低損耗同軸電纜組件設(shè)計(jì)方法研究

王小愛（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

低損耗穩(wěn)相同軸電纜組件是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中重要的傳輸元件之一，其具有優(yōu)良的傳輸性能，傳輸頻率更高、信號更穩(wěn)定，愈來愈廣泛的應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)中。較普通的同軸電纜組件而言，低損耗穩(wěn)相同軸電纜組件具有更優(yōu)越的相位穩(wěn)定性和相位一致性、更低的組件損耗和電壓駐波比等性能。

低損耗穩(wěn)相電纜組件的研制，在射頻傳輸理論、射頻連接器仿真技術(shù)、低損耗穩(wěn)相電纜組件的設(shè)計(jì)上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，針對產(chǎn)品總結(jié)設(shè)計(jì)方法。

1 特征阻抗

特征阻抗是同軸電纜的一個很重要的性能。特征阻抗不同，會出現(xiàn)不匹配和反射，從而導(dǎo)致傳輸失真。低損耗穩(wěn)相同軸電纜組件的特征阻抗由同軸電纜和連接器導(dǎo)體的尺寸及絕緣的相對介電常數(shù)決定。特征阻抗是一個復(fù)數(shù)，且與頻率有關(guān)。

式中： L 單位長度傳輸線上的電感；R 單位長度傳輸線內(nèi)部的電阻；G 單位長度傳輸線介質(zhì)的電導(dǎo)；C 傳輸線上的電容；j 復(fù)數(shù)的虛部；ω=2πf, f是頻率。

在高頻下，電流只流過導(dǎo)體表面，此現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。此時，導(dǎo)體有效橫截面積減小，阻抗增加。因此在高頻下公式（1）中的R、G可以看做為0。那么式（1）簡化為：

高頻率下，導(dǎo)體的內(nèi)部電感很小，每單位長度上的電感接近于每單位長度上的外部電感，因此L可以表達(dá)為：

式中：μr介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率；μ0真空的磁導(dǎo)率；D外導(dǎo)體的內(nèi)徑；d內(nèi)導(dǎo)體的外徑。

單位導(dǎo)體的電容可按下式計(jì)算：

式中：ωr介質(zhì)的介電常數(shù)；ω0真空的介電常數(shù)

將式（3）、（4）代入式（2），并只考慮非磁性介質(zhì)，可以得到工程上常用的特征阻抗計(jì)算公式：

從上式看出，可以根據(jù)合理選擇導(dǎo)體直徑和絕緣介電常數(shù)來調(diào)整特征阻抗的大小。

在理想傳輸線中，特征阻抗是均勻的、恒定的，而實(shí)際中連接器的結(jié)構(gòu)、電纜的尺寸都會引起特征阻抗的變化。這是由于連接器內(nèi)部設(shè)計(jì)必須有支撐內(nèi)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和與電纜匹配的直徑突變；同軸電纜制造過程中導(dǎo)體尺寸和介質(zhì)材料的微小變化，這些都會引起特征阻抗的失配。特征阻抗每一小波動都會引起一小部分信號電壓反射回去，特征阻抗變化越大，被反射的電壓越大，圖1闡述了此現(xiàn)象。

圖1 阻抗變化引起的反射Fig. 1 Reflection caused by impedance changes

特征阻抗的每一這種變化都會產(chǎn)生一個反射電壓。這些電壓疊加到一起，可在電纜的輸入端測到一總的反射信號。電纜輸入端的回波損耗RL定義如下：

式中：V=輸入電壓；Vr=總的反射信號電壓。

電纜終端電阻若與其特征阻抗匹配，則電纜終端不會產(chǎn)生反射。一般行業(yè)中采用電壓駐波比代替回波損耗，即電壓駐波比或VSWR，它的定義如下：

從阻抗匹配的研究獲得保證阻抗匹配的常用公式（5），但由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造公差不可避免的產(chǎn)生阻抗突變，可以采用回波損耗式（6）或電壓駐波比式（7）來衡量阻抗突變造成的影響大小。

從輸入端到輸出端處能量的減少就是衰減（有時也稱為縱向損耗），電纜的衰減用分貝/單位長度表示，如dB/m。根據(jù)上述定義，電纜衰減公式是：

式中：P1終端負(fù)載與電纜特征阻抗匹配時電纜的輸入功率，P2此電纜遠(yuǎn)端的功率

組件中同軸電纜的衰減受其結(jié)構(gòu)和使用頻率的影響，衰減隨頻率的升高而增加，這是由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和介質(zhì)的損耗引起的?？捎孟率龉接?jì)算給定頻率的衰減α：

式中：αR=電阻性衰減;αg=介質(zhì)性衰減;α1=導(dǎo)體損耗系數(shù);α2=介質(zhì)損耗系數(shù)。

導(dǎo)體損耗系數(shù)與導(dǎo)體電阻率和尺寸有關(guān)，內(nèi)外導(dǎo)體的表面電導(dǎo)率應(yīng)盡可能高。衰減的一致性，對于阻抗一致性好的組件,衰減應(yīng)該是一條比較平滑的下滑曲線, 但如果組件電纜有較大的阻抗跳動時, 對應(yīng)的衰減曲線也會出現(xiàn)“刺”狀的曲線如圖2,產(chǎn)生阻抗跳動最主要的地方是連接器與電纜的連接處。

圖2 衰減曲線的”刺”狀現(xiàn)象Fig. 2 Phenomenon like "thorn"of decay curve

衰減的穩(wěn)定性，編織型電纜的衰減會隨時間的增長或彎曲次數(shù)的增加而增大， 主要原因是內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體因?yàn)橛型饨绲某睗窨諝馇秩攵趸?，另外絕緣材料的變質(zhì)也會影響衰減的增加。而對于多次彎曲后，一般導(dǎo)體材料，如鋁箔就容易開裂而造成導(dǎo)電性能下降，或絕緣介質(zhì)已經(jīng)發(fā)生變形等，這些因素都容易使衰減變化。

2 低損耗穩(wěn)相電纜組件的工作頻率

低損耗穩(wěn)相電纜組件的工作頻率高，一般達(dá)到18 GHz，因此要求射頻同軸連接器的工作頻率相應(yīng)的滿足要求，根據(jù)截止頻率的計(jì)算式（1）確定連接器的界面尺寸。連接器的連接形式一般采用螺紋連接，連接時采用扭矩扳手旋合到位時，并且在振動和受到外力的情況下連接器的插頭、插座電氣基準(zhǔn)面不應(yīng)產(chǎn)生間隙。

式中：fc截止頻率;D同軸連接器外導(dǎo)體內(nèi)徑;d同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體外徑;εr絕緣介質(zhì)介電常數(shù)。

3 連接器與電纜端接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 同軸連接器配接電纜結(jié)構(gòu)Fig. 3 Coaxial connector adapter cable structure

同軸電纜與連接器的中心導(dǎo)體主要采用焊接形式，在低損耗穩(wěn)相電纜中為保證阻抗的連續(xù)和相位的一致性通常采用焊接后螺母固定方式。如圖3所示，焊接后螺母固定，主要適配低損耗穩(wěn)相同軸電纜，外導(dǎo)體掛錫處理，便于焊接，螺母起的作用是將焊接電纜外殼固定的作用。

在低損耗穩(wěn)相電纜的設(shè)計(jì)中同軸電纜自身的相位穩(wěn)定性指標(biāo)至關(guān)重要，而連接器本身所帶來的相位變化及微小，在設(shè)計(jì)中只考慮結(jié)構(gòu)連接的牢固可靠即可。

4 結(jié)束語

文中介紹了低損耗穩(wěn)相電纜組件的設(shè)計(jì)，低損耗穩(wěn)相電纜組件設(shè)計(jì)包含連接器界面的選擇、連接器與電纜端接形式設(shè)計(jì)、連接器阻抗匹配設(shè)計(jì)。

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