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同轴射频电缆分析

文章来源:网络整理 发表时间:2020-07-30 18:20 点击:

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同轴射频电缆是射频和微波行业中的固定产品. 这是因为,从日常生活中使用的智能手机和笔记本电脑,到军事和航空航天领域的雷达和全球定位系统(GPS),所有重要设备都需要此类电缆进行连接. 然而,对于几乎每种应用,如何保持足够的信号完整性在将信号从一个设备传输到另一个设备的过程中都是一项艰巨的任务. 为了实现复杂的动态信号路径,需要可应用于各种环境和用途的高度灵活的平台. 为了解决这个问题,著名的工程师和数学家奥利弗·海维赛德(Oliver Heaviside)于1880年提出了一种屏蔽电报传输线设计,并获得了该设计的专利权.

1929年,为了克服Heaviside设计的各种局限性,贝尔实验室的Lloyd Espenschied和Herman Affel开发了一种带有空气介质层的宽带同轴电缆. 本发明使同轴电缆技术在材料和性能上有了长足的进步,并为各种射频/微波/毫米波互连问题提供了解决方案.

上面显示了满足不同电气和机械性能标准的各种同轴电缆. 其中,每根同轴电缆的物理尺寸取决于相应的频率和功率要求.

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最基本的同轴电缆结构包括中心导体,圆柱形对称导电屏蔽层以及将两者分开的空气状介质. 这种“圆筒形”导体结构使低于最大截止频率的电磁信号能够在两个导体之间的分离区域中产生横向电磁波(或具有垂直磁性和电气成分的电磁波).

对于超过截止频率的信号,由于其极小的波长,还可以生成非垂直的横向电和横向磁波导模式. 这两个附加的波导模式可能导致信号完整性和信号性能下降. 一般来说,同轴电缆的直径越大,截止频率越低. 此外,同轴电缆可以承受的功率随着尺寸的增加而增加. 由于上述横向电磁波在同轴电缆中非常敏感,因此电缆的所有几何分量在整个传输线上必须保持一致. 否则,在信号反射减少和相变方面将存在许多问题. “工程师必须将电缆组件的重要性提高到与其他微波设备相同的水平. 为了实现设计目标,工程师通常需要花费数千美元来获得复杂的放大器,滤波器或对系统性能的其他重大影响. 受影响的设备“,” Pasternack的互连产品经理Steve Ellis先生说.

“如果不合理地使用电缆,则会大大影响系统的性能. ”埃利斯先生进一步指出: “有些人认为电缆组件的功能就像一条PVC管道. 充其量只是将信号从一个地方传递到另一个地方. 一个地方. 实际上,选择或布置电缆是如果不加考虑,将会对性能产生非常不利的影响,这就是为什么电压驻波比(VSWR),插入损耗,相长和其他性能参数如此重要的原因,也是客户的原因. 购买高端电缆产品时”.

同轴电缆材料的电性能会因振动,温度,湿度,电流,挠度和应力等因素而异. 这些因素的变化将影响电缆性能. 另外,存在皮肤效应的问题. 趋肤效应是指一种物理现象,当导体中的信号频率增加时,更多的电子沿着导体的表面积迁移. 由于集肤效应剥线机,同轴电缆中的信号对导体表面处理引起的缺陷非常敏感.

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为响应上述敏感要求,同轴电缆设计人员开发了各种先进的方法和材料,以满足成本,重量,柔韧性,损耗和耐用性的要求,同时尽可能地确保高性能.

同轴电缆中的介电层保持两个导体的同轴几何形状,因此它是同轴电缆的关键组成部分. 同时,介电层还对同轴电缆提出了额外的挑战,因为其性能必须尽可能接近空气. 接近空气意味着具有与空气相似的磁导率μ/μ0和介电常数ε/ε0(或ε和μ约为1,两者都是材料的损耗角正切δ).

由于很少有材料具有与空气相同的电磁特性,因此通常使用可以减少干扰介电材料数量的技术. 这些技术包括使用以下材料: 高空气含量的泡沫塑料泡沫;螺旋缠绕介电层;可以容纳空气的电介质条;和设计上更接近空气的材料.