射频同轴电缆插入损耗影响因素综合分析

杨建保

(安弗施无线射频系统(上海)有限公司，上海 201613)

0 引言

射频同轴电缆作为通信发射设备和发射天线间的连接线,被广泛应用于无线电通讯、广播和有关电子设备中。移动通信已经由4G跨入5G时代,射频同轴电缆所传输信号的频率也急剧增加,同时相关电子设备功耗也同步增大,从而使得射频同轴电缆传输的信号高频化、使用环境高温化,而作为信号传输的关键环节,其能否准确地传输信号至关重要。

目前,对射频同轴电缆信号传输特性的研究主要集中在信号传输的频率特性[1]、不同结构不同信号频率时的衰减常数[2]、不同温度下信号的幅相特性[3]、高频信号在互连线的终端响应[4]以及时域有限差分法和有限元法结合下的信号完整性[5],而对射频同轴电缆的另一个重要参数插入损耗S21还有待进一步研究。本文以SFB型射频同轴电缆为研究对象,基于ANSYS建立三维有限元模型,分析温度、频率和绝缘层厚度对射频同轴电缆插入损耗S21的影响。

1 射频同轴电缆插入损耗S21的计算

用S参数描述的网络一般含有很多端口,端口就是电流流入或流出网络的输入端或输出端。本文研究的射频同轴电缆模型就是一个信号从一端流入、另一端流出的二端口网络,如图1所示。

图1 二端口网络

图1的二端口网络用入射波和反射波来表征网络,定义了入射波参量A1和A2、反射波参量B1和B2,分别为:

用式(1)和式(2)来表征二端口网络:

B1=S11A1+S12A2.

(1)

B2=S21A1+S22A2.

(2)

其中:S11为端口2接匹配负载时端口1的回波损耗,dB;S22为端口1接匹配负载时端口2的回波损耗,dB;S12为端口1接匹配负载时信号传输到端口1的插入损耗,dB;S21为端口2接匹配负载时信号传输到端口2的插入损耗,dB。

式(1)和式(2)的矩阵形式为:

(3)

式(1)～式(3)用S参数(即S11、S12、S21和S22)表示了各个端口上反射波与入射波的关系,由此可知,从端口1输入的入射波既可以从端口1返回,也可以从端口2输出。根据S参数的定义,端口2是给定的系统特征阻抗Z0的终端,可以得到:

(4)

(5)

本文重点对射频同轴电缆插入损耗S21进行分析研究。

2 SFB型射频同轴电缆的结构

图2为SFB型射频同轴电缆的基本结构,由内、外导体环绕一根轴线形成双导体系统,在内、外导体间通过绝缘材料隔绝,然后整条电缆由最外层的护套保护。

图2 SFB型射频同轴电缆基本结构

本文主要分析研究三种不同绝缘层厚度的SFB型射频同轴电缆,其结构参数见表1。内、外导体均为铜导体,绝缘层和护套均为PTFE(聚四氟乙烯),20 ℃时的材料参数见表2。

表1 三种型号的SFB型射频同轴电缆结构参数

表2 射频同轴电缆材料性能参数

3 SFB型射频同轴电缆有限元模型建立

3.1 网格划分

为了使问题简化,假设射频同轴电缆各层间的接触为完全接触,同时为均匀传输线且不存在任何内部缺陷。仿真分析时选择自由剖分四面体网格,在内、外导体以及绝缘层采用密集网格,在非重点区域护套部分采用稀疏网格,从而减小网格数量,缩短计算时间,射频同轴电缆网格划分如图3所示。

图3 射频同轴电缆网格划分

3.2 边界条件的设置及激励加载

SFB型射频同轴电缆信号加载方式为端口激励,取电缆长度为10 m,外部环境温度分别设置为20 ℃、80 ℃、150 ℃,电缆外表皮与周围环境的换热形式设定为对流换热,信号输入功率为0.02 W,频率为1 GHz～18 GHz,步长为1 GHz,对求解选项进行设置求解。仿真前需要在图3模型两端匹配阻值为50 Ω的虚拟特征阻抗,从而与电缆形成完全阻抗匹配。同时,选择模型一端的绝缘层边界作为信号输入源,信号发射端与接收端分别与电缆两端的虚拟特征阻抗相连,使得同轴电缆形成完整的信号回路。在此条件下,电缆两端间便形成了一个二端口网络。

4 SFB型射频同轴电缆插入损耗S21仿真结果分析

三种不同绝缘层厚度的SFB型射频同轴电缆插入损耗S21随频率以及温度变化的仿真结果如图4～图6所示。

图4 SFB-50-2射频同轴电缆插入损耗随频率、温度变化曲线

图5 SFB-50-3射频同轴电缆插入损耗随频率、温度变化曲线

图6 SFB-50-5射频同轴电缆插入损耗随频率、温度变化曲线

由图4～图6可以看出:相同绝缘层厚度的射频同轴电缆插入损耗随环境温度的增加而增大,这是由于随着环境温度的升高射频同轴电缆内、外导体的电阻会增大,同时,绝缘层介电常数也会随环境温度升高而增大,从而导致介质损耗的增加;相同绝缘层厚度的射频同轴电缆插入损耗随着信号频率的增加而增大,这是由于具有一定频率的信号在同轴电缆内、外导体上会产生趋肤效应,并且随着信号频率的增大趋肤深度也越来越浅,导体有效电阻也越来越大,信号在导体上的损耗也越来越大,对于绝缘层介质而言,随着信号频率的增大,介质的介电常数也在增大,所以介质损耗也将增大;相同温度下不同绝缘层厚度的射频同轴电缆的插入损耗为SFB-50-5

5 结语

射频同轴电缆插入损耗S21的性能好坏直接影响到其传输信号的完整性,因此插入损耗S21是评判电缆质量的重要技术参数。通过本文的分析,得到了不同结构射频同轴电缆插入损耗S21在不同温度、不同频率下的变化规律。