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射频同轴电缆设计和制造中若干问题的分析

射 频 同 轴 电 缆 主 要 应 用 于 电 子 通 信 设 备 、 无 线 电 通 信 系 统 的 射 频 发 射 单 元 、 楼 宇 布 线 及 CATV的 分 配 和 接 入 网 , 以 其 宽 频 带 、 高 速 率 的 多 媒 体 传 输 性 能 而 广 泛 使 用 。 作 者 长 期 从 事 于 射 频 电 缆 的 研 究 和 开 发 , 并 有 机 会 与 同 行 , 以 及 网 络 运 管 商 切 磋 交 流 , 期 望 把 自 己 在 设 计 和 制 造 中 的 一 些 心 得 体 会 以 杂 谈 的 形 式 与 大 家 交 流 , 并 望 得 到 大 家 的 指 教 , 共 同 提 高 , 共 同 进 步 。 本 文 主 要 论 述 基 站 用 射 频 同 轴 电 缆 设 计 和 制 造 的 若 干 问 题 的 分 析 , 以 及 如 何 解 决 , 供 有 关 人 员 的 参 考 。

2 损 耗 和 驻 波

2. 1损 耗 和 驻 波 峰 值 的 计 算

射 频 同 轴 电 缆 的 损 耗 和 驻 波 分 别 表 征 了 电 缆 传 输 效 率 及 其 均 匀 性 , 是 最 重 要 指 标 之 一 。 对 于 这 些 传 输 参 数 的 计 算 是 非 常 重 要 的 , 它 可 以 分 析 电 缆 产 品 性 能 并 反 馈 于 电 缆 的 设 计 或 修 改 设 计 方 案 是 必 不 可 少 的 。 其 计 算 公 式 如 下

a=aR+ aG+ △ a aR=2.61 fε (K1/d+ K2/D)/lgD/d

aG=91f ε tgδ

△ a=10lg[(S+ 1)2/4S] 式 中 : α 为 电 缆 衰 减 ( dB/ 1000 m) ;α R为 导 体 衰 减 ( dB/ 1000 m) ; α G为 介 质 衰 减 ( dB/ 1000 m) ; △ a为 失 配 衰 减 ( dB/ l000m) ; f为 工 作 频 率 ( MHz) ; ε 为 相 对 介 电 常 数 ; K1、 K2分 别 为 内 、 外 导 体 结 构 材 料 系 数 ; d、 D分 别 为 内 、 外 导 体 的 等 效 直 径 ( mm) ; tgδ 为 绝 缘 的 介 质 损 耗 角 正 切 ; S为 电 压 驻 波 比 。

当 电 缆 中 出 现 2倍 波 长 的 不 均 匀 性 时 , 就 会 出 现 驻 波 峰 值 , 若 电 磁 波 波 速 为 3× 108 m/ s, 则

f(/△ f)=150/(ε × h) (2)

式 中 : f( /△ f) 动 力 为 测 试 频 率 或 频 率 差 ( MHz) ; h为 阻 抗 不 均 匀 点 的 长 度 ( m) 。

驻 波 峰 值 在 电 压 驻 波 比 ( VSWR) 测 试 时 表 现   摘 要 : 本 文 以 电 缆 制 造 企 业 的 实 际 生 产 制 造 情 况 出 发 , 对 射 频 同 轴 电 线 设 计 和 制 造 过 程 中 出 现 的 若 干 问 题 , 给 以 分 析 并 提 出 解 决 的 方 法 , 也 对 射 频 同 轴 电 线 今 后 的 发 展 方 向 作 了 简 要 探 讨 。

关 键 词 : 射 频 同 轴 电 缆 ; 设 计 ; 创 造 ; 若 干 问 题 ; 分 析 和 解 决 ; 发 展 趋 势 两 种 形 式 : 一 种 是 在 某 频 点 出 现 , 则 可 能 由 电 缆 中 相 应 长 度 的 周 期 性 不 均 匀 所 引 起 的 ; 另 一 种 在 周 期 性 频 率 点 上 出 现 , 其 频 率 差 相 对 应 的 长 度 较 长 , 则 通 常 是 由 被 测 电 缆 的 某 一 点 损 伤 所 引 起 的 , 或 因 整 根 样 品 的 阻 抗 不 匹 配 导 致 的 。

2.2 实 例 分 析

我 国 西 部 地 区 地 广 人 稀 , 无 线 接 入 系 统 是 实 现 该 农 村 地 区 通 信 的 一 种 主 要 手 段 。 某 公 司 在 该 系 统 中 使 用 5D- FB国 射 频 同 轴 电 缆 作 为 馈 线 。 该 产 品 标 准 出 自 于 日 本 关 西 电 缆 产 品 标 准 , 其 导 线 的 直 径 为 l.8 mm, 物 理 发 泡 配 乙 烯 绝 缘 外 径 为 5.0 mm. 经 过 讨 论 和 试 验 , 发 现 该 系 统 的 发 射 系 统 在 频 率 为 247MHz,损 耗 <13dB时 , 即 可 满 足 传 播 的 覆 盖 范 围 为 15- 50km的 要 求 。 由 此 , 某 公 司 为 了 节 约 电 约 尺 寸 减 小 为 : 导 线 直 径 1.4mm, 绝 缘 线 芯 外 径 4.5mm,结 果 出 现 电 缆 性 能 不 够 稳 定 , 寻 求 作 者 帮 助 解 决 。

该 公 司 提 供 了 图 1、 2所 示 的 改 型 后 的 产 品 实 测 数 据 (试 样 长 为 20.15m)

从 图 1、 2可 知 , 当 频 率 300MHZ时 的 衰 减 为 11.76dB/ 100 m, 与 原 5D- FB的 指 标 相 接 近 , 甚 好 ; 但 是 其 电 压 驻 波 比 ( VSWR) 在 318MHz处 达 1.7349, 超 过 了 原 技 术 指 标 。 本 人 认 为 这 主 要 是 由 于 电 缆 阻 抗 不 匹 配 所 引 起 的 , 于 是 在 矢 量 网 络 分 析 仪 上 取 其 11个 峰 值 点 , 将 前 后 频 率 差 值 除 以 10, 得 到 频 率 差 △ f=6.2MHz, 按 式 ( 2) 计 算 可 得 ε =1.44, 再 由 式 ( 3) 和 式 ( 4) 求 得 电 缆 的 波 阻 抗 及 Zc(Ω )工 作 电 容 C( pF/ m)

Zc=138lg(D/D)/ ε (3)
=138lg(4.5/1.4)/ 1.44
=58.3
C=24.13ε /lg(D/d) (4)
=24.13× 1.44/lg(4.5/1.4)
=68.5

由 式 ( 3) 可 知 , Zc=58.3Ω 已 超 过 标 准 规 定 值 , 这 是 造 成 驻 波 比 过 大 的 根 本 原 因 , 经 计 算 设 计 , 认 为 导 线 直 径 仍 为 1. 4 mm, 但 绝 缘 外 径 改 小 为 3. 9 mm是 较 合 理 的 , 在 线 测 试 电 容 为 82pF/ m。 经 结 构 尺 寸 修 正 , 后 投 入 试 生 产 , 并 对 产 品 进 行 抽 样 试 验 。 试 验 结 果 见 图 3、 4, 试 样 长 度 为 19. 5 m。

从 图 3、 4可 知 , △ f=6.2MHz, 相 应 波 阻 抗 , Zc=49. 5Ω , 在 147 MHz时 损 耗 α =8. 78 dB/ 100 m, 265 MHz时 α =12. 11 dB/ 100 m、 460 MHz时 α =16.87 dB/100 m, 而 其 驻 波 峰 值 在 462 MHz处 为 l. 33。 这 些 指 标 均 完 全 满 足 使 用 的 要 求 。 由 此 可 知 , 当 产 品 结 构 改 型 时 , 要 首 先 进 行 设 计 计 算 , 否 则 有 可 能 像 上 述 公 司 那 样 错 误 认 为 增 大 绝 缘 外 径 , 减 小 电 容 , 就 可 获 得 较 低 损 耗 , 但 结 果 却 适 得 其 反 。

为 了 更 好 地 说 明 电 缆 衰 减 中 导 体 与 介 质 之 间 所 占 比 例 , 可 以 通 过 式 ( 1) , 以 及 上 述 已 知 测 试 值 ( 图 3、 图 4) 进 行 运 算 来 说 明 问 题 。 为 了 简 略 起 见 , 把 导 体 常 数 K1、 K2以 1代 入 ( 圆 铜 线 为 1) , 此 时 导 体 衰 减 分 量 可 能 偏 小 , 而 计 算 出 介 质 损 耗 为 最 大 值 , 但 不 影 响 分 析 。 将 上 述 147MHz( S=1. 1) 和 460MHz(S=1.2)的 衰 减 值 代 人 式 ( l) 可 得 以 下 联 列 方 程

69 ε + 13377 ε tgδ + 0. 5=87.8 ( 5)
122 ε 十 41860 ε tgδ + 1. 8=168.7 ( 6)

解 之 可 得 : ε =1.132;tgδ =6.1× 10- 4。 并 将 它 们 代 人 460 MHz频 点 的 衰 减 公 式 ( 6) 可 得

α R=138. 1( dB/ 1000 m) ( 7)
α G=28. 9( dB/ 1000 m) ( 8)

从 式 ( 7) 、 式 ( 8) 可 知 , 在 460MHz频 点 时 , 导 体 损 耗 占 该 电 缆 总 损 耗 的 80% , 而 其 中 内 导 体 占 总 损 耗 的 60% , 这 说 明 要 降 低 产 品 的 损 耗 , 首 先 要 从 内 导 体 上 下 工 夫 。 同 样 也 可 以 看 出 : 介 质 损 耗 与 频 率 f 成 正 比 , 而 导 体 损 耗 仅 仅 与 频 率 的 开 方 根 f成 正 比 。 例 如 , 在 较 低 频 率 147MHz时 , 其 导 体 损 耗 占 总 损 耗 90% , 但 随 着 传 输 频 率 增 加 , 尤 其 传 输 频 率 达 几 千 兆 赫 后 , 介 质 损 耗 起 着 主 导 地 位 , 这 一 点 在 本 文 第 4节 中 将 详 细 介 绍 。

3 导 体 的 结 构 和 选 择

3.1复 合 铜 线 和 铜 层 厚 度

射 频 同 轴 电 缆 是 传 输 射 频 信 号 , 因 此 信 号 在 导 体 传 输 中 产 生 集 肤 效 应 , 即 信 号 仅 仅 在 电 缆 的 内 导 体 外 表 面 和 外 导 体 内 表 面 进 行 有 效 传 输 。 内 导 体 除 采 用 实 心 铜 线 外 , 还 经 常 使 用 钢 包 覆 线 或 空 心 铜 管 , 以 增 加 强 度 或 节 约 材 料 , 其 中 也 包 含 着 集 肤 效 应 原 因 , 提 高 有 效 的 传 输 。

对 于 铜 包 覆 线 , 如 铜 包 钢 线 来 说 , 铜 层 的 厚 度 δ >0. 07 f mm( f单 位 为 MHz) , 即 可 实 现 同 规 格 纯 铜 线 的 传 输 效 果 。 国 家 标 准 规 定 铜 包 钢 线 电 阻 率 ≤ 0. 059Ω · mm2/ m( R电 导 率 为 29. 7% IACS) , 以 直 径 为 1. 6 mm铜 包 钢 线 为 例 , 铜 电 阻 率 为 0. 0175 Ω · mm2/m, 钢 电 阻 率 为 0. 147 Ω · mm2/m, 将 钢 丝 及 其 表 面 铜 层 看 作 两 个 导 体 并 联 , 可 算 出 表 面 铜 层 的 厚 度 为 0. 025 mm, 代 人 δ >0. 071f可 知 , 当 传 输 频 率 大 于 1. 67 MHz时 , 其 完 全 等 效 于 同 规 格 的 实 心 圆 铜 线 。 了 解 了 这 计 算 方 法 , 对 于 企 业 采 购 原 材 料 是 非 常 有 用 的 。

3. 2实 例 分 析

Amphenol公 司 中 国 分 公 司 需 要 RG- 213同 轴 电 缆 , 作 为 移 动 通 信 基 站 跳 线 , 但 该 产 品 采 用 3/ 8 in皱 纹 钢 管 外 导 体 , 弯 曲 性 能 太 差 , 故 提 出 电 缆 改 型 的 要 求 。 开 始 由 英 国 和 瑞 士 等 两 家 电 缆 制 造 厂 提 供 编 织 银 丝 外 导 体 的 电 缆 样 品 供 其 试 用 , 但 经 采 购 认 证 试 验 后 达 不 到 使 用 要 求 , 然 后 转 向 本 厂 并 提 出 试 制 的 要 求 。 用 户 提 出 的 产 品 技 术 要 求 : 试 样 的 长 度 , 即 电 缆 和 组 件 长 度 为 2. 25 m ( 即 包 括 两 端 接 插 连 接 器 ) , 在 2000 MHz以 下 传 输 损 耗 < 0. 9dB, 因 波 损 耗 〉 15dB。 经 考 虑 , 作 者 承 诺 两 周 内 送 样 , 参 与 国 外 产 品 的 竞 争 。

( l) 设 计 前 分 析 及 试 制 据 查 , MIL17/ 74 RG- Z13/ U产 品 结 构 为 : 内 导 体 为 7× 0. 75mm钢 绞 线 , 绝 缘 为 实 心 的 聚 乙 烯 , 外 径 为 7.25mm; 外 导 体 为 Φ 0.18mm探 铜 丝 单 层 编 织 ; 外 护 套 为 聚 氯 乙 烯 , 外 径 10.3mm。 英 国 公 司 提 供 的 产 品 : 内 导 体 与 绝 缘 的 材 料 和 结 构 尺 寸 与 RG- 2I3/ U相 同 , 不 同 的 是 外 导 体 采 用 双 层 编 织 铜 丝 , 护 套 PVC外 径 为 10.8mm, 实 际 上 是 MIL17/ 75 RG- 214/ U的 标 准 产 品 。

电 缆 及 组 件 的 总 损 耗 ( 包 括 射 频 同 轴 电 缆 本 体 损 耗 与 两 端 连 接 器 接 入 损 耗 ) <0.9 dB。 每 只 连 接 器 接 入 损 耗 为 0. 07 / f ( f单 位 为 GHz) , 按 最 高 频 率 2 GHz计 算 , 每 只 连 接 器 接 人 损 耗 约 为 0. 099 dB, 因 此 要 求 电 缆 损 耗 小 于 外 力 0.31dB/ m。 若 采 用 普 通 型 聚 乙 烯 绝 缘 料 ( tgδ = 5 X 10时 , 按 式 ( 1) 计 算 求 得 的 衰 减 理 论 值 约 为 0. 344 dB/ m, 不 能 采 用 ; 若 采 用 高 纯 净 聚 乙 烯 绝 缘 料 ( tgδ =1× 10- 4) , 衰 减 理 论 值 约 为 0. 233 dB/ m, 可 以 满 足 指 标 要 求 。 因 此 必 须 采 用 高 纯 净 聚 乙 烯 绝 缘 料 。

按 指 标 规 定 回 波 损 耗 ( SRL) >15dB, 可 通 过 以 下 公 式 计 算 , 判 别 是 否 可 以 达 到 要 求 。

SRL=- 20lgΓ >15
Γ < 10- ( 15/ 20) = 0. 177828
S<( 1+ Γ ) / ( 1— Γ ) =1. 433

式 中 , Γ 为 反 射 系 数 ; S为 电 压 驻 波 比 。 通 常 电 压 驻 波 比 S<1. 433, 这 容 易 达 到 的 。

对 于 编 织 外 导 体 而 言 , 由 于 耦 合 ( 漏 泄 ) 损 耗 也 是 信 号 另 一 不 可 低 估 传 输 损 耗 , 为 了 达 到 减 低 耦 合 损 耗 的 目 的 , 要 求 编 织 密 度 达 95% 。 本 产 品 试 制 中 采 用 : ( 1) 24× 9× 0. 18 mm裸 铜 丝 单 层 编 织 ; ( 2) 24 × 9× 0. 18 mm+ 24× 7× 0. 18 mm双 层 编 织 。 为 避 开 回 波 损 耗 峰 值 ( 由 式 ( 2) 周 期 性 回 波 公 式 可 知 , 2000 MHz时 对 应 周 期 长 度 约 为 48.9 mm) , 编 织 节 距 选 取 40 mm。

按 上 述 设 计 要 求 , 试 制 了 产 品 并 进 行 试 验 , 试 验 结 果 : (1)单 编 织 外 导 体 产 品 在 2000 MHz时 电 缆 衰 减 为 0. 412 dB/ m; ( 2) 双 编 织 外 导 体 产 品 衰 减 为 0. 367 dB/ m, 均 不 能 满 足 < 0.31 dB/ m的 指 标 要 求 。

( 2) 采 用 钢 箔 + 绸 织 的 外 导 体 结 构 上 述 试 验 结 果 表 明 减 小 编 织 外 导 体 的 耦 合 损 耗 是 多 么 重 要 。 经 思 考 决 定 采 用 钢 箔 个 编 织 的 外 导 体 结 构 , 测 试 结 果 如 图 5、 图 6所 示 。 从 图 5可 知 , 当 频 率 为 2000MHz时 , 电 缆 衰 减 为 0. 287 dB/ m, 完 全 满 足 使 用 的 要 求 , 然 后 送 样 给 用 户 即 通 过 采 购 认 证 试 验 。

铝 箔 的 拉 伸 成 型 性 能 优 秀 , 但 抗 腐 蚀 性 能 差 , 一 般 只 有 3~ 5年 的 使 用 寿 命 , 并 且 错 的 电 阻 率 比 铜 大 62% , 从 而 导 致 相 同 尺 寸 的 同 轴 电 缆 , 铝 外 导 体 的 比 锡 外 导 体 的 损 耗 大 10% 左 右 , 这 也 是 不 使 用 铝 箔 的 原 因 。 铜 很 稳 定 , 电 性 能 好 , 但 加 工 性 能 不 够 好 , 至 今 不 能 在 同 轴 电 缆 上 得 到 很 好 的 应 用 。 作 者 同 航 天 部 四 院 ( 西 安 ) 的 向 阳 铜 箔 厂 及 材 料 所 合 作 开 发 的 厚 度 为 0.33- 0.055mm铜 箔 + 厚 度 为 0.018mmPE复 合 薄 膜 , 伸 长 率 >( 德 国 标 准 是 4% ) , 剥 离 力 >5N/cm, 折 挠 性 能 好 , 铜 箔 不 易 起 皱 开 裂 , 柔 软 , 便 于 纵 包 成 型 , 利 用 它 设 计 的 一 种 漏 泄 同 轴 电 缆 已 申 报 了 发 明 专 利 。


代汽车由于电控器件的不断增多,其连接导线的数量也不可避免地呈增大趋势,为保证导线连接的正确性和可靠性,导线连接器起到了非常重要的作用。
导线连接器是一个连有线束的插座,所有传感的接线端子都使用专用接口,控制电脑ECU和外部所有部件的连接都是通过ECU上的连接器,而线束中信号的转接使用的也是线连接器。可以这样认为,在电控汽车中,控制电脑ECU是控制中枢,线束是控制系统的神经网络,那么,导线连接器则是电路线束的中继站。然而,连接器除具有安装方便,接线准确之外,在使用中也时常出现故障,而最为常见的故障则为接触不良从而导致“网络”信号传输的中断,直接影响着电控汽车良好性能的正常发挥。
导线及连接器断路
导线及连接器断路故障,可能是由于导线使用中折断,连接器接触不良,连接器端子松脱造成的。
由于导线在中间断开的故障是很罕见的,大都是在连接器处断开,因此,检查时应着重仔细检查传感器和连接顺处的导线,是否有松脱和接触不良。
由接触不良而引起的连接器断路故障,常是由于连接器端于锈蚀,外界脏污进入端子或连接插座,从而造成接触压力降低。此时,只要把连接器拆下,再重新装插上,以改变它的连接状况,使其恢复正常接触即可。
导线及连接器短路故障
导线及连接器的故障也可能是由于线束与车身(地线)之间或在有关开关内部短路所造成的。检查前应首先看在车身的导线连接器固定是否牢靠,然后便可按下列步骤进行测试。
(1)检查电线通断
首先拆下控制电脑ECU和传感器两侧的导线连接器,再测量连接器相应端子间的电阻。如电阻值不大于1欧姆,则说明电线正常,以便进行下一步检查。在测量导线电阻时,最好在垂直和水平两个方向轻轻摇动导线以提高测量的准确性,同时注意,对大多数导线连接器、万用表表棒应从连接器的后端插入,但是对于装有防水套的防水型连接器表棒就不能从后端插入,因为在插入时稍不小心便会使端子变形。
(2)短路的电阻值检查
首先拆下控制电脑ECU和传感器两侧的导线连接器,再测量两侧连接器各端子与车身间的电阻值。测量时,表棒一端搭铁接车身,另一端要分别在两侧导线连接器上进行测量,如果电阻值大于1欧姆则说明该电线与车身无短路故障。
连接器外观及接触压力检查
首先应逐一拆下各导线连接器,检查连接器端子上有无锈触和脏污,对锈蚀和脏污应清理。然后检查端子片是否松动或损坏,端子固定是否牢靠,在轻轻拉动时端子应无松动现象。反之,如果在哪一个座孔中的插头端子拔出时比其它座孔容易,则该座孔可能在使用中会引起接触不良的故障。
检查时的注意事项
(1)连接器的检查必须在点火锁关闭的状态下进行,否则会因自感而烧坏有关机件。
(2)拆下导线连接器时,要注意松开锁紧弹簧或按下锁扣,不可硬拉硬拽,装复时,应将连接器插到底并锁止。
(3)对于防水型连接器在拆下检测时,应注意小心取下皮套,安装时防水套应到位,否则,可能因水进入连接器而导致电路故障。
(4)在用万用表检查连接器时,表棒插入时不可对端子用力过大,以防因端片变形而引起插接的接触不良。 \

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