同軸線纜

同軸電纜的信號傳輸特性分析關(guān)鍵詞:同軸電纜傳輸損耗屏蔽衰減

深圳市西艾特電子技術(shù)有限公司總工程師heml

一、概述

在當今的信息社會,通過同軸電纜傳輸信號得到了廣泛的應用。因此,它有待于

人們對它進行更加深入和全面的了解。

自從美國貝爾實驗室1929年發(fā)明同軸電纜以來,已經(jīng)過了數(shù)十年歷史。在這期

間,同軸電纜通過了多次改進。第一代電纜采用實芯材料作為填充介質(zhì),由于它對

高頻衰減大,現(xiàn)在通常主要把它用于傳輸視頻信號。后來人們把聚乙烯采用化學方

法發(fā)泡作為填充介質(zhì)。其發(fā)泡度可達30%,高頻傳輸特性有所提高。我們把這稱

為第二代電纜。80年代,第三代縱孔藕芯電纜出現(xiàn),它的高頻衰減達到目前新型電

纜的水平。但化學發(fā)泡電纜和縱孔藕芯電纜的防潮特性都不好。90年代初,市場

推出了物理發(fā)泡電纜和竹節(jié)電纜。我們稱為第四代電纜。竹節(jié)電纜雖然能防潮和

高頻損耗低,但介質(zhì)具有不均勻性,在高頻有反射點。后來無人使用。物理發(fā)泡電

纜的發(fā)泡度可達80%。介質(zhì)主要成分是氮氣,氣泡之間是相互隔離的。因此,它具

有防潮和低損耗的特點,是目前綜合特性最好的同軸電纜。

圖一

二、電纜結(jié)構(gòu)與信號傳輸特性

同軸電纜的結(jié)構(gòu)如上圖,在中心內(nèi)導體外包圍一定厚度的絕緣介質(zhì),在介質(zhì)外是

管狀外導體,外導體表面再用絕緣塑料保護。它是一種非對稱傳輸線,電流的去向

和回向?qū)w軸是相互重合的。

在信號通過電纜時,所建立的電磁場是封閉的,在導體的橫切面周圍沒有電磁

場。因此,內(nèi)部信號對外界基本沒有影響。電纜內(nèi)部電場建立在中心導體和外導

體之間,方向呈放射狀。而磁場則是以中心導體為圓心,呈多個同心圓。這些場的方

向和強弱隨信號的方向和大小變化。

1、同軸電纜對傳輸信號的損耗

同軸電纜在傳輸信號過程中,會對信號不斷地損耗,從而造成信號到達終點后幅

度減小,有時可能達不到正常工作要求。影響信號損耗的因素主要有電纜的電阻損

耗、介質(zhì)損耗、失配損耗。同時泄漏損耗在低質(zhì)電纜工作于高頻時,也是一個不可

忽略的問題。我們下面分別對這些損耗進行分析。

電阻損耗

電阻損耗是電纜所具有的直流電阻和導體高頻感應所產(chǎn)生的渦流對信號能量

的消耗。電阻值的大小與電纜使用的材料和生產(chǎn)工藝有關(guān)。同時它會隨傳輸頻率

的改變而改變,原因是導體在傳輸交流信號中,具有趨膚效應。隨著頻率的增加,有

效電阻會不斷加大。見圖2(a

圖2

從圖中可看到,當交流電流流通過導體時,會在導體周圍產(chǎn)生交變磁場。該

磁場又會使導體內(nèi)部生成新的感應電流(渦流,該電流的方向如圖所示。它與

導體中心的信號電流方向相反。與導體表面的信號電流方向相同。這樣,導體內(nèi)

部的信號電流被反向渦流抵消,電流減小;導體表面的信號電流與同向渦流相加同,

電流增大。這就是交流通過導體的趨膚現(xiàn)象。

隨著信號頻率的增高,感應電流增大,這種現(xiàn)象就越加明顯。它使電流只集中在

表面很小的截面流動,造成導體的有效電阻明顯增加。

信號的趨膚深度與頻率和材料有關(guān),頻率越低,趨膚深度越深;頻率越高,趨膚深

度越淺。鐵比銅的趨膚深度小許多。

下面給出銅對各種頻率的趨膚深度表,供大家參考

表1頻率(Hz10601000M深度(mm0.660.20866μμ7.6μ2.0μ

導體內(nèi)部的渦流能量來自于信號源本身,渦流在導體中流動,最終變成熱被耗散

掉。頻率越高渦流越大,趨膚越嚴重,導體的有效電阻越大,而傳輸信號損耗也就越大,

這就是同軸電纜傳輸信號的頻率越高損耗越大的主要原因。通過下面同軸電纜在

200C,1000米時的導體電阻衰減對照表,可以進一步明確上述概念。

介電常數(shù)為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜電阻衰減對照表表2頻率(MHz

衰減(db44.0486.2897.57

電阻損耗在傳輸?shù)皖l時,由導體材料的直流電阻起主要作用;在傳輸高頻時,由

趨膚效應引起變化的電阻起主要作用。

介電常數(shù)為2.3的75-5實芯電纜電阻衰減對照表表3頻率(MHz

衰減(db51.22

介質(zhì)損耗

介質(zhì)損耗是同軸電纜中心導體與外導體間的電介質(zhì)(絕緣體對信號的損耗。

量度電介質(zhì)的一個重要參數(shù)是介電常數(shù)。它是指在同一電容器中用某一物質(zhì)作為

電介質(zhì)時的電容與其中為真空時電容的比值稱為該物質(zhì)的“介電常數(shù)”。介電常數(shù)

通常隨溫度和介質(zhì)中傳播的電磁波的頻率而變化。

同軸電纜的內(nèi)外導體相當于電容的兩極。由于實用中的電纜電介質(zhì)有電阻存

在,介電常數(shù)通常大于1。因此,傳輸中對信號的損耗是必然的。介電常數(shù)的大小與

材料和加工工藝(如發(fā)泡有關(guān)。介電常數(shù)越大,對信號的損耗也越大。溫度越高,頻

率越高,介電損耗越大。下面是兩種不同介電常數(shù)電纜在200C,1000米時的頻率

損耗表。

介電常數(shù)為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜介電衰減對照表

表4頻率(MHz

衰減(db14.5416.1517.7740.38介電常數(shù)為2.3的75-5實芯電纜介電衰減對照表

表5頻率(MHz

衰減(db14.56

18.6351.75

從表中可以看出,介電損耗對于低頻(如0-6MHz的視頻影響不大。而在高頻傳

輸時,它的影響就十分明顯。

圖3

失配損耗

失配損耗主要與同軸電纜的物理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如果同軸電纜在設(shè)計和生產(chǎn)

中造成電纜脫離標稱阻抗或者電纜阻抗不均勻,均會造成信號的失配損耗。在施工

中造成電纜的過度彎曲、變形、損傷和接頭進水,也會造成失配損耗。見圖3同軸

電纜的特性阻抗(不是直流電阻與電纜長度無關(guān),它是由電纜中的等效電容和電感決

定的。而這些等效電容和電感又是由內(nèi)外導體直徑和介質(zhì)的介電常數(shù)決定的。

電纜阻抗不均勻或與信號源及負載不匹配均會造成電纜在傳輸信號時,部分信

號能量向傳輸方向相反的方向返回,即反射。它將使原有信號受到影響。造成傳

輸效率下降。嚴重時直接影響系統(tǒng)的正常工作。

信號在傳輸中反射的程度通?？捎民v波比或反射損耗(回波損耗來表示。以反

射損耗與傳輸效率的對照表,可以了解不同的反射損耗對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

反射損耗與功率傳輸效率對照表表6傳輸效率(%99493719.9反射損耗(db

10

電纜的反射損耗可直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得。好的同軸電纜在工作頻段內(nèi),反射

損耗一般可作到20db以上,也就是說,在不考慮它其它因素時,它的傳輸效率可達

99%以上。

泄漏損耗

泄漏損耗是信號通過電纜屏蔽的編織間隙輻射出去的信號。它同樣造成信號

在傳輸過程中的能量損失。這是高頻傳輸中不可忽略的問題。為此,電纜的編織

覆蓋率不能過低。

綜上所述,同軸電纜對信號的傳輸損耗具有多種因素。它的最終損耗是上述各

種損耗的總和,這種綜合損耗可用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。電纜的直流電阻只有在低頻時

才對信號衰減起主要作用;在高頻時,信號的衰減主要由趨膚效應和介質(zhì)損耗決

定。同軸電纜隨著傳輸信號頻率的增加,信號衰減成倍增長。因此,電纜的傳輸損耗

重要是考慮高頻損耗。電纜除了在設(shè)計、生產(chǎn)加工外,使用中施工不當,同樣會對

電纜正常使用產(chǎn)生重大影響。

2,同軸電纜的屏蔽特性同軸電纜的屏蔽特性是反映電纜特性的一個重要指標.

但長期以來,許多廠商和用戶未受到重視.具調(diào)查,國內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家只有極少數(shù)測試

過相關(guān)的屏蔽指標.用戶對此更是無從了解.他們對該方面性能的唯一了解只有電纜

外導體的編織絲數(shù)量.屏蔽與趨膚效應我們從圖2(b可以看出,當外界干擾信號侵

入導體時,在導體的厚度方向上迅速衰減,這種衰減是呈指數(shù)下降的.當幅度下降到表

面電壓的1/e的深度時,該深度定義為趨膚深度.在圖2(b中,左邊和右邊分別表示高

頻和低頻信號進入導體內(nèi)部的衰減情況.顯然,高頻進入后衰減較快,趨膚深度淺;低

頻進入后衰減較慢,趨膚深度深,見表1.干擾信號的強度集中于外導體的外表面,電纜

傳輸信號的強度集中于外導體的內(nèi)表面.同頻率的干擾信號與有用信號的趨膚深度

完全相同.如果頻率很高,干擾信號和有用信號各自在外導體的兩側(cè)表面?zhèn)鬏?相互影

響不大.對于低頻信號,情況剛好相反.這種現(xiàn)象說明,導體對高頻屏蔽效果好,對低頻

屏蔽效果差.如果增加屏蔽層的厚度,干擾信號和有用信號在相交的距離上強度減弱,

相互影響減小.屏蔽指標同軸電纜屏蔽性能的好壞常用屏蔽系數(shù),屏蔽衰減,轉(zhuǎn)移阻

抗等指標來反映.屏蔽系數(shù)定義為有屏蔽護套的縱向感應場強和沒有屏蔽護套的縱

向感應場強之比,屏蔽系數(shù)越小越好;屏蔽衰減定義為電纜內(nèi)部信號功率強度與輻射

到電纜外部的最大功率強度之比的對數(shù)值,用分貝(db表示.這個比值越大,說明屏蔽

性能越好;轉(zhuǎn)移阻抗定義為在單位長度的電纜中,從被干擾系統(tǒng)中沿屏蔽層測得電壓

U與干擾系統(tǒng)中流過的電流I之比,用Ω/m表示.如果干擾系統(tǒng)中流過的電流不變,

在電纜屏蔽表面測得的電壓越小,即轉(zhuǎn)移阻抗越低,則屏蔽質(zhì)量越好,屏蔽效率越高.

屏蔽與材料和工藝屏蔽的形式很多,管狀外導體,單層編織,雙層編織,一層復合鋁箔

和一層銅線編織,雙層編織中間加一層半導電層,雙層編織中間加一層復合鋁箔,雙層

編織中間加一層高μ合金帶.

管狀外導體雖然屏蔽性能非常好,但不易彎曲,使用不方便.單層編織的屏蔽效率

最差.雙層編織比一層編織的轉(zhuǎn)移阻抗減少3倍,可見雙層編織的屏蔽效果比單層有

了很大的改善.雙層編織中間若加入一層復合鋁箔,其內(nèi)部感應電壓將比雙層編織降

低25%,但這種結(jié)構(gòu)的成本有所增加.另外一種結(jié)構(gòu)為在兩層編織中間加入一層半導

電層,這種屏蔽結(jié)構(gòu)其內(nèi)部感應電壓比雙層編織降低50%,但因為增加了半導電層,

電纜尺寸增大,成本也相應增加.超屏蔽電纜是在雙層編織中間加一層高μ合金帶作

為屏蔽,高μ合金帶高導磁率的鎳,鐵金屬帶.這種電纜制造成本很高,因此只能在要

求特別高的情況下使用.下表例出幾種電纜在50MHz以上高頻段的屏蔽衰減表7

電纜標準屏蔽70dB三層屏蔽85dB四層屏蔽104dB屏蔽衰減(db同一電纜對于不

同頻率的屏蔽衰減是不同的.以下是某種電纜對不同頻率的屏蔽衰減值.表8頻率

(MHz屏蔽衰減(dB5-5085dB200-80090dB頻率低于5MHz以下時,屏蔽衰減急劇

下降,頻率越低,屏蔽性能越差.因此,在電纜設(shè)計中,只要最低工作頻率符合屏蔽指標,

高頻自然沒問題.三,電纜的選擇和使用同軸電纜通常用于傳輸有線電視信號,視頻

信號,數(shù)字信號和其它各種高頻信號.根據(jù)用途不同,選用電纜的標準也有差異.質(zhì)量

好的電纜從外觀上看結(jié)構(gòu)緊密,挺實,外護套光滑柔韌.編織網(wǎng)絲粗,密度大.除編織絲

數(shù)量外,屏蔽層編織角小于450.但有些產(chǎn)家為了節(jié)省材料,電纜的編織角大于700,這

會使電纜的屏蔽特性變差.工藝差的電纜中心導體或絕緣部分都能從中拉出.四屏蔽

電纜外導體的鋁箔分粘接和搭接兩種.搭接是將鋁箔在電纜物理發(fā)泡絕緣體上裹上

一層,接頭處重疊一部分,一般為3mm.粘接是鋁箔與物理發(fā)泡絕緣體粘在一起.粘接

較搭接屏蔽性能更好.最好的四屏蔽

電纜都采用粘接.有線電視系統(tǒng)和高頻寬帶監(jiān)控系統(tǒng)所用同軸電纜多為高頻物

理發(fā)泡電纜.由于電纜的低頻抗干擾特性差,外界在低頻段的干擾強度大,干擾頻率多.

所以,在使用上有意避開了5MHz以下的頻段.但上述系統(tǒng)工作的頻帶寬,因此,在選

擇電纜時,應特別注意高頻的衰減特性和反射損耗.在有線電視反向傳輸信號時,所

有終端的噪聲將匯集到前端.所以,為了盡量減小電纜受外界的干擾,通常選用4層屏

蔽或鋁管電纜.在監(jiān)控系統(tǒng)中,目前采用視頻基帶傳輸方式較為普遍,習慣上大多采用

聚乙烯實心電纜.由于視頻的頻率范圍是0-6MHz,這種電纜在生產(chǎn)中即使采用雜質(zhì)

含量高的再生塑料作為介質(zhì)材料.在傳輸?shù)皖l(視頻時有時也看不出大的問題.實心

電纜通常為單層屏蔽,抗干擾特性當然不能與多層電纜相比.視頻基帶傳輸中,采用高

頻物理發(fā)泡電纜具有更低的信號衰減.但在發(fā)泡電纜中采用劣質(zhì)的介質(zhì)材料,傳輸效

果比聚乙烯實心電纜要差.這是因為劣質(zhì)材料介電常數(shù)增大,而導體直徑未變,從而造

成特性阻抗嚴重偏移.如果介質(zhì)的發(fā)泡度不夠,也會造成上述情況.鑒別介質(zhì)材料最有

效的方法是測試電纜的高頻衰減值.如果材料純度和發(fā)泡度不夠,高頻衰減會明顯增

加.電纜在生產(chǎn)過程中,如果加工質(zhì)量不好,還會造成外導體圓度不規(guī)則或中心導體

偏心.這直接影響電纜的反射損耗,即阻抗.從而影響圖象傳輸質(zhì)量,阻抗指標只能用

網(wǎng)絡(luò)分析儀才能測出.在施工中,不能破壞電纜的外型.否則會影響電纜的阻抗特性和

屏蔽特性.電纜連接時,切記不要隨意將導線擰在一起了事.必須采用專用接頭連接.

制作前,應參考同軸電纜的接頭制作方法.這一點應特別重視.具統(tǒng)計,在工程中有

80%以上故障出在接頭上.如果電纜對過強的干擾信號屏蔽達不到傳輸要求時,只能

采用輔助措施才能解決.如:在外導體加金屬管或磁環(huán),屏蔽或短路信號;在傳輸線兩

端加調(diào)制解調(diào)器,轉(zhuǎn)移頻率,躲避干擾;或增加視頻幅度,壓制干擾等方法.參考文獻:

《小同軸綜合通信電纜》作者:簡水生《射頻電纜的屏蔽衰減》作者:永鼎