Koaxiální mikrovlnné linky přenášejí rádiovou energii mezi anténami, testovacími přístroji, vysílači, přijímači a dalšími mikrovlnnými komponenty.Jejich soustředná konstrukce zajišťuje řízenou přenosovou cestu a silné stínění, ale výkon závisí na mnohem více faktorech než jen na průměru kabelu nebo typu konektoru. Konečný výsledek ovlivňuje frekvence, charakteristická impedance, útlum, výkon, fázová stabilita, poloměr ohybu a kvalita každého přechodu.
Tato příručka vysvětluje, jak funguje mikrovlnný koaxiální kabel, hlavní konstrukce kabelů, impedanční rovnici, příčiny ztráty rádiových vln a praktické kontroly, které by inženýři měli provést před výběrem koaxiálního řešení.
Co je to koaxiální mikrovlnné vedení?
Koaxiální přenosové vedení se skládá z vnitřního vodiče obklopeného dielektrikem a válcového vnějšího vodiče. Protože oba vodiče sdílejí stejnou osu, elektrické pole je soustředěno převážně v dielektriku, zatímco vnější vodič poskytuje zpětnou cestu a elektromagnetické stínění.
Dominantním módem šíření je transverzální elektromagnetické vlnění neboli TEM. V ideálním koaxiálním vedení nemá šíření TEM žádnou spodní mezní frekvenci. Reálné sestavy stále mají horní použitelnou frekvenci, protože rozměry kabelu, dielektrické vlastnosti, geometrie konektoru a módy vyššího řádu omezují výkon. Kabel určený pro nízkofrekvenční RF službu by se proto neměl předpokládat, že bude dobře fungovat na mikrovlnných nebo milimetrových vlnových frekvencích.
Hlavní konstrukční prvky
- Vnitřní vodič:vede proud v přímém směru a může být plný, slaněný, pokovený nebo dutý v závislosti na flexibilitě, ztrátách a požadavcích na výkon.
- Dielektrikum:udržuje rozteč a určuje velkou část impedance, rychlostního faktoru, teplotního chování a dielektrických ztrát.
- Vnější vodič:zajišťuje zpětnou cestu a stínění. Může být opletený, obalený fólií, vlnitý nebo z pevné kovové trubky.
- Ochranný plášť:chrání flexibilní kabel před oděrem, vlhkostí, chemikáliemi a poškozením při manipulaci.
Běžné typy mikrovlnných koaxiálních kabelů
Žádná konstrukce není nejlepší pro každý mikrovlnný systém. Správná volba závisí na elektrických vlastnostech, způsobu instalace, pohybu, prostředí a nákladech.
Flexibilní koaxiální kabel
Flexibilní kabel obvykle používá lankový nebo flexibilní střední vodič s opleteným nebo fóliovým stíněním. Je vhodný pro laboratorní instalace, propojení zařízení a instalace, které vyžadují opakované vedení. Jeho nevýhody mohou zahrnovat vyšší útlum, nižší účinnost stínění a větší fázovou změnu při ohybu než u tuhých konstrukcí.
Polotuhý koaxiální kabel
Polotuhý kabel používá pevný vnější vodič, obvykle tvarovaný do trvalé trasy. Nabízí vynikající stínění, předvídatelnou impedanci a dobrou fázovou stabilitu. Je široce používán uvnitř mikrovlnných sestav, ale instalace vyžaduje správné tvarovací nástroje a dodržování specifikovaného minimálního poloměru ohybu.
Ručně tvarovatelný nebo přizpůsobivý kabel
Ručně tvarovatelný kabel představuje praktickou střední cestu. Lze jej vést snadněji než polotuhý kabel a zároveň si zachovává lepší stínění a tvarovou stabilitu než mnoho flexibilních kabelů. Výkon by měl být i po tvarování zkontrolován, protože ostré ohyby a namáhání konektoru mohou změnit odrazový útlum.
Pevné a vzduchově-dielektrické koaxiální vedení
Pevné koaxiální vedení používá pevné vodiče a může používat vzduchové nebo nízkoztrátové dielektrické podpěry. Je vhodné pro přenos s nízkými ztrátami nebo vyšším výkonem, kde je přijatelná velikost a složitost instalace. Vysílací, radarové a testovací systémy mohou používat pevné části, pokud by ztráty v flexibilním kabelu byly nadměrné.
Dvojitě stíněný a fázově stabilní kabel
Dodatečné stínění může snížit únik a náchylnost k elektromagnetickému rušení. Fázově stabilní konstrukce jsou navrženy tak, aby omezovaly změny elektrické délky způsobené teplotou, ohybem nebo stárnutím. Tyto vlastnosti jsou důležité u fázovaných polí, kalibračních cest, koherentních přijímačů a měření pomocí vektorového síťového analyzátoru.
Charakteristická impedance koaxiálního vedení
Charakteristická impedance je určena poměrem vnitřního průměru vnějšího vodiče k vnějšímu průměru vnitřního vodiče a relativní permitivitou dielektrika. Pro nemagnetické koaxiální vedení:
Z0= (60 / √εr) ln(D/d) Ω
nebo ekvivalentně:
Z0= (138 / √εr) protokol10(D/d) Ω
Zde,Dje vnitřní průměr vnějšího vodiče,dje vnější průměr vnitřního vodiče aεrje relativní permitivita dielektrika. Tyto dva výrazy jsou ekvivalentní, protože používají různé logaritmické základy.
Většina RF a mikrovlnných systémů používá 50 Ω, protože poskytuje užitečnou rovnováhu mezi výkonem a útlumem. Systém s 75 Ω je běžný ve videu, vysílání a některých komunikačních aplikacích. Smíchání složek s 50 Ω a 75 Ω vytváří nespojitost impedance, která zvyšuje odrazy a nejistotu měření.
Proč mikrovlnný koaxiální kabel ztrácí signál
Vložný útlum se obvykle zvyšuje s frekvencí i délkou kabelu. Hodnota v datovém listu by měla být zkontrolována při skutečné provozní frekvenci a převedena na instalovanou délku, spíše než aby byla považována za pevné číslo.
Ztráta vodiče
Na mikrovlnných frekvencích skin-efekt koncentruje proud v blízkosti povrchů vodičů. Efektivní odpor roste s rostoucí frekvencí, takže materiál vodiče, kvalita pokovování, povrchová úprava a průměr vodiče ovlivňují útlum.
Dielektrické ztráty
Dielektrikum absorbuje část elektromagnetické energie. Jeho tangens ztrát, teplota, vlhkost a provozní frekvence ovlivňují výsledek. Pro dlouhé měřicí dráhy a přesné měřicí cesty se často volí dielektrické materiály s nízkými ztrátami.
Neshoda a ztráta konektoru
Přechody mezi kabelem a konektorem, adaptéry, poškozená rozhraní, špatná montáž a nesprávný utahovací moment mohou způsobit odrazy. Útlum odrazu neboli PSV by měl být vyhodnocen v celém provozním pásmu, včetně každého konektoru a přechodu v signálové cestě.
Účinky ohýbání a instalace
Ostré ohyby mohou deformovat geometrii koaxiálního kabelu a změnit impedanci. Opakované ohýbání může také změnit vložný útlum a fázi. Dodržujte statické a dynamické limity poloměru ohybu stanovené výrobcem kabelu a zajistěte odlehčení tahu v blízkosti konektorů.
Jak vybrat koaxiální kabel pro mikrovlnnou troubu
Začněte s kompletní instalovanou signálovou cestou, nikoli pouze s kabelem. Následující kontroly pomáhají předcházet ztrátám, nesouladům, přehřátí a mechanickému selhání, kterým lze předejít.
- Potvrďte frekvenční rozsah.Ověřte, zda kabel, konektory, adaptéry a testovací data pokrývají nejvyšší provozní frekvenci.
- Přizpůsobte impedanci systému.Použijte v celé trase stejnou jmenovitou impedanci, pokud není záměrně použita síť transformující impedanci.
- Vypočítejte celkový vložený útlum.Ztráta kabelu na provozní frekvenci se ztrátami v konektoru, adaptéru a přechodu se započítává do teplotní rezervy a stárnutí, pokud je to vhodné.
- Zkontrolujte manipulaci s výkonem.Zkontrolujte průměrný výkon, špičkový výkon, PSV, okolní teplotu, nadmořskou výšku, jmenovité hodnoty konektoru a pracovní cyklus. Vysoká neshoda může způsobit lokální napěťové nebo proudové namáhání.
- Definujte požadavky na fáze.U koherentních nebo fázově přizpůsobených systémů specifikujte fázovou stabilitu v závislosti na teplotě a ohybu, jakož i ztrátu amplitudy.
- Vyberte kompatibilní konektory.Řady konektorů mají různá frekvenční, výkonová, cyklická a mechanická omezení. Nepoužívejte zbytečné adaptéry a před použitím ověřte stav rozhraní.
- Zkontrolujte trasu a prostředí.Zvažte poloměr ohybu, pohyb, vibrace, vlhkost, chemikálie, teplotní rozsah, stínění a požadavky na plamen nebo nízký obsah kouře.
- Ověření plánu.U kritických sestav změřte po instalaci vložný útlum a útlum odrazu. Systémy s fázovým přizpůsobením mohou také vyžadovat ověření elektrické délky.
Koaxiální vedení nebo vlnovod?
Koaxiální kabel je kompaktní, stíněný a snadno se vede, což ho činí praktickým pro mnoho propojení v oblasti rádiových a mikrovlnných sítí. Vzhledem k tomu, že frekvence, výkon nebo přípustné ztráty se stávají stále náročnějšími, může vlnovod nabídnout nižší přenosové ztráty a vyšší výkonovou kapacitu, i když je větší a méně flexibilní.
Mnoho systémů používá obě technologie. Správně vybranýadaptér vlnovod-koaxiálnípřenáší energii mezi koaxiálním TEM módem a požadovaným vlnovodovým módem a zároveň řídí nesoulad. Pro aspekty návrhu přechodu viz našePrůvodce výběrem adaptéru vlnovod-koaxiální kabel.
Typické aplikace
- Propojení vektorového síťového analyzátoru a spektrálního analyzátoru
- Nastavení měření a kalibrace antény
- Radarové, satelitní a bezdrátové komunikační zařízení
- Generátory signálů, zesilovače, přijímače a frekvenční měniče
- Vnitřní propojení v mikrovlnných modulech a testovacích přípravcích
- Přechody mezi porty koaxiálních zařízení a komponenty vlnovodu
Často kladené otázky
Má koaxiální kabel mezní frekvenci?
Dominantní mód TEM nemá teoreticky žádnou spodní mezní frekvenci. Každá reálná kabelová sestava však má maximální doporučenou frekvenci, protože módy vyššího řádu, geometrie konektoru, ztráty a výrobní tolerance nakonec omezují použitelný výkon.
Proč je v mikrovlnných systémech běžné 50 Ω?
Padesát ohmů se široce používá, protože poskytuje praktický kompromis mezi nízkým útlumem a výkonem. Je to také standardní impedance pro většinu RF testovacích zařízení a mnoho mikrovlnných součástek.
Lze delší kabel kompenzovat použitím zdroje s vyšším výkonem?
Dodatečné napájení zdroje může v některých systémech obnovit úroveň příjmu, ale neodstraňuje zahřívání kabelu, vliv šumového čísla, fázové kolísání, nesoulad ani omezení jmenovitého výkonu. Snížení ztrát signálu je obvykle spolehlivějším inženýrským přístupem.
Co je třeba po instalaci otestovat?
Minimálně zkontrolujte vložený útlum a útlum odrazu v celém provozním pásmu. Přesné systémy mohou také vyžadovat měření fázového, skupinového zpoždění, diskontinuity v časové doméně, stínění nebo pasivní intermodulace.
Pro pomoc s výběrem přechodu z vlnovodu na koaxiální kabel nebo s integrací koaxiálních a vlnovodových sekcí v mikrovlnném systému,kontaktujte RF MISOs požadovaným frekvenčním pásmem, rozhraním, úrovní výkonu a mechanickými omezeními.
Čas zveřejnění: 15. prosince 2023
