一、概述

在當今的信息社會，通過同軸電纜傳輸信號得到了廣泛的應用。因此，它有待于人們對它進行更加深入和全面的了解。

自從美國貝爾實驗室1929年發(fā)明同軸電纜以來，已經過了數十年歷史。在這期間，同軸電纜通過了多次改進。第一代電纜采用實芯材料作為填充介質，由于它對高頻衰減大，現在通常主要把它用于傳輸視頻信號。后來人們把聚乙烯采用化學方法發(fā)泡作為填充介質。其發(fā)泡度可達30%，高頻傳輸特性有所提高。我們把這稱為第二代電纜。80年代，第三代縱孔藕芯電纜出現，它的高頻衰減達到目前新型電纜的水平。但化學發(fā)泡電纜和縱孔藕芯電纜的防潮特性都不好。90年代初，市場推出了物理發(fā)泡電纜和竹節(jié)電纜。我們稱為第四代電纜。竹節(jié)電纜雖然能防潮和高頻損耗低，但介質具有不均勻性，在高頻有反射點。后來無人使用。物理發(fā)泡電纜的發(fā)泡度可達80%。介質主要成分是氮氣，氣泡之間是相互隔離的。因此，它具有防潮和低損耗的特點，是目前綜合特性最好的同軸電纜。

二、電纜結構與信號傳輸特性

圖1

同軸電纜的結構如上圖，在中心內導體外包圍一定厚度的絕緣介質，在介質外是管狀外導體，外導體表面再用絕緣塑料保護。它是一種非對稱傳輸線，電流的去向和回向導體軸是相互重合的。

在信號通過電纜時，所建立的電磁場是封閉的，在導體的橫切面周圍沒有電磁場。因此，內部信號對外界基本沒有影響。電纜內部電場建立在中心導體和外導體之間，方向呈放射狀。而磁場則是以中心導體為圓心，呈多個同心圓。這些場的方向和強弱隨信號的方向和大小變化。

1、同軸電纜對傳輸信號的損耗

同軸電纜在傳輸信號過程中，會對信號不斷地損耗，從而造成信號到達終點后幅度減小，有時可能達不到正常工作要求。影響信號損耗的因素主要有電纜的電阻損耗、介質損耗、失配損耗。同時泄漏損耗在低質電纜工作于高頻時，也是一個不可忽略的問題。我們下面分別對這些損耗進行分析。

·  電阻損耗

電阻損耗是電纜所具有的直流電阻和導體高頻感應所產生的渦流對信號能量的消耗。電阻值的大小與電纜使用的材料和生產工藝有關。同時它會隨傳輸頻率的改變而改變，原因是導體在傳輸交流信號中，具有趨膚效應。隨著頻率的增加，有效電阻會不斷加大。見圖2(a)

 

圖2

從圖中可看到，當交流電流流通過導體時，會在導體周圍產生交變磁場。該磁場又會使導體內部生成新的感應電流（渦流），該電流的方向如圖所示。它與導體中心的信號電流方向相反。與導體表面的信號電流方向相同。這樣，導體內部的信號電流被反向渦流抵消，電流減小；導體表面的信號電流與同向渦流相加同，電流增大。這就是交流通過導體的趨膚現象。

隨著信號頻率的增高，感應電流增大，這種現象就越加明顯。它使電流只集中在表面很小的截面流動，造成導體的有效電阻明顯增加。

信號的趨膚深度與頻率和材料有關，頻率越低，趨膚深度越深；頻率越高，趨膚深度越淺。鐵比銅的趨膚深度小許多。下面給出銅對各種頻率的趨膚深度表，供大家參考

表1

頻率（Hz）	10	60	100	400	1K	10K	100K	1M	10M	100M	1000M
深度（mm）	20.8	8.63	6.60	3.30	2.08	0.66	0.208	66μ	20μ	7.6μ	2.0μ

導體內部的渦流能量來自于信號源本身，渦流在導體中流動，最終變成熱被耗散掉。頻率越高渦流越大，趨膚越嚴重，導體的有效電阻越大，而傳輸信號損耗也就越大，這就是同軸電纜傳輸信號的頻率越高損耗越大的主要原因。通過下面同軸電纜在20℃，1000米時的導體電阻衰減對照表，可以進一步明確上述概念。

介電常數為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜電阻衰減對照表

表2

頻率（Hz）	1	5	55	211	270	300	330	400	550	750
衰減（db）	5.94	13.28	44.04	86.28	97.57	103	1037	118	139	162

電阻損耗在傳輸低頻時，由導體材料的直流電阻起主要作用；在傳輸高頻時，由趨膚效應引起變化的電阻起主要作用。

介電常數為2.3的75-5實芯電纜電阻衰減對照表

表3

頻率（Hz）	1	5	55	211	270	300	330	400	550	750
衰減（db）	6.91	15.44	51.22	100	113	119	125	138	162	189

·  介質損耗

介質損耗是同軸電纜中心導體與外導體間的電介質（絕緣體）對信號的損耗。量度電介質的一個重要參數是介電常數。它是指在同一電容器中用某一物質作為電介質時的電容與其中為真空時電容的比值稱為該物質的介電常數。介電常數通常隨溫度和介質中傳播的電磁波的頻率而變化。

同軸電纜的內外導體相當于電容的兩極。由于實用中的電纜電介質有電阻存在，介電常數通常大于1。因此，傳輸中對信號的損耗是必然的。介電常數的大小與材料和加工工藝（如發(fā)泡）有關。介電常數越大，對信號的損耗也越大。溫度越高，頻率越高，介電損耗越大。下面是兩種不同介電常數電纜在20⁰C，1000米時的頻率損耗表。

介電常數為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜介電衰減對照表

表4

頻率（Hz）	1	5	55	211	270	300	330	400	550	750
衰減（db）	0.05	0.27	2.96	11.36	14.54	16.15	17.77	21.53	29.61	40.38

介電常數為2.3的75-5實芯電纜介電衰減對照表

表5

頻率（Hz）	1	5	55	211	270	300	330	400	550	750
衰減（db）	0.07	0.35	3.8	14.56	18.63	20.7	22.77	27.6	37.95	51.75

從表中可以看出，介電損耗對于低頻（如0-6MHz的視頻）影響不大。而在高頻傳輸時，它的影響就十分明顯。

·  失配損耗

失配損耗主要與同軸電纜的物理結構密切相關。如果同軸電纜在設計和生產中造成電纜脫離標稱阻抗或者電纜阻抗不均勻，均會造成信號的失配損耗。在施工中造成電纜的過度彎曲、變形、損傷和接頭進水，也會造成失配損耗。見圖3

圖3

同軸電纜的特性阻抗（不是直流電阻）與電纜長度無關，它是由電纜中的等效電容和電感決定的。而這些等效電容和電感又是由內外導體直徑和介質的介電常數決定的。

電纜阻抗不均勻或與信號源及負載不匹配均會造成電纜在傳輸信號時，部分信號能量向傳輸方向相反的方向返回，即反射。它將使原有信號受到影響。造成傳輸效率下降。嚴重時直接影響系統(tǒng)的正常工作。

信號在傳輸中反射的程度通常可用駐波比或反射損耗（回波損耗）來表示。以反射損耗與傳輸效率的對照表，可以了解不同的反射損耗對信號傳輸的影響。

反射損耗與功率傳輸效率對照表

表6

傳輸效率（%）	100	99	97.5	93.6	90	81.6	76	49	37	19．9
反射損耗（db）	34	20	16	12	10	7.4	6	3	2	1

電纜的反射損耗可直接用網絡分析儀測得。好的同軸電纜在工作頻段內，反射損耗一般可作到20db以上，也就是說，在不考慮它其它因素時，它的傳輸效率可達99%以上。

·  泄漏損耗

泄漏損耗是信號通過電纜屏蔽的編織間隙輻射出去的信號。它同樣造成信號在傳輸過程中的能量損失。這是高頻傳輸中不可忽略的問題。為此，電纜的編織覆蓋率不能過低。

綜上所述，同軸電纜對信號的傳輸損耗具有多種因素。它的最終損耗是上述各種損耗的總和，這種綜合損耗可用網絡分析儀測試。電纜的直流電阻只有在低頻時才對信號衰減起主要作用；在高頻時，信號的衰減主要由趨膚效應和介質損耗決定。同軸電纜隨著傳輸信號頻率的增加，信號衰減成倍增長。因此，電纜的傳輸損耗重要是考慮高頻損耗。電纜除了在設計、生產加工外，使用中施工不當，同樣會對電纜正常使用產生重大影響。

2、同軸電纜的屏蔽特性

同軸電纜的屏蔽特性是反映電纜特性的一個重要指標。但長期以來，許多廠商和用戶未受到重視。具調查，國內電纜生產廠家只有極少數測試過相關的屏蔽指標。用戶對此更是無從了解。他們對該方面性能的唯一了解只有電纜外導體的編織絲數量。

·  屏蔽與趨膚效應

我們從圖2(b)可以看出，當外界干擾信號侵入導體時，在導體的厚度方向上迅速衰減，這種衰減是呈指數下降的。當幅度下降到表面電壓的1/e的深度時，該深度定義為趨膚深度。在圖2(b)中，左邊和右邊分別表示高頻和低頻信號進入導體內部的衰減情況。顯然，高頻進入后衰減較快，趨膚深度淺；低頻進入后衰減較慢，趨膚深度深，見表1。干擾信號的強度集中于外導體的外表面，電纜傳輸信號的強度集中于外導體的內表面。同頻率的干擾信號與有用信號的趨膚深度完全相同。如果頻率很高，干擾信號和有用信號各自在外導體的兩側表面?zhèn)鬏敚嗷ビ绊懖淮蟆τ诘皖l信號，情況剛好相反。這種現象說明，導體對高頻屏蔽效果好，對低頻屏蔽效果差。如果增加屏蔽層的厚度，干擾信號和有用信號在相交的距離上強度減弱，相互影響減小。

·  屏蔽指標

同軸電纜屏蔽性能的好壞常用屏蔽系數、屏蔽衰減、轉移阻抗等指標來反映。屏蔽系數定義為有屏蔽護套的縱向感應場強和沒有屏蔽護套的縱向感應場強之比，屏蔽系數越小越好；屏蔽衰減定義為電纜內部信號功率強度與輻射到電纜外部的最大功率強度之比的對數值，用分貝（db）表示。這個比值越大，說明屏蔽性能越好；轉移阻抗定義為在單位長度的電纜中，從被干擾系統(tǒng)中沿屏蔽層測得電壓U與干擾系統(tǒng)中流過的電流I之比，用Ω/m表示。如果干擾系統(tǒng)中流過的電流不變，在電纜屏蔽表面測得的電壓越小，即轉移阻抗越低，則屏蔽質量越好，屏蔽效率越高。

·  屏蔽與材料和工藝

屏蔽的形式很多，管狀外導體、單層編織、雙層編織、一層復合鋁箔和一層銅線編織、雙層編織中間加一層半導電層、雙層編織中間加一層復合鋁箔、雙層編織中間加一層高μ合金帶。

管狀外導體雖然屏蔽性能非常好，但不易彎曲，使用不方便。單層編織的屏蔽效率最差。雙層編織比一層編織的轉移阻抗減少3倍，可見雙層編織的屏蔽效果比單層有了很大的改善。雙層編織中間若加入一層復合鋁箔，其內部感應電壓將比雙層編織降低25%，但這種結構的成本有所增加。另外一種結構為在兩層編織中間加入一層半導電層，這種屏蔽結構其內部感應電壓比雙層編織降低50%，但因為增加了半導電層，電纜尺寸增大，成本也相應增加。超屏蔽電纜是在雙層編織中間加一層高μ合金帶作為屏蔽，高μ合金帶高導磁率的鎳、鐵金屬帶。這種電纜制造成本很高，因此只能在要求特別高的情況下使用。

下表例出幾種電纜在50MHz以上高頻段的屏蔽衰減

表7

電纜		標準屏蔽	三層屏蔽	四層屏蔽
屏蔽衰減（db）		70dB	85dB	104dB

同一電纜對于不同頻率的屏蔽衰減是不同的。以下是某種電纜對不同頻率的屏蔽衰減值。

表8

頻率（Hz）	5-50	200-800
屏蔽衰減（dB）	85dB	90dB

頻率低于5MHz以下時，屏蔽衰減急劇下降，頻率越低，屏蔽性能越差。因此，在電纜設計中，只要最低工作頻率符合屏蔽指針，高頻自然沒問題。

三、電纜的選擇和使用

同軸電纜通常用于傳輸有線電視信號、視頻信號、數字信號和其它各種高頻信號。根據用途不同，選用電纜的標準也有差異。

質量好的電纜從外觀上看結構緊密、挺實、外護套光滑柔韌。編織網絲粗、密度大。除編織絲數量外，屏蔽層編織角小于45°。但有些產家為了節(jié)省材料，電纜的編織角大于70°，這會使電纜的屏蔽特性變差。工藝差的電纜中心導體或絕緣部分都能從中拉出。四屏蔽電纜外導體的鋁箔分粘接和搭接兩種。搭接是將鋁箔在電纜物理發(fā)泡絕緣體上裹上一層，接頭處重迭一部分，一般為3mm。粘接是鋁箔與物理發(fā)泡絕緣體粘在一起。粘接較搭接屏蔽性能更好。最好的四屏蔽電纜都采用粘接。

有線電視系統(tǒng)和高帶寬頻監(jiān)控系統(tǒng)所用同軸電纜多為高頻物理發(fā)泡電纜。由于電纜的低頻抗干擾特性差，外界在低頻段的干擾強度大、干擾頻率多。所以，在使用上有意避開了5MHz以下的頻段。但上述系統(tǒng)工作的頻帶寬，因此，在選擇電纜時，應特別注意高頻的衰減特性和反射損耗。在有線電視反向傳輸信號時，所有終端的噪聲將匯集到前端。所以，為了盡量減小電纜受外界的干擾，通常選用4層屏蔽或鋁管電纜。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，目前采用視頻基帶傳輸方式較為普遍，習慣上大多采用聚乙烯實心電纜。由于視頻的頻率范圍是0-6MHz，這種電纜在生產中即使采用雜質含量高的再生塑料作為介質材料。在傳輸低頻（視頻）時有時也看不出大的問題。實心電纜通常為單層屏蔽，抗干擾特性當然不能與多層電纜相比。視頻基帶傳輸中，采用高頻物理發(fā)泡電纜具有更低的信號衰減。但在發(fā)泡電纜中采用劣質的介質材料，傳輸效果比聚乙烯實心電纜要差。這是因為劣質材料介電常數增大，而導體直徑未變，從而造成特性阻抗嚴重偏移。如果介質的發(fā)泡度不夠，也會造成上述情況。鑒別介質材料最有效的方法是測試電纜的高頻衰減值。如果材料純度和發(fā)泡度不夠，高頻衰減會明顯增加。

電纜在生產過程中，如果加工質量不好，還會造成外導體圓度不規(guī)則或中心導體偏心。這直接影響電纜的反射損耗，即阻抗。從而影響圖像傳輸質量，阻抗指針只能用網絡分析儀才能測出。

在施工中，不能破壞電纜的外型。否則會影響電纜的阻抗特性和屏蔽特性。電纜連接時，切記不要隨意將導線擰在一起了事。必須采用專用接頭連接。制作前，應參考同軸電纜的接頭制作方法。這一點應特別重視。具統(tǒng)計，在工程中有80%以上故障出在接頭上。

如果電纜對過強的干擾信號屏蔽達不到傳輸要求時，只能采用輔助措施才能解決。如：在外導體加金屬管或磁環(huán)，屏蔽或短路信號；在傳輸線兩端加調制解調器，轉移頻率，躲避干擾；或增加視頻幅度，壓制干擾等方法。

作者：深圳市西艾特電子技術有限公司 總工程師 heml

參考文獻：
《小同軸綜合通信電纜》作者：簡水生
《射頻電纜的屏蔽衰減》作者：永鼎