射频同轴电缆设计和制造中若干问题的分析

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，还经常使用铜包覆线或空心铜管，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＞0.07mm·sptr(f)（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(即电导率为29.7%IACS），以直径为1.6mm铜包钢线为例，铜电阻率为0.0175Ωmm²/m，钢电阻率为0.147Ωmm²/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0.025mm，代入δ＞0.07·sptr(f)可知，当传输频率大于1.67MHz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3/8in皱纹铜管外导体，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铜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2.25m（即包括两端接插连接器），在2000MHz以下传输损耗＜0.9dB，回波损耗＞15dB。经考虑，作者承诺两周内送样，参与国外产品的竞争。

(1)设计前分析及试制 据查，MIL17/74RG-213/U产品结构为：内导体为7×0.75mm铜绞线，绝缘为实心的聚乙烯，外径为7.25mm;外导体为φ0.18mm裸铜丝单层编织；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-213/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MIL17/75RG-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）＜0.9dB。每只连接器接入损耗为0.07·sptr(f) （f单位为GHz），按最高频率2GHz计算，每只连接器接入损耗约为0.099dB，因此要求电缆损耗小于0.31dB/m。若采用普通型聚乙烯绝缘料(tgδ=5×10^-4)时，按式(1)计算求得的衰减理论值约为0.344dB/m，不能采用；若采用高纯净聚乙烯绝缘料(tgδ=5×10^-4)，衰减理论值约为0.233dB/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。


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)24×9×0.18mm裸铜丝单层编织；

(2)24×9×0.18mm+24×7×0.18mm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，2000MHz时对应周期长度约为48.9mm），编织节距选取40mm。

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2000MHz时电缆衰减为0.412dB/m；(2)双编织外导体产品衰减为0.367dB/m，均不能满足＜0.31dB/m的指标要求。

(2)采用铜箔+编织的外导体结构 上述试验结果表明减小编织织外导体的耦合损耗是多么重要。经思考决定采用铜箔+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0.287dB/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。

图5 RG-213(铜箔+编织)电缆衰减-频率特性曲线

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，并且铝的电阻率比铜大62%，从而导致相同尺寸的同轴电缆，铝外导体的比铜外导体的损耗大10%左右，这也是不使用铝箔的原因。铜很稳定，电性能好，但加工性能中够好，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0.033～0.055mm铜箔+厚度为0.018mmPE复合薄膜，伸长率＞7%（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。

图6 RG-213(铜箔+编织)电缆电压驻波比-频率特性曲线

4 介质及介质损耗角正切

这是一个反映材料本性的指标。以聚乙烯（PE）来说，乙烯分子结构的偶极矩矢量和为零，本