低损耗同轴电缆组件设计方法研究

王小爱（陕西工业职业技术学院 机械工程学院，陕西 咸阳 712000）

低损耗稳相同轴电缆组件是现代电子产品中重要的传输元件之一，其具有优良的传输性能，传输频率更高、信号更稳定，愈来愈广泛的应用在雷达系统当中。较普通的同轴电缆组件而言，低损耗稳相同轴电缆组件具有更优越的相位稳定性和相位一致性、更低的组件损耗和电压驻波比等性能。

低损耗稳相电缆组件的研制，在射频传输理论、射频连接器仿真技术、低损耗稳相电缆组件的设计上总结经验，针对产品总结设计方法。

1 特征阻抗

特征阻抗是同轴电缆的一个很重要的性能。特征阻抗不同，会出现不匹配和反射，从而导致传输失真。低损耗稳相同轴电缆组件的特征阻抗由同轴电缆和连接器导体的尺寸及绝缘的相对介电常数决定。特征阻抗是一个复数，且与频率有关。

式中： L 单位长度传输线上的电感；R 单位长度传输线内部的电阻；G 单位长度传输线介质的电导；C 传输线上的电容；j 复数的虚部；ω=2πf, f是频率。

在高频下，电流只流过导体表面，此现象称为集肤效应。此时，导体有效横截面积减小，阻抗增加。因此在高频下公式（1）中的R、G可以看做为0。那么式（1）简化为：

高频率下，导体的内部电感很小，每单位长度上的电感接近于每单位长度上的外部电感，因此L可以表达为：

式中：μr介质的相对磁导率；μ0真空的磁导率；D外导体的内径；d内导体的外径。

单位导体的电容可按下式计算：

式中：ωr介质的介电常数；ω0真空的介电常数

将式（3）、（4）代入式（2），并只考虑非磁性介质，可以得到工程上常用的特征阻抗计算公式：

从上式看出，可以根据合理选择导体直径和绝缘介电常数来调整特征阻抗的大小。

在理想传输线中，特征阻抗是均匀的、恒定的，而实际中连接器的结构、电缆的尺寸都会引起特征阻抗的变化。这是由于连接器内部设计必须有支撑内导体的结构和与电缆匹配的直径突变；同轴电缆制造过程中导体尺寸和介质材料的微小变化，这些都会引起特征阻抗的失配。特征阻抗每一小波动都会引起一小部分信号电压反射回去，特征阻抗变化越大，被反射的电压越大，图1阐述了此现象。

图1 阻抗变化引起的反射Fig. 1 Reflection caused by impedance changes

特征阻抗的每一这种变化都会产生一个反射电压。这些电压叠加到一起，可在电缆的输入端测到一总的反射信号。电缆输入端的回波损耗RL定义如下：

式中：V=输入电压；Vr=总的反射信号电压。

电缆终端电阻若与其特征阻抗匹配，则电缆终端不会产生反射。一般行业中采用电压驻波比代替回波损耗，即电压驻波比或VSWR，它的定义如下：

从阻抗匹配的研究获得保证阻抗匹配的常用公式（5），但由于设计结构和制造公差不可避免的产生阻抗突变，可以采用回波损耗式（6）或电压驻波比式（7）来衡量阻抗突变造成的影响大小。

从输入端到输出端处能量的减少就是衰减（有时也称为纵向损耗），电缆的衰减用分贝/单位长度表示，如dB/m。根据上述定义，电缆衰减公式是：

式中：P1终端负载与电缆特征阻抗匹配时电缆的输入功率，P2此电缆远端的功率

组件中同轴电缆的衰减受其结构和使用频率的影响，衰减随频率的升高而增加，这是由于导体的集肤效应和介质的损耗引起的。可用下述公式计算给定频率的衰减α：

式中：αR=电阻性衰减;αg=介质性衰减;α1=导体损耗系数;α2=介质损耗系数。

导体损耗系数与导体电阻率和尺寸有关，内外导体的表面电导率应尽可能高。衰减的一致性，对于阻抗一致性好的组件,衰减应该是一条比较平滑的下滑曲线, 但如果组件电缆有较大的阻抗跳动时, 对应的衰减曲线也会出现“刺”状的曲线如图2,产生阻抗跳动最主要的地方是连接器与电缆的连接处。

图2 衰减曲线的”刺”状现象Fig. 2 Phenomenon like "thorn"of decay curve

衰减的稳定性，编织型电缆的衰减会随时间的增长或弯曲次数的增加而增大， 主要原因是内导体或外导体因为有外界的潮湿空气侵入而氧化，另外绝缘材料的变质也会影响衰减的增加。而对于多次弯曲后，一般导体材料，如铝箔就容易开裂而造成导电性能下降，或绝缘介质已经发生变形等，这些因素都容易使衰减变化。

2 低损耗稳相电缆组件的工作频率

低损耗稳相电缆组件的工作频率高，一般达到18 GHz，因此要求射频同轴连接器的工作频率相应的满足要求，根据截止频率的计算式（1）确定连接器的界面尺寸。连接器的连接形式一般采用螺纹连接，连接时采用扭矩扳手旋合到位时，并且在振动和受到外力的情况下连接器的插头、插座电气基准面不应产生间隙。

式中：fc截止频率;D同轴连接器外导体内径;d同轴连接器内导体外径;εr绝缘介质介电常数。

3 连接器与电缆端接结构设计

图3 同轴连接器配接电缆结构Fig. 3 Coaxial connector adapter cable structure

同轴电缆与连接器的中心导体主要采用焊接形式，在低损耗稳相电缆中为保证阻抗的连续和相位的一致性通常采用焊接后螺母固定方式。如图3所示，焊接后螺母固定，主要适配低损耗稳相同轴电缆，外导体挂锡处理，便于焊接，螺母起的作用是将焊接电缆外壳固定的作用。

在低损耗稳相电缆的设计中同轴电缆自身的相位稳定性指标至关重要，而连接器本身所带来的相位变化及微小，在设计中只考虑结构连接的牢固可靠即可。

4 结束语

文中介绍了低损耗稳相电缆组件的设计，低损耗稳相电缆组件设计包含连接器界面的选择、连接器与电缆端接形式设计、连接器阻抗匹配设计。

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