射频电缆的参数理论

射频电缆的参数理论

第一节特性阻抗

特性阻抗是选用电缆的首先要考虑的参数，它定义为电缆处于匹配状态（即线路上无反射波）时沿线路分析的电压与电流的比值，实际上它代表了无限长线路始端呈现的阻抗。特性阻抗是电缆本身的参数，它取决于导体的直径以及绝缘结构的等效介电常数。

特性阻抗对于电缆的使用有很大的影响，例如在选择射频电缆作为发射天线馈线时，其特性阻抗应尽可能和天线的阻抗一致，否则会在电缆和天线的连接处造成信号反射，使得天线得到的功率减少，电缆的传输效率也会下降，更为严重的是，反射的存在会使电缆沿线出现驻波，有些地方会出现电压和电流的过载，从而造成电缆的热击穿或热损伤而影响电缆的正常运行。电缆内部反射的存在，还会造成传输信号的畸变，使传输信号出现重影，严重影响信号传输质量。

为了便于使用，射频电缆的阻抗已经标准化了。因此在选用电缆时应尽可能选用标准阻抗值。对于射频同轴电缆有以下三中标准阻抗：

50±2ohm 推荐使用于射频及微波，用于测试仪表以及同轴－波导转换器等；

75±3ohm 用于视频或者脉冲数据传输，用于大长度例如CATV电缆传输系统；

100±5ohm 用于低电容电缆以及其它特种电缆。

以下是同轴电缆特性阻抗计算的各种公式。

§1.1同轴电缆阻抗公式

根据传输理论，特性阻抗公式为：

Zc＝

式中，R、L、G、C、代表该传输线的一次参数，而ω=2πf代表信号的角频率。

对于射频同轴电缆传输高频信号，通常都有R＜＜ωL，G＜＜ωC，此时特性阻抗公式可以简化为：

Zc =＝60•ln(D/d)/＝138•lg(D/d)/（ohm）

式中，D为外导体内直径（mm）

d为内导体外直径（mm）

ε为绝缘相对介电常数

R:射频电缆的参数理论基础

表1给出了常用绝缘材料的相对介电常数。

表1常用介质材料的特性

介质种类介电常数ε（1000KHz）介质损耗角正切 tgδ

空气 1.00 0

聚乙烯 2.30 ＜0.0002

物理发泡聚乙烯 1.20~1.30 ＜0.0001

聚丙烯 2.55 0.0004

聚四氟乙烯 2.10 ＜0.0002

聚全氟乙丙烯 2.10 ＜0.0002

泡沫绝缘的是一种常用的半空气绝缘形式，其等效介电常数公式为：

εr＝ε·｛2ε＋1－2P（ε－1）｝/｛2ε＋1＋P（ε－1）｝

式中，ε为绝缘相对介电常数

P为绝缘发泡度，它表示发泡绝缘介质内所有气泡的体积与绝缘总体积的比例。

发泡度P可以用以下方法确定：

P＝1-d

发泡/d

实心

式中， d

为发泡绝缘的比重

发泡

为实心绝缘材料的比重

d

实心

§1.2编织同轴电缆阻抗公式

射频同轴电缆电缆在移动条件下使用时，其内外导体均不是理想的圆柱体结构，此时的阻抗公式引入相应的修正系数以考虑结构的影响。

对于绞线内导体、编织外导体组成的射频同轴电缆，其阻抗公式为：

d)｝/（ohm）

Zc ＝138•lg｛(D+1.5dw)/(k

1

式中， dw为编织外导体的单丝直径（mm）

k

绞线内导体的有效直径系数，可由表2查出。

1

R:射频电缆的参数理论基础( 发表于2006-11-22

10:43:16 )

表2绞线内导体的有效直径系数

1 3 7 1

2 19 37

绞

线

根

数

1.000 0.871 0.939 0.957 0.970 0.980

有

效

直

径

系

数

k

1

§1.3皱纹外导体同轴电缆阻抗公式

皱纹外导体已经获得广泛应用，阻抗尚无标准

的方法计算，可以利用电容电感参考方法进行计算。

定义：

皱纹波峰内径：Do

皱纹波谷内径：Di

皱纹深度：m

皱纹节距：h

内导体外径：d

皱纹外导体同轴电缆的电感可以利用下式计

算：

L＝4.6×10-7lgD/d （H/m）

式中，D为皱纹外导体平均直径，D＝Di＋m＝Do －m

皱纹外导体的电容可以看成是波谷处电容C1和波峰处电容C2的平均值，即

C=(C1+C2)/2

式中，C1＝24.13·ε/lgDi/d，ε代表皱纹波

谷下的绝缘的等效介电常数

C2可以通过以下公式计算：

1/C2＝1/C1+ ｛lg（Di+2m）/Di｝/24.13 （pF/m）

计算出C1和C2后可以计算阻抗：

Zc =

§1.4特性阻抗与电容的关系

同轴电缆的特性阻抗与电容有如下简单的关

系，即

Zc＝104/3·/ C

式中，C为电缆电容（pF/m）

第一节电容

电容是射频电缆的一个重要参数，同轴电缆的电容按照下式计算：

C＝1000ε/（18lnD/d）＝55.56ε/（lnD/d）＝24.13ε/（lgD/d）（pF/m）

第二节衰减

衰减是射频电缆的重要参数之一，它反映了电磁能量沿电缆传输时的损耗的大小。

电缆的衰减表示电缆在行波状态下工作时传输功率或者电压的损耗的程度，即

αl＝10lgP1/P2＝20lgU1/U2（dB）

式中，α为电缆的衰减常数（dB/m）

l为电缆长度（m）

R:射频电缆的参数理论基础

电缆的衰减越大，表明信号的损耗越严重，电缆的传输效率越差，如果电缆的衰减为3dB，表明信号传输此电缆后电压或电流的幅度下降30%，信号功率下降50%。为了提高电缆的传输效率，总是希望电缆的衰减尽可能的低，但低损耗的电缆通常要贵许多，这是因为它通常制成大尺寸，并且采用结构复杂的空气或半空气绝