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[問題求助] 什么是RF高頻傳輸線材?
P:2007-11-08 09:55:01
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RF電纜即射頻電纜
</div>1 引言
射頻同軸電纜主要應(yīng)用于電子通信設(shè)備、無線電通信系統(tǒng)的射頻發(fā)射單元、樓宇布線及CATV的分配和接入網(wǎng)，以其寬頻
帶、高速率的多媒體傳輸性能而廣泛使用。作者長期從事于射頻電纜的研究和開發(fā)，并有機(jī)會(huì)與同行，以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)管商
切磋交流，期望把自己在設(shè)計(jì)和制造中的一些心得體會(huì)以雜談的形式與大家交流，并望得到大家的指教，共同提高，共
同進(jìn)步。本文主要論述基站用射頻同軸電纜設(shè)計(jì)和制造的若干問題的分析，以及如何解決，供有關(guān)人員的參考�！ �
2 損耗與駐波
2.1損耗和駐波峰值的計(jì)算
射頻同軸電纜的損耗和駐波分別表征了電纜傳輸效率及其均勻性，是最重要指標(biāo)之一。對(duì)于這些傳輸參數(shù)的計(jì)算是非常
重要的，它可以分析電纜產(chǎn)品性能并反饋于電纜的設(shè)計(jì)或修改設(shè)計(jì)方案是必不可少的。其計(jì)算公式如下：
α=αR+αG+Δα .............. (1)
αR=2.61 sprt（fε）(K1/d+K2/D)/lgD/dαG=91fsprt(ε)tgδΔα=10lg[(S+1)2/4S]
式中：
α為電纜衰減(dB/1000m)；
αR為導(dǎo)體衰減(dB/1000m)；
αG為介質(zhì)衰減(dB/1000m)；
Δα為失配衰減(dB/1000m)；
f為工作頻率（MHz)；
ε為相對(duì)介電常數(shù);
K1、K2分別為內(nèi)、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料系數(shù)；
d、D分別為內(nèi)、外導(dǎo)體的等效直徑(mm)；
tgδ為絕緣的介質(zhì)損耗角正切；
S為電壓駐波比。
光電纜中出現(xiàn)2倍波長的不均勻性時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)駐波峰值，若電磁波波速為3×108m/s，則
f(/Δf)=150/(sprt(ε)×h) ..................（2）
式中：
f(/Δf）為測(cè)試頻率或頻率差(MHz)；
h為阻抗不均勻點(diǎn)的長度(m)。
駐波峰值在電壓駐波比（VSWR）測(cè)試時(shí)表現(xiàn)出兩種形式：一種是在某頻點(diǎn)出現(xiàn)，則可能由電纜中相應(yīng)長度的周期性不均
勻所引起的;另一種在周期性頻率點(diǎn)上出現(xiàn)，其頻率差相對(duì)應(yīng)的長度較長，則通常是由被測(cè)電纜的某一點(diǎn)損傷所引起的
，或因整根樣品的阻抗不匹配導(dǎo)致的�！ �
2.2實(shí)例分析
我國西部地區(qū)地廣人稀，無線接入系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)該農(nóng)村地區(qū)通信的一種主要手段。某公司在該系統(tǒng)中使用5D-FB型射頻同
軸電纜作為饋張。該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)出自于日本關(guān)西電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其導(dǎo)線的直徑為1.8mm，物理發(fā)泡聚乙烯絕緣外徑為5.0mm
。經(jīng)過討論和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)在頻率為247MHz、損耗＜13dB時(shí)，即可滿足傳播的覆蓋范圍為15～50km的要
求。由此，某公司為了節(jié)約電纜制造成本，將該電纜的結(jié)構(gòu)尺寸減小為：導(dǎo)線直徑1.4mm，絕緣線芯外徑4.5mm，結(jié)果出
現(xiàn)電纜性能不夠穩(wěn)定，尋求作者幫助解決。
該公司提供了圖1、2所示的改型后的產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（試樣長為20.15m)。
圖1 改型后電纜的駐波及及圓圖曲線
從圖1、2可知，當(dāng)效率300MHz時(shí)的衰減為11.76dB/100m，與原5D-FB的指標(biāo)相接近，甚好；但是其電壓駐波比（VSWR）
在318MHz處達(dá)1.7349，超過了原技術(shù)指標(biāo)。本人認(rèn)為這主要是由于電纜阻抗不匹配所引起的，于是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上
取其11個(gè)峰值點(diǎn)，并前后頻率差值除以10，得到頻率差Δf=6.2MHz，按式(2)計(jì)算可得ε=1.44，再由式(3)和式(4)求得
電纜的波阻抗Zc(Ω)和工作電容C(pF/m)
Zc=138lg(D/d)/sprt(ε)...............(3) =138lg(4.5/1.4)/sprt(1.44) =58.3C=24.13ε/lg
(D/d)........................(4)=24.13×1.44/lg(4.5/1.4)=68.5
圖2 改型后電纜的衰減-頻率特性曲線
由式(3)可知，Zc=58.3Ω已超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，這是造成駐波比過大的根本原因，經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)，認(rèn)為導(dǎo)線直徑仍為1.4mm
，但絕緣外徑改小為3.9mm是較合理的，在線測(cè)試電容為82pF/m。經(jīng)結(jié)構(gòu)尺寸修正后投入試生產(chǎn)，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽樣試
驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4，試樣長度為19.5m。
圖3 修正后電纜的駐波及圓圖曲線
從圖3、4可知，Δf=6.2MHz，相應(yīng)波阻抗Zc=49.5Ω，在147MHz時(shí)損耗α=8.78dB/100m，265MHz時(shí)α=12.11dB/100m，
460MHz時(shí)α=16.87dB/100m，而其駐波峰值在462MHz處為1.33。這些指標(biāo)均完全滿足使用的要求。由此可知，當(dāng)產(chǎn)品結(jié)
構(gòu)改型時(shí)，要首先進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，否則有可能像上述公司那樣錯(cuò)誤認(rèn)為增大絕緣外徑，減小電容，就可獲得較低損耗，
但結(jié)果卻適得其反。
圖4 修正后電纜衰減-頻率特性曲線
為了更好地說明電纜衰減中導(dǎo)體與介質(zhì)之間所占比例，可以通過式(1)，以及上述已知測(cè)試值（圖3、圖4）進(jìn)行運(yùn)算來
說明問題。為了簡略起見，把導(dǎo)體常數(shù)K1、K2以1代入（圓銅線為1），此時(shí)導(dǎo)體衰減分量可能偏小，而計(jì)算出介質(zhì)損耗
為最大值，但不影響分析。將上述147MHz（S=1.1）和460MHz（S=1.2）的衰減值代入式(1)可得以下聯(lián)列方程
{69sprt(ε) +13377sprt(ε) tgδ+0.5=87.8 .........(5)122sprt(ε) +41860sprt(ε)tgδ+1.8=168.7 ........
(6)
解之可得：sprt(ε) =1.132；tgδ=6.1×10-4。并將它們代入460MHz頻點(diǎn)的衰減公式(6)可得αR=138.1
(dB/1000m)............... (8)αG=28.9(dB/1000m)................ (9)
從式(7)、式(8)可知，在460MHz頻點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)體損耗占該電纜總損耗的80%，而其中內(nèi)導(dǎo)體占總損耗的60%，這說明要降低
產(chǎn)品的損耗，首先要從內(nèi)導(dǎo)體上下工夫。同樣也可以看出：介質(zhì)損耗與頻率f成正比，而導(dǎo)體損耗僅僅與頻率的開方根
成正比。例如，在較低頻率147MHz時(shí)，其導(dǎo)體損耗占總損耗90%，但隨著傳輸頻率增加，尤其傳輸頻率達(dá)幾千兆赫后，
介質(zhì)損耗起著主導(dǎo)地位，這一點(diǎn)在本文第4節(jié)中將詳細(xì)介紹。
3導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和選擇
3.1復(fù)合銅線和銅層厚度
射頻同軸電纜是傳輸射頻信號(hào)，因此信號(hào)在導(dǎo)體傳輸中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即信號(hào)僅僅在電纜的內(nèi)導(dǎo)體外表面和外導(dǎo)體內(nèi)表
面進(jìn)行有效傳輸。內(nèi)導(dǎo)體除采用實(shí)心銅線外，還經(jīng)常使用銅包覆線或空心銅管，以增加強(qiáng)度或節(jié)約材料，其中也包含著
集膚效應(yīng)原因，提高有效的傳輸�！ �
對(duì)于銅包覆線，如銅包鋼線來說，銅層的厚度δ＞0.07mm·sptr(f)（f單位為MHz），即可實(shí)現(xiàn)同規(guī)格純銅線的傳輸效
果。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定銅包鋼線電阻率≤0.059Ω·mm2/m(即電導(dǎo)率為29.7%IACS），以直徑為1.6mm銅包鋼線為例，銅電阻
率為0.0175Ωmm2/m，鋼電阻率為0.147Ωmm2/m，將鋼絲及其表面銅層看作兩個(gè)導(dǎo)體并聯(lián)，可算出表面銅層的厚度為
0.025mm，代入δ＞0.07·sptr(f)可知，當(dāng)傳輸頻率大于1.67MHz時(shí)，其完全等效于同規(guī)格的實(shí)心圓銅線。了解了這計(jì)
算方法，對(duì)于企業(yè)采購原材料是非常有用的。
3.2實(shí)例分析
Amphenol公司中國分公司需要RG-213同軸電纜，作為移動(dòng)通信基站跳線，但該產(chǎn)品采用3/8in皺紋銅管外導(dǎo)體，彎曲性
能太差，故提出電纜改型的要求。開始由英國和瑞士等兩家電纜制造廠提供編織銅絲外導(dǎo)體的電纜樣品供其試用，但經(jīng)
采購認(rèn)證試驗(yàn)后達(dá)不到使用要求，然后轉(zhuǎn)向本廠并提出試制的要求。用戶提出的產(chǎn)品技術(shù)要求:試樣的長度，即電纜和
組件長度為2.25m（即包括兩端接插連接器），在2000MHz以下傳輸損耗＜0.9dB，回波損耗＞15dB。經(jīng)考慮，作者承諾
兩周內(nèi)送樣，參與國外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。
(1)設(shè)計(jì)前分析及試制 據(jù)查，MIL17/74RG-213/U產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為：內(nèi)導(dǎo)體為7×0.75mm銅絞線，絕緣為實(shí)心的聚乙烯，外徑
為7.25mm;外導(dǎo)體為φ0.18mm裸銅絲單層編織；外護(hù)套為聚氯乙烯，外徑10.3mm，英國公司提供的產(chǎn)品：內(nèi)導(dǎo)體與絕緣
的材料和結(jié)構(gòu)尺寸與RG-213/U相同，不同的是外導(dǎo)體采用雙層編織銅絲，護(hù)套PVC外徑為10.8mm，實(shí)際上是MIL17/75RG
-214/U的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品�！ �
電纜及組件的總損耗（包括射頻同軸電纜本體損耗與兩端連接器接入損耗）＜0.9dB。每只連接器接入損耗為0.07·
sptr(f) （f單位為GHz），按最高頻率2GHz計(jì)算，每只連接器接入損耗約為0.099dB，因此要求電纜損耗小于0.31dB/m
。若采用普通型聚乙烯絕緣料(tgδ=5×10-4)時(shí)，按式(1)計(jì)算求得的衰減理論值約為0.344dB/m，不能采用；若采用高
純凈聚乙烯絕緣料(tgδ=5×10-4)，衰減理論值約為0.233dB/m，可以滿足指標(biāo)要求。因此必須采用高純凈聚乙烯絕緣
料�！ �
按指標(biāo)規(guī)定回波損耗（SRL）＞15dB，可通過以下公式計(jì)算，判別是否可以達(dá)到要求。 srl=-20lgΓ＞15 Γ＜
10-(15/20)=0.177828 S＜(1+Γ)/(1-Γ)=1.433 式中，Γ為反射系數(shù)；S為電壓駐波比。通常電壓駐波比S＜
1.433，這容易達(dá)到的�！ �
對(duì)于編織外導(dǎo)體而言，由于耦合（漏泄）損耗也是信號(hào)另一不可低估傳輸損耗，為了達(dá)到減低耦合損耗的目的，要求編
織密度達(dá)95%。本產(chǎn)品試制中采用：(1)24×9×0.18mm裸銅絲單層編織；(2)24×9×0.18mm+24×7×0.18mm雙層編織。
為避開回波損耗峰值（由式(2)周期性回波公式可知，2000MHz時(shí)對(duì)應(yīng)周期長度約為48.9mm），編織節(jié)距選取40mm�！ �
按上述設(shè)計(jì)要求，試制了產(chǎn)品并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果:(1)單編織外導(dǎo)體產(chǎn)品在2000MHz時(shí)電纜衰減為0.412dB/m；(2)雙
編織外導(dǎo)體產(chǎn)品衰減為0.367dB/m，均不能滿足＜0.31dB/m的指標(biāo)要求。(2)采用銅箔+編織的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 上述試驗(yàn)結(jié)果
表明減小編織織外導(dǎo)體的耦合損耗是多么重要。經(jīng)思考決定采用銅箔+編織的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。
從圖5可知，當(dāng)頻率為2000MHz時(shí)，電纜衰減為0.287dB/m，完全滿足使用的要求，然后送樣給用戶即通過采購認(rèn)證.
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