Mikrovågskoaxiala ledningar transporterar RF-energi mellan antenner, testinstrument, sändare, mottagare och andra mikrovågskomponenter.Deras koncentriska konstruktion ger en kontrollerad överföringsväg och stark skärmning, men prestandan beror på mycket mer än kabeldiameter eller kontakttyp. Frekvens, karakteristisk impedans, dämpning, effekttålighet, fasstabilitet, böjningsradie och kvaliteten på varje övergång påverkar alla slutresultatet.
Den här guiden förklarar hur mikrovågskoaxialkabel fungerar, de viktigaste kabelkonstruktionerna, impedansekvationen, orsakerna till RF-förlust och de praktiska kontroller ingenjörer bör göra innan de väljer en koaxiallösning.
Vad är en mikrovågskoaxialledning?
En koaxial transmissionsledning består av en inre ledare omgiven av ett dielektrikum och en cylindrisk yttre ledare. Eftersom båda ledarna delar samma axel är det elektriska fältet huvudsakligen koncentrerat inom dielektrikumet medan ytterledaren utgör returvägen och elektromagnetisk avskärmning.
Det dominerande utbredningssättet är transversell elektromagnetisk, eller TEM. I en ideal koaxialledning har TEM-utbredning ingen lägre gränsfrekvens. Verkliga enheter har fortfarande en övre användbar frekvens eftersom kabeldimensioner, dielektriskt beteende, kontaktgeometri och högre ordningens lägen begränsar prestandan. En kabel specificerad för lägre frekvenser inom radiofrekvenser bör därför inte antas fungera bra vid mikrovågs- eller millimetervågsfrekvenser.
Huvudkonstruktionselement
- Inre ledare:bär framströmmen och kan vara solid, fåtrådig, pläterad eller ihålig beroende på flexibilitet, förlust och effektkrav.
- Dielektrisk:bibehåller avståndet och bestämmer mycket av impedansen, hastighetsfaktorn, temperaturbeteendet och den dielektriska förlusten.
- Yttre ledare:utgör returvägen och skärmningen. Den kan vara flätad, folierad, korrugerad eller ett massivt metallrör.
- Skyddsjacka:skyddar flexibel kabel mot nötning, fukt, kemikalier och hanteringsskador.
Vanliga typer av mikrovågskoaxialkabel
Ingen enskild konstruktion är bäst för varje mikrovågssystem. Rätt val beror på elektrisk prestanda, installationsmetod, förflyttning, miljö och kostnad.
Flexibel koaxialkabel
Flexibel kabel använder normalt en fåtrådig eller flexibel mittledare med flätad eller foliebaserad skärmning. Den är praktisk för laboratorieinstallationer, utrustningsanslutningar och installationer som kräver upprepad dragning. Dess avvägningar kan inkludera högre dämpning, lägre skärmningseffektivitet och större fasförändring vid böjning än styva konstruktioner.
Halvstyv koaxialkabel
Halvstyv kabel använder en solid ytterledare, vanligtvis formad till en permanent sträckning. Den erbjuder utmärkt skärmning, förutsägbar impedans och god fasstabilitet. Den används ofta inuti mikrovågsaggregat, men installationen kräver korrekta formverktyg och respekt för den angivna minsta böjningsradien.
Handformbar eller formbar kabel
Handformbar kabel erbjuder en praktisk medelväg. Den kan dras enklare än halvstyv kabel samtidigt som den bibehåller bättre skärmning och formstabilitet än många flexibla kablar. Prestandan bör fortfarande kontrolleras efter formning eftersom skarpa böjar och spänningar i kontakterna kan påverka returförlusten.
Stel och luftdielektrisk koaxialledning
Stel koaxialledning använder solida ledare och kan använda luft eller dielektriska stöd med låga förluster. Den är lämplig för överföring med låga förluster eller högre effekt där storlek och installationskomplexitet är acceptabel. Sändnings-, radar- och testsystem kan använda styva sektioner när flexibla kabelförluster skulle vara för stora.
Dubbelskärmad och fasstabil kabel
Ytterligare avskärmning kan minska läckage och känslighet för elektromagnetisk störning. Fasstabila konstruktioner är utformade för att begränsa förändringar i elektrisk längd orsakade av temperatur, böjning eller åldring. Dessa egenskaper är viktiga i fasstyrda matriser, kalibreringsvägar, koherenta mottagare och mätningar med vektornätverksanalysatorer.
Karakteristisk impedans för en koaxialledning
Karakteristisk impedans bestäms av förhållandet mellan ytterledarens innerdiameter och innerledarens ytterdiameter, tillsammans med dielektrikumets relativa permittivitet. För en icke-magnetisk koaxialledning:
Z0= (60 / √εr) ln(D/d) Ω
eller motsvarande:
Z0= (138 / √εr) logg10(D/d) Ω
Här,Där den yttre ledarens innerdiameter,där den yttre diametern på den inre ledaren, ochεrär dielektrikumets relativa permittivitet. De två uttrycken är ekvivalenta eftersom de använder olika logaritmbaser.
De flesta RF- och mikrovågssystem använder 50 Ω eftersom det ger en bra balans mellan effekthantering och dämpning. Ett 75 Ω-system är vanligt i video-, sändnings- och vissa kommunikationstillämpningar. Att blanda 50 Ω- och 75 Ω-komponenter skapar en impedansdiskontinuitet som ökar reflektioner och mätosäkerhet.
Varför mikrovågskoaxialkabel förlorar signal
Insättningsdämpningen ökar normalt med både frekvens och kabellängd. Databladsvärdet bör kontrolleras vid den faktiska driftsfrekvensen och konverteras till den installerade längden snarare än att behandlas som ett fast tal.
Ledarförlust
Vid mikrovågsfrekvenser koncentrerar skin-effekten strömmen nära ledarytorna. Det effektiva motståndet ökar när frekvensen ökar, så ledarmaterial, pläteringskvalitet, ytfinish och ledardiameter påverkar alla dämpningen.
Dielektrisk förlust
Dielektrikumet absorberar en del av den elektromagnetiska energin. Dess förlusttangent, temperatur, fuktexponering och driftsfrekvens påverkar resultatet. Dielektriska material med låg förlust väljs ofta för långa mätningar och precisionsmätningar.
Felmatchning och förlust av kontakt
Övergångar mellan kabel och kontakt, adaptrar, skadade gränssnitt, dålig montering och felaktigt vridmoment kan orsaka reflektioner. Returförlust eller VSWR bör utvärderas över hela driftsbandet, inklusive varje kontakt och övergång i signalvägen.
Böjnings- och installationseffekter
Snäva böjar kan deformera koaxialgeometrin och ändra impedansen. Upprepad böjning kan också förändra inkopplingsförlust och fas. Följ kabeltillverkarens statiska och dynamiska böjningsradiegränser och avlasta kabeln nära kontakterna.
Hur man väljer en mikrovågskoaxialledning
Börja med hela den installerade signalvägen, inte bara kabeln. Följande kontroller hjälper till att förhindra onödiga förluster, felmatchning, överhettning och mekaniska fel.
- Bekräfta frekvensområdet.Kontrollera att kabeln, kontakterna, adaptrarna och testdatan täcker den högsta driftsfrekvensen.
- Matcha systemets impedans.Använd samma nominella impedans genom hela vägen om inte ett avsiktligt impedansomvandlande nätverk tillhandahålls.
- Beräkna den totala insättningsförlusten.Kombinera kabelförlusten vid driftsfrekvensen med förluster från kontaktdon, adapter och övergång. Inkludera marginal för temperatur och åldring där så är lämpligt.
- Kontrollera effekthanteringen.Granska genomsnittlig effekt, toppeffekt, VSWR, omgivningstemperatur, höjd över havet, kontaktens märkdata och arbetscykel. Hög avvikelse kan skapa lokal spännings- eller strömstress.
- Definiera faskrav.För koherenta eller fasanpassade system, specificera fasstabilitet kontra temperatur och böjning samt amplitudförlust.
- Välj kompatibla kontakter.Kontaktserier har olika frekvens-, effekt-, anslutningscykel- och mekaniska gränser. Undvik onödiga adaptrar och kontrollera gränssnittets skick före användning.
- Granska rutt och miljö.Tänk på böjningsradie, rörelse, vibration, fukt, kemikalier, temperaturintervall, skärmning och krav på låga eller låg röknivå.
- Planverifiering.För kritiska enheter, mät inkopplingsförlust och returförlust efter installation. Fasmatchade system kan också kräva verifiering av elektrisk längd.
Koaxialledning eller vågledare?
Koaxialkabel är kompakt, skärmad och lätt att dra, vilket gör den praktisk för många RF- och lägre mikrovågskopplingar. Allt eftersom frekvens, effekt eller tillåten förlust blir mer krävande kan vågledare erbjuda lägre överföringsförlust och högre effektkapacitet, även om den är större och mindre flexibel.
Många system använder båda teknikerna. En korrekt valdvågledare-till-koaxialadapteröverför energi mellan det koaxiella TEM-läget och det erforderliga vågledarläget samtidigt som obalans kontrolleras. För övergångsdesignöverväganden, se vårGuide för val av adapter för vågledare till koaxial.
Typiska tillämpningar
- Anslutningar för vektornätverksanalysator och spektrumanalysator
- Inställningar för antennmätning och kalibrering
- Radar-, satellit- och trådlös kommunikationsutrustning
- Signalgeneratorer, förstärkare, mottagare och frekvensomvandlare
- Interna sammankopplingar i mikrovågsmoduler och testfixturer
- Övergångar mellan koaxialutrustningsportar och vågledarkomponenter
Vanliga frågor
Har koaxialkabel en gränsfrekvens?
Det dominerande TEM-läget har ingen teoretisk lägre gränsfrekvens. Emellertid har varje verklig kabelanslutning en maximal rekommenderad frekvens eftersom högre ordningens lägen, kontaktgeometri, förlust och tillverkningstoleranser så småningom begränsar användbar prestanda.
Varför är 50 Ω vanligt i mikrovågssystem?
Femtio ohm används ofta eftersom det ger en praktisk kompromiss mellan låg dämpning och effekttålighet. Det är också standardimpedansen för de flesta RF-testutrustningar och många mikrovågskomponenter.
Kan en längre kabel kompenseras genom att använda en högre effektkälla?
Ytterligare effekt från källan kan återställa mottagen nivå i vissa system, men det tar inte bort kabeluppvärmning, brusfaktorpåverkan, fasvariation, missmatchning eller effektbegränsningar. Att minska signalförluster är vanligtvis den mer tillförlitliga tekniska metoden.
Vad bör testas efter installationen?
Kontrollera som ett minimum inkopplingsförlust och returförlust över driftsbandet. Precisionssystem kan också kräva mätningar av fas, gruppfördröjning, tidsdomändiskontinuitet, skärmning eller passiv intermodulation.
För hjälp med att välja en övergång från vågledare till koaxial eller integrera koaxial- och vågledarsektioner i ett mikrovågssystem,kontakta RF MISOmed det erforderliga frekvensbandet, gränssnittet, effektnivån och de mekaniska begränsningarna.
Publiceringstid: 15 december 2023
