銅包鋼射頻同軸電纜應(yīng)用分析及鍍層測定

嚴(yán)紅成

摘 要：本文介紹了銅包鋼射頻電纜和實(shí)際應(yīng)用中的問題，重點(diǎn)對電磁波信號在銅包鋼導(dǎo)線傳輸中的趨膚效應(yīng)和透射深度進(jìn)行了分析，并通過研究銅包鋼的物理模型和導(dǎo)電性，將信號傳輸中的使用頻率與鍍層厚度、導(dǎo)電率等建立了等式關(guān)系，使其只需通過簡單運(yùn)算就能相互得到需要的數(shù)據(jù)。最后還介紹了一種比較實(shí)用的鍍層測定方法。

關(guān)鍵詞：銅包鋼；射頻同軸電纜；趨膚效應(yīng)；鍍層；化學(xué)測厚

中圖分類號：TQ153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0098-01

1 引言

射頻電纜是無線電頻率范圍內(nèi)傳輸信號和能量的電纜總稱。射頻同軸電纜是一種射頻傳輸線。射頻傳輸線還包括有波導(dǎo)、微帶傳輸線等，它們是傳輸頻率從幾十兆赫到幾千兆赫的射頻信號的主要傳輸媒介。射頻傳輸線廣泛應(yīng)用于各類無線電通訊設(shè)備、高頻儀器儀表、微波通訊、通訊導(dǎo)航等設(shè)備中，作為傳輸信號和能量的主要信息通道。

銅包鋼射頻同軸電纜是采用銅包鋼線作電纜內(nèi)導(dǎo)體的電纜，用銅包鋼導(dǎo)體代替純銅導(dǎo)體用于射頻、CATV同軸電纜中，可以在確保其導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，大大降低成本，減輕重量，因此這種銅包鋼同軸電纜也越來越受到普遍重視。這種材料的相對導(dǎo)電率受到鍍層厚度影響，鍍層薄了，達(dá)不到導(dǎo)電率要求，導(dǎo)致信號衰減嚴(yán)重；厚了又使成本增加，造成浪費(fèi)。另外由于高頻電磁波信號在導(dǎo)體中傳輸存在“趨膚效應(yīng)”現(xiàn)象，高頻電磁波信號就集中在導(dǎo)體很薄的環(huán)表面?zhèn)鬏?，隨著頻率增大，有效傳輸表面的厚度就越薄，這種現(xiàn)象也同樣限制了銅包鋼電纜某一頻率下的有效應(yīng)用。本文旨在通過對銅包鋼導(dǎo)電性分析和對高頻集膚效應(yīng)透射深度計算分析以有助于精準(zhǔn)設(shè)計銅包鋼同軸電纜和有效應(yīng)用，同時介紹一種比較實(shí)用的銅層厚度的測定方法。

2 集膚效應(yīng)及透射深度計算

當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，電流將集中在導(dǎo)體表面流過，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。是電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時，會聚集于總導(dǎo)體表層，而非平均分布于整個導(dǎo)體的截面積中。所以當(dāng)高頻電流的集膚效應(yīng)分析，當(dāng)工作頻率越高，電流越集中在導(dǎo)體表面流過，交變電流的實(shí)際電阻會越大，銅層實(shí)際有效截面積的減小。

我們用電磁波向?qū)w中透入的過程加以說明，電磁波向?qū)w內(nèi)部透入時，因?yàn)槟芰繐p失而逐漸衰減。當(dāng)波幅衰減為表面波幅的倍的深度稱為交變電磁場對導(dǎo)體的透入深度δ。以平面電磁波對半無限大導(dǎo)體的透入推導(dǎo)出趨膚深度公式2.1

式中代表頻率（赫），ρ代表導(dǎo)體的電阻率，μ代表相對導(dǎo)磁率。可見高頻透入深度δ隨著不同的工作頻率，金屬相對導(dǎo)磁率和電阻率而變化的。對于銅導(dǎo)線，其相對磁導(dǎo)率μ=1，電阻率ρ=1724微歐厘米，得到銅導(dǎo)線的趨膚深度見2.2。

表1給出了頻率從1Mhz到10Mhz范圍的鍍銅導(dǎo)線的穿透深度對應(yīng)數(shù)據(jù)：

3 銅包鋼線的導(dǎo)電性分析

3.1 銅包鋼物理模型

銅包鋼截面形狀如圖1所示，圖中Ds為鋼芯直徑，Dccs為銅包鋼線直徑，t為銅鍍層厚度，Ds、Dccs、t的單位均為mm。

在現(xiàn)行的銅包鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，都是以銅包鋼線在直流條件下相對于銅的相對導(dǎo)電率作為導(dǎo)電性能指標(biāo)的。因此可以把銅包鋼線在物理上等效為由一個鋼芯線支路和一個管狀銅鍍層支路組成的并聯(lián)電路。設(shè)Rs為鋼芯電阻，Rc為銅鍍層電阻，Rccs為銅包鋼線電阻，單位：Ω，則：

上式是用鋼芯線直徑表示的銅鍍層厚度計算公式，若將Dccs=Ds+2t帶入公式，則得到用銅包鋼線直徑表示的銅鍍層厚度計算公式2.6，進(jìn)而根據(jù)模型和等效電路公式推導(dǎo)出2.7。