同轴电缆的信号传输特性分析(精)

同轴电缆的信号传输特性分析关键词:同轴电缆传输损耗屏蔽衰减

深圳市西艾特电子技术有限公司总工程师 heml

一、概述

在当今的信息社会,通过同轴电缆传输信号得到了广泛的应用。因此,它有待于人们对它进行更加深入和全面的了解。

自从美国贝尔实验室 1929年发明同轴电缆以来,已经过了数十年历史。在这期间, 同轴电缆通过了多次改进。第一代电缆采用实芯材料作为填充介质, 由于它对高频衰减大, 现在通常主要把它用于传输视频信号。后来人们把聚乙烯采用化学方法发泡作为填充介质。其发泡度可达 30%, 高频传输特性有所提高。我们把这称为第二代电缆。 80年代,第三代纵孔藕芯电缆出现,它的高频衰减达到目前新型电缆的水平。但化学发泡电缆和纵孔藕芯电缆的防潮特性都不好。 90年代初, 市场推出了物理发泡电缆和竹节电缆。我们称为第四代电缆。竹节电缆虽然能防潮和高频损耗低, 但介质具有不均匀性, 在高频有反射点。后来无人使用。物理发泡电缆的发泡度可达 80%。介质主要成分是氮气, 气泡之间是相互隔离的。因此,它具有防潮和低损耗的特点,是目前综合特性最好的同轴电缆。

图一

二、电缆结构与信号传输特性

同轴电缆的结构如上图,在中心内导体外包围一定厚度的绝缘介质,在介质外是管状外导体, 外导体表面再用绝缘塑料保护。它是一种非对称传输线, 电流的去向和回向导体轴是相互重合的。

在信号通过电缆时,所建立的电磁场是封闭的,在导体的横切面周围没有电磁场。因此, 内部信号对外界基本没有影响。电缆内部电场建立在中心导体和外导体之间,方向呈放射状。而磁场则是以中心导体为圆心,呈多个同心圆。这些场的方向和强弱随信号的方向和大小变化。

1、同轴电缆对传输信号的损耗

同轴电缆在传输信号过程中,会对信号不断地损耗,从而造成信号到达终点后幅度减小, 有时可能达不到正常工作要求。影响信号损耗的因素主要有电缆的电阻损耗、介质损耗、失配损耗。同时泄漏损耗在低质电缆工作于高频时,也是一个不可忽略的问题。我们下面分别对这些损耗进行分析。

电阻损耗

电阻损耗是电缆所具有的直流电阻和导体高频感应所产生的涡流对信号能量的消耗。电阻值的大小与电缆使用的材料和生产工艺有关。同时它会随传输频率的改变而改变, 原因是导体在传输交流信号中, 具有趋肤效应。随着频率的增加,有效电阻会不断加大。见图 2(a

图 2

从图中可看到,当交流电流流通过导体时,会在导体周围产生交变磁场。该

磁场又会使导体内部生成新的感应电流(涡流 ,该电流的方向如图所示。它与

导体中心的信号电流方向相反。与导体表面的信号电流方向相同。这样, 导体内

部的信号电流被反向涡流抵消, 电流减小; 导体表面的信号电流与同向涡流相加同,电流增大。这就是交流通过导体的趋肤现象。

随着信号频率的增高,感应电流增大,这种现象就越加明显。它使电流只集中在表面很小的截面流动,造成导体的有效电阻明显增加。

信号的趋肤深度与频率和材料有关,频率越低,趋肤深度越深;频率越高, 趋肤深

度越浅。铁比铜的趋肤深度小许多。

下面给出铜对各种频率的趋肤深度表,供大家参考

表 1 频率 (Hz 10 60 1000M 深度(mm 0.660.20866μμ7.6μ2.0μ

导体内部的涡流能量来自于信号源本身,涡流在导体中流动,最终变成热被耗散掉。频率越高涡流越大,趋肤越严重,导体的有效电阻越大,而传输信号损耗也就越大, 这就是同轴电缆传输信号的频率越高损耗越大的主要原因。通过下面同轴电缆在20 0C , 1000米时的导体电阻衰减对照表,可以进一步明确上述概念。

介电常数为 1.4的 75-5物理发泡电缆电阻衰减对照表表 2频率(MHz

衰减(db 44.0486.2897.57

电阻损耗在传输低频时, 由导体材料的直流电阻起主要作用; 在传输高频时, 由趋肤效应引起变化的电阻起主要作用。

介电常数为 2.3的 75-5实芯电缆电阻衰减对照表表 3频率(MHz

衰减(db 51.22

介质损耗

介质损耗是同轴电缆中心导体与外导体间的电介质 (绝缘体对信号的损耗。量度电介质的一个重要参数是介电常数。它是指在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的“介电常数” 。介电常数通常随温度和介质中传播的电磁波的频率而变化。

同轴电缆的内外导体相当于电容的两极。由于实用中的电缆电介质有电阻存在,介电常数通常大于 1。因此,传输中对信号的损耗是必然的。介电常数的大小与材料和加工工艺(如发泡有关。介电常数越大,对信号的损耗也越大。温度越高, 频率越高, 介电损耗越大。下面是两种不同介电常数电缆在 20 0C , 1000米时的频率损耗表。

介电常数为 1.4的 75-5物理发泡电缆介电衰减对照表

表 4 频率(MHz

衰减(db 14.5416.1517.7740.38介电常数为 2.3的 75-5实芯电缆介电衰减对照表

表 5 频率(MHz

衰减(db 14.56

18.6351.75

从表中可以看出,介电损耗对于低频(如 0-6MHz 的视频影响不大。而在高频传输时,它的影响就十分明显。

图 3

失配损耗

失配损耗主要与同轴电缆的物理结构密切相关。如果同轴电缆在设计和生产中造成电缆脱离标称阻抗或者电缆阻抗不均匀, 均会造成信号的失配损耗。在施工中造成电缆的过度弯曲、变形、损伤和接头进水,也会造成失配损耗。见图 3 同轴电缆的特性阻抗(不是直流电阻与电缆长度无关,它是由电缆中的等效电容和电感决定的。而这些等效电容和电感又是由内外导体直径和介质的介电常数决定的。

电缆阻抗不均匀或与信号源及负载不匹配均会造成电缆在传输信号时, 部分信号能量向传输方向相反的方向返回, 即反射。它将使原有信号受到影响。造成传输效率下降。严重时直接影响系统的正常工作。

信号在传输中反射的程度通常可用驻波比或反射损耗(回波损耗来表示。以反射损耗与传输效率的对照表,可以了解不同的反射损耗对信号传输的影响。