周期性阻抗不均匀Word格式文档下载.docx
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在电缆阻抗均匀性和组件装配技术得到保证的前提下,连接器的结构成为影响电缆组件性能的决定性因素,也成为电子设备间信号能否准确无误传输的关键。
SMA-J824型射频连接器的实验测试数据表明,其具有电性能优良、结构简单稳定等特点。
本文通过该连接器的结构设计,阐述了射频连接器绝缘子设计的新方法,作为传统经验公式的补充。
1射频连接器的设计原理
射频连接器设计主要包括三个方面:
a.头部配合尺寸的选取;
b.连接器内外导体与电缆内外导体之间的机械和电气连接,包括一系列的过渡尺寸的确定;
c.连接器内部因直径突变而导致的补偿结构的确定。
连接器头部可根据需要参照相关的标准规范确定其标准接口尺寸。
连接器内外导体与电缆内外导体的机械和电气连接要在保证每一截面上的特性阻抗为50Ω的基础上,遵从“直径渐变”原则并保证连接的稳定、可靠。
补偿结构的确定是设计射频同轴连接器的关键所在。
为使连接器在其截止频率范围内保持优异的VSWR性能,在设计连接器的结构尺寸时,必须遵循三个基本原则:
a.尽量减少阻抗不连续性;
b.在每个截面上尽可能保持一致的特性阻抗,将其偏差控制在±
0.5Ω之内;
c.对于每一个不可避免的阻抗不连续性采取共面或高抗补偿。
在电缆内外导体与连接器内外导体的连接中,不可避免地存在着直径变化。
由于导体直径的阶梯突变,破坏了电磁场分布的均匀性,从而导致了阻抗而不匹配。
根据电磁场理论可知,在导体直径的突变处,相当于在均匀传输线中并联上一个不连续电容。
连接器的绝缘子起着固定连接器内外导体的作用,并能防止插针或插孔的轴向移动,同时通过对绝缘子尺寸的合理设计,使绝缘子处的感抗正好能补偿内外导体直径变化引起的不连续电容,起到高抗补偿的作用,从而减少电信号在传输过程中的反射,最终达到减小VSWR的目的。
实验测试数据表明,绝缘子的补偿间隙直接影响着电缆组件VSWR的大小,因而成为射频连接器设计的关键之一。
2绝缘子高抗补偿间隙的经验计算
在射频连接器结构中,理想情况下特性阻抗Z。
但由于内外导体直径不可避免地存在着同时同向突变的状况,使内外导体之间产生了电容Cd,相当于。
为了使Z'
c=Zc,就要设法产生一个电感,一般可采用使内外导体直径突变处错开一段距离△的方法(错开处可由空气或固体介质作为绝缘),用来补偿由内外导体直径突变引起的不连续电容,这就是以往用得很多的高抗补偿法。
高抗补偿主要通过对绝缘子间隙的设计来补偿不连续电容,使间隙段的电感与由电缆、连接器两者内外导体直径变化引起的不连续电容匹配,从而使整个间隙段达到50Ω特性阻抗值,在整个截止频率范围内获得优异的VSWR。
传统的绝缘子高抗补偿间隙△的经验计算公式是:
(1)
(2),式中D1为较小的外导体直径,D2为较大的外导体直径;
ε为此处介质的介电常数。
在设计射频连接器的过程中,我们可以根据
(1)或式
(2)初步得出绝缘子高抗补偿间隙的大概值。
根据SMA-J824型连接器所接电缆的尺寸,D2/D1=1.11,所以式
(1)比较适合计算绝缘子的高抗补偿间隙。
由式
(1)得到△为0.2mm。
但是,按这个尺寸加工的连接器,经装配成电缆组件后测试验证,其性能远远不能满足高频、宽带下的VSWR要求(见图1)。
从图中可见,当补偿间隙为0.2mm时,整个频带内的VSWR都不理想。
这是因为,式
(1)和式
(2)未考虑到频率对VSWR的影响。
因此,光靠传统的高抗补偿间隙的经验公式来设计射频连接器已不能满足高频、宽带下的VSWR要求,还需要借助于改进的设计方法理一步降低VSWR。
图1△=0.2mm时的VSWR
3改进的绝缘子补偿间隙设计方法
由内外导体同时同向突变而引起的不连续电容Cd可看作是内导体直径突变引起的不连续电容Cd1和外导体直径突变引起的不连续电容Cd2的并联,如图4所示,显然,Cd=Cd1+Cd2。
(1)内导体直径突变
计算内导体直径突变引起的不连续电容时,假定外导体的直径是不变的,如图2所示。
内导体直径突变引起单位圆周长度上的不连续电容C'
d1可用下列近似公式计算:
(3)式中,d1,d2分别为变化前后的内导体直径,d3为外导体直径,ε为此处介质的介电常数。
则因内导体直径突变引起的不连续电容Cd1为:
Cd1=πd3C'
d1(α1,τ1)(F(4)
(2)外导体直径突变
计算外导体直径突变引导起的不连续电容时,假定内导体的直径是不变的,如图3所示。
外导体的直径是不变的,如图3所示。
外导体直径突变引起单位圆周长度上的不连续电容C'
d2可用下列近似公式计算:
C'
d2=C'
do+6.2×
10-15·
(1-α2)2(τ2-1.4)(F/cm)(5)(6)图2内导体直径突变式中;
d1为内导体直径,d2,d3为内导体直径,d2,d3分别为变化前后的外导体直径,ε为此处介质的介电常数
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
李恩铭
(大唐电信光通信分公司 成都 610062)
【摘要】介绍无线通信用物理发泡绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆的结构特点,主要参数计算,原材料的配用,生产设备与生产过程控制以及电气性能测试。
关键词:
物理发泡聚乙烯绝缘 皱纹铜管外导体 射频同轴电缆 电气性能测试
1 引言
目前,无线通信事业飞速发展,物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆正在被广泛应用。
物理发泡聚乙烯绝缘的同轴电缆较之早期的化学发泡绝缘电缆和纵孔绝缘电缆有很多优点。
化学发泡聚乙烯绝缘采用具有极性的偶氮二甲酰胺作发泡剂,其残留物分布不均,易吸潮,使电缆的电压驻波比(VSWR)及衰减变大,电气性能变差。
纵孔聚乙烯绝缘电缆由于纵孔不密封,故电缆易吸潮、渗水,影响电压驻波比及衰减指标。
物理发泡聚乙烯绝缘层的气孔的生成采用注入非极性的氮气的方法,可使气泡始终保持微小、均匀、互相封闭,电缆的电容均匀一致,又无腐蚀、极少残留物,且防水、防潮,因此大大提高了电缆的电气性能。
它的发泡度高,所做成的射频同轴电缆的尺寸(直径)可以保持较小的水平,这对于降低成本和施工都是十分有利的。
射频同轴电缆采用皱纹铜管外导体,具有低电压驻波比、高功率容量和屏蔽性能、横向水密封性及弯曲性能良好等特点。
物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆的工作频率范围一般在100MHz~2500MHz之间。
它主要用在无线移动通信、蜂窝电话、微波传输、广播通信等系统的有线传输部分,作为基站的发射和接收机与天线的连接、无线通信设备之间的连接等。
2 同轴电缆的结构及主要参数计算方法
物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆由内导体、物理发泡聚乙烯绝缘层、皱纹铜管外导体和护套组成,其结构如图1所示。
绝缘层采用三层共挤的方式制成所谓皮—泡—皮最佳形式,内皮的厚度约0.01mm~0.05mm,实心,介电常数约2.3~2.4左右,相对较大,其作用是增加绝缘层与内导体的粘附力,提高绝缘层的气密性。
内皮层要尽量薄,以减少它对发泡层介电常数的不良影响。
中间物理发泡层的发泡度高达75%~80%,介电常数只有1.2~1.3,比实心绝缘小得多。
使泡沫到达最佳的物理完整性和保持匀称的泡孔结构很大程度上就决定了电缆具有优异的电气性能。
外皮层为实心绝缘层,厚度约0.04mm~0.06mm,作用是增加表面光洁度和提高整个绝缘层的强度。
主要参数计算方法:
电磁波在射频同轴电缆中的传播速度(Speedofpropagation):
V
式中:
εr——同轴电缆的绝缘发泡层(皮/泡/皮)的等效介电常数
D(mm)——同轴电缆绝缘发泡层外径
d1(mm)——同轴电缆内导体直径
电容(Capacitance)C,对皮/泡/波发泡电缆来说其等效电容:
ε发泡——发泡层介电常数
ε外皮——内皮层介电常数
D、d1、d2、d3的定义如图1所示。
发泡度(Expansion):
Exp.
注:
函数Colog(x)即函数10(x)
εsol——固态发泡材料的介电常数
εexp——发泡后发泡层的介电常数
挤出量(Extruderoutput):
Q(dm3/h)
Po——外导体电阻率(μΩ—cm)
Pi——内导体电阻率(μΩ—cm)
f——频率(MHz)
df——绝缘材料的介质损耗正切角(弧度)
εr——发泡绝缘层的介电常数
根据以上所列的计算方法,我们设计出1/2”和7/8”两种型号的射频同轴电缆,制定了相应的工艺,其结构尺寸参见表1。
3 生产设备、原材料的配用与生产工艺控制
物理发泡绝缘工艺如图2所示。
内导体采用铜包铝线或铜管经较直、拉伸模拉直、定径,除去表面毛刺。
采用三层共挤的方式制成皮—泡—皮绝缘缆芯。
内皮机采用Φ30的挤塑机,外皮机也为Φ30的挤塑机,发泡主机采用长径比为30∶1的Φ80的挤塑机。
氮气注入系统将氮气压力加压到450~600Bar,通过注气针注入发泡主机,氮气压力的稳定与否直接关系到绝缘缆芯的质量即电缆的电气性能。
内皮层用线性低密度聚乙烯(LLDPE)少量粘接剂混合而成。
发泡层用约70~80%的高密度聚乙烯(HDPE)、20~30%的低密度聚乙烯(LDPE)和少量成核剂混合而成。
物理发泡绝缘工序包括五个关键阶段:
聚合物熔融和混合、获得均匀的聚合物熔体、氮气注入、聚合物与氮气混合成核、泡孔形成;
混合物通过十字机头挤出,压力释放,导致泡孔生长;
冷却,泡孔稳定化及绝缘结构的凝结。
外皮层用高密度聚乙烯。
绝缘缆芯的发泡度控制在75%~80%之间。
绝缘发泡工序为关键工序,其泡孔结构的一致性以及绝缘缆芯的冷直径、冷电容、偏心度等参数的稳定与否直接关系到电缆产品的质量。
氩弧焊轧纹工艺如图3所示。
外导体由铜带切边成一定的宽度,再经多道成型模形成管状,氩弧焊焊管,定径模定径,形成所要求直径的铜管。
中心绝缘缆芯与外导体铜管的占空比是影响电缆电压驻波比及衰减指标的一个不可忽视的因数。
对外导体铜管来说,相对较大的绝缘缆芯,有利于电压驻波比的改善;
较小的绝缘缆芯,有利于衰减的改善。
外导体经轧纹机轧纹。
轧纹转速与生产线速度应协调,以便使外导体形成设计要求的波峰、波谷和节距。
外导体工序亦为关键工序,其焊接和轧纹质量控制的好坏关系到电缆产品的电气性能及弯曲性能。
在氩弧焊焊接时应尽量杜绝漏焊和虚焊,以避免在高频下它对电气性能的影响。
4 电缆的测试
通常使用矢量网络分析仪来测试射频同轴电缆的衰减常数、电压驻波比(VSWR)及特性阻抗。
在高频测试时引线接头的微小变化都可能使被测电缆的VSWR值产生显著的改变。
这是因为在高频接头中的反射增大的原故。
此时引线接头的VSWR可能对电缆电压驻波比测试的影响起着支配作用。
所以射频同轴电缆的测量,一是必须采用高质量的电缆接头;
二是测试人员应具有良好的实践经验;
三是在测试前一
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