影响物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆电压驻波比的因素分析.pdf

1 引 言 同轴电缆电压驻波比的因素分析 口余强 大唐 电信科技股份 有限公司光通信分公司成都6 1 0 0 6 2 摘要 本文对影响物理发 泡聚 乙烯绝缘射频 同轴 电缆 电压驻波 比的主要因素做 了分析和比较 结合生产实际 对分析结果做 了验证 关t谓 电压驻 波比 物理 发泡 波阻抗 随着社会对通信 需求的 日益增加 作为通信手段 之一的移 动通信正在飞速发展 据信息产业部最近的统计 到 2 0 0 3年 7 月 全 国移 动 用户 达 到 2 4 4亿 户 赶 上 了固 定 电 话 用 户 的 数 量 作 为 移 动 通 信 基 站 使 用 的物 理 发 泡 聚 乙烯 绝缘 射 频 同轴 电缆 其需求量也正在快速增长 电压驻 波比作为考察物理发 泡聚 乙烯绝缘射频 同轴 电缆的 主要参数之一 其数值 的高低直接决定 了产品的质量 在产品的 制造过程 中 对相关工艺参数进行有效控制保证产品具有 良好 电压驻 波 比 的必 要 条 件 因此 对 影 响 射 频 同轴 电 缆 电压 驻 波 比 的因素进行分析 找 出主要 因素 以便能够在 生产上对产品质量 进 行 控 制是 必要 的 2 射频 同轴 电缆 电压驻 波 比的计算 根据传输线理论 同轴 回路 的一次参数 主要有 电阻 R 电感 L 电容 C和 电导 G 它们 由电缆 的结构尺寸 内外导体材料 绝 缘材料 绝缘层发泡度 和所传导 电流的频率等决定 从 电路 的观 点来看 这四个一次参数正好 构成一个 四端 网络 如 图 1 所示 实际上 同轴 电缆的一次参数 是分 布参数 但是 为了计算 的方 便 将这些分布参数等效为集 中参数 图 1 同轴 电缆 四端网络模 型 对于内外导体都是用铜制成的射频同轴 电缆 其回路的有效 电阻 由内导体电阻和外导体电阻组成 通常可用下式计算 1 8 1 R 一 内导体电阻 R 一外导体 电阻 一 内导体等效外径 一 外导体等效 内径 盯 一铜的电导率 产 工作频率 单位为 MH z 一 铜的磁导率 n鲁 每 c2 孝 一 为真 空 中的介 电常数 一 为组合绝缘介质 的等效相对介 电常数 在忽略含量 k f 一 P j 4 P 为发 泡度 维普资讯 一一 一为发泡层高密度 甩 的相对介电常数 一为发泡层低密度 甩 的相对介电常数 一 为发泡层高密度 甩 的百分含量 k t 一 为发泡层 低密 度 甩 的百分 含量 同轴 回路 的 电 导 可 用下 式 计 算 G 1 o J C t g 5 式 中 一 为同轴对的绝缘 电阻 D 一组合绝缘的介质损耗角正切 I 2 为角 频 率 通过计算表 明 在 同轴 电缆 的工作频 段内 所 以电导可 以 近 似地 用下 式 计 算 G o J C t g D 6 根 据 定 史 同 轴 回 路 的波 阻 抗 可 以 表 示 为 Z f R j o J L 对于均 匀传输线 在阻抗 匹配 的情况下 整个线 上的反射 系 数为零 然而 实际上由于各种原 因 均匀传输线是不存在的 在 传输线上总存在阻抗不均匀点 假设这些 阻抗不均匀点 的分布 如 图 2所示 图中的 表示该段 电缆 的特性阻抗 图 2同 轴 电缆 不 均 匀 点 的 分 布 由传输线理论可知 传输线 在前后阻抗不匹配 的地方产生 的反射系数的大小可 由下式来计算 l p l I丽 n l L I 8 根据电压驻波 比的定义 电压驻波 比可 以用反射 系数 的模 表 达 为 S W肚 9 由式 1 一 9 可知 影响 同轴 电缆 电压驻波 比的因素主要有 电缆 的结构 尺寸 内外导体 的电导率 内外导体 的磁导率 组合 绝缘层的介质损耗角正切 组合绝缘 层的相对介 电常数 和工作 频率等 3 影 响 电压 驻波 比的 因素分 析 1 9 根 据前 面 的分 析 电压 驻 波 比是 由 反 射 系 数 决 定 的 而 反 射 系数又 由电缆的特性阻抗偏差决定 因此 可以将对 电压驻波 比 的讨论转换为对 电缆特性阻抗偏差的讨论 3 1 特 性 阻抗 偏 差 的一 般 表 达 式 对于 目前在射频 同轴电缆中使用的发泡料 绝缘层 的等效 介质损耗角正切的数量级一般为 1 0 在忽略介质损耗角正切 对波阻抗影响的前提下 利用二项式展开 可以得到特性阻抗的 表 达式 为 z 每 每 1 10 在实 际生产中 d 和 D 都存在偏差 设 它们分别为 和 则相应 的波阻抗为 z 鲁 等 鲁 等 等 争 目前在移动通信系统 中使用的频段都是高频 一般 在几百 兆赫兹 以上 因而 1 1 式可以近似 为 z 鲁 等 鲁 等 等 3 2 内外导体尺寸偏差对特性 阻抗的影响 以型号为 H C A 船 D l 2 的基站射频同轴电缆为例 根据Y B I 3 0 9 t2 2 O O 0 的规定和生产实际 的标称值一般为4 8 3 m m D 的标称值一般 为 1 2 0 m m 对工厂所用各种发泡料的介质损耗角正切 比例和发泡 度进行计算 得到组合绝缘层的等效相对介电常数为 1 2 4 将这些数 值代 k 1 2 式可以求得特性阻抗的标称值为 5 0 Q 再假设 和 分 别有 2 的偏差 而发泡度不变 相应特性阻抗见表 1 表 1 内外导体直径偏差与特性阻抗偏差对照 从上表 可以看 出 当内 外 导体直径有 2 的偏 差时 特性 阻抗将 产生 1 O 8欧姆 的偏 差 根据 Y D T 1 0 9 2 2 0 0 0的要求 H C A A Y一 5 0 1 2电缆 的 特性 阻 抗 偏 差 不 得 超 过 2欧 姆 在 8 0 o MH Z 9 0 o MH Z以及 1 7 0 o MH Z 一 1 9 0 0 MH Z频段范围内 电压 维普资讯 丽一一一 驻波比不得超过 1 2 O 如果 内 外 导体直径偏差加大 那么特性 阻抗偏 差也将变大 从而造成产品指标超标 另外 在内外导体直径偏差同样为 2 的条 件下 阻抗偏差 有正有负 在生产过程 中内外导体直径偏大 和偏小都有可能 在 极端情况下 即等效 内径 等效外径 向相 反的方 向偏离 这样波 阻抗将 更大 因此 在生产过程中 严格控制产品 的内导体外径 和外导体内径是保证产品质量 的必要条件 3 3绝缘层质量对波 阻抗的影响 为 比较绝缘层对产品波阻抗 的影 响 重写 4 式如下 8 8 K 8 k f 一 P j 4 式中的 8 和 8 是由原材料决定的 生产 上无法控制 而 k 和 k 在 配料 的时候 完 全 可 以 比较精 确 地控 制 因此 在 生产 上 造 成绝缘层介 电常数波动的原因主要是发泡度波动 还是 以型号为 H C A A Y 5 o 1 2的电缆为例 假设 发泡度有 2 的偏差 代入 4 式 得 8 的偏差也是 2 再由 I 2 式可以算出波阻抗的偏差为0 5欧姆 相 比之下 在 同样 2 偏 差的条件下 内外导体偏差对 波阻 抗 的影 响 较 大 发 泡 度 偏 差对 波阻 抗 的影 响 较 小 另 外 从 4 式 可 以看出 8 和 8 对波阻抗的影响就更小 因此 相 t L 2 T 发 泡层参数偏 差对产 品波阻抗的影响较小 3 4偏心的影响 由于种种原因 内外导体 出现一定程度的偏心是不可避免 的 同样 这也会带来波阻抗的变化 由于同轴传输线的基模是 T E M模 在其横截面方向上 电磁 场的分布等效于静 电场 中同样截面导体上电磁场的分布 在 内外 导体之间的空间内 问题的解归结为求解标量电位函数 的狄利克 来问题 在偏心 的情况下 由于边界条件的复杂性而很难用解析法 进行求解 但可 以用数值方法求近似解 利用 A N S Y S软件 假设一 定的偏心度 对型号为 H C A A Y 5 o 1 2的电缆计算结果见表 2 表 2偏心度与波阻抗偏差对照 由上表可见 偏心对波阻抗 的影响不 大 即使偏心度 为 8 时 波阻抗的偏差 也不到 1 然而 在 实际生产 中 根据 Y D T 1 0 9 2 2 0 0 0的规定 最大允许的偏心度也就 4 除了上述因素外 外导体不 圆 扎纹不规则 波峰波谷不 均 匀和节距不稳定等都是影 响产 品波阻抗的因素 4 实例分 析 某公 司在生产基站用射频 同轴 电缆 的过程中 发现一段时 间型号为 HC A A Y 一 5 0 1 2产品的质量较大波动 经过分析 物理 发泡所用的原材料没变化 该段时间内发泡线也 比较稳定 那么 产生波动的原 因很可能就是内导体 外导体 氩弧焊和轧纹 等的 质 量 问题 通过对发泡线的观测 发现铜包铝线在过拉丝模 时有拉断 现象 而且 当时有几家铜包铝线供应 商 笔者对某月所生产 的 约 1 3 0 k m该型号产品的质量 统计分析 表明 在所有 电压驻 波比 较高 的产品中 用 A所提供的铜包铝线所生产 的产 品仅占百分 之十几 其余的都是用 B提供的铜包 铝线所生产的产品 经过分 析 我们认为 由于 B提供的铜 包铝线外径变化较 大 当外径偏 大时 过拉丝模阻力也 大 于是产生拉断现象 当外径偏小时 虽 然能够顺利通过拉丝模 但 内导体外径偏小 因此对波阻抗 有影 响 所 以生产 出来产 品的波阻有较大波动 当然 也许造成产品 电压驻波比波动还有别的因素 但是 根据这次的统计结果可以 看 出 铜包铝线 的直径不稳无疑是造成产 品电压驻波 比波动的 重要 因素 5 结论 通 过理论分 析和生产 实际表 明 准确 的 内导 体和外 导体 直 径是保 证 同轴 电缆低 电压 驻波 比的重 要 因素 发泡 度 内 外导 体的 电导率 偏心 外导 体不 圆以及氩弧 焊轧纹等也 是 影 响产 品电压 驻波 比的因素 这 就要求 在原 材料 进厂 时 应 做严 格检 验 在