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(yè)的常備物品。這是因?yàn)?，下至日常生活中使用的智能手機(jī)和筆記本電腦，上至軍事及航天領(lǐng)域中的雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)(GPS)，所有重要設(shè)備均需此類電纜連接。然而，對(duì)于幾乎每一種用途而言，在將信號(hào)從一個(gè)設(shè)備傳遞至另一個(gè)設(shè)備的過(guò)程中，如何保持足夠的信號(hào)完整性均是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號(hào)路徑，必須要有可適用于多種環(huán)境及用途的高靈活性平臺(tái)。為了解決此問(wèn)題，著名的工程師和數(shù)學(xué)家Oliver Heaviside在1880年提出了一種屏蔽電報(bào)傳輸線的設(shè)計(jì)，并獲得該設(shè)計(jì)的專利權(quán)。

在之后的1929年，為了克服Heaviside設(shè)計(jì)的各種局限，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Lloyd Espenschied及Herman Affel開發(fā)了一種具有類空氣介電層的寬帶同軸電纜。此項(xiàng)發(fā)明使得同軸電纜技術(shù)在材料和性能上均取得極大進(jìn)展，為各種射頻/微波/毫米波互連問(wèn)題提供了解決方案。

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

最基本的同軸電纜結(jié)構(gòu)包括中心導(dǎo)體，柱形對(duì)稱導(dǎo)電屏蔽層，以及將上述兩者相隔開來(lái)的類空氣介質(zhì)。這種“圓筒套圓柱”的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可使最大截止頻率以下的電磁信號(hào)在兩種導(dǎo)體之間的分隔區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生橫電磁波(或磁分量和電分量垂直的電磁波)。

對(duì)于超出截止頻率的信號(hào)而言，由于其波長(zhǎng)極小，因此還可產(chǎn)生非垂直的橫電和橫磁波導(dǎo)模。這兩種額外產(chǎn)生的波導(dǎo)?？蓪?dǎo)致信號(hào)完整性和信號(hào)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(nèi)的靈敏性非常高，因此電纜的所有幾何分量必須在整個(gè)傳輸線路上保持一致。否則，將產(chǎn)生諸多信號(hào)反射降低和相位變化方面的問(wèn)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，工程師們經(jīng)常需要花費(fèi)成千上萬(wàn)美元來(lái)獲得精密的放大器、濾波器或其它對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響的器件”，Pasternack的互連產(chǎn)品經(jīng)理Steve Ellis先生說(shuō)。

“當(dāng)電纜使用不合理時(shí)，系統(tǒng)性能將受到極大影響”，Ellis先生進(jìn)一步指出，“有些人認(rèn)為電纜組件的功用就像PVC管道一樣，充其量不過(guò)是把信號(hào)從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。事實(shí)上，不加考慮地選擇或布置電纜將對(duì)性能產(chǎn)生非常不利的影響。這就是電壓駐波比(VSWR)、插入損耗、相位長(zhǎng)度等性能參數(shù)為何都如此重要的原因，也是客戶在購(gòu)買高端電纜產(chǎn)品時(shí)為何如此追求此類參數(shù)的原因”。

同軸電纜材料的電氣性能表現(xiàn)各異，取決于振動(dòng)、溫度、濕度、電流、撓曲和應(yīng)力等因素。這些因素的變化都將對(duì)電纜性能產(chǎn)生影響。此外，還有趨膚效應(yīng)的問(wèn)題。趨膚效應(yīng)是指當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)的信號(hào)頻率增大時(shí)，將有更多電子沿導(dǎo)體的表面區(qū)域遷移的物理現(xiàn)象。由于趨膚效應(yīng)的存在，同軸電纜內(nèi)的信號(hào)對(duì)于導(dǎo)體表面處理時(shí)產(chǎn)生的缺陷極其敏感。

針對(duì)上述各敏感性要求，同軸電纜設(shè)計(jì)者開發(fā)出了各種先進(jìn)方法和材料，以在盡可能確保高性能的同時(shí)，滿足成本、重量、柔韌性、損耗及耐用性方面的要求。

同軸電纜內(nèi)的介電層保持著兩種導(dǎo)體的同軸幾何構(gòu)造，所以是同軸電纜的關(guān)鍵部件。與此同時(shí)，該介電層也為同軸電纜帶來(lái)另外的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)槠湫再|(zhì)必須盡可能地接近空氣。與空氣性質(zhì)接近意味著具有與空氣相仿的磁導(dǎo)率μ/μ0和電容率ε/ε0(或者說(shuō)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(zhì)，因此通常使用可降低干擾性介電材料用量的技術(shù)。此類技術(shù)包括對(duì)如下材料的使用：具有高空氣含量的發(fā)泡塑料泡沫;螺繞介電層;可保持空氣的介質(zhì)條帶;以及設(shè)計(jì)上更為接近空氣的材料。

為了使電介質(zhì)保持與空氣相似的機(jī)械及熱性能，很多研究著眼于塑料化學(xué)材料的開發(fā)。最初，由于特氟隆材料的高電性穩(wěn)定性、高耐化性、高耐熱性和低成本優(yōu)點(diǎn)，固體特氟隆管被用作上述同軸電介質(zhì)。然而，由于特氟隆在室溫下可發(fā)生液化流動(dòng)現(xiàn)象，在大部分的低成本應(yīng)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(wěn)定性和傳播速度(VOP)方面的性能優(yōu)于PTFE。特氟隆和尼龍介質(zhì)所提供的相速一般為70%~79%。與此相比，PTFE發(fā)泡空氣介質(zhì)的相速可達(dá)到80%~85%，而含氟聚合物樹脂的相速可達(dá)85%~89%。

根據(jù)不同應(yīng)用需求，同軸電纜可使用由多種不同導(dǎo)電材料以不同方式制成的中心導(dǎo)體。傳統(tǒng)中心導(dǎo)體只不過(guò)為一條貫穿同軸電纜的簡(jiǎn)單實(shí)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(dǎo)體。此外，為了降低中心導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用中，還可使用空心金屬中心導(dǎo)體，以實(shí)現(xiàn)在降低重量和成本的同時(shí)增加柔軟性的目的。然而，此方式只適用于無(wú)需在較低頻率下傳輸高功率的高頻用途。

外層導(dǎo)體也可使用與中心導(dǎo)體類似的技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低重量和成本的目的。此外，設(shè)計(jì)人員還在提高外層導(dǎo)體的柔性及降低其環(huán)境應(yīng)力方面傾注精力。由于外層導(dǎo)體為電信號(hào)提供返回路徑，因此在大部分應(yīng)用中，其必須保持足夠的厚度，以防止該信號(hào)路徑發(fā)生泄漏或干擾。然而，保持足夠的厚度和堅(jiān)實(shí)度意味著重量的增加和柔性的降低。兩相權(quán)衡下，技術(shù)人員開發(fā)出了編織、絞合及纏繞技術(shù)，以在實(shí)現(xiàn)高保護(hù)性的同時(shí)，保證足夠高的性能。

對(duì)于有線電視等低成本應(yīng)用，可使用最小編織技術(shù)，達(dá)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(shí)現(xiàn)不同的性能、成本和制造性目標(biāo)，電纜制造商使用著各種類型的材料。中心導(dǎo)體大部分為鍍銀銅線，同時(shí)也有部分為鍍錫銅線。輕質(zhì)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(zhì)量和更小的尺寸。為了達(dá)到此目的，已開發(fā)出由編織、纏繞或包裹技術(shù)制成的屏蔽層。

但是，這些技術(shù)不利于電纜的彎曲和機(jī)械運(yùn)動(dòng)性能。因此，還需要可在壓力條件下實(shí)現(xiàn)高電氣性能的其他技術(shù)。例如，在多個(gè)屏蔽層之間設(shè)置機(jī)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(yùn)動(dòng)和時(shí)間發(fā)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(dǎo)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(shè)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(fā)生的損傷。“雖然提高介質(zhì)的密度可增加其抗壓性，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致同軸電纜的性能受損”，Gore Microwave Cable Products公司的首席設(shè)計(jì)工程師Paul Warren先生說(shuō)。因此，最常見的做法是使用高剛性護(hù)套。例如，在同軸屏蔽層外增設(shè)不銹鋼編織護(hù)套可在犧牲重量和柔軟度性能的同時(shí)提高抗壓性能。在此方面，雖然鎧裝電纜護(hù)套是最為有效的選擇，但是其仍然具有較重且價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。

根據(jù)使用環(huán)境，還可使用其他數(shù)種方法為同軸電纜增設(shè)套層，以達(dá)到性能保護(hù)的目的。例如，可使用標(biāo)準(zhǔn)套層材料——聚氯乙烯(PVC)制成各種厚度和顏色的護(hù)套。雖然PVC具有較高的耐化和耐高溫性能，但是其無(wú)法承受較高的機(jī)械壓力。在某些情況下，為了提高同軸電纜的機(jī)械性能，還可使用高抗拉性合成材料制成的編織護(hù)套。這種護(hù)套可緊實(shí)地套設(shè)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(gè)可真正影響電纜組件性能的因素為機(jī)械性能，這也是為何電纜組件性能存在著如此諸多變數(shù)的原因所在”，Ellis先生指出，“電纜性能必須符合其使用環(huán)境。比方說(shuō)，海軍艦船雷達(dá)系統(tǒng)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(dòng)因素的影響?，F(xiàn)今，大量的開發(fā)工作已經(jīng)著眼于為如此極端的使用環(huán)境研發(fā)可靠耐用的電纜。”

為了滿足此類極端環(huán)境的使用需求，一些公司已經(jīng)開發(fā)出可在各種條件下提高性能的專有技術(shù)電纜材料和套層，并已將其應(yīng)用于航空航天、航海、軍工等各領(lǐng)域中。