同轴电缆的有关特性及其在广播设备中的应用

同轴电缆的结构特性及在广播技术中的应用

广电总局五五四台关芳

摘要：同轴电缆在工程技术中应用广泛。本文从同轴电缆的结构入手，阐明其相关参数，以利于我们在日常技术工作中更好的了解和使用同轴电缆。

关键词：同轴电缆、屏蔽层、特性阻抗、信号传输、干扰

同轴电缆具有良好的电磁屏蔽性能，信号传输损耗小，易匹配，波阻抗值稳定。在我们广播技术中，常用同轴电缆来传输高频率的电信号，应用广泛。

1、同轴电缆结构

同轴电缆主要由两个相互隔离的同心导体——芯线和屏蔽层导线构成的。之所以称其同轴电缆，就是这两根导体线的轴心保持重合。中间芯线导体采用单芯或多芯铜线，也有采用铜包钢或铜包铝材料，以减轻自身重量，增加电缆的抗拉伸强度，同时也降低了成本。屏蔽层是由满足传输阻抗和ECM规范说明的金属带或薄片组成,最外层用绝缘护套保护，外部隔离材料一般选用聚氯乙烯（如PVC）或类似材料。内外导体间填充满绝缘介质，绝缘材料必须满足同轴电缆电气参数并使芯线和屏蔽层导线始终保持在合适位置。同轴电缆的结构如图1所示，d为芯线直径，D为屏蔽层的物理直径。同轴电缆具有足够的可柔性,能支持254mm(10英寸)的弯曲半径。

绝缘介质

屏蔽层

图1 同轴电缆的物理结构视图

同轴电缆主要电气参数有：

(1)特性阻抗同轴电缆的平均特性阻抗（以50Ω为例）为50±2Ω。

(2)同轴电缆的传播速度需要的最低传播速度为0.77C(C为光速)。

(3)同轴电缆直流回路电阻电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米(在20℃下测量)。

2、同轴电缆的特性阻抗

同轴电缆的特性阻抗是其重要的技术参数。同轴电缆根据其工作频带的差异，可分为两种基本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前的基带同轴电缆，其屏蔽线常是铜质网状结构,特征阻抗为50(如RG-8、RG-58等)；宽带同轴电缆常用的电缆屏蔽层通常是用铝冲压而成的，特征阻抗为75(如RG-59等)。特性阻抗是无线电技术中某特定信号经过双口网络时，网络两侧的阻抗特性。为了使电缆所传输的信号在整个频带内都能与负载阻抗相匹配，

则希望同轴电缆的特性阻抗为一纯阻，以满足信号的不失真传输条件。在高频情况下通过计算，忽略同轴电缆内分布电感和分布电容的影响，其特性阻抗可近似为一纯阻，满足上面的条件。这时的特性阻抗仅与其本身的尺寸、填充的绝缘介质等参数有关，而与传输信号的频率无关。

参照同轴电缆的结构图1所示，其特性阻抗（Z 0）的理论计算公式为：

d

D Z lg 138

0γε= γε为所填充绝缘介质的相对介电常数

D 为屏蔽层的物理直径

d 为芯线直径

可以看出同轴电缆的特性阻抗值取决于电缆内、外导体间的相互距离，距离越远则阻抗越大。实用的同轴电缆的特性阻抗常有50Ω、75Ω、100Ω三种，根据不同的工作环境选用。由于受制作工艺的限制，同轴电缆的特性阻抗与标称阻抗常有一定误差，在选用时应作为一项技术标准，误差越小越好。

3、同轴电缆的屏蔽效能

同轴电缆是一种常用的屏蔽电缆，能够抑制所传输电信号的电磁泄露，屏蔽异常环境下的电磁干扰。其屏蔽效能的高低主要取决于其外芯屏蔽层的效能，与屏蔽层的材料及其网编织密度有关，也与电缆屏蔽层的接地方式、信号源阻抗和负载的匹配等因素有关。我们常见或常用的金属丝编制层是一种使用方便、质量小、成本低的一种屏蔽层，应用非常广泛，但其屏蔽效能尚无精确计算公式，只能实测或由生产厂家提供，其屏蔽效能随网编制密度的增加而上升，随传输信号频率的升高而下降。

同轴电缆的屏蔽效能还与电缆安装时的弯曲程度有关，因为屏蔽网编织层的实际覆盖率随电缆弯曲程度的不同而产生变化。电缆弯曲时，靠近内侧的覆盖率增加，而靠近外侧的覆盖率则显著减小。同时，电缆过度弯曲，会导致电缆芯线的位置偏移而引起特性阻抗的变化。所以电缆在安装时，室内使用要求最小弯曲半径应大于5倍的电缆外径，室外使用应不小于10倍的电缆外径。

4、同轴电缆的衰减特性 同轴电缆本身具有衰减特性，高频电磁波在同轴电缆中传输时产生一定量的衰减或说损耗。高频下同轴电缆的衰减：第一项为金属损耗造成的衰减，第二项为介质损耗造成的衰减，频率超过几兆赫时应不大于总衰减的1%。电缆中所传输电磁波的电压和电流的振幅值不是一个常量，而是按指数曲线x e ⋅-α随传输距离x 的不同而衰减的。α为同轴电缆的衰减常数，公式表述比较复杂，它与传输信号的频率和同轴电缆的结构参数等有关。信号频率越低，衰减常数越小；传输距离越近，衰减量越小。

同轴电缆的衰减一般指500米长的电缆段的衰减值。当用10MHz 的正弦波进行测量时,它的值不超过8.5db(17db/公里)；而用5MHz 的正弦波进行测量时,它的值不超过6.0db(12db/公里)。

当频率超过几十兆赫时，屏蔽层导体表面发生氧化会产生一种新的损耗—视在介质损耗。氧化层一般很薄（约几微米），频率低时（几兆赫以下），电流透入深度有几十微米，电流在氧化层流通的部分较小，氧化产生的影响不大；但频率高于几十兆赫时，投入深度较

小，大部分电流在氧化层传输，氧化层的电阻率大于导体，使衰减增大，因此要尽可能的避免屏蔽层发生氧化。

5、同轴电缆的传输适用频率

同轴电缆常用来传输高频率的电信号，不适用于低频率信号传输。

当同轴电缆传输信号的频率足够高时，在屏蔽层两端接地的情况下，信号的返回电流几乎全部经过屏蔽层，流入地线的很少，芯线与屏蔽层中的电流大小近乎相等，方向相反，故往返电流在屏蔽层外的漏磁场相互抵消，以抑制外部的电磁干扰，同时防止内部的电磁泄露。

在同轴电缆传输低频（＜kHz）信号时，则外屏蔽层作为信号的返回导体，与内部的单根芯线一起构成一对信号线时，信号的返回电流几乎全部由地线流过，屏蔽层对外部磁场的抑制能力很差，易引入低频传导性干扰。鉴于此，同轴电缆在工业控制中应用很少。然而，同轴电缆广泛应用于传输有线电视信号，工作频率从低频（音频）直到高频，则是通过正确的接地来实现信号的正常传输的。

6、广播技术中同轴电缆的接地方式

广播发射设备也即高频的信号放大器，同轴电缆有较多使用，用以传输或测试高频率的RF（射频）信号。为了保持同轴电缆的正确电气特性，电缆屏蔽层必须正确接地，同时两头要有终端器来削弱信号反射作用。广播发射设备有其自身的特点，发射机的金属外壳构件常通过连接接地极良好接地，以屏蔽外部电磁干扰，防止内部的电磁泄露。但发射机的内部常有大量的干扰源设备，常是恶劣高频电磁波环境。在发射机内部以同轴电缆传输高频电信号时，常采用屏蔽层两端接地方式，即屏蔽层在电缆首尾的两个端点均连接机器地。这是由于高频信号的集肤效应作用，信号电流只是沿同轴电缆芯线的外表面流动，而返回电流则集中在同轴电缆屏蔽层线的内表面流动，又因为外部干扰所产生的噪声电流只是经由屏蔽层的外表面流动，将屏蔽层采用两端接地可以保证其外表面有最小的地电位。

但若同轴电缆内传输的电信号频率过高，电缆长度接近或大于波长λ时，安装结构上常需要将电缆穿过金属管线，每隔（0.05∽0.1）λ的间隔将金属管线接地一次，以避免屏蔽层上的高电平噪声电压通过分布电容耦合到芯线上。

在测试RF信号时，通常用同轴电缆与测试仪器连接，连接电缆也宜采用两点接地方式。由于测试仪器的“地”与发射机的“地”常属不同的接地点，故对测试仪器的接地有一定要求，一般要求零线与地线间的电压应小于交流有效值2v，如果测试仪器的接地不好，仅相当于同轴电缆屏蔽层在一端接地，则仅能起到电屏蔽的作用，对磁干扰的衰减量为零，屏蔽层起不到抑制漏磁场对信号的干扰，以至于测量误差过大甚至使测量无法进行。

小结：同轴电缆是工程技术中常用的一种传输电缆，通过对其特性及在广播技术应用中的简单介绍，有助于我们对同轴电缆的认识和了解，有助于正确地使用同轴电缆。