高頻同軸電纜組件的設計及性能研究

摘要：隨著高頻同軸電纜組件應用領域的不斷擴大和組件型式的復雜多樣，如何確保射頻系統的性能和可靠性顯得尤為重要。首先，介紹了高頻同軸電纜組件設計過程中射頻同軸電纜、同軸連接器等零部件的分類及應用；其次，分析了各類零部件的電氣性能、機械性能、環境性能等特性及應用場景；最后，對同軸電纜組件設計過程的關鍵性能參數進行研究，從而達到同軸電纜組件設計的目的。

關鍵詞：同軸電纜組件；同軸電纜；射頻連接器

中圖分類號：TM248+.3 文獻標識碼：A

0 引言

同軸電纜組件（簡稱“組件”）應用領域廣泛，既包括航空航天和通信等成熟領域，也包括汽車、工業和物聯網等新興行業。該類組件具有高帶寬、低損耗、抗干擾等優點，其應用能提高現代化通信傳輸的質量和效率。

同軸電纜組件應用領域的不斷擴大促進了該類組件的開發。市場上組件型式復雜多樣，為了確保射頻系統的性能和可靠性，需要基于細致的方法和清晰的路線圖進行設計。本文對組件關鍵零部件中的同軸電纜、連接器的選型及性能進行了詳細介紹，并且對組件的電氣特征、物理結構等進行了設計，從而達到組件設計的目的。

1 組件的設計原則

同軸電纜組件是采用焊接、壓接、螺紋旋接等裝配工藝，將同軸電纜與相適配的連接器連接起來共同構成的一段傳輸線。在電纜組件設計時，應權衡同軸電纜和連接器的選材，從電氣、機械和環境參數等方面進行設計，使之符合系統應用要求，再根據需要選擇適合的連接方案。設計的基本原則如下。

1.1 實現功能和性能的要求

不同功能要求的電纜組件針對連接器與電纜的選型也不同，如傳輸數字信號、模擬信號的組件和傳輸功率的組件等，單根組件、集束組件等。性能參數通常包括適用頻率范圍、特性阻抗、駐波比、插入損耗、相位一致性、相位穩定性、耐功率和耐電壓等。

1.2 環境條件的要求

不同的使用環境（如航空航天、船舶、地面、機載彈載等）需要考慮不同的耐環境性能。例如，對于航空產品，需要考慮耐高低溫、耐振動、耐沖擊、耐濕熱、阻燃等性能；對于艦載產品，需要考慮耐鹽霧、耐霉菌、耐濕熱等性能；對于宇航產品，需要考慮耐輻照、真空釋氣、熱失重等真空環境下的性能。

1.3 實際使用中的顯性和隱性需求

在設計時應注意產品的顯性需求，如產品需明確相關的技術規范，以及具體應用場景帶來的附加要求等。例如，在安裝使用過程中，產品必須抗拉、抗壓、可拆卸、可反復彎折等。除上述要求之外，還應在與客戶交流的過程中充分發掘客戶的隱性需求。

2 組件中零部件的選型及性能

2.1 常見同軸電纜的分類及性能

按同軸電纜的特性可分為半剛性電纜、半柔性電纜、柔軟電纜、穩相電纜等，常見電纜及性能如下。

2.1.1 半剛性電纜

半剛性電纜通常是實心的金屬外導體，該結構可保證在復雜多變的環境條件下電纜性能的穩定性，這類電纜通常應用在相位匹配的相控陣天線系統中。實心金屬外導體表面可鍍鎳、錫、三元合金等，在屏蔽性、耐鹽霧、耐霉菌、抗腐蝕性等方面的性能都較好。通常情況下，半剛性電纜只能可靠地成型/彎曲一次，重復成型/彎曲半剛性電纜會導致外導體的損壞。

2.1.2 半柔性電纜

半柔性電纜外導體通常為編織屏蔽層整體浸錫結構，屏蔽性能僅次于半剛性電纜，而穩定性基本一致，但相較于半剛性電纜，此類電纜能夠輕易實現手工成型，良好的柔韌性和電性能通常應用在空間狹小且形狀復雜的機箱里。

2.1.3 柔軟電纜

柔軟電纜采用柔軟的絕緣層和屏蔽層材料，具有較高的柔性和抗扭曲性能，通常使用金屬編織屏蔽層，而不是半剛性電纜中使用的實心管，這使它們具有更強的靈活性和彈性，適用于頻繁彎曲的場合。

2.1.4 穩相電纜

穩相電纜是幅度穩定性和相位穩定性等特定功能的同軸電纜，具有低損耗、高幅度和相位穩定性等特點，穩相電纜的結構從內到外依次為鍍銀銅內導體、聚四氟乙烯繞包絕緣層、鍍銀銅繞包外導體、鍍銀銅編織屏蔽層、氟塑料護套。穩相特性通常包括機械相位和溫度相位的穩定，機械穩相是指電纜在機械物理變化時相位變化的程度；溫度穩相是指在發生溫度變化時相位變化的程度[1]。

穩相電纜廣泛應用于相控陣雷達、導彈、電子對抗等。例如，在高原地區部署的相控陣雷達等設備，由于要經受高低溫、強日照等惡劣條件，導致隨著使用時間的增加，設備穩定性逐漸變差，從而影響信號傳輸的精度和質量。常見的穩相電纜包括Astrolab公司的32051、32055、32099，Times公司的Tflex系列、SF系列，MCC公司的UFB311、UFB205，以及Gore公司的CXN系列等產品。此外，二氧化硅絕緣同軸電纜可以應用于航天航空等特殊領域。采用高純度泡沫二氧化硅作為絕緣材料，可以滿足耐溫1 000℃的要求，并且具有在-40～100℃的相位變化不大于300×10-6的超穩相性能。

2.2 同軸連接器的選型及性能

同軸連接器的種類繁多，適用的范圍場合也有所不同。根據適用環境，連接器可以分為適用于宇航環境的釋氣孔型連接器、適用于水下的氣密性連接器、適用于車載輕便緊湊環境的Fakra/mini-Fakra連接器、適用于振動環境的自鎖連接器等；根據接口界面類型，連接器可以分為N、SMA、TNC、BNC、BMA、DIN等類型；根據接觸結構，連接器可以分為公頭和母頭；根據安裝形式，連接器可以分為插頭和插座；根據材質，連接器可以分為不銹鋼、銅合金、鈦合金、鋁合金等類型；根據表面處理方式，連接器可以分為鈍化、鍍金、鍍鎳、鍍三元合金、陽極氧化等類型。

在選擇連接器時，需要考慮其頻率范圍、阻抗匹配、插入損耗、耐電壓、耐功率等性能，同時還要考慮接口關系、材料及表面處理、匹配電纜等。其中，需要根據實際使用環境選擇相應的連接器材料及表面處理。例如，303不銹鋼鈍化后的耐鹽霧時長約為192 h，在艦載等要求高的場合應避免使用，可采用耐鹽霧時長為300 h以上的316 L不銹鋼；在航空航天環境下，可選用重量輕、耐環境性能更優異的鈦合金。

3 組件關鍵性能設計

組件的關鍵性能通常包括特性阻抗、插入損耗、電壓駐波比和回波損耗、傳輸速率、耐功率、屏蔽效率、相位與相位匹配等。根據產品功能要求進行連接器與電纜的選型后，還要對關鍵性能進行設計驗證。

3.1 特性阻抗

特性阻抗是指沿線信號傳輸時入射波電壓和電流的比值，是同軸電纜最基本的電氣特性。由于射頻能量總是在射頻電纜的導體表面傳輸，因此特性阻抗Z0可通過以下公式計算：

Z0 = ×ln 或Z0 = ×lg 。" " " " " " " "（1）

式中，D為外導體內徑，d為內導體外徑，ε為絕緣材料介電常數。

3.2 插入損耗

插入損耗是指信號傳輸過程中的能量損耗，當射頻信號在組件傳輸時，一部分能量轉變成熱量消耗掉，另一部分能量通過電纜的外導體向外界輻射，這兩個部分能量的損失之和稱為損耗。損耗對能量損失的影響較大，3 dB損耗相當于能量損失50%，因此，降低組件的損耗對于射頻系統來說較為重要。

對于組件來說，最主要的損耗來源于3個方面：電纜、連接器和失配損耗。在某規定頻率下，組件的插入損耗IL計算公式如下：

IL=a×L+b+c。" " " " " " nbsp; " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，a為規定頻率下電纜損耗，L為電纜長度，b為連接器損耗，c為失配損耗。

衰減與導體電阻有關，導體的電阻取決于導體的材料、長度、橫截面積以及環境溫度。因此，電纜溫度升高時，衰減增大；電纜溫度降低時，衰減減小。當電纜溫度不是20℃時，需要采用溫度系數換算任意溫度下的衰減，在工程計算時，可采用每℃變化0.2%的經驗值計算。

3.3 電壓駐波比和回波損耗

電壓駐波比和回波損耗是衡量組件性能的關鍵指標，傳輸線阻抗的隨機變化會導致射頻信號的反射，根據阻抗變化幅度可計算反射系數，進而計算駐波比和回波損耗，具體計算公式：

Г =" 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

VSWR = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

RL = -20×lg 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，Г為反射系數，Z為實際特性阻抗，Z0為標稱特性阻抗，VSWR為電壓駐波比，RL為回波損耗。

3.4 傳輸速率

傳輸速率是指信號在電纜中的傳播速度和光速的比值，與絕緣介質的介電常數ε存在以下關系：

Vp=×100%。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中，Vp為傳輸速率。

3.5 耐功率

同軸電纜組件在傳輸信號時，電纜的衰減會產生熱量，電纜的功率處理能力主要體現在電纜耐受衰減所產生熱量的能力。影響電纜平均功率的最重要因素有兩個：一是電纜的最高工作溫度；二是電纜本身的衰減。電纜能承受的工作溫度越高，其所能承受的功率越大；同等條件下，電纜衰減越小，其本身產生的熱量就越小，承受的功率也就越大。

電纜額定功率一般在標準環境溫度40℃和海平面高度標準大氣壓（101.325 kPa）的條件下求出，當環境變化時，額定功率隨之變化，電纜組件平均功率受海拔、溫度和電壓駐波比的影響較大，海拔增加、溫度升高或駐波比變大時，平均功率會隨之下降。

電纜額定功率與某海拔的氣壓計算關系如下[2]：

PX =P×（）0.26。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

式中，PX為電纜額定功率，P為海平面額定功率，ρX為某海拔的氣壓，ρ為海平面上的氣壓。

3.6 屏蔽效率

屏蔽效率是指屏蔽層一邊入射的射頻能量與透射到另一邊的射頻能量之間的比率，是表征電纜抗干擾和防止電磁能量泄漏能力的關鍵參數。屏蔽性能不良會導致傳輸信號受到外部噪聲信號的干擾，同時自身信號也會泄漏、干擾外部信號。

同軸電纜的屏蔽層形式多樣，最簡單有效的屏蔽層是半剛性與螺紋同軸電纜的外導體，其在

1 GHz～18 GHz頻率下的屏蔽效率超過140 dB。柔性同軸電纜有4種常見屏蔽層類型：第1種是最常見的編織圓線屏蔽層；第2種是編織扁平線屏蔽層，這類屏蔽層結構堅固；第3種是螺旋繞扁平線屏蔽層；第4種是螺旋繞硬化復合薄膜（聚酯薄膜、聚酰亞胺或聚酯）屏蔽層[3]。4種常見屏蔽層的屏蔽衰減如圖1所示。

3.7 相位與相位匹配

對于穩相電纜組件還需要考慮相位匹配特性。由于受電纜加工過程和所用原材料一致性波動的影響，電纜在各點的均勻性無法完全一致，導致信號通過相同物理長度的組件時會產生一定的延時和相位差，此時可以采用電氣長度來決定電纜的長度，該電氣長度特性就是相位。相位的計算公式：

Φ = × f ×360。" " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

式中，Φ為總相位，VP為傳輸速率，?為工作頻率。

相位匹配用來描述兩個或多個電纜組件具有相同相位長度的能力，更準確地說是電長度匹配，相位匹配主要分為相對匹配和絕對匹配。行業內，穩相性能判定通常依據GJB 973B—2021標準中穩定性和一致性的相關要求[3]。

4 結論

同軸電纜組件應用領域的不斷擴大促進了新型同軸電纜組件的開發，而設計出符合要求的同軸電纜組件存在一定難度，因此需要了解組件要實現的功能、應用環境、兼容性、空間限制和維護等多重因素。本文通過介紹同軸電纜組件的設計原則，并且通過對常用類型的同軸連接器、同軸電纜、輔材等的選型及性能介紹，從而達到射頻同軸電纜組件設計的目的，為同軸電纜組件的設計提供參考。

參考文獻

[1] 李慶和.同軸電纜的溫度相位穩定性及其影響因素分析[J].電線電纜，2007（2）：25-27.

[2] 倪艷榮.通信電纜結構設計[M].北京：機械工業出版社，2013：102-103.

[3] 中央軍委裝備發展部信息系統局.柔軟和半硬射頻電纜通用規范：GJB 973B—2021[S].北京：國家軍用標準出版發行部，2022.