射频同轴电缆的衰减分析

龚信军　郭斌

【摘要】 本文从电缆结构、材料选用、制造工艺、运输及使用等几个方面分析了射频同轴电缆的衰减，并且进行了横向对比。

【关键词】 射频同轴电缆 衰减 损耗

Analysis of attenuation of RF coaxial cable

GONG Xin-jun CRSC Shanghai Rail Transportation Technologies Co.，Ltd.

GUO Bin Shanghai Huacui Calibration Co. Ltd.

Abstract：This paper analyzed the loss of RF coaxial cable from the cable structure， material， manufacturing， transportation and other aspects，and compares.

Key words：RF coaxial cable；attenuation；loss

一、引言

随着4G网络的建设，用于移动基站系统和室内分布系统的射频同轴电缆也将得到广泛的应用，从全球来看，700（800）MHz/1.8GHz/2.6GHz三大频段为海外运营商选择的4G频段的主流。除中国移动1800MHz频段外，三家运营商都将使用高频段部署TD-LTE网络。

为抢占未来市场，当前全球多个国家已竞相展开5G网络技术开发，中国和欧盟正在投入大量资金用于5G网络技术的研发。三星电子通过研究和试验表明，在28GHz的超高频段，以每秒1Gb以上的速度，成功实现了传送距离在2Km范围内的数据传输，此前，超高频段数据传输数据损失大是一个技术瓶颈。该技术的成功，不仅保证了更高的数据传输速度，也有效解决了目前移动通信波段资源几近枯竭的问题。

二、射频同轴电缆结构及其对衰减的影响

射频同轴电缆属于二导体传输线。沿电缆长度任意一点的横截面上，内、外导体都是同心，且电阻率、磁导率、介电常数均匀一致，主要传输TEM波（电场和磁场方向垂直于波的传播方向），电磁场主要集中在同轴电缆的内、外导体之间，具有很好的传输性能及屏蔽效果。

同轴电缆的衰减主要是由导体衰减、介质衰减、辐射衰减三部分组成的，除了泄漏电缆外，辐射衰减非常小。射频同轴电缆在实际制造过程中结构沿长度方向的不均匀及电缆在承受外力、弯曲或温度改变的情况下，会产生很大的衰减，大部分损耗转换为热能。温度上升会导致电阻和介质衰减增加。

2.1 内导体结构

射频同轴电缆的内导体尺寸相比外导体小得多，因此内导体的衰减占了整个导体衰减很大的比重，因此对内导体的要求比较高。以下介绍的内导体衰减的计算公式并从分析了不同的内导体结构的优缺点。

内导体衰减计算：

Li（dB/100ft）= （1）

式中：Li—内导体衰减；d—内导体外径（in）；f—工作频率（MHz）；Z0—特性阻抗（Ω）；

2.2 介质结构

除了起绝缘作用之外，高频磁场在绝缘介质中也可传播，因此绝缘介质的选择将会直接影响到电缆衰减、功率容量、减小波阻抗不均匀性及机械性能等。介质衰减与频率的增加呈线性关系。频率越高，介质衰减越大，且介质衰减占总衰减的比重上升。

绝缘形式主要有实体绝缘、空气绝缘、半空气绝缘。高端的射频同轴电缆几乎都采用发泡氟塑料介质（半空气绝缘），对射频同轴电缆绝缘材料的一般选用原则是介电常数ξ和介质损耗角正切tanδ应尽量小。以下介绍的介质损耗的计算公式并从分析了不同的介质结构的优缺点。

介质衰减计算：

Ld（dB/100ft）=2.78×ρ××f （2）

式中：Ld—介质衰减；f—工作频率（MHz）； ρ—介质损耗角（εr=2.1，ρ=0.00016；εr=1.6，ρ=0.00005）。

2.3 外导体结构

射频同轴电缆的外导体既起回路作用又起屏蔽作用，外导体的结构形式有编织、管状、绞合、镀层等形式。以下介绍的外导体衰减的计算公式并从分析了不同的外导体结构的优缺点。

外导体衰减：

Lo（dB/100ft）= （3）

式中：Lo—外导体衰减；D—外导体内径（in）；f—工作频率（MHz）；Z0——特性阻抗（Ω）。

三、同轴电缆材料及其对衰减的影响

3.1 内导体材料

趋肤效应使导体的有效电阻增加。导体衰减与频率的平方根成正比关系。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。

当导体内部电磁场（电流）减小到表面值的1/e（e= 2.718）倍时的深度称为趋肤深度。

3.2 介质材料

射频同轴电缆要求高频下介电常数ξ和介质损耗角正切tanδ应尽量小，除了结构的改进可以降低这两个指标外，选用合适的材料也很重要。尤其是需要在高温下使用的射频同轴电缆，氟塑料的性能将特别优越，以下就各种氟塑料的性能做简要介绍。

3.3 外导体材料

射频同轴电缆外导体的衰减占导体衰减的1/3左右，对外导体材料电导率的要求没有那么高，因此可采用铝做外导体，对总的衰减影响不大，约增加6%左右，但在成本及重量上有很大的优势。

3.4 护套

护套主要用于保护电缆，材料主要有聚氯乙烯、聚乙烯。如有特殊要求（耐高温、防潮等），则会使用聚氨酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、硅橡胶、氯丁橡胶、尼龙等材料。

3.5 铠装

铠装可以提高电缆的耐磨性、抗拉强度和屏蔽性能。一般采用镀锌钢丝或高强度铝合金线编织铠装。

四、射频同轴电缆波阻抗不均匀性造成的衰减

4.1 阻抗失配

采用不同的内外导体直径比以及不同的绝缘形式时，波阻抗是不同的，电气和机械性能也是不同的。

为了便于设备制造及使用，将波阻抗标准化。

波阻抗是射频同轴电缆最主要的参数。当线路匹配时，没有能量反射，传输效率最高；当线路失配时，线路反射。这种能量损失，不仅降低传输效率，而且反射波与入射波互相叠加而产生驻波，使信号发生畸变。

4.2 内部不均匀

同轴对内、外导体在制造、运输和施工过程中产生的偏心、椭圆度造成波阻抗的变化，导致内部不均，则会产生反射波，造成反射衰减。

如果电缆线路上有反射波，它与原来的 波相互作用就会产生驻波。驻波系数则是用来描述反射波成分的大小。驻波系数越大，反射波成分越大。

驻波系数S计算方法：

S= （4）

式中：S—驻波系数；Umax—电压振幅最大值；Umin—电压振幅最小值；

反射系数p与驻波系数S之间的换算关系为：

p= （5）

式中：p——输入端反射系数；

电缆中不均匀性的大小，也可用反射衰减bH来表示：

bH=20lg

（dB） （6）

式中：bH—反射衰减；p—输入端反射系数；

五、结束语

电缆的衰减是衡量电缆质量的重要指标，电缆本身的结构、材料、制造工艺和环境都会影响到电缆的衰减，电缆与设备的失配，也会引起回波损耗，导致衰减。只有综合分析各个影响因素，并予以解决，才能降低衰减，提高电缆质量。