解析同軸射頻電纜中的奧秘

同軸射頻電纜為射頻及微波行業的常備物品。這是因為,下至日常生活中使用的智能手機和筆記本電腦,上至軍事及航天領域中的雷達和全球定位系統(GPS),所有重要設備均需此類電纜連接。然而,對于幾乎每一種用途而言,在將信號從一個設備傳遞至另一個設備的過程中,如何保持足夠的信號完整性均是一項具有挑戰性的任務。要想實現復雜的動態信號路徑,必須要有可適用于多種環境及用途的高靈活性平臺。為了解決此問題,著名的工程師和數學家Oliver Heaviside在1880年提出了一種屏蔽電報傳輸線的設計,并獲得該設計的專利權。

在之后的1929年,為了克服Heaviside設計的各種局限,貝爾實驗室的Lloyd Espenschied及Herman Affel開發了一種具有類空氣介電層的寬帶同軸電纜。此項發明使得同軸電纜技術在材料和性能上均取得極大進展,為各種射頻/微波/毫米波互連問題提供了解決方案。

解析同軸射頻電纜中的奧秘

以上所示為符合不同電氣和機械性能標準的多種同軸電纜。其中,各同軸電纜的物理尺寸由相應的頻率和功率要求所決定。(Pasternack提供)。

儿子抱我下面有水 最基本的同軸電纜結構包括中心導體,柱形對稱導電屏蔽層,以及將上述兩者相隔開來的類空氣介質。這種“圓筒套圓柱”的導體結構可使最大截止頻率以下的電磁信號在兩種導體之間的分隔區域內產生橫電磁波(或磁分量和電分量垂直的電磁波)。

對于超出截止頻率的信號而言,由于其波長極小,因此還可產生非垂直的橫電和橫磁波導模。這兩種額外產生的波導模可導致信號完整性和信號性能的下降。一般而言,同軸電纜的直徑越大,截止頻率越低。此外,同軸電纜所能承受的功率隨尺寸增大而增加。由于上述橫電磁波在同軸電纜內的靈敏性非常高,因此電纜的所有幾何分量必須在整個傳輸線路上保持一致。否則,將產生諸多信號反射降低和相位變化方面的問題。“工程師必須將電纜組件的重要性提高至與其它微波器件同樣的高度。為了實現設計目的,工程師們經常需要花費成千上萬美元來獲得精密的放大器、濾波器或其它對系統性能產生較大影響的器件”,Pasternack的互連產品經理Steve Ellis先生說。

“當電纜使用不合理時,系統性能將受到極大影響”,Ellis先生進一步指出,“有些人認為電纜組件的功用就像PVC管道一樣,充其量不過是把信號從一個地方轉移到另一個地方。事實上,不加考慮地選擇或布置電纜將對性能產生非常不利的影響。這就是電壓駐波比(VSWR)、插入損耗、相位長度等性能參數為何都如此重要的原因,也是客戶在購買高端電纜產品時為何如此追求此類參數的原因”。

同軸電纜材料的電氣性能表現各異,取決于振動、溫度、濕度、電流、撓曲和應力等因素。這些因素的變化都將對電纜性能產生影響。此外,還有趨膚效應的問題。趨膚效應是指當導體內的信號頻率增大時,將有更多電子沿導體的表面區域遷移的物理現象。由于趨膚效應的存在,同軸電纜內的信號對于導體表面處理時產生的缺陷極其敏感。

針對上述各敏感性要求,同軸電纜設計者開發出了各種先進方法和材料,以在盡可能確保高性能的同時,滿足成本、重量、柔韌性、損耗及耐用性方面的要求。

儿子抱我下面有水 同軸電纜內的介電層保持著兩種導體的同軸幾何構造,所以是同軸電纜的關鍵部件。與此同時,該介電層也為同軸電纜帶來另外的挑戰,這是因為其性質必須盡可能地接近空氣。與空氣性質接近意味著具有與空氣相仿的磁導率μ/μ0和電容率ε/ε0(或者說大約為1的ε和μ,兩者皆為材料的損耗正切值δ)。

由于極少有材料具有與空氣相同的電磁性質,因此通常使用可降低干擾性介電材料用量的技術。此類技術包括對如下材料的使用:具有高空氣含量的發泡塑料泡沫;螺繞介電層;可保持空氣的介質條帶;以及設計上更為接近空氣的材料。

儿子抱我下面有水 為了使電介質保持與空氣相似的機械及熱性能,很多研究著眼于塑料化學材料的開發。最初,由于特氟隆材料的高電性穩定性、高耐化性、高耐熱性和低成本優點,固體特氟隆管被用作上述同軸電介質。然而,由于特氟隆在室溫下可發生液化流動現象,在大部分的低成本應用中,其已被聚四氟乙烯(PTFE)泡沫或尼龍材料所代替。

擠出氟聚合物樹脂等其他材料在相穩定性和傳播速度(VOP)方面的性能優于PTFE。特氟隆和尼龍介質所提供的相速一般為70%~79%。與此相比,PTFE發泡空氣介質的相速可達到80%~85%,而含氟聚合物樹脂的相速可達85%~89%。

儿子抱我下面有水 根據不同應用需求,同軸電纜可使用由多種不同導電材料以不同方式制成的中心導體。傳統中心導體只不過為一條貫穿同軸電纜的簡單實心銅線。為了提高電纜柔性,可在犧牲高頻性能的前提下,使用編織或絞合中心導體。此外,為了降低中心導體的重量和成本,還可使用鍍鋁、鍍鋼、鍍銀或鍍錫銅線。

由于此方式中表面導體仍主要為銅,因此其仍能保證在較高頻率下獲得良好的電性能。在一些應用中,還可使用空心金屬中心導體,以實現在降低重量和成本的同時增加柔軟性的目的。然而,此方式只適用于無需在較低頻率下傳輸高功率的高頻用途。

儿子抱我下面有水 外層導體也可使用與中心導體類似的技術實現降低重量和成本的目的。此外,設計人員還在提高外層導體的柔性及降低其環境應力方面傾注精力。由于外層導體為電信號提供返回路徑,因此在大部分應用中,其必須保持足夠的厚度,以防止該信號路徑發生泄漏或干擾。然而,保持足夠的厚度和堅實度意味著重量的增加和柔性的降低。兩相權衡下,技術人員開發出了編織、絞合及纏繞技術,以在實現高保護性的同時,保證足夠高的性能。

儿子抱我下面有水 對于有線電視等低成本應用,可使用最小編織技術,達到降低成本、重量和尺寸的目的。正如Gore Microwave Cable Products公司的首席電氣工程師Paul Pino先生所言,“為了實現不同的性能、成本和制造性目標,電纜制造商使用著各種類型的材料。中心導體大部分為鍍銀銅線,同時也有部分為鍍錫銅線。輕質用途中使用鍍銀銅包鋁線。此外,同軸屏蔽層也可使用各種材料制造,比如,成型鈹銅、鍍銀銅材和金屬化聚合物等。”

高性能電纜傾向于具有更輕的質量和更小的尺寸。為了達到此目的,已開發出由編織、纏繞或包裹技術制成的屏蔽層。

儿子抱我下面有水 但是,這些技術不利于電纜的彎曲和機械運動性能。因此,還需要可在壓力條件下實現高電氣性能的其他技術。例如,在多個屏蔽層之間設置機械絕緣介電層的方式除了有助于防止屏蔽變形和電纜隨運動和時間發生的磨損之外,還能提高屏蔽層的屏蔽能力(屏蔽材料包括由導電條帶(通常為鋁)制成的纏繞帶、編織帶、編織線及纏繞條)。

此外,在高性能電纜的外周還可套設防壓層。該層一般為繞制的圓柱鋼套,用于防止高壓和高扭矩使用條件下發生的損傷。“雖然提高介質的密度可增加其抗壓性,但同時會導致同軸電纜的性能受損”,Gore Microwave Cable Products公司的首席設計工程師Paul Warren先生說。因此,最常見的做法是使用高剛性護套。例如,在同軸屏蔽層外增設不銹鋼編織護套可在犧牲重量和柔軟度性能的同時提高抗壓性能。在此方面,雖然鎧裝電纜護套是最為有效的選擇,但是其仍然具有較重且價格昂貴的缺點。

根據使用環境,還可使用其他數種方法為同軸電纜增設套層,以達到性能保護的目的。例如,可使用標準套層材料——聚氯乙烯(PVC)制成各種厚度和顏色的護套。雖然PVC具有較高的耐化和耐高溫性能,但是其無法承受較高的機械壓力。在某些情況下,為了提高同軸電纜的機械性能,還可使用高抗拉性合成材料制成的編織護套。這種護套可緊實地套設在電纜上,而且還具有較好的抗切割和抗擦傷性能。

“其他一個可真正影響電纜組件性能的因素為機械性能,這也是為何電纜組件性能存在著如此諸多變數的原因所在”,Ellis先生指出,“電纜性能必須符合其使用環境。比方說,海軍艦船雷達系統的電纜由于繞置于艦船外部,因此常須遭受鹽霧、高低溫和振動因素的影響。現今,大量的開發工作已經著眼于為如此極端的使用環境研發可靠耐用的電纜。”

儿子抱我下面有水 為了滿足此類極端環境的使用需求,一些公司已經開發出可在各種條件下提高性能的專有技術電纜材料和套層,并已將其應用于航空航天、航海、軍工等各領域中。


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