射频电缆的指标和性能

Iroiman

射频电缆组件的正确选择除了频率范围，驻波比、插入损耗等因素外，还应考虑电缆的机械特性、使用环境和应用要求，另外，成本也是一个永远不变的因素。这里讨论一下射频电缆的各种指标和性能，了解电缆的性能对于选择一条最佳的射频电缆组件是十分有益的。
特性阻抗
“特性阻抗”是射频电缆、接头和射频电缆组件中最常提到的指标。最大功率传输、最小信号反射都取决于电缆的特性阻抗和系统中其它部件的匹配。如果阻抗完全匹配，则电缆的损耗只有传输线的衰减，而不存在反射损耗。电缆的特性阻抗（Z0）与其内外导体的尺寸之比有关，同时也和填充介质的介电常数有关。由于射频能量传输的“趋肤效应”，与阻抗相关的重要尺寸是电缆内导体的外径（d）和外导体的内径（D）：
Z0(Ω) = (138 /√ε) ×(log D/d)
$ l7 o! `" ^/ K* q$ ~  m1 H绝大部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是50Ω；在广播电视中则会用到75Ω的电缆。
驻波比（VSWR）/回波损耗
: I1 x0 W0 X) k! g. e- g$ D电缆组件中的阻抗变化将会引起信号的反射，这种反射会导致入射波能量的损失。测试电缆组件之间的连接和电缆/接头之间的连接是产生反射损耗的主要原因。由于制造的原因，电缆在某些特定的频点上也会产生一些VSWR突变。见图1


图1 VSWR和频率的关系
反射的大小可以用电压驻波比（VSWR）来表达，其定义是入射和反射电压之比。VSWR越小，说明电缆生产的一致性越好。VSWR的等效参数是反射系数或回波损耗。 其换算关系见表1。

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衰减（插入损耗）
电缆的衰减是表示电缆有效的传送射频信号的能力，它由介质损耗、导体（铜）损耗和辐射损耗三部分组成。大部分的损耗转换为热能。导体的尺寸越大，损耗越小；而频率越高，则介质损耗越大。因为导体损耗随频率的增加呈平方根的关系，而介质损耗随频率的增加呈线性关系，所以在总损耗中，介质损耗的比例更大。另外，温度的增加会使导体电阻和介质功率因素的增加，因此也会导致损耗的增加。对于测试电缆组件，其总的插入损耗是接头损耗、电缆损耗和失配损耗的总和。
) i2 {8 n" t7 w+ I图2表示了一条典型的测试电缆组件的插入损耗与频率的关系

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6 q) b. m' D, r( ~. n+ v; i% z图2插入损耗与频率的关系
在测试电缆组件的使用中，不正确的操作也会产生额外的损耗。例如，对于编织电缆，弯曲也会增加其损耗。见图3.每种电缆都有最小弯曲半径的要求。
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1 M. G+ v' C( a$ c( `* b图3 由于弯曲而产生的电缆损耗
在选择电缆组件时，应先确定系统最高频率时可接受的损耗值，然后再根据这个损耗值来选择尺寸最小的电缆。
( O, r9 z2 H$ M& R# b% W( B典型的微波电缆组件的VSWR在1.1到1.5之间，换算成回波损耗为26.4至14dB，即入射功率的传输效率为99.8%至96%。
匹配效率的含义是，如果输入功率为100W，在VSWR为1.33时，输出功率为98W，即2W被反射回来。
7 A2 P7 S2 Y% r平均功率容量
功率容量是指电缆消耗由电阻和介质损耗所产生的热能的能力。
' c. b: {4 a+ f/ Q+ {在实际使用中，电缆的有效功率与VSWR、温度和高度有关：
: T' Y, L: {4 p* T5 L有效功率= 平均功率×驻波系数×温度系数×高度系数
在选择电缆时，应同时考虑以上因素。
射频功率经常用dBm来表示，其好处是给计算带来的很大的方便。 表2表示了dBm和功率单位之间的呼唤关系。
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, B% ~) O% u0 F# u; ]# X% Y, M
3 K3 d9 y1 w) ~$ E4 v传播速度
电缆的传播速度是指信号在电缆中传输的速度和光速的比值，和介质的介电常数的根号呈反比关系：
Vp = (1/√ε)×100
由上式可见介电常数（ε）越小，则传播速度越接近光速，所以低密度介质的电缆其插入损耗更低。
+ ]) \) i" J$ \8 o+ D弯曲时的相位稳定性
' Y; |6 R4 l' [3 i: G弯曲-相位稳定性是衡量电缆在弯曲时的相位变化。在使用过程中的弯曲将会影响到插入相位。减少弯曲半径或增加弯曲角度都会增加相位的变化。同样，弯曲次数的增加也会导致相位变化的增加。而增加电缆直径/弯曲直径之比则会减少相位的变化。相位变化和频率基本上呈线性关系。微孔介质电缆的相位稳定性会明显优于实心介质电缆。
" z1 v: g( I+ B在用矢量网络分析仪测量时，可以采用BXT提供的RTK161电缆，这种电缆的相位变化仅为3o（10GHz，弯曲直径50mm）；如果需要更精密的测量，可以外加护套，但是成本较高。在一般的通信频段（3GHz以下）测量中，可以采用成本很低的RG214HF电缆，这种电缆比常用的RG214/U有着更好的相位稳定性。
电缆的无源互调失真
电缆的无源互调失真是由其内部的非线性因素引起的。在一个理想的线性系统中，输出信号的特性与输入信号是完全一致的；而在非线性系统中，输出信号和输入信号相比产生了幅度失真。
如果有二个或更多的信号同时输入一个非线性系统，由于互调失真的存在，将会在其输出端产生新的频率分量。在现代通信系统中，工程师们最关心的是三阶互调产物（2f1-f2或2f2-f1），因为这些无用的频率分量往往会落入接收频段从而对接收机产生干扰。
同轴电缆组件通常被视为线性器件。但是，纯线性器件是不存在的。在接头和电缆之间总有些非线性因素存在，这些非线性因素通常是由于表面氧化层或者接触不良所造成的。以下的通用原则可以尽量减少无源互调失真：
, N9 N: ~/ ^0 v6 ~( a/ U•  在设备中，尽量用半钢电缆或者半柔电缆代替柔性电缆
6 c9 D% G0 ^& S/ R5 s# C9 b•  用单股内导体的电缆
4 M5 e. q8 |! `9 ^- n, M•  用表面平滑的高质量接头
" P6 o: J" L1 s% C9 x# Z•  采用足够厚度和均匀镀层的接头
•  采用尺寸尽可能大的接头（如DIN7/16的互调特性优于N，而N则优于SMA）
•  保证接头之间良好的接触
•  使用非磁性材料的接头（如钢和镍）
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Monika

电缆的衰减是表示电缆有效的传送射频信号的能力