一，有效。

但当多种影响因素同时存在时，线缆
物理上它可将线缆组件固定在合适的位置。

的优化设计就将变得非常复杂。

不然，电信号传输将会出现间断或中断现一个典型案例就是设计一种可以耐强挤
象。

第二，它必须使设备与电缆之间线性匹压的线缆。

可以有几种方法来实施设计。

配。

在低频时这种线性传输只是个相对简单线缆设计可采用牢固的钢管作为线缆外
的机械几何学问题。

而在射频和微波频率导体。

这类结构具有超强的抗压能力但其柔
时，接头的设计必须有周全的考虑，不仅要软性很差，受限于最小弯曲半径及反复弯曲
考虑机械尺寸而且还要考虑电磁问题。

次数。

没有适当尺寸补偿的接头设计会导致糟若要求线缆具有很小的弯曲半径或能够
糕的VSWR。

以前，这类设计被认为是“黑进行反复弯曲，
这就需要采用柔性结构设计
色艺术”，而且试验和错误是高性能连接器外导体。

较典型的结构属于编织构造，但它
设计所无法避免的。

今天，复杂的计算机模无法像钢管那样抗强挤压。

基于编织结构及
拟软件在连接器设计和生产中起到至关紧要不同设计的线缆可以有不同的抗挤压能力，
的作用。

但每种设计都有其各自的权衡模式。

与连接器设计一样重要的是在线缆组装柔性线缆组件的各个机械及电气特性都
时的连接器安装技术。

必须要有严谨的流程可以类似的权衡方式进行优化或折衷。

控制及高标准的质量要求才能确保接头的正一个有经验的线缆设计者可以采用先进
确安装。

的生产方式及严格的工艺控制来优化线缆的
要达到最佳的电压驻波比，电缆自身的各项重要属性。

一致性将是关键因素。

一个细微的不连续会
插入损耗(IL)和电压驻波比(VSWR) 导致一个可能是无法测量的微小反射。

如果出现了一系列的周期性不连续，那么这些微
可能最被广为认同的同轴组件参数就是小的反射将会在某个频率叠加。

这将会导致插入损耗(IL)及电压驻波比
(VSWR)。

在某个基带频率上的VSWR尖峰。

在严重的
一个50欧姆的线缆组件安装在一个50欧情况下，VSWR 尖峰会在该基带频率的谐波姆的系统上，并且没有任何阻抗不连续，将频率上反复出现。

通过对生产流程的精密智会有1.1的VSWR。

传输到该组件上的功率将能监控，电缆可能在宽带范围内避免VSWR不会有任何反射回功率源。

尖峰的出现。

但实际上所有的线缆组件都会有一定的同轴线缆的偶发性阻抗不连续可能导致阻抗不连续。

这些线缆的阻抗不连续通常被较高的驻波比。

这通常是由于操作线缆不当分为三类：接头的线性传输，线缆的周期性造成其内部产生凹痕所致。

不连续，线缆内部的偶发性不连续。

假设使用高质量的线缆，连接器的性能将会是影响短电缆组件VSWR的主要因素。

经过合理设计，同轴线缆组件可以在45Mhz到18.5Ghz 的频率范围内达到1.4:1以下的驻波比，并在各种物理扭曲时也能保持。

插入损耗是另一个线缆的常用系数。

它是功率的比值，输出与输入功率之比。

插入损耗基本上与线缆的直径成反比。

对于任何线缆结构，较大直径的电缆都会有较小的损耗。

线缆的损耗受两个主要因素影响，导体的金属材料和电介质的特性。

线缆损耗等于导体的属性系数乘以频率的平方根加电介质的属性系数乘以频率。

因此，当频率增加后，电介质引起的损耗会比导体引起的损耗增长更快。

也正是由于这个原因，必须要使用高质量的电介质材料用来优化电缆在高频使用时的性能
要提供能够在恶劣的环境下能照常工作的线缆组件并且插入损耗较低、尺寸及重量适中，导体必须使用高质量的金属材料, 通常在表面镀银的同时会尽量保持表面的光滑整洁。

有时某些材料可以采用较复杂的技术，以在保证较低损耗的同时仍然保持材料本身的坚固柔软。

电长度（相位）
许多现代的射频和微波系统都对相位相当敏感，因此对于设计者来说，通常会指定电缆组件之间相位匹配。

在18GHz甚至更高频率下在电缆组件之间进行精密匹配非常复杂，目前只有少数线缆组件厂商具有这种能力。

设计者必须注意，线缆组件的相位匹配的意义不仅仅只在组件生产时进行最初相位匹配，并且在复杂环境下安装之后应保持相位匹配。

如果线缆组件要应用于高功率环境，或是需要反复弯曲，又或是工作在动态温度范围时，设计者需要充分考虑环境及
系统相位要求。

最初相位匹配非常重要，但相位敏感的系统会要求线缆组件之间保持相位匹配。

也就是说当环境因素变化时，不同线缆组件的电长度变化应当保持对彼此的一致。

通常定义线缆组件相位匹配的方式主要有三种。

最常见的方式是让一组中的若干根线缆组件保持相互匹配。

用这种方式定义的线缆组件如在操作过程中一根发生故障必须更换整组线缆。

要避免这种情况发生，就必
须使用高质量，能保证长时间工作的线缆组件。

另一种匹配方式是保持一个“黄金标准”。

黄金标准是指一根线缆组件，其他所有安装到系统中的线缆组件都与该组件相位匹配。

该组件应被另外独自良好保存。

因而当有替换发生，被替换入系统使用的组件只要与黄金标准相匹配，它就会与系统中的其他组件相匹配，这样可以避免整组更换。

第三种方式是定义一个确切的电长度数值，可以以度数或时延值为单位。

这种方式最精确的定义了相位匹配，它既不会引起整组更换又不需要维护一个黄金标准。

当线缆组件在动态物理环境下工作，如温度波动，单根组件弯曲，整组组件之间仍需要保持相位匹配。

合理的设计及质量管理能在生产线缆组件时达到18GHz时6度的最初相位匹配。

这些组件可以多次弯曲，小半径弯曲，及负60度到正125度的温度变化下保持相位匹配小于18度。

屏蔽效率
许多实际应用要求系统元器件安装在离其他敏感电子设备很接近的地方。

电磁干扰是一个必要考虑，以确保系统在其他设备相邻时的性能以兼容性。

因此系统需要有足够的屏蔽效率以将信号与外部环境充分隔离。

屏蔽效率是个传输线缆内部的功率与辐射线缆外部功率之比。

有几个方法可以用来测量屏蔽效率。

其中最普遍的两个方法是阻抗传导和共振腔法，但在这里就不再深入讨论。

要使屏蔽层具有高屏蔽衰减，就必须要使用相对较厚的同质金属，并且这种金属应当具有高传导性及相对低的渗透性。

从屏蔽效率的观点来看，最普遍实用的评比屏蔽结构是固体铜管。

这种结构被作为用来比较屏蔽效率的基准。

但它对线缆的其他特性有很大的限制，尤其是柔软性及反复弯曲的性能。

也就是由于这个原因，许多设计者都倾向于采用柔性线缆组件。

柔性线缆通常采用编织层屏蔽，它几乎可以达到100%光学覆盖。

通过采用特殊的屏蔽结构，一根柔软轻巧的线缆组件可以轻易在18GHz时达到-90dBc的屏蔽效率。

密封性
有些线缆组件会在极端的高度、温度或湿度环境下工作。

为了确保正常工作，线缆组件必须要保持蒸汽密封。

并且无论在何种物理状态下，该密封必须保持完好。

生产密封线缆组件要保证在生产时要采用特殊的生产测量方式，以确保密封。

使用合理的设计及技术可达到1*10-5cc/sec/ft以下的泄漏率。

这样的组件在现场安装（组件浸入化学液体）时不会发生普遍的渗透现象。

功率处理能力
射频微波组件的功率处理能力有两个不同的概念：平均功率处理能力及峰值功率处理能力。

当负荷循环（占空率）非常低时，许多射频微波组件可以允许数千瓦的功率，如雷达应用中使用脉冲发射。

可以假设，当足够低时平均功率会小得可以忽略不计。

在这种情况下，电缆的功率故障模式将会是由击穿电压和电晕引起的电弧。

电晕是由电缆组件中的电场电离了线缆内部微孔中的氧气而引起的。

电晕会导致信号传输时的噪声，并是电压击穿介质的前兆。

电晕是高密度的电荷具有传导性。

电压越高，电荷密度越高，电晕程度就越高。

最后将会达到一个临界点，
内外导体之间将会形成传导通路，从而产生电弧放电。

电弧是具有破坏性的，会在介质中产生碳化通道。

该通道具有传导性从而形成断路，并永久性存在于线缆内不可修复。

这种故障通常发生在电缆与接头的连接处，这里内外导体最为接近并最缺乏保护。

通过对连接器形状的正确选择及在接头内部采用重叠式的绝缘体，可以使线缆组的峰值功率处理能力最大化。

当负荷循环变高时，从脉冲的高负荷循环到持续功率（负荷循环=100%），平均功率开始变成限制因素。

平均功率处理能力是与线缆组件对外散热能力直接相关的。

所有的射频线缆组件都有相应的衰减。

这会导致有一部份功率被耗散在组件内部，并引起组件自身发热及温度升高。

当内导体温度上升到电介质的熔解温度时线路就到达平均功率处理能力的极限。

这个温度对于特氟隆(聚四氟乙烯)介质是200摄氏度，对于聚乙烯介质则是100摄氏度。

散热或传热的机制主要是传导，对流及辐射。

传导是最有效的传热的方法。

它可以
能通过线缆将热能传导到连接器及与之匹配的设备上去。

它会使线缆组件的末端保持相对较低的温度，并在组件与设备间存在较大温差时能发挥最好作用。

对流是线缆组件散热的第二有效方式。

它是通过空气在线缆外部周围的流动来传导，但是在高海拔处无效。

辐射是传热的第三种方法。

这是
在高海拔处组件散热的主要方法。

辐射效率取决于线缆组件外表面的放射率，可以通过采用黑色护套材料和粗糙外表面来提高放射率。

要承受最大的平均功率，电缆应选择有极低的插入损耗，最大的外表面积及高放射率的护套。

仔细地确认线缆工作环境也非常重要的。

在一个通风的环境中能正常工作的线缆，可能由于不充分的通风引起灾难性的损坏。

同样，不同的外部环境温度对电缆的平均功率处理能力有着至关重要的影响因素。

由于工作环境变化的无限性，线缆组件的功率处理也具有不确定性。

所以系统设计人员在设计时，要考虑到足够的工程余量。

柔软性
安装，替换及维护及其他操作都将倾向于使用柔性线缆。

往往由于恶劣的工作环境，线缆需要考虑坚固耐用，从而牺牲了线缆的柔软性。

通过合理的设计，这种牺牲是可以避免的。

为恶劣环境设计的电缆可以达到最小弯曲半径为其外径的10倍，并不引起任何的驻波或插损的性能劣化。

例：一组0.210英寸外径的电缆组件可以忍受以2英寸为半径的多次
弯曲，并始终保持18GHz时6度的相位匹配。

这种柔软性可以保证线缆组件能在紧密空间内的重复安装，并不影响任何电气及机械性能。

极端的温度及海拔高度
要在极端的温度及海拔环境下测试线缆组件，通常有几个方法可以采用。

热循环测试是在一个极端的温度下使线缆性能趋于稳然后立即将其置于另一极端温度的环境中再等其稳定。

这就是一个热冲击测试的过程。

一个组件有可能承受5次热循环测试，从零下62摄氏度到正125摄氏度的温度变化，并在测试过程中始终保持6度的相位匹配，当然驻波或插损仍在其容许范围内。

同样的组件可以在保持极端温度的同时被放入真空容器以模拟海拔7万英尺的环境。

这些组件应可在上述环境下工作若干小时，并仍能保持良好的驻波，插损及相位性能。

当组件是针对某个特定因素而优化设计，通常它可以在该环境或测试中工作良好。

当组件被设计为同时要适合所有的极端条件，许多组件的性能就会有所下降。

但是，合理的设计及先进的生产技术可以保证线缆组件在各种条件下都能
有效工作。

大气环境
除了极端的温度、海拔及震动环境，线缆组件还会受到大气条件的影响。

许多系统需要在高湿度环境下长时间工作，这主要就牵涉到组件密封性能。

即使电缆组件上只有很细小的渗漏，潮气也会进入组件的传导通道，并严重影响组件的性能。

还有很多盐溅或盐雾的环境，这在舰船甲板上或接近于海洋的地方较为普遍。

在盐雾环境下，密封性仍旧是个基本问题，但也存在盐腐蚀金属表面的潜在威胁。

当遇及腐蚀性空气情况时，仔细选择金属及金属表面镀层非常重要，并必须要有严格的质量控制保证。

有了周密的防腐蚀设计，射频及微波组件能可以被设计成能长时间抗高湿度及含盐量高的环境。

另外，线缆组件应能在其周围设备环境下保持长时间工作及维护。

线缆组件经常被安装在一束线缆之中而被遗忘。

而这束线缆可能会受到外力的挤压，踩踏或拉伸，又可能周围存在液压或油溅。

一旦线缆组件被安装在系统后，更换会变得非常不便且昂贵。

正是因为这些原因，应当尽量确保同轴组件一旦安装无需替换。

采用夹具压力测试可以确定线缆组件在安装时的准确固定
并不会影响性能。

常见的夹具压力测试是将线缆的一部分固定在夹具上，并在2英寸的线缆上施加50磅/平方英寸的压力。

在此压力持续的几分钟内监控线缆组件的性能参数。

任何的电气性能劣化将表明此组件可能存在安装后的潜在问题。

在线缆安装后，系统需要日常维护，甚至有时会移开与组件相连接的系统硬件并将组件仍留在原地。

而且当线缆组件被安装在紧密空间内，连接器的末端要能承受扭力。

因此扭力测试可以部分指示线缆组件的长期耐用性。

通过仔细的设计，0.210英尺外径的线缆组件能承受大于55 英尺-盎司的扭力而不影响其性能。

同样原因，拉力侧试也可以部分指示线缆组件的长期耐用性。

0.210英尺外径的线缆组件能承受来自于连接器末端20磅的轴向拉力而不影响其性能。

无论线缆组件被安装在哪个区域，在该区域需要进行维修及其它工作与否，组件都有可能受到设备或工具的重压。

采用防挤压测试可以确保线缆能在这类情况下不会受损。

这种测试要求组件被放置在平面金属板上的，并将一1/4英寸的方条以垂直于线缆纵轴的方向置于线缆上。

在此方条上置50磅的重物并保持若干分钟，线缆组件的电气性能不应有明显恶化。

可安装性与可维护性
通常，当射频组件在电气性能上被优化时，它会在机械性能上可能变得很脆弱。

而高性能的电缆线缆只有在能快速安装并保证其性能的情况下才能体现其价值。

与传统观念不同，优化线缆组件的某一特定性能不一定意味着其他性能必须下降。

通过使用高质量的材料、严格的程序控制以及先进的生产方式，线缆组件的所有电气及机械性能事实上是可以同时优化的，从而制造出最高性能的线缆组件。

作者简介：时代微波系统（Times Microwave Systems）线缆组件研发项目主管
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