[分享]射频同轴电缆设计和制造中若干问题的分析

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射频同轴电缆设计和制造中若干问题的分析
　　
1 引言　　

射频同轴电缆主要应用于电子通信设备、无线电通信系统的射频发射单元、楼宇布线及CATV的分配和接入网，以其宽频带、高速率的多媒体传输性能而广泛使用。作者长期从事于射频电缆的研究和开发，并有机会与同行，以及网络运管商切磋交流，期望把自己在设计和制造中的一些心得体会以杂谈的形式与大家交流，并望得到大家的指教，共同提高，共同进步。本文主要论述基站用射频同轴电缆设计和制造的若干问题的分析，以及如何解决，供有关人员的参考。　　

2 损耗与驻波
　
2.1损耗和驻波峰值的计算　　

射频同轴电缆的损耗和驻波分别表征了电缆传输效率及其均匀性，是最重要指标之一。对于这些传输参数的计算是非常重要的，它可以分析电缆产品性能并反馈于电缆的设计或修改设计方案是必不可少的。其计算公式如下：

α=αR+αG+Δα　　　　　.............. (1)
αR=2.61 sprt（fε）(K1/d+K2/D)/lgD/dαG=91fsprt(ε)tgδΔα=10lg[(S+1)2/4S]
　　
式中：
α为电缆衰减(dB/1000m)；
αR为导体衰减(dB/1000m)；
αG为介质衰减(dB/1000m)；
Δα为失配衰减(dB/1000m)；
f为工作频率（MHz)；
ε为相对介电常数;
K1、K2分别为内、外导体结构材料系数；
d、D分别为内、外导体的等效直径(mm)；
tgδ为绝缘的介质损耗角正切；
S为电压驻波比。

光电缆中出现2倍波长的不均匀性时，就会出现驻波峰值，若电磁波波速为3×108m/s，则
f(/Δf)=150/(sprt(ε)×h) ..................（2）
　　
式中：
f(/Δf）为测试频率或频率差(MHz)；
h为阻抗不均匀点的长度(m)。

驻波峰值在电压驻波比（VSWR）测试时表现出两种形式：一种是在某频点出现，则可能由电缆中相应长度的周期性不均匀所引起的;另一种在周期性频率点上出现，其频率差相对应的长度较长，则通常是由被测电缆的某一点损伤所引起的，或因整根样品的阻抗不匹配导致的。　　

2.2实例分析　　

我国西部地区地广人稀，无线接入系统是实现该农村地区通信的一种主要手段。某公司在该系统中使用5D-FB型射频同轴电缆作为馈张。该产品标准出自于日本关西电缆产品标准，其导线的直径为1.8mm，物理发泡聚乙烯绝缘外径为5.0mm。经过讨论和试验，发现该系统的发射系统在频率为247MHz、损耗＜13dB时，即可满足传播的覆盖范围为15～50km的要求。由此，某公司为了节约电缆制造成本，将该电缆的结构尺寸减小为：导线直径1.4mm，绝缘线芯外径4.5mm，结果出现电缆性能不够稳定，寻求作者帮助解决。　　

该公司提供了图1、2所示的改型后的产品实测数据（试样长为20.15m)。

图1 改型后电缆的驻波及及圆图曲线
　　
从图1、2可知，当效率300MHz时的衰减为11.76dB/100m，与原5D-FB的指标相接近，甚好；但是其电压驻波比（VSWR）在318MHz处达1.7349，超过了原技术指标。本人认为这主要是由于电缆阻抗不匹配所引起的，于是在矢量网络分析仪上取其11个峰值点，并前后频率差值除以10，得到频率差Δf=6.2MHz，按式(2)计算可得ε=1.44，再由式(3)和式(4)求得电缆的波阻抗Zc(Ω)和工作电容C(pF/m)
Zc=138lg(D/d)/sprt(ε)...............(3)　 =138lg(4.5/1.4)/sprt(1.44)　=58.3C=24.13ε/lg(D/d)........................(4)=24.13×1.44/lg(4.5/1.4)=68.5

图2 改型后电缆的衰减-频率特性曲线
　　
由式(3)可知，Zc=58.3Ω已超过标准规定值，这是造成驻波比过大的根本原因，经计算设计，认为导线直径仍为1.4mm，但绝缘外径改小为3.9mm是较合理的，在线测试电容为82pF/m。经结构尺寸修正后投入试生产，并对产品进行抽样试验。试验结果见图3、4，试样长度为19.5m。

图3 修正后电缆的驻波及圆图曲线
　　
从图3、4可知，Δf=6.2MHz，相应波阻抗Zc=49.5Ω，在147MHz时损耗α=8.78dB/100m，265MHz时α=12.11dB/100m，460MHz时α=16.87dB/100m，而其驻波峰值在462MHz处为1.33。这些指标均完全满足使用的要求。由此可知，当产品结构改型时，要首先进行设计计算，否则有可能像上述公司那样错误认为增大绝缘外径，减小电容，就可获得较低损耗，但结果却适得其反。

图4 修正后电缆衰减-频率特性曲线
　　
为了更好地说明电缆衰减中导体与介质之间所占比例，可以通过式(1)，以及上述已知测试值（图3、图4）进行运算来说明问题。为了简略起见，把导体常数K1、K2以1代入（圆铜线为1），此时导体衰减分量可能偏小，而计算出介质损耗为最大值，但不影响分析。将上述147MHz（S=1.1）和460MHz（S=1.2）的衰减值代入式(1)可得以下联列方程

{69sprt(ε) +13377sprt(ε) tgδ+0.5=87.8 .........(5)122sprt(ε) +41860sprt(ε)tgδ+1.8=168.7 ........(6)
 
解之可得：sprt(ε) =1.132；tgδ=6.1×10-4。并将它们代入460MHz频点的衰减公式(6)可得αR=138.1(dB/1000m)............... (8)αG=28.9(dB/1000m)................ (9)
　　
从式(7)、式(8)可知，在460MHz频点时，导体损耗占该电缆总损耗的80%，而其中内导体占总损耗的60%，这说明要降低产品的损耗，首先要从内导体上下工夫。同样也可以看出：介质损耗与频率f成正比，而导体损耗仅仅与频率的开方根成正比。例如，在较低频率147MHz时，其导体损耗占总损耗90%，但随着传输频率增加，尤其传输频率达几千兆赫后，介质损耗起着主导地位，这一点在本文第4节中将详细介绍。　　

3导体的结构和选择　　

3.1复合铜线和铜层厚度　　

射频同轴电缆是传输射频信号，因此信号在导体传输中产生集肤效应，即信号仅仅在电缆的内导体外表面和外导体内表面进行有效传输。内导体除采用实心铜线外，还经常使用铜包覆线或空心铜管，以增加强度或节约材料，其中也包含着集肤效应原因，提高有效的传输。　　
对于铜包覆线，如铜包钢线来说，铜层的厚度δ＞0.07mm·sptr(f)（f单位为MHz），即可实现同规格纯铜线的传输效果。国家标准规定铜包钢线电阻率≤0.059Ω·mm2/m(即电导率为29.7%IACS），以直径为1.6mm铜包钢线为例，铜电阻率为0.0175Ωmm2/m，钢电阻率为0.147Ωmm2/m，将钢丝及其表面铜层看作两个导体并联，可算出表面铜层的厚度为0.025mm，代入δ＞0.07·sptr(f)可知，当传输频率大于1.67MHz时，其完全等效于同规格的实心圆铜线。了解了这计算方法，对于企业采购原材料是非常有用的。　　

3.2实例分析　　

Amphenol公司中国分公司需要RG-213同轴电缆，作为移动通信基站跳线，但该产品采用3/8in皱纹铜管外导体，弯曲性能太差，故提出电缆改型的要求。开始由英国和瑞士等两家电缆制造厂提供编织铜丝外导体的电缆样品供其试用，但经采购认证试验后达不到使用要求，然后转向本厂并提出试制的要求。用户提出的产品技术要求:试样的长度，即电缆和组件长度为2.25m（即包括两端接插连接器），在2000MHz以下传输损耗＜0.9dB，回波损耗＞15dB。经考虑，作者承诺两周内送样，参与国外产品的竞争。　　

(1)设计前分析及试制 据查，MIL17/74RG-213/U产品结构为：内导体为7×0.75mm铜绞线，绝缘为实心的聚乙烯，外径为7.25mm;外导体为φ0.18mm裸铜丝单层编织；外护套为聚氯乙烯，外径10.3mm，英国公司提供的产品：内导体与绝缘的材料和结构尺寸与RG-213/U相同，不同的是外导体采用双层编织铜丝，护套PVC外径为10.8mm，实际上是MIL17/75RG-214/U的标准产品。　　

电缆及组件的总损耗（包括射频同轴电缆本体损耗与两端连接器接入损耗）＜0.9dB。每只连接器接入损耗为0.07·sptr(f) （f单位为GHz），按最高频率2GHz计算，每只连接器接入损耗约为0.099dB，因此要求电缆损耗小于0.31dB/m。若采用普通型聚乙烯绝缘料(tgδ=5×10-4)时，按式(1)计算求得的衰减理论值约为0.344dB/m，不能采用；若采用高纯净聚乙烯绝缘料(tgδ=5×10-4)，衰减理论值约为0.233dB/m，可以满足指标要求。因此必须采用高纯净聚乙烯绝缘料。　　

按指标规定回波损耗（SRL）＞15dB，可通过以下公式计算，判别是否可以达到要求。　　srl=-20lgΓ＞15　　Γ＜10-(15/20)=0.177828　　S＜(1+Γ)/(1-Γ)=1.433　　式中，Γ为反射系数；S为电压驻波比。通常电压驻波比S＜1.433，这容易达到的。　　

对于编织外导体而言，由于耦合（漏泄）损耗也是信号另一不可低估传输损耗，为了达到减低耦合损耗的目的，要求编织密度达95%。本产品试制中采用：(1)24×9×0.18mm裸铜丝单层编织；(2)24×9×0.18mm+24×7×0.18mm双层编织。为避开回波损耗峰值（由式(2)周期性回波公式可知，2000MHz时对应周期长度约为48.9mm），编织节距选取40mm。　　

按上述设计要求，试制了产品并进行试验，试验结果1)单编织外导体产品在2000MHz时电缆衰减为0.412dB/m；(2)双编织外导体产品衰减为0.367dB/m，均不能满足＜0.31dB/m的指标要求。(2)采用铜箔+编织的外导体结构 上述试验结果表明减小编织织外导体的耦合损耗是多么重要。经思考决定采用铜箔+编织的外导体结构，测试结果如图5、图6所示。从图5可知，当频率为2000MHz时，电缆衰减为0.287dB/m，完全满足使用的要求，然后送样给用户即通过采购认证。

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