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同轴电缆 规格原理

来源:行业动态 阅读:69 发布时间:2021-05-09

同轴电缆使用内部导体(通常是实心铜,绞合铜线或镀铜钢丝)传导电信号,该内部导体被绝缘层包围,并且全部被屏蔽层(通常为一到四层编织的金属编织层和金属带)包围。电缆由外部绝缘护套保护。通常,屏蔽层的外部保持接地电位,并且将信号传输电压施加到中心导体。同轴设计的优势在于,在差分模式下,内部导体上和外部导体内部具有相等的推挽电流,信号的电场和磁场被限制在电介质内,屏蔽层外部几乎没有泄漏。此外,如果在线路的接收端滤除了不相等的电流,则在很大程度上防止了电缆外部的电场和磁场干扰电缆内部的信号。这种特性使得同轴电缆既适合承载微弱的信号(不能容忍来自环境的干扰),又适合于较强的电信号(必须不允许辐射或耦合到相邻的结构或电路中)。较大直径的电缆和带多个屏蔽的电缆泄漏较少。



同轴电缆的常见应用包括视频和CATV分配,RF和微波传输以及计算机和仪器数据连接。


电缆的特性阻抗({\ displaystyle Z_ {0}} Z_ {0})由内部绝缘体的介电常数以及内部和外部导体的半径确定。在射频系统中,电缆长度与所传输信号的波长相当,因此均匀的电缆特性阻抗对于最大程度地降低损耗很重要。选择源阻抗和负载阻抗以匹配电缆的阻抗,以确保最大的功率传输和最小的驻波比。同轴电缆的其他重要特性包括衰减与频率,电压处理能力和屏蔽质量的关系

同轴电缆的设计选择会影响物理尺寸,频率性能,衰减,功率处理能力,灵活性,强度和成本。内部导体可能是实心的或绞合的;搁浅更灵活。为了获得更好的高频性能,内部导体可能会镀银。镀铜钢丝通常用作有线电视行业电缆的内部导体。


围绕内部导体的绝缘子可以是实心塑料,泡沫塑料或带有支撑内部电线的垫片的空气。介电绝缘体的特性决定了电缆的某些电气特性。常见的选择是用于低损耗电缆的固态聚乙烯(PE)绝缘子。固态聚四氟乙烯(PTFE)也用作绝缘体,并且仅用于增压电缆中。[需要引证]一些同轴线使用空气(或其他气体)并具有隔离物,以防止内部导体接触屏蔽层。


许多传统的同轴电缆使用编织铜线形成屏蔽层。这样可以使电缆具有柔性,但是这也意味着屏蔽层中存在间隙,并且屏蔽层的内部尺寸会稍有变化,因为编织层不能平坦。有时编织层是镀银的。为了获得更好的屏蔽性能,某些电缆具有双层屏蔽。[4]屏蔽层可能只是两个编织层,但现在更常见的是用金属丝编织层覆盖薄箔屏蔽层。一些电缆可能会投资于两个以上的屏蔽层,例如“ quad-shield”,它使用了四个交替的箔和编织层。其他屏蔽设计则牺牲了灵活性,以获得更好的性能。一些屏蔽是坚固的金属管。这些电缆不能急剧弯曲,因为屏蔽层会扭结,从而导致电缆损耗。当使用箔屏蔽层时,箔中包含一根细小的导线,使焊接屏蔽端子更加容易。


对于高达1 GHz的大功率射频传输,可提供尺寸为0.25英寸以上的带实心铜外导体的同轴电缆。外导体像波纹管一样是波纹状的,以具有柔韧性,而内导体则通过塑料螺旋线保持在适当的位置,以近似于空气绝缘。[4]这种电缆的一个品牌名称是Heliax。


同轴电缆需要绝缘(电介质)材料的内部结构,以保持中心导体和屏蔽层之间的间距。介电损耗按以下顺序增加:理想介电(无损耗),真空,空气,聚四氟乙烯(PTFE),聚乙烯泡沫和固态聚乙烯。不均匀的电介质需要通过非圆形导体进行补偿,以避免产生电流热点。


尽管许多电缆具有固体电介质,但其他电缆却具有泡沫电介质,其中包含尽可能多的空气或其他气体,以允许使用较大直径的中心导体来减少损耗。泡沫同轴电缆的衰减将减少约15%,但某些类型的泡沫介质在潮湿的环境中(尤其是在其许多表面)可以吸收湿气,从而大大增加了损耗。形状像星形或辐条的支撑甚至更好,但更昂贵,并且极易受潮气渗透。更昂贵的是20世纪中叶用于某些城市间通信的空同轴电缆。中心导体每隔几厘米被聚乙烯圆盘悬挂。在某些低损耗同轴电缆(例如RG-62型)中,内部导体由聚乙烯的螺旋线支撑,因此,大部分导体与护套内部之间存在空隙。空气的较低介电常数允许在相同阻抗下具有更大的内径,在相同截止频率下具有更大的外径,从而降低了欧姆损耗。内部导体有时会镀银,以使表面光滑并减少由于集肤效应引起的损耗。[4]粗糙的表面会延伸电流路径,并使电流集中在峰值处,从而增加欧姆损耗。


绝缘外套可以由许多材料制成。常见的选择是PVC,但某些应用可能需要耐火材料。户外应用可能需要夹克抵抗紫外线,氧化,啮齿动物破坏或直接掩埋。同轴电缆泛滥时会使用阻水凝胶,以防止电缆因护套中的小切口而渗入水中。对于内部机箱连接,可以省略绝缘护套。


在大功率,高压和低衰减应用中,同轴电缆的最佳阻抗是在1929年由贝尔实验室通过实验确定的,分别为30,60和77Ω。对于具有空气绝缘层和给定内径屏蔽的同轴电缆,通过选择内导体的直径以提供76.7Ω的特性阻抗,可以将衰减最小化。[12]如果考虑使用更常见的电介质,则最佳损耗阻抗会降至52–64Ω之间的值。 30Ω时可实现最大功率处理。[13]


在自由空间中匹配中心馈电偶极子天线(即没有地面反射的偶极子)所需的近似阻抗为73Ω,因此通常使用75Ω同轴电缆将短波天线连接到接收器。这些通常涉及如此低的RF功率,以致与衰减相比,功率处理和高压击穿特性不重要。与CATV相似,尽管许多广播电视装置和CATV前端使用300Ω折叠偶极天线来接收空中信号,但75Ω同轴电缆却为这些天线提供了方便的4:1平衡-不平衡变压器,并具有低衰减。


30Ω至77Ω之间的算术平均值为53.5Ω;几何平均值为48Ω。通常选择50Ω作为功率处理能力和衰减之间的折衷选择,以作为选择该电阻的原因。[12] 50Ω也可以很好地工作,因为它大约对应于半波偶极子的馈电点阻抗,安装在“正常”接地上方大约半波处(理想情况下为73Ω,但对于水平悬挂较低的导线则减小)。


RG-62是一种93Ω同轴电缆,最初用于1970年代和1980年代初期的大型计算机网络(它是用于将IBM 3270终端连接到IBM 3274/3174终端集群控制器的电缆)。后来,一些LAN设备制造商(例如ARCNET的Datapoint)采用RG-62作为其同轴电缆标准。与其他类似尺寸的同轴电缆相比,该电缆每单位长度的电容最低。


同轴系统的所有组件都应具有相同的阻抗,以避免组件之间的连接处发生内部反射(请参阅阻抗匹配)。这种反射可能会导致信号衰减。它们会引入驻波,从而增加损耗,甚至可能导致大功率传输导致电缆介电击穿。在模拟视频或电视系统中,反射会导致图像重影;多次反射可能会导致原始信号后跟多个回波。如果同轴电缆是开放的(末端未连接),则终端的电阻几乎无限大,这会引起反射。如果同轴电缆短路,则终端电阻几乎为零,这会导致极性相反的反射。如果同轴电缆的纯电阻等于其阻抗,则反射将几乎消除。