射頻同軸電纜衰減的影響因素分析

（中科英華鄭州電纜有限公司，河南 鄭州 450000）

射頻同軸電纜衰減的影響因素分析

朱延偉

（中科英華鄭州電纜有限公司，河南 鄭州 450000）

移動(dòng)通信的高速發(fā)展使得射頻同軸電纜的需求增加，因而分析同軸電纜的衰減因素對(duì)我們科學(xué)決策有著重要意義。電纜的衰減表示電纜在行波狀態(tài)下工作時(shí)傳輸功率或電壓損耗程度。本文著重分析影響射頻同軸電纜衰減的因素，主要包括原材料，駐波電纜結(jié)構(gòu)和溫度等。

射頻同軸電纜；衰減；影響因素

1 概述

衰減是射頻電纜的最重要的參數(shù)之一，它反映了電磁能量沿電纜傳輸時(shí)的損耗大小。電纜的衰減表示電纜在行波狀態(tài)下工作時(shí)傳輸功率或電壓損耗程度。電纜的衰減越大，則表明信號(hào)的損耗越嚴(yán)重，電纜的傳輸效率也越差，如果電纜的總衰減等于3dB，則表明信號(hào)沿此電纜傳輸后電流或電壓的幅度約下降30%，信號(hào)功率下降50%。因此電纜的衰減是十分重要的指標(biāo)。特別是大長(zhǎng)度傳輸時(shí)更是如此，為了降低電纜的衰減，要在經(jīng)濟(jì)上劃出相當(dāng)大的代價(jià)。在選用電纜時(shí)不能認(rèn)為衰減越低越好，而是必須將這一指標(biāo)和其它因素通盤考慮，才能選得經(jīng)濟(jì)適用的電纜。

2 影響射頻同軸電纜衰減因素概述

射頻電纜主要由導(dǎo)體、絕緣、護(hù)套以及鎧裝等部分組成，其中導(dǎo)體起著電信號(hào)的引導(dǎo)作用，絕緣是電信號(hào)賴以傳輸?shù)拿浇橘|(zhì)，護(hù)套和鎧裝則對(duì)于導(dǎo)體和絕緣提供必要的保護(hù)，使電纜成品承受各種使用環(huán)境的作用。因此影響射頻同軸電纜的主要因素就可以歸納為三類：原材料，電纜結(jié)構(gòu)和溫度。

2.1 原材料

2．1.1絕緣層

絕緣是射頻信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，要求其材料和結(jié)構(gòu)選擇能保證電纜盡可能低的損耗，而且還必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以保持內(nèi)外導(dǎo)體處于同軸位置，射頻電纜絕緣可分成實(shí)心、空氣以及半空氣絕緣。絕緣對(duì)衰減的影響小些,但隨著頻率的增加其影響不斷地增大,到達(dá)2 GHz頻段時(shí),介質(zhì)衰減是不容忽視的。由于絕緣層基本均采用發(fā)泡結(jié)構(gòu),從實(shí)際的情況來看,發(fā)泡度是影響電纜介質(zhì)衰減、特性阻抗等參數(shù)的最主要因素。在50MHz以下衰減常數(shù)偏大或者超差，而高頻有余量常常是鋁塑復(fù)合帶中的鋁基太薄所致，在頻率比較低的時(shí)候，鋁基的厚度小于或者與該頻率的透射深度相當(dāng)，造成了αR過大。根據(jù)理論計(jì)算，F(xiàn)=50MHz鋁層透射深度為12.2μm（當(dāng)然如果考慮到屏蔽衰減的要求可以再適當(dāng)加厚）。

2.1.2 內(nèi)導(dǎo)體

內(nèi)導(dǎo)體是主要的導(dǎo)電元件，由于內(nèi)導(dǎo)體位于導(dǎo)體內(nèi)部，其尺寸要比外導(dǎo)體小的多，因此電纜的總損耗主要由內(nèi)導(dǎo)體的電阻所引起。為了減少電纜的損耗，要求其內(nèi)導(dǎo)體的電阻盡可能低些，通常都采用高導(dǎo)電率的金屬來制造內(nèi)導(dǎo)體，而為了提高電纜的耐高溫能力以及機(jī)械強(qiáng)度，還采用各種鍍層處理以及雙金屬材料組合結(jié)構(gòu)。

2．1.3外導(dǎo)體

外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體一樣，也是起導(dǎo)電作用的結(jié)構(gòu)元件。但外導(dǎo)體尺寸要比內(nèi)導(dǎo)體大得多，因此對(duì)于外導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率要求不如內(nèi)導(dǎo)體那么高，例如可采用鋁來代替銅作外導(dǎo)體，而對(duì)于電纜的總衰減影響不大。同軸電纜的外導(dǎo)體同時(shí)起著道題和屏蔽的作用，其機(jī)械、物理性能以及密封性對(duì)于電纜成品的質(zhì)量有很大影響，因此外導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)形式以及制造工藝的控制都十分重要。

2.2 電纜結(jié)構(gòu)

2.2.1 尺寸公差引起的電性能變化

如果同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體外徑、外導(dǎo)體內(nèi)徑、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切等與額定值相比出現(xiàn)偏差Δd、ΔD、Δε、Δtgδ，則相應(yīng)的主要電氣參數(shù)的變化為：

式中μ、ε、ρ分別為材料的導(dǎo)磁率，絕緣介電常數(shù)以及電阻率。如果把上式中μ、ε用相對(duì)值表示，并且?guī)脬~的電阻率ρ=1.724，而且直徑尺寸的d、D用毫米表示可得：

如果用偏差的相對(duì)值表示，則上述公式可寫成：

2.2.2 導(dǎo)體偏心對(duì)于電氣參數(shù)的影響

則可寫出偏心同軸線的主要參數(shù)公式為：

上述公式表明，當(dāng)電纜有一定的偏心度時(shí)，其特性阻抗會(huì)下降，電容與衰減會(huì)增大。但偏心度E《10%，上述參數(shù)的變化是不顯著的。

2.3 溫度影響

上面討論的衰減公式都是在常溫下的公式，在大功率射頻電纜中，內(nèi)外導(dǎo)體的溫度都會(huì)升高，環(huán)境溫度也要變化，因此導(dǎo)體電阻會(huì)隨之變化，從而使衰減隨溫度而變化。因此與干線通信電纜一樣，要引入一個(gè)衰減溫度系數(shù)，以反映電纜衰減隨溫度的變化情況。同時(shí)以上公式計(jì)算的衰減都是認(rèn)為電纜本身都是均勻的，但電纜在實(shí)際的工作狀態(tài)下，電纜本身不可能不均勻，負(fù)載也不可能不匹配，因而要存在駐波，它是使電纜線路的總衰減增大。

衰減常數(shù)與溫度的關(guān)系可用衰減溫度系數(shù)K來表征。衰減溫度系數(shù)K等于在確定的溫度及頻率下，衰減常數(shù)隨溫度的變化率 對(duì)某基準(zhǔn)溫度的衰減常數(shù)之比，用公式表示為：

衰減常數(shù)α與電纜回路的一次傳輸參數(shù)：有效電阻R、電感L、電容C及絕緣電導(dǎo)G有關(guān)。當(dāng)溫度改變時(shí)，材料的特性參數(shù)（電阻率ρ、介電常數(shù)ε等）及電纜的機(jī)械長(zhǎng)度都要改變，因而引起一次傳輸參數(shù)（R、L、C、G）以及二次傳輸參數(shù)（Zc、α、β）的改變。電纜回路一次傳輸參數(shù)隨溫度的改變用相應(yīng)的有效電阻溫度系數(shù)KR、電感溫度系數(shù)Kt、電容溫度系數(shù)Kc及絕緣電導(dǎo)溫度系數(shù)KG來表示。

研究表明，電感溫度系數(shù)Kt和電容溫度系數(shù)Kc的數(shù)值比有效電阻溫度系數(shù)KR小1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。因而電感及電容隨溫度的變化對(duì)衰減常數(shù)α的影響很小，可以忽略。絕緣電導(dǎo)溫度系數(shù)KG與有效電阻溫度系數(shù)KR有相同的數(shù)量級(jí)，但因干線同軸電纜所利用的頻帶內(nèi)，介質(zhì)損耗引起的衰減可以忽略，因而Kc的影響就更可以忽略了。由此認(rèn)為衰減溫度系數(shù)K等于回路有效電阻的溫度系數(shù)KR。即

交流時(shí)有效電阻與電阻率的關(guān)系為：

式中：A——換算系數(shù)

ρ——電阻率

δ——電導(dǎo)率

在交流和直流情況下，電阻溫度系數(shù)可以由下列關(guān)系式表示：

式中：R2、 2ρ、2δ及R1、 1ρ、1δ分別為溫度為t2及t1時(shí)的有效電阻、電阻率和電導(dǎo)率。由以上式子可知：

衰減常數(shù)同溫度的關(guān)系與電阻同溫度的關(guān)系相類似，可以用指數(shù)形式來表示：

式中：1α——溫度t1時(shí)的衰減常數(shù)

B——與電纜結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)

上式中的指數(shù)形式可以由冪指數(shù)形式來表示，并取其展開式的前一項(xiàng):

由以上式子可得溫度為t1時(shí)的衰減溫度系數(shù)：

根據(jù)我國(guó)電纜敷設(shè)深度地溫平均值為13℃，故電纜線路設(shè)備是以13℃作為基準(zhǔn)溫度。因此，如已知13℃時(shí)的衰減常數(shù)為α13，則任意溫度t時(shí)的衰減常數(shù)可用下式求的：

反過來，若已知13攝氏度和某一溫度t時(shí)的衰減常數(shù)α13、tα，就可求出衰減溫度系數(shù)K13：

如果測(cè)量的溫度不等于13℃，另一測(cè)量溫度也不等于13℃，則可根據(jù)下列方程式：

來求的13攝氏度的溫度系數(shù)K13：

結(jié)語

影響同軸電纜衰減的因素有很多，可以歸結(jié)為三大類，一是原材料，主要包括內(nèi)導(dǎo)體、絕緣和外導(dǎo)體等；二是溫度，根據(jù)理論公式，溫度會(huì)影響到駐波電壓比；三是導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，主要包括材質(zhì)以及材質(zhì)形狀等。

[1]王春江．《電線電纜手冊(cè)》第一冊(cè)[M]．北京．機(jī)械工業(yè)出版社．

[2]王建華．新型的物理發(fā)泡同軸電纜的制造 [J]．電線電纜,2000（4） ．

TM248

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