微波射频测试电缆的最佳选择方案
来源:dzsc发布时间:2019-09-1585浏览
询问 AI美国时代微波系统公司的测试工程师对50欧姆测试电缆的要求作出以下概述：
1. 损耗：一英尺电缆《0.09db/ft@1Ghz （不包括SMA及N型接头连接器）
2. 最小弯曲半径：0.75'' （1.5'‘弯曲直径）
3. 优良的柔性（良好的耐弯曲性能）
4. 25000次180度的弯曲寿命
5. 良好的电压驻波比
6. 最大操作频率：4GHz
7. 高屏蔽率
8. 低成本
接下来，客户也许会提出：“我不需要太难得到的东西，因为我马上就想用到它们。”然而，他们并没有意识到上述要求中的某些部分互相冲突，在不同使用领域会应用不同的频率。因此生产商必须努力制造高性能电缆，以帮助我们辨别哪些属于实用且低成本的电缆。在了解机械性能和射频性能后，则更有利于帮助我们选择最适合应用的电缆。
以上将是我们下一步开始讨论的良好开端。随着各种无需增加直径而能减少衰减的生产技术的发展，电缆生产者告诉我们，损耗越低，电缆越好。也许这并不一定完全正确，但我们应该意识到，一些应用确实需要达到柔性RG同轴电缆很难达到的损耗水平。除此之外，排除需求问题，许多寻求高质量测试电缆的客户开始将低损视为必须。
电缆衰减随频率升高逐渐增加，但直径越大衰减越小。衰减也会随着传播速率（Vp）的提高而减少。许多柔性RG电缆将固体聚四氟乙烯作为电介质。大约70% 的传播速率（也就是说，信号传播速度相当于在真空中的70%），固体聚四氟乙烯介质可以使电缆更牢固且相对低成本。
我们需要增加接头损耗以达到平衡，并且尝试用RG同轴电缆保持低成本，只有类似 RG393的电缆能够满足客户对于衰减的需求。
于是，一些问题立刻明显表现出来。首先，该尺寸的电缆非常之硬。其次，在持续弯曲的场合，弯曲半径将受限于10倍外径的大小。根据编织带的结构，工作频率及性能要求，最小弯曲半径可以偶尔缩小至5倍外径大小。除此以外，会永久改变（拉伸，缠绕）编制带，并改变性能。3.9英寸（相当于 7.8英寸直径）已经远远超出了客户提出的最大限制。
其二，RG393并不适合SMA型接头。它使得安装过程更加复杂化，且可能制造出令人无法接受的回波损耗。最后，RG的特性使其屏蔽性能不能达到最好，因此供应商降低编织角度（也就是说，是用更少的编织丝）。编织丝越少，柔性越强，但是弯曲寿命会减短。因为编织层更容易移动或松懈。对RG电缆规格的过度研究，使我们同时也忽略了对其他方面的要求。
综上所述，增加电缆直径对于达到所需衰减水平可能并不是一个可被接受的解决方式。另一种节省成本的方式，是改变中心导体与或外编制层结构。定制一个固体中心导体将增加10-15%的损耗，具体取决于频率大小。然而，许多单芯的中心导体是铜包钢镀银结构，非柔性电缆的最佳选择。回顾以上所提到的柔性需求，我们需要高端铜镀银中心导体。一种典型的方式是用更坚硬的铜代替固体钢中心导体。一些链导体的弯曲寿命和柔性度将被重新定义，且不影响衰减效率的提高。
大多通用RG电缆使用一到二层镀银铜丝编织绕包外导体。探究外导体改进的时候，生产商从半钢铜护套的电缆找到答案。然而，对于中心导体来说，半刚性与使用固体聚乙烯的损耗同样低。线缆生产者不断试图用新编织结构和生产方式以达到及其柔性的电缆。
提高包括衰减在内整体性能的一种通常策略，是将50%遮盖螺旋面作为内屏蔽层来补充单一绕包带。在提供更有助于射频传播界面的同时，螺旋面对增加电缆屏蔽性也有额外的帮助。但是，这种结构也有其弊端。射频能力会随弯曲而更快减弱。通常第三种扁平编织带会被置于螺旋带下端，以帮助解决此问题。与介质应用相反，扁平编织层具有螺旋带一样的平滑表面，且更具弯曲性。此外，扁平及螺旋编织带结构可根据频率变化使衰减提高到10%.
总而言之，虽然三层编织层的电缆比较坚硬，但是可提供更强的衰减能力，屏蔽效力，以及更长的弯曲寿命。然而，近看编织层强度和角度，以及严格的控制程序，会发现此种电缆同样传输更高频率。在符合工作频率与最小弯曲半径的条件下，在弯曲度大于RG电缆时，依然能保持其射频性能。
最有效的减少衰减的方式不仅包括改进编织带及中心导体，还包括改变其中心结构。延展聚四氟乙烯，发泡聚四氟乙烯，花健聚四氟乙烯，以及发泡聚乙烯，均是生产商用来增加介质内空气百分比的方式，从而减少其介电常数。更多的空气通常意味着更易弯曲的中心导体，以更具柔性。为了保持合适的阻抗，需要更大的中心导体，以减小阻抗，使损耗更低。要找到90%或更高Vp的低损电缆，不是一件难事。这类电缆往往衰减更低，有时甚至比损耗更高的固体聚四氟乙烯直径更小，柔性更强。
看起来，低损电缆是满足以上要求的合适之选，然而，也有不足之处。低损产品使用成品连接器通常不太合适，只能选择专为此类电缆设计的连接器，这样的话生产周期会延长，同样成本会提高。低损中心导体可能更容易潮湿，沾染助焊剂和清洁剂，也不会像固体中心针容易剥离。这些问题可能使安装复杂化，并且增加成本。
这种更柔的中心结构使得在更高频率达到高性能变得困难。例如，编制带上的波纹中心导体使用太紧密，会导致更高的回损。如果中心导体很软，编织层部件会互相移动靠近，导致射频性能不稳定，尤其表现在相位或电长度等参数上。而且中心导体会偏离中心位置，改变阻抗。最后，低损电缆更易受外部物理压力或其它弯曲动力的影响而遭到损坏。Vp值越高，这些问题越容易恶化。
看来低损电缆有太多问题需要考虑，但实际上有些问题经常被忽视。时代微波系统的LMR,T-FLEX,SF,SFT系列为低损或编织层结构改进后的高性能电缆的最佳案例，不仅最大化减少损耗值，而且提供最佳柔性与高频率性能。
显而易见，低损电缆可能需要满足或至少达到目标损耗值，同时又必须满足最小弯曲半径/柔性需求。为达到客户的价格与交期目标，我们先从时代微波系统LMR UltraFlex产品开始来研究目录产品，该产品使用了聚乙烯介质技术。由于在电信及无线领域的广泛应用，发泡聚乙烯电缆和许多连接器到处可见，且价格十分低廉。Vp在80-87%的发泡聚乙烯同样非常低廉。UltraFlex系列相对于标准LMR或普通发泡聚乙烯电缆，具备更优的弯矩。一款0.200'’直径电缆计算得出频率损耗值为0.12db,非常接近客户需求。这使得我们拥有完美的解决方案。
另外一款我们关注的产品为用多股中心导体的Times SFT316产品。这是一种0.120'‘直径，76%速率的绕包聚四氟乙烯电缆。更柔软的聚四氟乙烯介质更能满足柔性及弯曲寿命要求，且更接近弯曲半径要求，但损耗值可达0.18db.LMR是双层屏蔽电缆产品，而SFT则是高屏蔽的三层电缆。每种都使用不同中心结构。可见，要在一种产品中达到所有要求，并不像客户期望的那么简单。
从一种测试电缆中得到最佳性能及最大价值
测试电缆的其他性能也使其成为极佳电缆产品。让我们试着为此款电缆选择合适尺寸的连接器。一种方式是将电缆中心导体直径与连接器中心针直径相对比。相似尺寸的部件使得在连接器处匹配较好，从而使回损最佳化。
通常，电缆组件的接头连接处是最容易折损的，所以拉力减缓系统需要提供从坚硬的接头连接位置到电缆的平稳过渡。拉力减缓系统如果不能固定接头连接部分或无法起到一个杠杆受力点的作用，那就起不到相应的作用并且接头会过早脱落。如果可能，为编织层以及中心导体选择焊接接头方法，能达到最长的使用寿命及最佳电气稳定性。
除非测试系统或组件需要考虑交调性，一般来说连接器必须使用高质量的不锈钢材料来代替铜材，以达到长久的寿命。使用钢制的连接器可增加插拔次数，减少金属颗粒渗入连接器而导致改变连接器阻抗。如果可能， SMA系列接头应该具有坚硬厚实的外导体设计，以减少在没有使用合适扳手的情况下产生的挤压。
为电缆安装护套有助于避免挤压，过渡弯曲或绞缠时带来的损害，但是通常情况下柔性护套不能避免拧扭时带来的损害…这也是连接器/电缆组件失效的一个常见原因。最后，唯一最有效的方式，是培训如何正确使用及维护，以达到高效和长久的使用寿命。
选择合适的测试电缆的策略
客户对规格和性能的要求总在不断的变化，这并不稀奇，希望在所有方面都能达到最佳要求是很正常的。因此，预先定制策略可帮助我们较快筛选。我们将在表格一中分类一些较普遍使用的参数。
该列表并非以面盖全，并不是每一个参数都是为测试电缆而设。例如，功率处理随海拔高度增加而减少。如果功率是首选考虑，并且所选电缆的最大功率接近最低需求，我们可能需要考虑该产品是否用于高海拔。一款用于室外的电缆需要考虑到受到潮湿的可能性，同时也需要能够抵抗紫外线。抗潮湿性会影响到连接器结构选择（推荐使用内部和外部都有封闭气垫）以及电缆选择（推荐Times LMR-db 防水编织结构）。抗紫外线特性需要在护套材料内含有特殊化学物质。最终应用将会决定使用哪种材料。
首先，从参数列表上看，选择那些必须满足的。其次，设置最小或最大规格限制，但不要过度。否则将会浪费
成本或错过一些可能完全适合的选择。一旦按优先次序从最重要的到最不重要的顺序排列参数，那些较不重要的将被忽略。
首先我们需要选择最合适的电缆结构或技术来缩小供应商查找范围，此结构或技术需要最大可能的满足必需的参数和指标。举例来说，如果250000次弯曲寿命为最高优先级别，那么半刚同轴电缆不是一个合适的选择，相关的技术或供应商可被忽略。然而，大公司比如时代微波系统，能制造使用不止一项技术或材料的电缆，比如固体发泡聚乙烯，绕包聚四氟乙烯，以及现有的二氧化硅，我们能够提供更多选择。
总之，我们应该记住，需要考虑的参数越多，对该参数的要求越高，需要越详尽的研究及花费更高的成本/或更长的周期。
客户会坚持要求产品达到最佳损耗，弯曲半径及弯折寿命，这些只有通过现代技术才能达到。当这些成为重要因素的同时，一项针对关键指标需求的研究表明，对于一英尺长度的电缆，在1GHz频率时，应用固体聚四氟乙烯介质电缆的损耗并不差，并且弯曲寿命不需要很长或者弯曲半径不需要很小。弯曲时的电气稳定性其实非常重要，然而却往往被忽略。典型的电缆失效模式为，连接器在电缆由于不断弯曲而毁损前就已断裂。SilverLineTM测试电缆能满足客户真实需求，针对典型失效模式，成本在您的控制预算内，且备货充足能随时发货。目前不同规格及长度的SilverLineTM测试电缆已被广泛使用于客户测试及维修设备中。
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