同轴电缆在通信领域的应用
1. Coaxial Cable 同轴电缆
1.1前言
通信网络之完整性，除了机房内之软硬件及其周边附属设备外，通信电缆扮演着送信与受信二端间联络主要传输媒介.通信电缆不仅品质需符合未来整体服务数字网络(ISDN)之要求外，所占用之空间也不容忽视，二者更是息息相关. 近十年来欲使通信网路传输更快速，除了设备增强外, 通信电缆也做了重大变革，纷纷采用发泡聚乙烯为绝缘材料，促使电缆特性更能符合较佳通信效果.其中电气特性如静电容量、电容不平衡、远(近)端串音及衰减等与材料发泡方式更是立竿见影. 1.2 发泡的目的
一般材料发泡的目的在于使制品轻量化, 并加强制品隔热性与可扰性, 及降低材料成本.而线缆用材料发泡的目的，则在降低材料的介质常数.
1.3 材料发泡方式
为了增加传输容量及速率，降低材料介质常数(Dielectric Constant)系最佳途径, 而使用发泡PE材料则可达成此目的, 其材料发泡方式一般区分为二种方式:
(一)化学发泡方法
(二)物理发泡(氮气发泡)
1.4. 传统化学发泡
于PE绝缘材料制粒过程中，混合适当比例热效应发泡剂，期使于芯线制程时, 利用温度促使发泡剂产生化学分解变化, PE材料内部形成气泡, 此项材料对温度反应相当灵敏(±1oC)，温控设备稍受外界影响，其发泡度变化极大.目前此项方式发泡度可达到40-50%，且此发泡材料须置于干燥环境内，否则水分进入材料后于押出易导致芯线电容，外径不稳定，此二项于通信电缆远(近)端将造成不良影响.
1.5物理发泡
以不活泼的气体充入绝缘介质层构成细密均匀微孔结构，各微孔间互不相通, 类似一个一个密封包，它的优点是高度发泡，又不含极性分子的发泡残留物，因此它的传输性能优良, 由于它的不透水气性，性能稳定, 使用寿命长，早期欧美曾用过Freon 或HCFC气体, 它的优点是生产加工性容易, 但缺点是发泡后微孔粗大而不均匀影响反射(回波) 特性，且会破坏臭氧层, 因此现在多改用氮气发泡. 1.6物理发泡特性
1. 发泡度高，低介电常数
2. 低电容
3. 高传输速度
4. 低衰减常数
5. 结构稳定使用寿命长
2.充实型介质应用
为减少介质常数, 其所用基材应为低介质常数的材料, 目前线缆最常用者为PE. 在特殊的场合，也有利用PP、PS及TEFLON为基材的.
3.1介绍
随着笔记型计算机, 小型通信计算机, 行动电话的终端机等的发展, 40AWG (7/0.03mm) 的极细同轴平面电缆的需求量, 则是随着通信市场的扩大, 有愈来愈看好趋势.
3.2用途(主要)
极细同轴为笔记型计算机的主体以及液晶显示屏, LCD内部配线中所使用FPC (可挠性印刷电路板) 的代替器.
3.3优点(与FPC比较)
1.随着LCD高精细化, FPC由二层变为三层, 其价格也将随着上涨, 极细同轴比起三层FPC较为低价.
2.弯曲率及耐弯性较好.
3.可对应高速、大容量资料的传送, 抗EMI特性较高.
4.计算机及小型化对应, 电缆线成整束状, 节省空间.
5.电缆线的长度, 可配合计算机的设计, 柔软的对应各种要求. 3.4生产技术需求评估(问题之克服点)
1. 0.03mm合金铜线, 伸线技术及断线率之突破.
2. 0.03 mm合金铜线, 软化问题的克服.
3. PFA薄层押出技术养成.
4. 合金铜导体绞线及缠绕设备操作技术养成.
5. 双头包带机, 带子包装确认.
4. 同轴线的电气特性说明
4.1 特性阻抗(Characteristic Impedance)
因为导入反射的观念，同轴线中高频信号传输的现象截然不同于低频或是直流.回忆交流电路的理论, 如果一个信号源电阻不等于负载电阻, 信号源产生的功率将不会有最大转换于负载上. 更进一步分析, 将会发现有不可忽略的功率散逸(Power Dissipation) 于连接信号源和负载的传输线路上. 当然, 这想法也同样适用于同轴线的传输电路. 这功率的散逸是被视作个反射回信号源的功率. 同轴传输线受导体的结构影响, 而有一高频信号的阻值. 这阻值可被视做一个特性阻抗(Characteristic Impedance). 同轴线传输信号, 受特性阻抗大小影响着两个重要的因素:
(1)高功率信号的处理能力(High-power handling)
(2)信号低传输损失(Low Loss)的能力.
同轴线传输信号中, 受特性阻抗大小影响着两个重要的因素. 最大功率的处理能力发生在约30Ω的特性
阻抗. 同时, 处理最小信号，衰减能力是发生在特性阻抗是77Ω的时候. 因此50Ω是兼顾两者的最佳选择, 所以大部分高频微波系统选择50Ω的特性阻抗. 另一方面, 75Ω的特性阻抗被用于有线电视系统, 这是因为它
需要传送长距离的模拟视讯信号.
方程式(3.1), 简单的说明同轴线理想的特性阻抗( Z0) 与同轴线结构的关系.
(3.1) Zo=60/e1/2*ln(D/d)依据方程式
(3.1) , 同轴线理想的特性阻抗与同轴线结构之间的关系, 综合分析如下:
● 同轴线理想的特性阻抗是由d, D和εr所决定.
● 同轴线理想的特性阻抗和长度无关; 如果测试的频率大于1Mhz, 同轴线的
特性阻抗与频率几乎无关.
● 若仅减少d, 同轴线特性阻抗增加.
● 若仅减少D, 同轴线特性阻抗减少.
● 若仅减少εr, 同轴线特性阻抗增加.
4.2 电容(Capacitance) 和电感(Inductance)
同轴传输线在实际的应用上，其等效电路是以图表 4.2来说明.在此电路中产生的电压是被视作电压波(Voltage Wave); 在另一方面, 在传输线中的电流是被视作电流波(Current Wave).
当有一外加电位施于中心导体及外部导体之间, 这两平行导体上的电荷会感应出一电能, 以并联电容(C', Shunt Capacitance)来表示产生每单位长的电能之链接.如果介电物质的绝缘效果不是很理想的话，两平行导体上会有漏电流产生, 这漏电流的感应电位是由一并联电导(G', Shunt Conductance)来表示. 所以，当单位长度缩到无限小(dx) , 等效电路的电流变化可用下式表示,
dI=(G+jwC)xVxdx
另一方面, 延着中心导体方向，每单位长度电流波所产生磁通量之链接, 是由串联的电感(L', Inductance)来表示此磁能的传递. 传递高频信号时, 在中心导体的热能耗损, 是由串联电阻(R', Resistance)来代表. 因此，无限小的单位长度上
电位的变化是
dI=(R+jwL)xIxdx
由图表4.2的等效电路图所得到上述二式, 可以推导实际同轴传输线的特性阻抗,
见式(4.2.2)这里, C' = 每单位长度的同轴线电容值; G' = 每单位长度的同轴线电抗值L' = 每单位长度的同轴线电感值; R' = 每单位长度的同轴线电阻值
如果说f>1MHZ可得j2πL' >> R' 及j2πC' >> G' ，代入(7.2.2), 可得(7.2.3). 由式(4.2.3)知，如果量测频率(f)大于1Mhz ，这同轴传输线约可视作是无损失传输的, 因为同轴线的特性阻抗和频率几乎无关, 所以
最后，上述式(4.2.3)所需单位长度的同轴线电容值也可由同轴线结构推导. 其中心导体和外部覆被间, 每单位长度(公尺(m )或英吋(ft))的电容值是
同理, 每单位长度(公尺(m) 或英吋(ft))的电感值是
4.3 反射损失(RL, Return Loss )和驻波比(SWR, Standing Wave Ratio)
当同轴传输线上的某一点的阻抗值改变时，在这一点被视做是一个不连续点. 这个不连续点会导致进入该点的入射电压或电流波被反射, 入射能量因而损失, 称为阻抗不匹配. 更进一步, 这个阻抗不连续点, 起因于下列因素.
● 中心导体直径的变化(d)
● 绝缘介电材质的直径变化(D)
● 绝缘介电材质或覆被的断裂或缺陷
● 同轴线组接头中的组件接触不良或有空隙.
● 因连结到裸同轴线的组接头过多所形成的二次反射或多次反射之影响.
由网络分析仪所量测的反射电压是以反射系数(Γ, Reflection Coefficient)来表示, 因此, 阻抗不连续点和电压波反射的关系可由下式(A)说明
F=(ZL-Zo)/(ZL+Zo)
这里, Z0是网络分析仪校正平面之前的参考阻抗, 通常Z0是指网络分析的特性阻抗, 举例而言, Z0=50Ω或Z0=75Ω. ZL则是网络分析仪校正平面之后的待测物特性阻抗. 式(A.6)显示有多少百分比的入射电压(UForward)被反射回来(UReflected). 比如,
● 如果负载等于参考阻抗的话(Z0 = ZL) ,
反射系数会驱近于0. (0%, 零反射)
电力线宽带● 如果负载是断路的话(ZL = ∞)
反射系数会驱近于1 .(100%, 全反射, 反射波型和入射波型相同)
● 如果负载是短路的话(ZL =0) ,
反射系数会驱近于-1. (100%, 全反射, 反射波型和入射波型相反)
反射损失(RL, Return Loss) 是以分贝的型式来表示反射系数,
这里反射损失是指入射功率和反射功率的比值. 对于传输线量测而言, 反射损失的绝对值越大越好. 对理想的传输线, 反射损失理论上是无限大(∞). 然而受限于网络分析仪接收的灵敏度(Sensitivity), 一般而言, RL = 60dB以上, 便可视为理想阻抗匹配. 如果负载是断路或短路的话, 反射损失的读值是0.
驻波比(SWR, Standing Wave Ratio) 读值表示同轴传输线反射品质的另一种方式. 上文提过, 反射是起因于阻抗不匹配点. 所以任何起因于同轴线和端点阻接头的特性阻抗不匹配而产生的反射电压, 将会延着此同轴传输线产生电性的驻波( Standing Wave) . 如同我们拉一条窗帘线上下抖动一番, 延着此同轴传输线传输方向(同轴线长度需大信号波长10倍), 总会到有一个最大的电压(UMax) 和一个对应的最小电压(UMin). 这最大电压和最小电压的比值就是驻波比,
由式(A.8)知,
如果负载等于参考电压的话(Z0 = ZL), 驻波比是1.
如果负载是断路或短路的话, 驻波比会驱近于∞.组接头连接品质
下列图表Β 使用Shuner的资料说明了裸同轴线组接头连接品质和本节所探讨反射参数(Γ, RL 和SWR) 的关系
4.4衰减(Attenuation)
同轴线的衰减( a, Attenuation) 是指输出端功率(Pout) 比入射功率(Pin) , 降低了多少. 并且以dB的型式表示, 即
单位长度同轴线的总衰减是中心导体的损失(ac, Conductor Loss) 和介电材质损失(aD, Dielectric Loss)之和. 单位长度中心导体的损失是由下式所定义的.
这里左边的ac, 即每米的衰减是由f 以GHz, d及D 以公分(cm )为单位算出来的. 同时, 右边的ac, 即每100英尺的衰减是由f 以MHz, d及D以英吋(inch )为单位, 计算出来的. 单位长度介电材质的理论损失是以下式预估
这里δ是散逸系数(Dissipation Factor), 也就是传输线中电阻成份的函数. 也是指介电材质能防止高频能
量由电阻成份散逸而保存的能力.介电材质散逸系数越低, 代表其传递高频能量之能力越高.因此, 扣除了泄漏因素, 同轴线的总衰减( a )是
(A.12)式中, 另外值得补充说明的是, 在10GHz以下, 同轴线总衰减是由中心导体的损失所主导. 一般而言, 低衰减可归因于下列因素
● 很大的中心导体直径(d)或绝缘介电材质的直径(D)
● 中心导体直径或覆被低阻值
● 低介电系数(εr )
●低的集肤效应深度衰减量测之温度和同轴线长度的补偿
除非特别规定，依美国ASTM-D-4566-94标准, 量测温度应在周边遭室温20 ±2℃下执行. 若无法此温度量测, 而改在其它合理温度下量测, 则需进行温度补偿, 以求得20℃时量测所得到的数据. 温度补偿的公式如下在(3.13)式中
aT = T℃时所量到的衰减.
T= 量测时的温度
a20 = 补偿到20℃的衰减.另一方面, 如果衰减是以dB来表示, 长度的补偿则是线性的. 例如1 dB / 1m ，则10dB / 10m. 转换的长度通常是1英里(1 mile ), 1000英呎(1000 ft) 或是1公里(km).4.5传播速度(Velocity ofPropagation ) 和延迟(Delay)电压波在同轴线中传播的速度( Velocity of Propagation ) 是小于在空气中传播速度. 这可以视作绝缘介电物质阻碍高频讯号波的传递的现象. 因此传播速度主要是由中心导体和覆被之间的绝缘物质的介电系数(εr) 来决定. 同轴线中传播速度与光速的百分比(%), 由下式决定，例如, 从式(3.14)中, 可知
PE(Polyethylene)其介电系数是εr = 2.26, 拥有66.5%的传播的速度. 铁氟龙( PTFE, Polytetrafluoroethylene ) 其介电系数是εr = 2.1，有69.0%的传播的速度. 因此, 电磁波PE介电材质的速度是1.995 x 10 m /sec ; 在
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