射頻同軸電纜插入損耗影響因素綜合分析

楊建保

(安弗施無線射頻系統(上海)有限公司，上海 201613)

0 引言

射頻同軸電纜作為通信發射設備和發射天線間的連接線,被廣泛應用于無線電通訊、廣播和有關電子設備中。移動通信已經由4G跨入5G時代,射頻同軸電纜所傳輸信號的頻率也急劇增加,同時相關電子設備功耗也同步增大,從而使得射頻同軸電纜傳輸的信號高頻化、使用環境高溫化,而作為信號傳輸的關鍵環節,其能否準確地傳輸信號至關重要。

目前,對射頻同軸電纜信號傳輸特性的研究主要集中在信號傳輸的頻率特性[1]、不同結構不同信號頻率時的衰減常數[2]、不同溫度下信號的幅相特性[3]、高頻信號在互連線的終端響應[4]以及時域有限差分法和有限元法結合下的信號完整性[5],而對射頻同軸電纜的另一個重要參數插入損耗S21還有待進一步研究。本文以SFB型射頻同軸電纜為研究對象,基于ANSYS建立三維有限元模型,分析溫度、頻率和絕緣層厚度對射頻同軸電纜插入損耗S21的影響。

1 射頻同軸電纜插入損耗S21的計算

用S參數描述的網絡一般含有很多端口,端口就是電流流入或流出網絡的輸入端或輸出端。本文研究的射頻同軸電纜模型就是一個信號從一端流入、另一端流出的二端口網絡,如圖1所示。

圖1 二端口網絡

圖1的二端口網絡用入射波和反射波來表征網絡,定義了入射波參量A1和A2、反射波參量B1和B2,分別為:

用式(1)和式(2)來表征二端口網絡:

B1=S11A1+S12A2.

(1)

B2=S21A1+S22A2.

(2)

其中:S11為端口2接匹配負載時端口1的回波損耗,dB;S22為端口1接匹配負載時端口2的回波損耗,dB;S12為端口1接匹配負載時信號傳輸到端口1的插入損耗,dB;S21為端口2接匹配負載時信號傳輸到端口2的插入損耗,dB。

式(1)和式(2)的矩陣形式為:

(3)

式(1)～式(3)用S參數(即S11、S12、S21和S22)表示了各個端口上反射波與入射波的關系,由此可知,從端口1輸入的入射波既可以從端口1返回,也可以從端口2輸出。根據S參數的定義,端口2是給定的系統特征阻抗Z0的終端,可以得到:

(4)

(5)

本文重點對射頻同軸電纜插入損耗S21進行分析研究。

2 SFB型射頻同軸電纜的結構

圖2為SFB型射頻同軸電纜的基本結構,由內、外導體環繞一根軸線形成雙導體系統,在內、外導體間通過絕緣材料隔絕,然后整條電纜由最外層的護套保護。

圖2 SFB型射頻同軸電纜基本結構

本文主要分析研究三種不同絕緣層厚度的SFB型射頻同軸電纜,其結構參數見表1。內、外導體均為銅導體,絕緣層和護套均為PTFE(聚四氟乙烯),20 ℃時的材料參數見表2。

表1 三種型號的SFB型射頻同軸電纜結構參數

表2 射頻同軸電纜材料性能參數

3 SFB型射頻同軸電纜有限元模型建立

3.1 網格劃分

為了使問題簡化,假設射頻同軸電纜各層間的接觸為完全接觸,同時為均勻傳輸線且不存在任何內部缺陷。仿真分析時選擇自由剖分四面體網格,在內、外導體以及絕緣層采用密集網格,在非重點區域護套部分采用稀疏網格,從而減小網格數量,縮短計算時間,射頻同軸電纜網格劃分如圖3所示。

圖3 射頻同軸電纜網格劃分

3.2 邊界條件的設置及激勵加載

SFB型射頻同軸電纜信號加載方式為端口激勵,取電纜長度為10 m,外部環境溫度分別設置為20 ℃、80 ℃、150 ℃,電纜外表皮與周圍環境的換熱形式設定為對流換熱,信號輸入功率為0.02 W,頻率為1 GHz～18 GHz,步長為1 GHz,對求解選項進行設置求解。仿真前需要在圖3模型兩端匹配阻值為50 Ω的虛擬特征阻抗,從而與電纜形成完全阻抗匹配。同時,選擇模型一端的絕緣層邊界作為信號輸入源,信號發射端與接收端分別與電纜兩端的虛擬特征阻抗相連,使得同軸電纜形成完整的信號回路。在此條件下,電纜兩端間便形成了一個二端口網絡。

4 SFB型射頻同軸電纜插入損耗S21仿真結果分析

三種不同絕緣層厚度的SFB型射頻同軸電纜插入損耗S21隨頻率以及溫度變化的仿真結果如圖4～圖6所示。

圖4 SFB-50-2射頻同軸電纜插入損耗隨頻率、溫度變化曲線

圖5 SFB-50-3射頻同軸電纜插入損耗隨頻率、溫度變化曲線

圖6 SFB-50-5射頻同軸電纜插入損耗隨頻率、溫度變化曲線

由圖4～圖6可以看出:相同絕緣層厚度的射頻同軸電纜插入損耗隨環境溫度的增加而增大,這是由于隨著環境溫度的升高射頻同軸電纜內、外導體的電阻會增大,同時,絕緣層介電常數也會隨環境溫度升高而增大,從而導致介質損耗的增加;相同絕緣層厚度的射頻同軸電纜插入損耗隨著信號頻率的增加而增大,這是由于具有一定頻率的信號在同軸電纜內、外導體上會產生趨膚效應,并且隨著信號頻率的增大趨膚深度也越來越淺,導體有效電阻也越來越大,信號在導體上的損耗也越來越大,對于絕緣層介質而言,隨著信號頻率的增大,介質的介電常數也在增大,所以介質損耗也將增大;相同溫度下不同絕緣層厚度的射頻同軸電纜的插入損耗為SFB-50-5

5 結語

射頻同軸電纜插入損耗S21的性能好壞直接影響到其傳輸信號的完整性,因此插入損耗S21是評判電纜質量的重要技術參數。通過本文的分析,得到了不同結構射頻同軸電纜插入損耗S21在不同溫度、不同頻率下的變化規律。