射频同轴电缆,射频工程师日常生活中用的很多。市场上,电缆有贵的,也有便宜的;贵的可能几千几万,便宜的也就几块钱。今天,就说说同轴电缆吧。
特性阻抗
同轴电缆的尺寸结构,如下图所示。
其中:
Di为内导体的尺寸
Do为外导体的内径
Er为内外导体之间介质的介电常数
知道了这三个参数,就可以计算同轴电缆的特性阻抗。比如用ADS自带的小软件,可以计算出Di=0.92mm,Do=2.99mm,介电常数为2的同轴电缆的特性阻抗为49.97ohm。
为什么要选50ohm为特征阻抗呢?
除了电视系统用的是75ohm的同轴电缆,大多数常规用的同轴电缆的特性阻抗为50ohm。
这是因为,同轴电缆的衰减与最大承受功率都是Do/Di的函数,也就是与同轴电缆的特性阻抗有关。
当电缆的特性阻抗为77ohm时,其有最小的衰减;当电缆的特性阻抗为30,其有最大的功率承受能力。
所以50ohm为该这两种阻抗的折中值。
为什么电缆也有最高工作频率呢?
同轴电缆上,电磁波的主模为TEM模,场强分布如下图所示。
但是同轴电缆上除了主模TEM模式外,也会存在TE和TM这些高次模。当多个模式被激发时,他们具有不同的传播常数,会相互影响,导致传播信号质量的恶化。在实际使用过程中,我们需要关注同轴电缆的cutoff frequency,避免产生TE和TM这些高次模。
减小同轴电缆的尺寸,可以提高其高次模产生的频率,即工作频率,但带来的缺点,是会导致功率容量的降低。
同轴电缆上会产生的第一个高次模为TE11,所以我们可以将TE11模的产生频率,作为其cutoff频率。在已知电缆的尺寸参数以及介质材料的介电常数时,可以按照下列公式对其最高频率做一个粗略的估算。
下图是PASTERNACK的RG401/U电缆的部分参数。
将其代入上述公式,可计算得到fc=19.47GHz,如下图所示。与手册上标称的20GHz的最大工作频率很接近。
同轴电缆的分类和选择
射频同轴电缆分为半刚性、半柔性、柔性和波纹管电缆。
半刚性电缆:很硬,不容易被弯曲,性能稳定,无源互调特性也比较理想。
半柔性电缆:为半刚性电缆的替代品,指标性能接近半刚性电缆,可以手工成形。但是容易成形,也容易变形,所以稳定性也差于半刚性电缆。
柔性电缆:柔性电缆多用于测试,为了能够多次弯曲并保持性能,所以成本较贵。同样指标下,前两者则要便宜的多。
波纹管电缆:波纹管电缆的外导体为波纹状的铜管或铝管,这种电缆采用了低损耗设计常用于天馈系统中。波纹状电缆易于弯曲和运输,抗拉伸性能好。不过,我还没见过这种电缆呢。
那使用过程中,该注意些什么呢?
在测试时,当测试指标不稳定或者发生比较奇怪的现象时,可以优先考虑一下,是不是电缆出线了什么问题。
比如用手动一动电缆,看看指标变化大不大;发现矢网校准,怎么较都较不好时,可以试着换对电缆。