楊建保

(安弗施無線射頻系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 201613)

0 引言

射頻同軸電纜作為通信發(fā)射設(shè)備和發(fā)射天線間的連接線,被廣泛應(yīng)用于無線電通訊、廣播和有關(guān)電子設(shè)備中。移動(dòng)通信已經(jīng)由4G跨入5G時(shí)代,射頻同軸電纜所傳輸信號(hào)的頻率也急劇增加,同時(shí)相關(guān)電子設(shè)備功耗也同步增大,從而使得射頻同軸電纜傳輸?shù)男盘?hào)高頻化、使用環(huán)境高溫化,而作為信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié),其能否準(zhǔn)確地傳輸信號(hào)至關(guān)重要。

目前,對(duì)射頻同軸電纜信號(hào)傳輸特性的研究主要集中在信號(hào)傳輸?shù)念l率特性[1]、不同結(jié)構(gòu)不同信號(hào)頻率時(shí)的衰減常數(shù)[2]、不同溫度下信號(hào)的幅相特性[3]、高頻信號(hào)在互連線的終端響應(yīng)[4]以及時(shí)域有限差分法和有限元法結(jié)合下的信號(hào)完整性[5],而對(duì)射頻同軸電纜的另一個(gè)重要參數(shù)插入損耗S21還有待進(jìn)一步研究。本文以SFB型射頻同軸電纜為研究對(duì)象,基于ANSYS建立三維有限元模型,分析溫度、頻率和絕緣層厚度對(duì)射頻同軸電纜插入損耗S21的影響。

1 射頻同軸電纜插入損耗S21的計(jì)算

用S參數(shù)描述的網(wǎng)絡(luò)一般含有很多端口,端口就是電流流入或流出網(wǎng)絡(luò)的輸入端或輸出端。本文研究的射頻同軸電纜模型就是一個(gè)信號(hào)從一端流入、另一端流出的二端口網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。

圖1 二端口網(wǎng)絡(luò)

圖1的二端口網(wǎng)絡(luò)用入射波和反射波來表征網(wǎng)絡(luò),定義了入射波參量A1和A2、反射波參量B1和B2,分別為:

用式(1)和式(2)來表征二端口網(wǎng)絡(luò):

B1=S11A1+S12A2.

(1)

B2=S21A1+S22A2.

(2)

其中:S11為端口2接匹配負(fù)載時(shí)端口1的回波損耗,dB;S22為端口1接匹配負(fù)載時(shí)端口2的回波損耗,dB;S12為端口1接匹配負(fù)載時(shí)信號(hào)傳輸?shù)蕉丝?的插入損耗,dB;S21為端口2接匹配負(fù)載時(shí)信號(hào)傳輸?shù)蕉丝?的插入損耗,dB。

式(1)和式(2)的矩陣形式為:

(3)

式(1)～式(3)用S參數(shù)(即S11、S12、S21和S22)表示了各個(gè)端口上反射波與入射波的關(guān)系,由此可知,從端口1輸入的入射波既可以從端口1返回,也可以從端口2輸出。根據(jù)S參數(shù)的定義,端口2是給定的系統(tǒng)特征阻抗Z0的終端,可以得到:

(4)

(5)

本文重點(diǎn)對(duì)射頻同軸電纜插入損耗S21進(jìn)行分析研究。

2 SFB型射頻同軸電纜的結(jié)構(gòu)

圖2為SFB型射頻同軸電纜的基本結(jié)構(gòu),由內(nèi)、外導(dǎo)體環(huán)繞一根軸線形成雙導(dǎo)體系統(tǒng),在內(nèi)、外導(dǎo)體間通過絕緣材料隔絕,然后整條電纜由最外層的護(hù)套保護(hù)。

圖2 SFB型射頻同軸電纜基本結(jié)構(gòu)

本文主要分析研究三種不同絕緣層厚度的SFB型射頻同軸電纜,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。內(nèi)、外導(dǎo)體均為銅導(dǎo)體,絕緣層和護(hù)套均為PTFE(聚四氟乙烯),20 ℃時(shí)的材料參數(shù)見表2。

表1 三種型號(hào)的SFB型射頻同軸電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 射頻同軸電纜材料性能參數(shù)

3 SFB型射頻同軸電纜有限元模型建立

3.1 網(wǎng)格劃分

為了使問題簡(jiǎn)化,假設(shè)射頻同軸電纜各層間的接觸為完全接觸,同時(shí)為均勻傳輸線且不存在任何內(nèi)部缺陷。仿真分析時(shí)選擇自由剖分四面體網(wǎng)格,在內(nèi)、外導(dǎo)體以及絕緣層采用密集網(wǎng)格,在非重點(diǎn)區(qū)域護(hù)套部分采用稀疏網(wǎng)格,從而減小網(wǎng)格數(shù)量,縮短計(jì)算時(shí)間,射頻同軸電纜網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 射頻同軸電纜網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件的設(shè)置及激勵(lì)加載

SFB型射頻同軸電纜信號(hào)加載方式為端口激勵(lì),取電纜長度為10 m,外部環(huán)境溫度分別設(shè)置為20 ℃、80 ℃、150 ℃,電纜外表皮與周圍環(huán)境的換熱形式設(shè)定為對(duì)流換熱,信號(hào)輸入功率為0.02 W,頻率為1 GHz～18 GHz,步長為1 GHz,對(duì)求解選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置求解。仿真前需要在圖3模型兩端匹配阻值為50 Ω的虛擬特征阻抗,從而與電纜形成完全阻抗匹配。同時(shí),選擇模型一端的絕緣層邊界作為信號(hào)輸入源,信號(hào)發(fā)射端與接收端分別與電纜兩端的虛擬特征阻抗相連,使得同軸電纜形成完整的信號(hào)回路。在此條件下,電纜兩端間便形成了一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。

4 SFB型射頻同軸電纜插入損耗S21仿真結(jié)果分析

三種不同絕緣層厚度的SFB型射頻同軸電纜插入損耗S21隨頻率以及溫度變化的仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 SFB-50-2射頻同軸電纜插入損耗隨頻率、溫度變化曲線

圖5 SFB-50-3射頻同軸電纜插入損耗隨頻率、溫度變化曲線

圖6 SFB-50-5射頻同軸電纜插入損耗隨頻率、溫度變化曲線

由圖4～圖6可以看出:相同絕緣層厚度的射頻同軸電纜插入損耗隨環(huán)境溫度的增加而增大,這是由于隨著環(huán)境溫度的升高射頻同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體的電阻會(huì)增大,同時(shí),絕緣層介電常數(shù)也會(huì)隨環(huán)境溫度升高而增大,從而導(dǎo)致介質(zhì)損耗的增加;相同絕緣層厚度的射頻同軸電纜插入損耗隨著信號(hào)頻率的增加而增大,這是由于具有一定頻率的信號(hào)在同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng),并且隨著信號(hào)頻率的增大趨膚深度也越來越淺,導(dǎo)體有效電阻也越來越大,信號(hào)在導(dǎo)體上的損耗也越來越大,對(duì)于絕緣層介質(zhì)而言,隨著信號(hào)頻率的增大,介質(zhì)的介電常數(shù)也在增大,所以介質(zhì)損耗也將增大;相同溫度下不同絕緣層厚度的射頻同軸電纜的插入損耗為SFB-50-5

5 結(jié)語

射頻同軸電纜插入損耗S21的性能好壞直接影響到其傳輸信號(hào)的完整性,因此插入損耗S21是評(píng)判電纜質(zhì)量的重要技術(shù)參數(shù)。通過本文的分析,得到了不同結(jié)構(gòu)射頻同軸電纜插入損耗S21在不同溫度、不同頻率下的變化規(guī)律。