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射频电缆的参数理论.
射频电缆的参数理论
特性阻抗
特性阻抗是选用电缆的首先要考虑的参数,它是电缆本身的参数,它取决于导体的直径以及绝缘结构的等效介电常数。
特性阻抗对于电缆的使用有很大的影响。例如在选择射频电缆作为发射天线馈线时,其特性阻抗应尽可能和天线的阻抗一致,否则会在电缆和天线的连接处造成信号反射,使得天线得到的功率减少,电缆的传输效率也会下降,更为严重的是,反射的存在会使电缆沿线出现驻波,有些地方会出现电压和电流的过载,从而造成电缆的热击穿或热损伤而影响电缆的正常运行。电缆内部反射的存在,还会造成传输信号的畸变,使传输信号出现重影,严重影响信号传输质量。
为了便于使用,射频电缆的阻抗已经标准化了。因此在选用电缆时应尽可能选用标准阻抗值。对于射频同轴电缆有以下三中标准阻抗:
50±2ohm 推荐使用于射频及微波,用于测试仪表以及同轴-波导转换器等;
75±3ohm 用于视频或者脉冲数据传输,用于大长度例如CATV电缆传输系统;
100±5ohm 用于低电容电缆以及其它特种电缆。
以下是同轴电缆特性阻抗计算的各种公式。
§1.1同轴电缆阻抗公式
根据传输理论,特性阻抗公式为:
Zc=
式中,R、L、G、C、代表该传输线的一次参数,而ω=2πf代表信号的角频率。
对于射频同轴电缆传输高频信号,通常都有R<<ωL,G<<ωC,此时特性阻抗公式可以简化为:
Zc = =60?ln(D/d)/ =138?lg(D/d)/ (ohm)
式中,D为外导体内直径 (mm)
d为内导体外直径 (mm)
ε为绝缘相对介电常数
表1给出了常用绝缘材料的相对介电常数。
表1常用介质材料的特性
介质种类 介电常数ε(1KHz) 介质损耗角正切 tgδ 空气 1.00 0 聚乙烯 2.30 <0.0002 物理发泡聚乙烯 1.20~1.30 <0.0001 聚丙烯 2.55 0.0004 聚四氟乙烯 2.10 <0.0002 聚全氟乙丙烯 2.10 <0.0002
§1.2皱纹外导体同轴电缆阻抗公式
皱纹外导体已经获得广泛应用,阻抗尚无标准的方法计算,可以利用电容电感参考方法进行计算。
测量出L和C后可以计算阻抗:
Zc =
§1.4特性阻抗与电容的关系
同轴电缆的特性阻抗与电容有如下简单的关系,即
Zc=104/3·/ C
式中,C为电缆电容(pF/m)
电容
电容是射频电缆的一个重要参数,同轴电缆的电容按照下式计算:
C=1000ε/(18lnD/d)=24.13ε/(lgD/d) (pF/m)αl=10lgP1/P2=20lgU1/U2 (dB)α为电缆的衰减常数(dB/m)§3.1衰减的计算公式
在射频下,同轴电缆衰减通常可以用下式表示:
α=αR+αG=R/2·+G/2·
式中,αR为导体电阻损耗引起的衰减分量,称为导体衰减
αG为绝缘损耗引起的衰减分量,称为介质衰减
一、导体衰减
同轴电缆内外导体均为圆柱形导体时,导体衰减如下公式:
αR=2.61×10-3(1/d+1/D)/lgD/d (dB/km)ε为绝缘介电常数
D为外导体内径(mm)
d为内导体外径(mm)
注:上式是将标准软铜电阻率1.724×10-6ohm·cm代入计算得到的。
如果导体是双金属结构形式,在高频下,可以将它看成是由表面材料组成的单金属导体来处理。
在大功率射频电缆中,内外导体的温度会升高,因此电阻也随着升高,从而使衰减增大,因此在公式中引入衰减的温度系数:
Kt=
式中,为导体温度系数,对于铜,可取=0.00393 1/℃
标准软铝,可取=0.00407 1/℃
二、介质衰减
绝缘介质衰减可以按照下式计算:
=9.1×10-5ftg (dB/km)
对于组合绝缘,如果介质1是固体材料,介质2是空气,即有:
tg=tg+2εtg(1-P)/{2ε+1-2P(ε-1)εtg(2+P)/{ 2ε+1+ P(ε-1)ε、tg为固体介质相应参数。
§3.2驻波对衰减的影响
电缆在实际工作状态下,其负载阻抗不一定匹配,从而在负载处发生信号功率的反射,引起失配损耗。
失配损耗=10lgPm/P=10lg1/(1-)=10lg(S+1)2/(4S)
式中,P为负载失配时吸收的功率
Pm为负载失配时可吸收的功率,此为最大吸收功率
S为电压驻波比
Г为负载的反射系数
电压驻波比条件下的失配损耗可以利用表3查得。
表3电压驻波比、回波损耗、传输损耗、反射系数、反射功率对照表
驻波比 驻波比
(dB) 回波损耗
(dB) 传输损耗(dB) 反射
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