射频同轴电缆的特征阻抗及屏蔽衰减测量方法

射频（Radio Frequency，RF）泛指信号经调制后的高频电磁波，一般为数十到数百兆赫兹，以波长来区分，通常称其为米波及分米波。微波是频率更高的电磁波（达数千兆赫兹以上），因此其波长仅为毫米级甚至亚毫米级。信号经调制后，既可以采用射频电缆传输，也可以采用无线开路传输。

在视频监控系统中，有两种情况可以优先考虑射频传输方式：一是在低频强干扰环境下的传输；二是多路视音频的长距离传输。

（一）传输特性及相关指标

射频电缆的相关评价指标包括趋肤效应、特征阻抗、衰减、回波损耗和结构回波损耗、屏蔽衰减、传输速率和延时等。

1.趋肤效应

在直流作用下，电流能均匀流过导体的横截面。但在高频电流下，电流只流过导体表面。此时，导体有效横截面积减小，阻抗增加。在射频频率下，电流仅流过表面薄层，导体以外的其他任何地方都不存在电磁场。因此，在射频下即使非常薄的金属外导体也能将电磁场完全屏蔽在射频同轴电缆内部。

可用穿透深度来量化趋肤效应。穿透深度是指和承受趋肤效应的导体具有同样阻抗的表面薄层的厚度（假设电流均匀分布在其中）。趋肤效应除影响电阻外，还会影响电感、特征阻抗和传输速率等。表5-3给出了铜导体对应的导电层厚度。

表5-3 铜导体对应的导电层厚度

2.特征阻抗

又叫特性阻抗，是同轴电缆的一个很重要的性能。它表示导体之间的电势差与流过该导体间的电流比值。在均匀同轴电缆中，特征阻抗在电缆整个长度方向上是一个常数。电缆终端负载应与其特征阻抗匹配。在视频监控领域中最常用的特征阻抗是75Ω，无线通信中，最常用的特征阻抗是50Ω。

与射频电缆相连的所有设备或无源元件都应与电缆具有相同的特征阻抗。特征阻抗不同，会出现不匹配和反射现象，从而导致传输失真。同轴电缆的特征阻抗由导体的尺寸及绝缘的相对介电常数决定。可以合理地选择导体直径和绝缘介电常数来调整特征阻抗的大小。而相对介电常数取决于其材料和其结构，实芯PE的相对介电常数为2.25～2.34，高发泡情况下可以低于1.25，空气的相对介电常数为1，PTFE的相对介电常数为2.00～2.10。

质量好的电缆，特征阻抗在整个电缆长度上和不同生产批次上都是非常均匀的，且接近一个恒定值，根据不同的规格，通常允许的误差是±1～±3Ω。特性阻抗随频率的下降而增大。

3.衰减

电缆两点处能量的减少就是衰减（又叫纵向损耗），电缆的衰减用分贝/单位长度表示，如dB/100m。根据上述定义，电缆衰减公式为α=10lg（P₁/P₂）（P₁终端负载与电缆特征阻抗匹配时电缆的输入功率，P₂为此电缆远端的功率）。

电缆的衰减也受其结构和使用频率的影响，可用下式计算：

α=α_R+α_g=α₁f+α₂f

式中，α=给定频率的衰减，α_R=电阻性衰减，α_g=介质性衰减，α₁=导体损耗系数，α₂=介质损耗系数。

衰减随频率的升高而增加，这是由于导体的趋肤效应和介质的损耗引起的。

导体损耗系数与导体电阻率和尺寸有关，内外导体的表面电导率应尽可能高。应用趋肤效应，做大电缆时可选铜管或铜包铝为内导体，而小规格高频电缆则都选用镀银铜（包钢）。

4.回波损耗和结构回波损耗

在理想同轴电缆中，特征阻抗沿整个电缆长度方向是均匀、恒定的，而实际中特征阻抗会有微小的波动。这是由于制造过程中导体尺寸和介质材料的微小波动引起的，电缆接头和连接处也会引起同轴电缆特征阻抗微小的局部波动。

特征阻抗每一个小波动都会引起一小部分信号电压反射回去。特征阻抗变化越大，被反射的电压越大。

电缆终端电阻若与其特征阻抗匹配，则电缆终端不会产生反射。对于长度较短的电缆，回波损耗与长度有关；但当电缆较长，且其衰减大于6dB时，回波损耗实际上与电缆长度无关。

5.屏蔽衰减

输入信号在同轴电缆中传输时，因为外导体在结构上不可能对信号有100%的屏蔽，总有一部分的信号从外导体中泄漏出去，除了专用的泄漏电缆应用场合，该泄漏出去的能量都是一种损失，在传输中应该尽量避免。

屏蔽衰减是以电缆输入端信号的功率与导体外的泄露信号功率值的对数比，电缆的衰减用分贝（dB）表示。电缆屏蔽衰减公式为α=10lg（P₁/P₂）（P₁终端负载与电缆特征阻抗匹配时电缆的输入功率，P₂为此电缆导体外的信号的功率）。

屏蔽衰减随频率的改变而改变，这是由于导体的泄漏孔的形状大小和排列与通过频率之间的关系决定。信号的波长比孔的尺寸相比越大，信号越不容易泄露出去。这也意味着相同外导体结构的电缆，频率高的信号越容易泄露，屏蔽指标也越低。

测量射频同轴电缆屏蔽衰减的方法有两种：泄漏法（吸收钳法）和渗透法（GTEM（Giga Hertz Transverse Electromagnetic室法）。泄漏法是在同轴电缆内产生强电磁场，由于电缆屏蔽不够好，电缆内、外导体间的强电磁场可通过外导体的缝隙泄漏出来。测量泄漏磁场强度来表征电缆的屏蔽衰减，吸收钳法属于泄漏法。渗透法是将被测电缆放在均匀电磁场中，由于电缆的外导体有缝隙，电磁场通过缝隙渗透到电缆内部，测量渗透磁场强度也可表征电缆的屏蔽衰减。随着电磁兼容测量设备的发展，用可以产生均匀横向电磁场的GTEM室来测量电缆的屏蔽衰减。这种测量方法称为GTEM室法，属于渗透法，比吸收钳法复杂。通常在120dB以内可以用吸收钳法，但120dB以上则使用GTEM室法。因为从理论上讲，GTEM室可以产生的磁场强度仅与输入信号功率有关，只要功率放大器足够大，就可产生很高的磁场强度。这使GTEM室测量屏蔽衰减的灵敏度大大提高。

在强功率的射频传输情况下，泄漏的信号不但使传输衰减变差，同时也大大的干扰了系统其他部分的工作，反过来说，系统空间中的其他电磁场也容易进入电缆，而使系统的抗干扰性变坏，特别是在高频，超高频时尤为明显。(www.xing528.com)

如图5-24所示，在电缆的外导体结构中，可以采用如下方法改善屏蔽性能：①增加编织网的覆盖密度；②增加编织网的层数，如采用双层编织结构；③使用金属箔完全包覆绝缘，甚至采用有合理的搭接率和有黏结层的结构；④采用金属带绕包绝缘；⑤采用金属管状结构（焊接或无缝技术）；⑥采用高密度金属丝编织+浸锡结构（半柔电缆）等。

图5-24 改善屏蔽衰减的几种常见方法

6.传输速率和延时

在自由空间和空气中，电磁波以光速传播。在同轴电缆中，信号的传输速率小于光速，与介质材料有关。两者的比值称为传输速率，公式为

式中，v为同轴电缆中的传输速率；c为自由空间中的速度；l为电缆几何长度；l_e为电缆电气长度。

传输速率用来计算传输波长和延时。由于趋肤效应的影响，传播速度与频率有关。随着频率下降，速度减小，延时增加。

在射频微波传输中，有一种产品叫延时线（Delay Lines），通常用于提供5～100ns的短延时。因延时线需要高的可靠性和精确度，所以毫无例外地都选择半刚电缆作为延时线的主要材料。

因射频同轴电缆结构通常有绝缘介质，使得电缆的传输速度必然低于光速，信号在电缆里面传输时就有一定的延时。那么选择适当的介质结构，可使传输速率和延时都在一个适当的数值内，以达到系统的要求。

（二）射频同轴电缆机械特性

1.抗拉强度

射频电缆的抗拉强度是由导体的材料结构和横截面积所决定的。对于编织射频电缆，抗拉强度的70%由外编织层来承担，所以如果要提高抗拉强度，通常可以选用高强度合金或镀银铜包钢等材料。对于波纹管等大电缆，皱纹导体电缆的抗拉强度明显小于光滑导体电缆。当把电缆吊到桅杆上或从电缆槽中抽出时，为了不损坏电缆，拉力不应超过电缆所允许的最大拉力值。所给出的抗拉强度值都是假设内外导体紧系在一起可同时承受重力的基础上测得的。

2.弯曲性能及柔软性

（1）弯曲性能。射频电缆有各种不同的结构，弯曲性能也有明显的不同。①单次弯曲半径：在电缆的弯曲半径达到最小值后电缆不能再弯曲回去，否则会损坏电缆。②反复弯曲半径：可多次反复弯曲到的一个弯曲半径，表示实际操作中的最小弯曲半径，同时也表示电缆盘轴芯的最小半径。

标准的编织外导体电缆都能承受1000次的弯曲（弯曲半经为20倍电缆直径，180°/次）一般电缆可以在线轴直径为10倍线经的电缆轴上保存和运输。半刚电缆则只能承受10次以下的弯曲（弯曲半经为20倍电缆直径，180°/次），线轴的直径则建议为20倍电缆线经。

（2）柔软性。在需要多次弯曲的场合，一般都使用多股内导体和编织外导体的结构。但通常多股内导体衰减都比同等直径的单根内导体要差，驻波比也要差些，根数越多，柔软性越好，同时衰减也会改善。

3.抗挤压

有些外露安装的射频电缆需要有抗挤压能力。如将一根长90mm 7/8in型电缆的横截面直径压缩1%，就需要提供4000N的力才能完成。或将电缆的标准长度（20cm）上加上适当的负荷，如表面没有损坏，而且电缆的驻波比的改变值在5%以内，则该最大的负荷值为该电缆的最大抗挤压力。

4.密封性和耐压性

电缆具有很好的气密性，因而可以保持0.1～0.3bar^[1]的超压，这样可以防止水汽的凝结和潮气的侵入。为使电缆在内部超压状态下工作，可注入干燥空气、氮气或其他气体使其内压达到3bar，可提高电缆的功率能力。

（三）射频同轴电缆的原材料

射频同轴电缆的原材料可分为塑料（见表5-4）和金属导体（见表5-5）两大类。

表5-4 射频电缆常用塑料

表5-5 射频电缆常用金属材料

（续）