一、概述

在當(dāng)今的信息社會(huì)，通過(guò)同軸電纜傳輸信號(hào)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，它有待于人們對(duì)它進(jìn)行更加深入和全面的了解。

自從美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室1929年發(fā)明同軸電纜以來(lái)，已經(jīng)過(guò)了數(shù)十年歷史。在這期間，同軸電纜通過(guò)了多次改進(jìn)。第一代電纜采用實(shí)芯材料作為填充介質(zhì)，由于它對(duì)高頻衰減大，現(xiàn)在通常主要把它用于傳輸視頻信號(hào)。后來(lái)人們把聚乙烯采用化學(xué)方法發(fā)泡作為填充介質(zhì)。其發(fā)泡度可達(dá)30%，高頻傳輸特性有所提高。我們把這稱(chēng)為第二代電纜。80年代，第三代縱孔藕芯電纜出現(xiàn)，它的高頻衰減達(dá)到目前新型電纜的水平。但化學(xué)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(chǎng)推出了物理發(fā)泡電纜和竹節(jié)電纜。我們稱(chēng)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(zhì)具有不均勻性，在高頻有反射點(diǎn)。后來(lái)無(wú)人使用。物理發(fā)泡電纜的發(fā)泡度可達(dá)80%。介質(zhì)主要成分是氮?dú)猓瑲馀葜g是相互隔離的。因此，它具有防潮和低損耗的特點(diǎn)，是目前綜合特性最好的同軸電纜。

二、電纜結(jié)構(gòu)與信號(hào)傳輸特性

圖1

同軸電纜的結(jié)構(gòu)如上圖，在中心內(nèi)導(dǎo)體外包圍一定厚度的絕緣介質(zhì)，在介質(zhì)外是管狀外導(dǎo)體，外導(dǎo)體表面再用絕緣塑料保護(hù)。它是一種非對(duì)稱(chēng)傳輸線(xiàn)，電流的去向和回向?qū)w軸是相互重合的。

在信號(hào)通過(guò)電纜時(shí)，所建立的電磁場(chǎng)是封閉的，在導(dǎo)體的橫切面周?chē)鷽](méi)有電磁場(chǎng)。因此，內(nèi)部信號(hào)對(duì)外界基本沒(méi)有影響。電纜內(nèi)部電場(chǎng)建立在中心導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間，方向呈放射狀。而磁場(chǎng)則是以中心導(dǎo)體為圓心，呈多個(gè)同心圓。這些場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱隨信號(hào)的方向和大小變化。

1、同軸電纜對(duì)傳輸信號(hào)的損耗

同軸電纜在傳輸信號(hào)過(guò)程中，會(huì)對(duì)信號(hào)不斷地?fù)p耗，從而造成信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)后幅度減小，有時(shí)可能達(dá)不到正常工作要求。影響信號(hào)損耗的因素主要有電纜的電阻損耗、介質(zhì)損耗、失配損耗。同時(shí)泄漏損耗在低質(zhì)電纜工作于高頻時(shí)，也是一個(gè)不可忽略的問(wèn)題。我們下面分別對(duì)這些損耗進(jìn)行分析。

·  電阻損耗

電阻損耗是電纜所具有的直流電阻和導(dǎo)體高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的渦流對(duì)信號(hào)能量的消耗。電阻值的大小與電纜使用的材料和生產(chǎn)工藝有關(guān)。同時(shí)它會(huì)隨傳輸頻率的改變而改變，原因是導(dǎo)體在傳輸交流信號(hào)中，具有趨膚效應(yīng)。隨著頻率的增加，有效電阻會(huì)不斷加大。見(jiàn)圖2(a)

 

圖2

從圖中可看到，當(dāng)交流電流流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)又會(huì)使導(dǎo)體內(nèi)部生成新的感應(yīng)電流（渦流），該電流的方向如圖所示。它與導(dǎo)體中心的信號(hào)電流方向相反。與導(dǎo)體表面的信號(hào)電流方向相同。這樣，導(dǎo)體內(nèi)部的信號(hào)電流被反向渦流抵消，電流減小；導(dǎo)體表面的信號(hào)電流與同向渦流相加同，電流增大。這就是交流通過(guò)導(dǎo)體的趨膚現(xiàn)象。

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

信號(hào)的趨膚深度與頻率和材料有關(guān)，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(duì)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(dǎo)體內(nèi)部的渦流能量來(lái)自于信號(hào)源本身，渦流在導(dǎo)體中流動(dòng)，最終變成熱被耗散掉。頻率越高渦流越大，趨膚越嚴(yán)重，導(dǎo)體的有效電阻越大，而傳輸信號(hào)損耗也就越大，這就是同軸電纜傳輸信號(hào)的頻率越高損耗越大的主要原因。通過(guò)下面同軸電纜在20℃，1000米時(shí)的導(dǎo)體電阻衰減對(duì)照表，可以進(jìn)一步明確上述概念。

介電常數(shù)為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜電阻衰減對(duì)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?shù)皖l時(shí)，由導(dǎo)體材料的直流電阻起主要作用；在傳輸高頻時(shí)，由趨膚效應(yīng)引起變化的電阻起主要作用。

介電常數(shù)為2.3的75-5實(shí)芯電纜電阻衰減對(duì)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(zhì)損耗

介質(zhì)損耗是同軸電纜中心導(dǎo)體與外導(dǎo)體間的電介質(zhì)（絕緣體）對(duì)信號(hào)的損耗。量度電介質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)是介電常數(shù)。它是指在同一電容器中用某一物質(zhì)作為電介質(zhì)時(shí)的電容與其中為真空時(shí)電容的比值稱(chēng)為該物質(zhì)的介電常數(shù)。介電常數(shù)通常隨溫度和介質(zhì)中傳播的電磁波的頻率而變化。

同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體相當(dāng)于電容的兩極。由于實(shí)用中的電纜電介質(zhì)有電阻存在，介電常數(shù)通常大于1。因此，傳輸中對(duì)信號(hào)的損耗是必然的。介電常數(shù)的大小與材料和加工工藝（如發(fā)泡）有關(guān)。介電常數(shù)越大，對(duì)信號(hào)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(shù)電纜在20⁰C，1000米時(shí)的頻率損耗表。

介電常數(shù)為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜介電衰減對(duì)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(shù)為2.3的75-5實(shí)芯電纜介電衰減對(duì)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(duì)于低頻（如0-6MHz的視頻）影響不大。而在高頻傳輸時(shí)，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(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如果同軸電纜在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中造成電纜脫離標(biāo)稱(chēng)阻抗或者電纜阻抗不均勻，均會(huì)造成信號(hào)的失配損耗。在施工中造成電纜的過(guò)度彎曲、變形、損傷和接頭進(jìn)水，也會(huì)造成失配損耗。見(jiàn)圖3

圖3

同軸電纜的特性阻抗（不是直流電阻）與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，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(nèi)外導(dǎo)體直徑和介質(zhì)的介電常數(shù)決定的。

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

信號(hào)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(lái)表示。以反射損耗與傳輸效率的對(duì)照表，可以了解不同的反射損耗對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

反射損耗與功率傳輸效率對(duì)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得。好的同軸電纜在工作頻段內(nèi)，反射損耗一般可作到20db以上，也就是說(shuō)，在不考慮它其它因素時(shí)，它的傳輸效率可達(dá)99%以上。

·  泄漏損耗

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

綜上所述，同軸電纜對(duì)信號(hào)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試。電纜的直流電阻只有在低頻時(shí)才對(duì)信號(hào)衰減起主要作用；在高頻時(shí)，信號(hào)的衰減主要由趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗決定。同軸電纜隨著傳輸信號(hào)頻率的增加，信號(hào)衰減成倍增長(zhǎng)。因此，電纜的傳輸損耗重要是考慮高頻損耗。電纜除了在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工外，使用中施工不當(dāng)，同樣會(huì)對(duì)電纜正常使用產(chǎn)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(gè)重要指標(biāo)。但長(zhǎng)期以來(lái)，許多廠商和用戶(hù)未受到重視。具調(diào)查，國(guó)內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家只有極少數(shù)測(cè)試過(guò)相關(guān)的屏蔽指標(biāo)。用戶(hù)對(duì)此更是無(wú)從了解。他們對(duì)該方面性能的唯一了解只有電纜外導(dǎo)體的編織絲數(shù)量。

·  屏蔽與趨膚效應(yīng)

我們從圖2(b)可以看出，當(dāng)外界干擾信號(hào)侵入導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的厚度方向上迅速衰減，這種衰減是呈指數(shù)下降的。當(dāng)幅度下降到表面電壓的1/e的深度時(shí)，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(hào)進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部的衰減情況。顯然，高頻進(jìn)入后衰減較快，趨膚深度淺；低頻進(jìn)入后衰減較慢，趨膚深度深，見(jiàn)表1。干擾信號(hào)的強(qiáng)度集中于外導(dǎo)體的外表面，電纜傳輸信號(hào)的強(qiáng)度集中于外導(dǎo)體的內(nèi)表面。同頻率的干擾信號(hào)與有用信號(hào)的趨膚深度完全相同。如果頻率很高，干擾信號(hào)和有用信號(hào)各自在外導(dǎo)體的兩側(cè)表面?zhèn)鬏敚嗷ビ绊懖淮蟆?duì)于低頻信號(hào)，情況剛好相反。這種現(xiàn)象說(shuō)明，導(dǎo)體對(duì)高頻屏蔽效果好，對(duì)低頻屏蔽效果差。如果增加屏蔽層的厚度，干擾信號(hào)和有用信號(hào)在相交的距離上強(qiáng)度減弱，相互影響減小。

·  屏蔽指標(biāo)

同軸電纜屏蔽性能的好壞常用屏蔽系數(shù)、屏蔽衰減、轉(zhuǎn)移阻抗等指標(biāo)來(lái)反映。屏蔽系數(shù)定義為有屏蔽護(hù)套的縱向感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)和沒(méi)有屏蔽護(hù)套的縱向感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)之比，屏蔽系數(shù)越小越好；屏蔽衰減定義為電纜內(nèi)部信號(hào)功率強(qiáng)度與輻射到電纜外部的最大功率強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)值，用分貝（db）表示。這個(gè)比值越大，說(shuō)明屏蔽性能越好；轉(zhuǎn)移阻抗定義為在單位長(zhǎng)度的電纜中，從被干擾系統(tǒng)中沿屏蔽層測(cè)得電壓U與干擾系統(tǒng)中流過(guò)的電流I之比，用Ω/m表示。如果干擾系統(tǒng)中流過(guò)的電流不變，在電纜屏蔽表面測(cè)得的電壓越小，即轉(zhuǎn)移阻抗越低，則屏蔽質(zhì)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(dǎo)體、單層編織、雙層編織、一層復(fù)合鋁箔和一層銅線(xiàn)編織、雙層編織中間加一層半導(dǎo)電層、雙層編織中間加一層復(fù)合鋁箔、雙層編織中間加一層高μ合金帶。

管狀外導(dǎo)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(zhuǎn)移阻抗減少3倍，可見(jiàn)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(fù)合鋁箔，其內(nèi)部感應(yīng)電壓將比雙層編織降低25%，但這種結(jié)構(gòu)的成本有所增加。另外一種結(jié)構(gòu)為在兩層編織中間加入一層半導(dǎo)電層，這種屏蔽結(jié)構(gòu)其內(nèi)部感應(yīng)電壓比雙層編織降低50%，但因?yàn)樵黾恿税雽?dǎo)電層，電纜尺寸增大，成本也相應(yīng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)屏蔽	三層屏蔽	四層屏蔽
屏蔽衰減（db）		70dB	85dB	104dB

同一電纜對(duì)于不同頻率的屏蔽衰減是不同的。以下是某種電纜對(duì)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(shí)，屏蔽衰減急劇下降，頻率越低，屏蔽性能越差。因此，在電纜設(shè)計(jì)中，只要最低工作頻率符合屏蔽指針，高頻自然沒(méi)問(wèn)題。

三、電纜的選擇和使用

同軸電纜通常用于傳輸有線(xiàn)電視信號(hào)、視頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和其它各種高頻信號(hào)。根據(jù)用途不同，選用電纜的標(biāo)準(zhǔn)也有差異。

質(zhì)量好的電纜從外觀上看結(jié)構(gòu)緊密、挺實(shí)、外護(hù)套光滑柔韌。編織網(wǎng)絲粗、密度大。除編織絲數(shù)量外，屏蔽層編織角小于45°。但有些產(chǎn)家為了節(jié)省材料，電纜的編織角大于70°，這會(huì)使電纜的屏蔽特性變差。工藝差的電纜中心導(dǎo)體或絕緣部分都能從中拉出。四屏蔽電纜外導(dǎo)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(xiàn)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(qiáng)度大、干擾頻率多。所以，在使用上有意避開(kāi)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(shí)，應(yīng)特別注意高頻的衰減特性和反射損耗。在有線(xiàn)電視反向傳輸信號(hào)時(shí)，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(xí)慣上大多采用聚乙烯實(shí)心電纜。由于視頻的頻率范圍是0-6MHz，這種電纜在生產(chǎn)中即使采用雜質(zhì)含量高的再生塑料作為介質(zhì)材料。在傳輸?shù)皖l（視頻）時(shí)有時(shí)也看不出大的問(wèn)題。實(shí)心電纜通常為單層屏蔽，抗干擾特性當(dāng)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(hào)衰減。但在發(fā)泡電纜中采用劣質(zhì)的介質(zhì)材料，傳輸效果比聚乙烯實(shí)心電纜要差。這是因?yàn)榱淤|(zhì)材料介電常數(shù)增大，而導(dǎo)體直徑未變，從而造成特性阻抗嚴(yán)重偏移。如果介質(zhì)的發(fā)泡度不夠，也會(huì)造成上述情況。鑒別介質(zhì)材料最有效的方法是測(cè)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(huì)明顯增加。

電纜在生產(chǎn)過(guò)程中，如果加工質(zhì)量不好，還會(huì)造成外導(dǎo)體圓度不規(guī)則或中心導(dǎo)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(zhì)量，阻抗指針只能用網(wǎng)絡(luò)分析儀才能測(cè)出。

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

如果電纜對(duì)過(guò)強(qiáng)的干擾信號(hào)屏蔽達(dá)不到傳輸要求時(shí)，只能采用輔助措施才能解決。如：在外導(dǎo)體加金屬管或磁環(huán)，屏蔽或短路信號(hào)；在傳輸線(xiàn)兩端加調(diào)制解調(diào)器，轉(zhuǎn)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(shù)有限公司 總工程師 heml

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