射频同轴电缆电压驻波比影响因素综合分析

李春泉，邹梦强，尚玉玲，谢星华，杨建保

(桂林电子科技大学 机械工程学院，广西 桂林 541004)

射频同轴电缆作为通信发射设备和发射天线之间的连接线，被广泛应用于设备的支架连线、闭路电视(CCTV)、共用天线系统(MATV)以及汽车电子设备中［1］。射频同轴电缆中心导体和网状导电层形成电流回路，使得射频同轴电缆具有良好的信号传输性能，随着现代通信信号频率的增加以及相关电子设备功耗的增大，使射频同轴电缆的信号传输性能受到了极大的影响，作为信号传输的连接线，其能否准确地传输信号至关重要。

目前，国内外学者对射频同轴电缆传输特性的研究相对较少，主要集中于信号衰减特性分析，还有部分学者对温度－频率变化下的信号响应进行了研究，而对射频同轴电缆另一个重要参数VSWR 还有待进一步研究。刘晓曦研究了高频信号在射频同轴电缆中传输时对传输特性的影响［2］;李远东等人对常温下不同结构射频同轴电缆在不同信号频率时的衰减常数进行了研究和探讨［3］;陈竹梅等人对不同温度影响下射频同轴电缆的信号幅相特性进行了研究［4］;J.Zhang 等人对高频信号在互连线的终端响应进行了研究［5］;G.Bao 等人则研究了在时域有限差分法和有限元法结合下的信号完整性［6］。VSWR 反映的是电缆的特征阻抗是否均匀［7］，VSWR 的性能会对电缆的传输功率、反射损耗和传播信号的完整性产生影响，也是电缆在加工制造过程中的一个难点。以SFB50－3 型号的射频同轴电缆为研究对象，通过建立三维有限元仿真模型，分析了内外导体直径偏差、绝缘层介质发泡度偏差、内外导体的偏心度等因素对射频同轴电缆VSWR 的影响。

1 射频同轴电缆VSWR 产生的原因

对于理想的射频同轴电缆，在阻抗匹配的情况下，电缆的反射系数为零，然而事实上阻抗完全匹配的电缆是不存在的，在生产制造过程中，电缆内外导体直径、绝缘层外径、绝缘偏心度，都不可避免地存在制造误差，从而造成沿长度方向上各个点的特征阻抗的微小变化［8］。电缆的特征阻抗沿长度方向上的细微变化，都会造成电缆信号反射。图1 表示了射频同轴电缆反射形成的原理，信号的反射会影响终端接收信号的质量，轻者造成传输信号的质量下降，严重的使电缆信号传输无法正常进行。

图1 反射形成原理示意图

2 射频同轴电缆VSWR 的计算

根据传输线理论，R、L、C、G 为射频同轴电缆的4 个特性参数，这些特性参数与射频同轴电缆内外导体的结构尺寸、电缆使用的材料和传输信号的频率等因素有关。这4 个特性参数可以构成一个集中参数等效电路模型［9］，如图2 所示。

图2 射频同轴电缆等效电路模型

射频同轴电缆的有效电阻R 为内外导体电阻之和，其计算表达式如下

式中:R1为外导体电阻;R2为内导体电阻;D 为外导体等效直径;d 为内导体等效直径;σ 为铜的电导体;f 为工作频率，单位为MHz;μ 为铜的磁导率。

射频同轴电缆电感计算公式为

射频同轴电缆电容计算公式为

式中:ε0为真空中的介电常数;εr为绝缘层相对介电常数。射频同轴电缆电导计算公式为

式中:tanδD为绝缘层的介质损耗角正切;ω=2πf 为角频率。

根据定义，射频同轴电缆的特征阻抗可以表示为

绝对均匀的电缆是不存在的，射频同轴电缆特征阻抗在长度方向会有所变化，特征阻抗从Z1变至Z2时，可根据下式计算反射系数

根据VSWR 的定义，VSWR 可以用反射系数表达为

分析式(1)～(7)可得，射频同轴电缆VSWR 的影响因素包括:1)内外导体的结构尺寸;2)绝缘层的结构尺寸;3)内外导体的磁导率;4)内外导体的电导率、绝缘介质层的相对介电常数和工作频率。

3 射频同轴电缆VSWR 影响因素分析

以型号为SFB50－3 的射频同轴电缆(如图3)为例建模分析，其特征阻抗为50 Ω。利用COMSOL 进行仿真时，根据传输波长来取仿真模型长度［10］，在这里取模型长度为50 mm，传输信号功率2 W，在500 MHz ～10 GHz 的频率范围内进行扫频分析，仿真模型的几何参数和材料性能参数见表1，内外导体均为镀银铜导体，绝缘层和护套均为PTFE(聚四氟乙烯)。

图3 射频同轴电缆仿真分析模型

表1 SFB－50－3 射频同轴电缆的结构与材料参数

3.1 内外导体直径偏差对VSWR 的影响

采用上述仿真模型，保持电缆长度50 mm，传输信号功率2 W，建立内外导体直径偏差分别为1%和2%的模型进行仿真，得到射频同轴电缆特征阻抗偏差ΔZ0和VSWR 曲线分别如表2 和图4～5 所示。

表2 内外导体直径偏差与特征阻抗偏差对照

从表2 可以看出，当内(外)导体直径有1%和2%偏差时，特征阻抗分别产生0.51 Ω 和1.16 Ω 的偏差。根据GB/T 17737.2—2000 的要求，SFB50－3 型射频同轴电缆的特征阻抗偏差不得大于±2 Ω，内外导体直径偏差越大，特征阻抗偏差也将越大，特征阻抗偏差越大反射系数越大，VSWR 也会越大。

从图4 和5 可以看出:

1)射频同轴电缆VSWR 峰值随着频率的增大而增大。

2)内(外)导体偏差越大，VSWR 峰值越大，这是因为内(外)导体直径偏差1%和2%时，特征阻抗将分别产生0.51 Ω和1.16 Ω 的偏差;特征阻抗偏差越大VSWR 也越大。

3)内(外)导体偏差对射频同轴电缆VSWR 的影响随着频率增加而减小，但差异较小。

4)内外导体偏差相同时，VSWR 有相同的偏差，这是因为内外导体偏差相同时引起的特征阻抗偏差也相同。

图4 内导体偏差时VSWR 曲线

图5 外导体偏差时VSWR 曲线

4.2 绝缘层质量对VSWR 的影响

射频同轴电缆VSWR 与绝缘层相对介电常数εr有关，其计算公式为

其中:P 为发泡度;εrh为发泡层高密度PE 的相对介电常数;εrm为发泡层低密度PE 的相对介电常数;Kh为发泡层高密度PE 的百分含量;Km为发泡层低密度PE 的百分含量。

式(8)中的εrh，εrm和原材料有关，Kh和Km可以精确地控制。因此发泡度P 是影响绝缘层介电常数的主要原因，以型号SFB50－3 射频同轴电缆进行研究，发泡度有1%和2%偏差时，带入式(8)可得εr偏差为1%和2%，特征阻抗偏差分别为0.25 Ω 和0.49 Ω，与内(外)导体偏差相比，在同样偏差1%和2%的条件下，绝缘层质量对特征阻抗的影响较小。设置传输信号功率2 W，建立发泡度偏差分别为1%和2%的模型进行仿真，得到VSWR 峰值见表3。

表3 VSWR 随发泡度偏差－频率的变化

从表3 可以看出，发泡度偏差会造成射频同轴电缆VSWR的增大，偏差越大相同频率下的VSWR 越大。随着频率的增加发泡度偏差对VSWR 的影响逐渐减小。

4.3 内外导体的偏心对VSWR 的影响

由于制造误差等原因，射频同轴电缆的内外导体会有一定的偏心度，从而导致特征阻抗的变化，进而影响射频同轴电缆VSWR。内外导体偏心度分别为2%、4%、8%和16%时，采用上述仿真模型，保持电缆长度为50 mm，传输信号功率2 W，可得偏心度与特征阻抗偏差ΔZ0对照见表4。

表4 偏心度与特征阻抗偏差对照

由表4 可以看出，内外导体的偏心度对特征阻抗的影响比较小，偏心度达到8%的时候，特征阻抗的偏差仍然不到1%，因此偏心度对VSWR 的影响很小。

除上述因素外，内外导体不圆及粗细不均匀、挤压变形、扎纹不规则等都是影响射频同轴电缆VSWR 的因素。

5 结论

射频同轴电缆VSWR 性能的好坏会影响电缆的传输功率和电缆传播信号的完整性，因此VSWR 性能是评判电缆质量的重要参考指标，射频同轴电缆的阻抗不均匀性是造成VSWR 性能变差的根本原因。

通过对影响VSWR 的因素分析可知，内外导体直径的准确性是保证射频同轴电缆低VSWR 的重要因素。绝缘层介质发泡度、内外导体的偏心度和电导率也是影响射频同轴电缆VSWR 的因素。提高大家对射频同轴电缆阻抗不均匀性的认识，有针对性地通过技术改进来提高VSWR 性能，为提高产品质量提供了一种有效的参考方法。

［1］李恩铭.无线通信用物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆的开发与生产［J］.现代传输，2002(4):10－13.

［2］刘晓曦.有线电视同轴电缆的传输特性［J］.有线电视技术，2004，11(2):84－87.

［3］李远东，凌明伟.同轴电缆衰减常数的研究探讨［J］.有线电视技术，2009，16(6):84－85.

［4］陈竹梅，娄开胜.高功率射频电缆线束热效应及其影响幅相特性的试验研究［J］.电子机械工程，2009，25(4):10－16.

［5］ZHANG J，CHEN QP，SHI J.Transient analysis for multi－conductor transmission lines based on FDTD method［J］. Applied Mechanics＆Materials，2014，568－570:1207－1212.

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