低阻抗同轴电缆的制备与可调电阻测试法_陈国平

低阻抗同轴电缆的制备与可调电阻测试法_陈国平 第41卷第6期2014年12月25日数字通信 DigitalCommunicationVol41，No(6Dec(252014 1 DOI:10(3969/j(issn(1005-3824(2014(06(001 低阻抗同轴电缆的制备与可调电阻测试法 12 陈国平，罗易堃 (1(重庆邮电大学电工理论与新技术实验室，重庆400065;2(重庆邮电大学通信与信息学院，重庆400065) 摘要:在射频功放运用中经常会涉及到使用一些低阻抗的同轴电缆的情况，如制作平衡,非平衡轮换的巴伦，以及 特定阻抗变换电路。研究了根据同轴电缆的结构，通过改变部分关键结构参数，制备任意非标准的低阻抗同轴电缆技术方法;通过同轴电缆中的电磁传播理论分析和推导，提出准确测试低阻抗同轴电缆的可调电阻测试法。关键词:射频;同轴电缆;低阻抗中图分类号:TN813 文献标识码:A 3824(2014)06-0001-03文章编号:1005- 0引言 电线电缆行业是中国仅次于汽车行业的第二大 ————————————————————————————————————————————————————— 行业。特征阻抗是选择同轴电缆时必须要考虑的重要参数之一，而随着射频通信的发展，在高功率射频领域内的许多应用中需要使用到低于普通阻抗值(50Ω和75Ω)的同轴电缆，但是目前市面上大多都是50Ω和75Ω的同轴电缆。针对小批量验证性项目应用，非标准低阻抗同轴电缆在价格和研发周期上均存在较多的问，这迫切需要一种方便制备和简单准确的测试。 针对制备低阻抗的同轴电缆时涉及的重要参数控制并能提供简单准确的测试方法，我们将以设计制备一个工作频率在10,200MHz，插入损耗低于3dB/m，15Ω同轴电缆为例进行论述;并以实验实测为目标，提出一种简单准确的基于反射系数的可调电阻特征阻抗测试法。 图1 ADSAPPCAD 约同轴电缆阻抗的重要因素。 在绝缘体(含铜网)跟中心导体的直径比一定的情况下，绝缘层的介电常数越高，所得到的同轴电缆的阻抗就会越小。特别重要的是，绝缘材料一定是能够在宽频带和宽温度的范围内工作时，都具有良好的电绝缘性能(如:相对介电常数和损耗因子)。以15Ω同轴电缆的制作为分析对象，按图1所给的参数进行仿真得到15Ω的同轴电缆。 这里采用的绝缘层介质是PTFE(聚四氟乙烯)，根据厂家提供的资料，其介电常数为2(55。因为聚四氟乙烯分子链中的氟原子对称，均匀散布，不存在固有的偶极距，使介质损耗角正切tgδ(0(0002 9 ————————————————————————————————————————————————————— 以下)和相对介电常数εr在工频10Hz范围内变更 1 构 同轴电缆的结构及制作 要制备同轴电缆，首先需要了解同轴电缆的结 ,1, ，这里使用ADSAPPCAD软件进行分析和综 合，如图1所示。同轴电缆的结构从最外层到最里层分别是绝缘外层、屏蔽层、绝缘体、中心导体，同轴电缆的阻抗值由公式(1)可知: D160 Z0=(ln() D2 r 很小。介质损耗角正切值越小，信号在同轴电缆传输中的能量消耗也就越小，这样很有利于信号能量PTFE从室温到300?之间，PTFE的的传输。而且， tgδ值实际变更很小，而εr随温度升高也有所下降 ,2, (1) 如果要设计和制备特定阻值的同轴电缆，绝缘 体(含铜网)D1跟中心导体的直径D2比是关键因素，此外，对————————————————————————————————————————————————————— 绝缘层相对介质常数 εr的选择也是制 收稿日期:2014,07,15 修回日期:2014,08,25 。 根据APPCAD设计出15Ω的同轴电缆，然后就进行制作。由软件设计结果知道，选取直径为2(3mm的铜芯线作为中心导体，然后采用PTFE材质 2 数字通信第41卷 的胶带在中心导体外层均匀缠绕，缠绕完之后就在绝缘层外包裹一层屏蔽铜网，使得绝缘层(含铜网)的直径为3(43mm，最后在外层再包裹上一层绝缘B端接上可调电将电缆的A端焊接上SMA头，层， 阻，即可进行测试验证。如图2所示 。 图3 连接了不同特征阻抗同轴线的网络 由此可以求得1端口的反射电压波为 , Vin(z1=0)=V1, (4) ————————————————————————————————————————————————————— ,jβ1(,l1) 图215Ω同轴电缆 和 ,Vin(z1=,l1)=V1,e 这里需要注意的是，低阻抗同轴电缆制作过程中心导体外露的尺寸不能太中的SMA头焊接问题， 多，如果太多，会导致中心导体没有得到充分的屏蔽，由于测试的频率都比较高，波长相对很短，会造成矢量网络分析仪发射的测试的信号在外露的中心导体上衰减很快，同时还会增加额外的阻抗与反射，会直接影响到测试结果。 低阻抗同轴电缆的制备已经完成，但是如何才能确定我们所制作出来的同轴电缆能够达到设计的低阻抗。目前，虽然有一些测试同轴电缆阻抗的标例如TD,测试法准方法，振法 ,4, ,3, ,4, 、传输相位法、开路谐 (5) 其中，β1为传输线的无损耗传播常数。2端口电压也具有同样的形式，只需用Vout替换Vin，用V2替换V1，用β2替换β1就可以得到其达公式。上述公式写成矩阵的形式 ( ————————————————————————————————————————————————————— + Vin(,l1) V(,l2)+out )[ = e jβ1l1 0e jβ2l2 ](V) +2 V1+ (6) 这个公式将网络端口的入射电压波与某一参考面上的电压波联系了起来，该参考面的位移对应于网络输入传输线段的长度。反射电压波的矩阵形式为 等，但是这些方法在工程应用中稍微显得有 因而如何方便地测试同轴电缆的低阻抗值点复杂， 成了一个关键问题。针对这种情况，我们将提出一个简单、方便、快捷地测试方法。 关系 ( ————————————————————————————————————————————————————— , Vin(,l1) V(,l2),out )[ = e jβ1l1 0e jβ2l2 ](V) ,2 V1, (7) 根据以前我们学过的S参数与入反射电压波的 2 2(1 可调电阻测试法 不同特征阻抗同轴线的网络连接分析一般情况下所讨论的网络 连接的传输线具有相 ()[ V ,2 —————————————————————————————————————————————————— ——— V1, = S11S21 S12S22](V) +2jβ1l1 V1+ (8) 所以，如果加上传输线段，那么将上式替换为 而在现实工程中，并不是这样。同的特征阻抗Z0， 当信号从一端传输到另一端的时候，总是会遇到连这样就使得每接的同轴电缆有着不相同的阻抗值， 个端口的反射系数会与相应的端口有关，且与相应的同轴电缆的特征阻抗有关的比例变换。在实际测量网络的S参数时，需要利用一段有限长度的传输线。在这种情况下，我们需要研究如图3所示的特殊系统，其测量参考面远离被测网络的方向移动。 ,5, 这里将中间发生阻抗变换的AB点，分别向 ( , Vin(,l1),Vout(,l2) )[ [ ————————————————————————————————————————————————————— =S11e e0e jβ2l2 0e jβ1l1 0e jβ2l2 ][SS]V(,l)](V(,l)) S11 21+in S12 22 1 +out (9) 2 因此将中间的3个矩阵合并运算，就得到(S)= [ ,2jβ1l1 S12e ,j(β1l1+β2l2) ,2jβ2l2 —————————————————————————————————————————————————— ——— S21e ,j(β1l1+β2l2) S22e ] (10) 这样信号源端的入射电压为 ,+Vin(,l1)=Vin(,l1)S11e+ Vout(,l2)S12e ,j(β1l1+β2l2) ,2jβ1l1 + (11) Z01和Z02方向看去，这样就可以知道1端口的入射电压波为 + Vin(z1=0)V1+ + 将公式右边的Vin(,l1)除到公式左边去，就可 (2)(3 ) 以得到信号远端的反射系数 ,+ Vin(,l1)Vout(,l2),2jβ1l1,j(βl+βl) —————————————————————————————————————————————————— ——— Se+S12e112211++ Vin(,l1)Vin(,l1) 而且，在信号远端入射电压波为 + Vin(z1=,l1)=V1+e,jβ1(l1) (12) 第6期陈国平等:低阻抗同轴电缆的制备与可调电阻测试法 3 根据上面推导出来的(12)式就可以知道，在2根不同阻抗的同轴电缆之间选取一个点，通过该点的S11来判断未知特征阻抗的同轴电缆与负载电阻测试出来是否达到阻抗匹配。这里需要注意的是，的S11参数可能是两个地方的反射，也就是说只有当后面的负载电阻的阻值与未知特征阻抗的同轴电缆才会出现一个反射。这样我们就通相匹配的时候， 过用可调电阻来代替负载电阻，在测量过程中进行调试，慢慢使可调电阻的阻值与未知阻抗的同轴电缆的阻值达到匹配，这就得到最小的Smith圆图(也就是只有一个反射的出现)，然后通过测试可调电阻的阻值，得到未知同轴电缆的阻抗值，这就是可调电阻测试法。但是在焊接可调电阻时，作为负载的可调电阻的引脚不能过长，因为测试的频率段是处于一个较高的频段，如果引脚过长，会导致最后的负载不是一个纯电阻性质的负载。同理，可调电阻的选择也应该尽量选择金属膜的，而不是线绕电阻 ————————————————————————————————————————————————————— 。 成传输过程中的损耗增加。这样使得从信号源看过去到电缆连接末端的入射信号随着电缆的长度增加而逐渐减小，相反地，反射信号的强度在逐渐增加，使得反射系数增加，这样就形成了如上面图形中的一圈螺旋线 ,6, ，因此在实际工程中，取点尽量取靠 近中心的点取测试的反射系数。同时，这里造成测试出来的同轴电缆阻抗值与仿真的时候有一定的误这主要考虑以下三个方面可能会存在一定的误差， D1与D2的尺度是否把差:1)在制备线的过程中， 握精确，可能会导致实际的尺度并不是软件所计算的尺度，从而会影响阻抗误差。2)中心导体外层的绝缘介质包裹是否均匀。3)对中间绝缘层的相对介电常数的把握是否准确。 3总结 该文章首先介绍了如何制作特征阻抗的同轴线，接着从理论的角度对两端口连接不同阻抗的同轴线进行有关S参数方面的分析，进而得到了可调电阻测试法。在射频功放的应用中，工程师们经常会用特征阻抗的同轴电缆制作巴伦，该文章不仅为这种特征阻抗的同轴电缆的制作阐述了方法，而且还提出了简便易行的可调电阻法来进行测试，为工程师们在同轴电缆特征阻值的测试提供了方便。 图425Ω ————————————————————————————————————————————————————— 同轴电缆测试图 参考文献: ,1,朱元忠，陶士芳(多芯同轴射频电缆的设计与制造 ,J,(光纤与电缆及其应用技术，2006(2):37-39(,2,周军霞(同轴电缆特性阻抗测试方法基于的原理及应 C,//中国通信学会2009年光缆电缆学术年会论用, s(l(,:,s(n(,，2009(文集(, ,3,范伟峰，王昱，梁振兴(射频同轴电缆特性阻抗测量方 (光纤与电缆及其应用技术，2010(2):法的探讨,J,22-24( ,4,邓君华，田绍春(SYV型同轴电缆相对介电常数及其测 J,(光纤与电缆及其应用技术，1992(1):1-4(试方法, ,5,LUDWING,，B,ETCHKOP(,fcircuitdesign:theory M,(,s(l(,:,s(n(,，2002:123-124(andapplications, ,6,MATTHEWM(,(, adiofrequencyandmicrowaveelec-tronicsillustrated,M,(,s(l(,:,s(n(,，2000，12:188-189(作者简介: )，陈国平(1976-男，重庆合川人，博士，副教授，主要研究方向为电磁/声学主被动原定位与成像。 (下转) 图5自制的15Ω同轴电缆测试图 2(2标准25Ω和自制15Ω的同轴电缆测试图4为通过矢量网络分析仪得到的标准25Ω ————————————————————————————————————————————————————— 同轴电缆测试图，实际用万能表测试出来为23(6Ω。图5为自制的15Ω同轴电缆测试图，实际测试为14(1Ω。但是由上图看到实际测量并不是一个圆圈，而是一段由里向外的螺旋线。这是由于所使用的同轴电缆阻抗值是在50Ω以下，与50Ω的测试同轴电缆连接处于非匹配状态，并且测试的频率带宽是从10,200MHz，随着信号频率的增加，会造 第6期OFDM系统PAP,的联合算法曹型兵等:降低LWT-185(作者简介: 11 CES)，2013InternationalConferenceon(,s(l(,:IEEE，2013:593-597( ,6,张德丰(MATLAB小波分析,M,(北京:机械工业出版 2009:216-222(社，,7,高建波，吴炯星，赵尔沅，等(基于小波提升算法的 OFDM系统及其峰均比特性分析,J,(电子测量技术， 2007，30(1):72-75( ,8,张亚静，练秋生(基于提升算法的OFDM系统中不同 (通信技术，2009(4):183-小波基的性能分析,J, )，曹型兵(1972-男，四川人，高级工程师，主要研究方向E-mail:caoxingbing@163(com;胡崛为移动通信技术， (1989-)，男，四川人，硕士研究生，主要研究方向为基于小波 E-mail:hujue2007@163(com;张超提升变换的OFDM系统， (1989-)，女，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为FSK信 ————————————————————————————————————————————————————— E-mail:1064012989@qq(com。号处理， CombinedAlgorithmofPAP,,eductionforLWT-OFDMSystem CAOXingbing1，HUJue2，ZHANGChao3 (InstituteofCommunicationsApplication， ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications， Chongqing400065P(,(China) Abstract: Tosolvetheproblemofhighpeak-to-averagepowerratioofLWT-OFDMsyste m， thispaperadoptsthecombina-pickoutasetofsignalwithtionalgorithmofpart transmissionsequencesandexponentialcompandingtransformation(First， thesmallestpeakvaluethroughPTSalgorithm， andthenthroughexponentialcompandingtransformationtoreducePAP ,(Fromthesimulation，comparedwithotherlimitamplitudetechnique， thecombinationalgorithmcanlowerthePAP,effec-tivelyinthissystem， andthebiterrorrateisrelativelylow( Keywords:liftingwavelettransformation(LWT)， orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM)， parttransmissioncompandingtransformation，peaktoaveragepowerratio(PAP,)，biterrorrate(BE,)sequences(PTS)， (责任编辑张诚) (上接) —————————————————————————————————————————————————— ——— Preparationandadjustableresistancetest methodoflowimpedanceofcoaxialcable CHENGuoping1，LUOYikun2 (1(ElectricalTheoryandNewTechnologyLab， ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065， P(,(China2(CollegeofCommunicationandInformationEngineering， ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065， P(,(China) Abstract:Inordertogettheeffectofimpedancetransformation， itofteninvolvesselectingthelowimpedancecoaxialcabletomakebalunwhen makingthe,Fpoweramplifier(Forthecoaxialcable， accordingtothestandardconfiguration， thear-ticlewillpresentsthekeyparametersofchangingthestructuretoobtain alowimpedancecoaxial，thentheorytestmethodsarededuced， andwegetthesimplemethodoflowimpedancecoaxialcabletestingandvalida tionbyusingadjustableresis-tor( Keywords:,F，coaxicalcable，lowimpedance (责任编辑张诚) 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