Koaxiálne mikrovlnné vedenia prenášajú rádiofrekvenčnú energiu medzi anténami, testovacími prístrojmi, vysielačmi, prijímačmi a inými mikrovlnnými komponentmi.Ich koncentrická konštrukcia poskytuje riadenú prenosovú cestu a silné tienenie, ale výkon závisí od oveľa viac než len od priemeru kábla alebo typu konektora. Frekvencia, charakteristická impedancia, útlm, spracovateľnosť výkonu, fázová stabilita, polomer ohybu a kvalita každého prechodu ovplyvňujú konečný výsledok.
Táto príručka vysvetľuje, ako funguje mikrovlnný koaxiálny kábel, hlavné konštrukcie káblov, impedančnú rovnicu, príčiny vysokofrekvenčných strát a praktické kontroly, ktoré by mali inžinieri vykonať pred výberom koaxiálneho riešenia.
Čo je to koaxiálne mikrovlnné vedenie?
Koaxiálne prenosové vedenie pozostáva z vnútorného vodiča obklopeného dielektrikom a valcového vonkajšieho vodiča. Keďže oba vodiče zdieľajú rovnakú os, elektrické pole je sústredené prevažne v dielektriku, zatiaľ čo vonkajší vodič poskytuje spätnú cestu a elektromagnetické tienenie.
Dominantným módom šírenia je transverzálny elektromagnetický signál alebo TEM. V ideálnom koaxiálnom vedení nemá šírenie TEM žiadnu spodnú medznú frekvenciu. Reálne zostavy majú stále hornú použiteľnú frekvenciu, pretože rozmery kábla, dielektrické správanie, geometria konektora a módy vyššieho rádu obmedzujú výkon. Kábel určený pre nízkofrekvenčnú RF službu by sa preto nemal považovať za dobre fungujúci pri mikrovlnných alebo milimetrových vlnových frekvenciách.
Hlavné konštrukčné prvky
- Vnútorný vodič:vedie priamy prúd a môže byť plný, lankový, pokovovaný alebo dutý v závislosti od flexibility, strát a požiadaviek na výkon.
- Dielektrikum:udržiava rozostup a určuje veľkú časť impedancie, rýchlostného faktora, teplotného správania a dielektrických strát.
- Vonkajší vodič:poskytuje spätnú cestu a tienenie. Môže byť opletený, obalený fóliou, vlnitý alebo z plnej kovovej trubice.
- Ochranný plášť:Chráni flexibilný kábel pred oderom, vlhkosťou, chemikáliami a poškodením pri manipulácii.
Bežné typy mikrovlnných koaxiálnych káblov
Žiadna konštrukcia nie je najlepšia pre každý mikrovlnný systém. Správna voľba závisí od elektrických vlastností, spôsobu inštalácie, pohybu, prostredia a nákladov.
Flexibilný koaxiálny kábel
Flexibilný kábel zvyčajne používa lankový alebo flexibilný stredový vodič s opleteným alebo fóliovým tienením. Je vhodný pre laboratórne zostavy, prepojenia zariadení a inštalácie, ktoré vyžadujú opakované smerovanie. Jeho nevýhody môžu zahŕňať vyšší útlm, nižšiu účinnosť tienenia a väčšiu fázovú zmenu pri ohybe ako pri pevných konštrukciách.
Polotuhý koaxiálny kábel
Polotuhý kábel používa pevný vonkajší vodič, bežne tvarovaný do trvalej trasy. Ponúka vynikajúce tienenie, predvídateľnú impedanciu a dobrú fázovú stabilitu. Je široko používaný v mikrovlnných zostavách, ale inštalácia vyžaduje správne tvarovacie nástroje a dodržiavanie stanoveného minimálneho polomeru ohybu.
Ručne tvarovateľný alebo prispôsobivý kábel
Ručne tvarovateľný kábel predstavuje praktickú strednú cestu. Dá sa viesť ľahšie ako polotuhý kábel, pričom si zachováva lepšie tienenie a tvarovú stabilitu ako mnohé flexibilné káble. Výkon by sa mal skontrolovať aj po tvarovaní, pretože ostré ohyby a namáhanie konektora môžu zmeniť odrazový útlm.
Pevné a vzduchovo-dielektrické koaxiálne vedenie
Pevné koaxiálne vedenie používa pevné vodiče a môže používať vzduchové alebo nízkostratové dielektrické podpery. Je vhodné pre prenos s nízkymi stratami alebo vyšším výkonom, kde je prijateľná veľkosť a zložitosť inštalácie. Vysielacie, radarové a testovacie systémy môžu používať pevné časti, ak by straty v ohybnom kábli boli nadmerné.
Dvojito tienený a fázovo stabilný kábel
Dodatočné tienenie môže znížiť únik a náchylnosť na elektromagnetické rušenie. Fázovo stabilné konštrukcie sú navrhnuté tak, aby obmedzili zmeny elektrickej dĺžky spôsobené teplotou, ohybom alebo starnutím. Tieto vlastnosti sú dôležité pri fázovaných sústavách, kalibračných dráhach, koherentných prijímačoch a meraniach vektorových sieťových analyzátorov.
Charakteristická impedancia koaxiálneho vedenia
Charakteristická impedancia je určená pomerom vnútorného priemeru vonkajšieho vodiča k vonkajšiemu priemeru vnútorného vodiča spolu s relatívnou permitivitou dielektrika. Pre nemagnetické koaxiálne vedenie:
Z0= (60 / √εr) ln(D/d) Ω
alebo ekvivalentne:
Z0= (138 / √εr) protokol10(D/d) Ω
Tu,Dje vnútorný priemer vonkajšieho vodiča,dje vonkajší priemer vnútorného vodiča aεrje relatívna permitivita dielektrika. Tieto dva výrazy sú ekvivalentné, pretože používajú rôzne logaritmické základy.
Väčšina RF a mikrovlnných systémov používa 50 Ω, pretože poskytuje užitočnú rovnováhu medzi výkonom a útlmom. Systém s 75 Ω je bežný vo videu, vysielaní a niektorých komunikačných aplikáciách. Zmiešanie zložiek s 50 Ω a 75 Ω vytvára nespojitosť impedancie, ktorá zvyšuje odrazy a neistotu merania.
Prečo mikrovlnný koaxiálny kábel stráca signál
Vložený útlm sa zvyčajne zvyšuje s frekvenciou aj dĺžkou kábla. Hodnota v technickom liste by sa mala skontrolovať pri skutočnej prevádzkovej frekvencii a previesť na inštalovanú dĺžku, a nie považovať ju za pevné číslo.
Strata vodiča
Pri mikrovlnných frekvenciách povrchový efekt koncentruje prúd v blízkosti povrchov vodičov. Efektívny odpor sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou, takže materiál vodiča, kvalita pokovovania, povrchová úprava a priemer vodiča ovplyvňujú útlm.
Dielektrické straty
Dielektrikum absorbuje časť elektromagnetickej energie. Jeho tangens stratového uhla, teplota, vystavenie vlhkosti a prevádzková frekvencia ovplyvňujú výsledok. Nízkostratové dielektrické materiály sa často vyberajú pre dlhé meracie vedenia a presné meracie dráhy.
Nesúlad a strata konektora
Prechody medzi káblom a konektorom, adaptéry, poškodené rozhrania, nesprávna montáž a nesprávny krútiaci moment môžu spôsobiť odrazy. Strata odrazu alebo PSV by sa mali vyhodnotiť v celom prevádzkovom pásme vrátane každého konektora a prechodu v signálovej ceste.
Účinky ohýbania a inštalácie
Ostré ohyby môžu deformovať geometriu koaxiálneho kábla a zmeniť impedanciu. Opakované ohýbanie môže tiež zmeniť vložný útlm a fázu. Dodržujte statické a dynamické limity polomeru ohybu stanovené výrobcom kábla a zabezpečte odľahčenie ťahu v blízkosti konektorov.
Ako vybrať koaxiálny kábel pre mikrovlnnú rúru
Začnite s kompletnou nainštalovanou signálovou cestou, nie len s káblom. Nasledujúce kontroly pomáhajú predchádzať stratám, nesúladu, prehriatiu a mechanickému poškodeniu, ktorým sa dá predísť.
- Potvrďte frekvenčný rozsah.Overte, či kábel, konektory, adaptéry a testovacie údaje pokrývajú najvyššiu prevádzkovú frekvenciu.
- Prispôsobte impedanciu systému.Použite rovnakú nominálnu impedanciu v celej trase, pokiaľ nie je k dispozícii zámerná sieť na transformáciu impedancie.
- Vypočítajte celkový vložený útlm.Skombinujte straty kábla na prevádzkovej frekvencii so stratami v konektore, adaptéri a prechode. V prípade potreby zahrňte rezervu pre teplotu a starnutie.
- Skontrolujte manipuláciu s napájaním.Skontrolujte priemerný výkon, špičkový výkon, PSV, okolitú teplotu, nadmorskú výšku, menovité hodnoty konektora a pracovný cyklus. Vysoký nesúlad môže spôsobiť lokálne napäťové alebo prúdové namáhanie.
- Definujte fázové požiadavky.Pre koherentné alebo fázovo prispôsobené systémy špecifikujte fázovú stabilitu v závislosti od teploty a ohybu, ako aj stratu amplitúdy.
- Vyberte kompatibilné konektory.Série konektorov majú rôznu frekvenciu, výkon, počet spárovacích cyklov a mechanické limity. Vyhnite sa zbytočným adaptérom a pred použitím overte stav rozhrania.
- Skontrolujte trasu a prostredie.Zvážte polomer ohybu, pohyb, vibrácie, vlhkosť, chemikálie, teplotný rozsah, tienenie a požiadavky na plameň alebo nízku produkciu dymu.
- Overenie plánu.V prípade kritických zostáv zmerajte po inštalácii vložený útlm a útlm odrazu. Systémy s fázovým prispôsobením môžu tiež vyžadovať overenie elektrickej dĺžky.
Koaxiálny kábel alebo vlnovod?
Koaxiálny kábel je kompaktný, tienený a ľahko sa vedie, vďaka čomu je praktický pre mnohé prepojenia v oblasti rádiových a mikrovlnných pásiem. Keďže frekvencia, výkon alebo povolené straty sa stávajú náročnejšími, vlnovod môže ponúknuť nižšie prenosové straty a vyšší výkon, hoci je väčší a menej flexibilný.
Mnohé systémy používajú obe technológie. Správne zvolenýadaptér z vlnovodu na koaxiálny kábelprenáša energiu medzi koaxiálnym TEM módom a požadovaným vlnovodovým módom a zároveň kontroluje nesúlad. Informácie o návrhu prechodu nájdete v našichSprievodca výberom adaptéra z vlnovodu na koaxiálny kábel.
Typické aplikácie
- Pripojenia vektorového sieťového analyzátora a spektrálneho analyzátora
- Nastavenia merania a kalibrácie antény
- Radarové, satelitné a bezdrôtové komunikačné zariadenia
- Generátory signálov, zosilňovače, prijímače a frekvenčné meniče
- Vnútorné prepojenia v mikrovlnných moduloch a testovacích prípravkoch
- Prechody medzi portami koaxiálnych zariadení a komponentmi vlnovodu
Často kladené otázky
Má koaxiálny kábel medznú frekvenciu?
Dominantný režim TEM nemá teoreticky žiadnu nižšiu medznú frekvenciu. Každá reálna káblová zostava však má maximálnu odporúčanú frekvenciu, pretože režimy vyššieho rádu, geometria konektora, straty a výrobné tolerancie nakoniec obmedzujú použiteľný výkon.
Prečo je v mikrovlnných systémoch bežná hodnota 50 Ω?
Päťdesiat ohmov sa bežne používa, pretože poskytuje praktický kompromis medzi nízkym útlmom a výkonom. Je to tiež štandardná impedancia pre väčšinu RF testovacích zariadení a mnoho mikrovlnných súčiastok.
Dá sa dlhší kábel kompenzovať použitím zdroja s vyšším výkonom?
Dodatočný zdroj napájania môže v niektorých systémoch obnoviť úroveň príjmu, ale neodstraňuje zahrievanie káblov, vplyv šumového čísla, fázové zmeny, nesúlad ani obmedzenia výkonu. Zníženie strát na ceste je zvyčajne spoľahlivejším technickým prístupom.
Čo by sa malo otestovať po inštalácii?
Minimálne skontrolujte vložený útlm a útlm odrazu v celom prevádzkovom pásme. Presné systémy môžu tiež vyžadovať merania fázy, skupinového oneskorenia, diskontinuity v časovej doméne, tienenia alebo pasívnej intermodulácie.
Pre pomoc s výberom prechodu z vlnovodu na koaxiálny vodič alebo s integráciou koaxiálnych a vlnovodných sekcií v mikrovlnnom systéme,kontaktujte RF MISOs požadovaným frekvenčným pásmom, rozhraním, úrovňou výkonu a mechanickými obmedzeniami.
Čas uverejnenia: 15. decembra 2023
