同轴电缆的信号传输特性分析

一、概述

在当今的信息社会，通过同轴电缆传输信号得到了广泛的应用。因此，它有待于人们对它进行更加深入和全面的了解。

自从美国贝尔实验室1929年发明同轴电缆以来，已经过了数十年历史。在这期间，同轴电缆通过了多次改进。第一代电缆采用实芯材料作为填充介质，由于它对高频衰减大，现在通常主要把它用于传输视频信号。后来人们把聚乙烯采用化学方法发泡作为填充介质。其发泡度可达30%，高频传输特性有所提高。我们把这称为第二代电缆。80年代，第三代纵孔藕芯电缆出现，它的高频衰减达到目前新型电缆的水平。但化学发泡电缆和纵孔藕芯电缆的防潮特性都不好。90年代初，市场推出了物理发泡电缆和竹节电缆。我们称为第四代电缆。竹节电缆虽然能防潮和高频损耗低，但介质具有不均匀性，在高频有反射点。后来无人使用。物理发泡电缆的发泡度可达80%。介质主要成分是氮气，气泡之间是相互隔离的。因此，它具有防潮和低损耗的特点，是目前综合特性最好的同轴电缆。

二、电缆结构与信号传输特性

图1

同轴电缆的结构如上图，在中心内导体外包围一定厚度的绝缘介质，在介质外是管状外导体，外导体表面再用绝缘塑料保护。它是一种非对称传输线，电流的去向和回向导体轴是相互重合的。

在信号通过电缆时，所建立的电磁场是封闭的，在导体的横切面周围没有电磁场。因此，内部信号对外界基本没有影响。电缆内部电场建立在中心导体和外导体之间，方向呈放射状。而磁场则是以中心导体为圆心，呈多个同心圆。这些场的方向和强弱随信号的方向和大小变化。

1、同轴电缆对传输信号的损耗

同轴电缆在传输信号过程中，会对信号不断地损耗，从而造成信号到达终点后幅度减小，有时可能达不到正常工作要求。影响信号损耗的因素主要有电缆的电阻损耗、介质损耗、失配损耗。同时泄漏损耗在低质电缆工作于高频时，也是一个不可忽略的问题。我们下面分别对这些损耗进行分析。

·  电阻损耗

电阻损耗是电缆所具有的直流电阻和导体高频感应所产生的涡流对信号能量的消耗。电阻值的大小与电缆使用的材料和生产工艺有关。同时它会随传输频率的改变而改变，原因是导体在传输交流信号中，具有趋肤效应。随着频率的增加，有效电阻会不断加大。见图2(a)

 

图2

从图中可看到，当交流电流流通过导体时，会在导体周围产生交变磁场。该磁场又会使导体内部生成新的感应电流（涡流），该电流的方向如图所示。它与导体中心的信号电流方向相反。与导体表面的信号电流方向相同。这样，导体内部的信号电流被反向涡流抵消，电流减小；导体表面的信号电流与同向涡流相加同，电流增大。这就是交流通过导体的趋肤现象。

随着信号频率的增高，感应电流增大，这种现象就越加明显。它使电流只集中在表面很小的截面流动，造成导体的有效电阻明显增加。

信号的趋肤深度与频率和材料有关，频率越低，趋肤深度越深；频率越高，趋肤深度越浅。铁比铜的趋肤深度小许多。下面给出铜对各种频率的趋肤深度表，供大家参考

表1

频率（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

导体内部的涡流能量来自于信号源本身，涡流在导体中流动，最终变成热被耗散掉。频率越高涡流越大，趋肤越严重，导体的有效电阻越大，而传输信号损耗也就越大，这就是同轴电缆传输信号的频率越高损耗越大的主要原因。通过下面同轴电缆在20℃，1000米时的导体电阻衰减对照表，可以进一步明确上述概念。

介电常数为1.4的75-5物理发泡电缆电阻衰减对照表

表2

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

电阻损耗在传输低频时，由导体材料的直流电阻起主要作用；在传输高频时，由趋肤效应引起变化的电阻起主要作用。

介电常数为2.3的75-5实芯电缆电阻衰减对照表

表3

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

·  介质损耗

介质损耗是同轴电缆中心导体与外导体间的电介质（绝缘体）对信号的损耗。量度电介质的一个重要参数是介电常数。它是指在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的介电常数。介电常数通常随温度和介质中传播的电磁波的频率而变化。

同轴电缆的内外导体相当于电容的两极。由于实用中的电缆电介质有电阻存在，介电常数通常大于1。因此，传输中对信号的损耗是必然的。介电常数的大小与材料和加工工艺（如发泡）有关。介电常数越大，对信号的损耗也越大。温度越高，频率越高，介电损耗越大。下面是两种不同介电常数电缆在20⁰C，1000米时的频率损耗表。

介电常数为1.4的75-5物理发泡电缆介电衰减对照表

表4

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

介电常数为2.3的75-5实芯电缆介电衰减对照表

表5

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

从表中可以看出，介电损耗对于低频（如0-6MHz的视频）影响不大。而在高频传输时，它的影响就十分明显。

·  失配损耗

失配损耗主要与同轴电缆的物理结构密切相关。如果同轴电缆在设计和生产中造成电缆脱离标称阻抗或者电缆阻抗不均匀，均会造成信号的失配损耗。在施工中造成电缆的过度弯曲、变形、损伤和接头进水，也会造成失配损耗。见图3

图3

同轴电缆的特性阻抗（不是直流电阻）与电缆长度无关，它是由电缆中的等效电容和电感决定的。而这些等效电容和电感又是由内外导体直径和介质的介电常数决定的。

电缆阻抗不均匀或与信号源及负载不匹配均会造成电缆在传输信号时，部分信号能量向传输方向相反的方向返回，即反射。它将使原有信号受到影响。造成传输效率下降。严重时直接影响系统的正常工作。

信号在传输中反射的程度通常可用驻波比或反射损耗（回波损耗）来表示。以反射损耗与传输效率的对照表，可以了解不同的反射损耗对信号传输的影响。

反射损耗与功率传输效率对照表

表6

传输效率（%）	100	99	97.5	93.6	90	81.6	76	49	37	19．9
反射损耗（db）	34	20	16	12	10	7.4	6	3	2	1

电缆的反射损耗可直接用网络分析仪测得。好的同轴电缆在工作频段内，反射损耗一般可作到20db以上，也就是说，在不考虑它其它因素时，它的传输效率可达99%以上。

·  泄漏损耗

泄漏损耗是信号通过电缆屏蔽的编织间隙辐射出去的信号。它同样造成信号在传输过程中的能量损失。这是高频传输中不可忽略的问题。为此，电缆的编织覆盖率不能过低。

综上所述，同轴电缆对信号的传输损耗具有多种因素。它的最终损耗是上述各种损耗的总和，这种综合损耗可用网络分析仪测试。电缆的直流电阻只有在低频时才对信号衰减起主要作用；在高频时，信号的衰减主要由趋肤效应和介质损耗决定。同轴电缆随着传输信号频率的增加，信号衰减成倍增长。因此，电缆的传输损耗重要是考虑高频损耗。电缆除了在设计、生产加工外，使用中施工不当，同样会对电缆正常使用产生重大影响。

2、同轴电缆的屏蔽特性

同轴电缆的屏蔽特性是反映电缆特性的一个重要指标。但长期以来，许多厂商和用户未受到重视。具调查，国内电缆生产厂家只有极少数测试过相关的屏蔽指标。用户对此更是无从了解。他们对该方面性能的唯一了解只有电缆外导体的编织丝数量。

·  屏蔽与趋肤效应

我们从图2(b)可以看出，当外界干扰信号侵入导体时，在导体的厚度方向上迅速衰减，这种衰减是呈指数下降的。当幅度下降到表面电压的1/e的深度时，该深度定义为趋肤深度。在图2(b)中，左边和右边分别表示高频和低频信号进入导体内部的衰减情况。显然，高频进入后衰减较快，趋肤深度浅；低频进入后衰减较慢，趋肤深度深，见表1。干扰信号的强度集中于外导体的外表面，电缆传输信号的强度集中于外导体的内表面。同频率的干扰信号与有用信号的趋肤深度完全相同。如果频率很高，干扰信号和有用信号各自在外导体的两侧表面传输，相互影响不大。对于低频信号，情况刚好相反。这种现象说明，导体对高频屏蔽效果好，对低频屏蔽效果差。如果增加屏蔽层的厚度，干扰信号和有用信号在相交的距离上强度减弱，相互影响减小。

·  屏蔽指标

同轴电缆屏蔽性能的好坏常用屏蔽系数、屏蔽衰减、转移阻抗等指标来反映。屏蔽系数定义为有屏蔽护套的纵向感应场强和没有屏蔽护套的纵向感应场强之比，屏蔽系数越小越好；屏蔽衰减定义为电缆内部信号功率强度与辐射到电缆外部的最大功率强度之比的对数值，用分贝（db）表示。这个比值越大，说明屏蔽性能越好；转移阻抗定义为在单位长度的电缆中，从被干扰系统中沿屏蔽层测得电压U与干扰系统中流过的电流I之比，用Ω/m表示。如果干扰系统中流过的电流不变，在电缆屏蔽表面测得的电压越小，即转移阻抗越低，则屏蔽质量越好，屏蔽效率越高。

·  屏蔽与材料和工艺

屏蔽的形式很多，管状外导体、单层编织、双层编织、一层复合铝箔和一层铜线编织、双层编织中间加一层半导电层、双层编织中间加一层复合铝箔、双层编织中间加一层高μ合金带。

管状外导体虽然屏蔽性能非常好，但不易弯曲，使用不方便。单层编织的屏蔽效率最差。双层编织比一层编织的转移阻抗减少3倍，可见双层编织的屏蔽效果比单层有了很大的改善。双层编织中间若加入一层复合铝箔，其内部感应电压将比双层编织降低25%，但这种结构的成本有所增加。另外一种结构为在两层编织中间加入一层半导电层，这种屏蔽结构其内部感应电压比双层编织降低50%，但因为增加了半导电层，电缆尺寸增大，成本也相应增加。超屏蔽电缆是在双层编织中间加一层高μ合金带作为屏蔽，高μ合金带高导磁率的镍、铁金属带。这种电缆制造成本很高，因此只能在要求特别高的情况下使用。

下表例出几种电缆在50MHz以上高频段的屏蔽衰减

表7

电缆		标准屏蔽	三层屏蔽	四层屏蔽
屏蔽衰减（db）		70dB	85dB	104dB

同一电缆对于不同频率的屏蔽衰减是不同的。以下是某种电缆对不同频率的屏蔽衰减值。

表8

频率（Hz）	5-50	200-800
屏蔽衰减（dB）	85dB	90dB

频率低于5MHz以下时，屏蔽衰减急剧下降，频率越低，屏蔽性能越差。因此，在电缆设计中，只要最低工作频率符合屏蔽指针，高频自然没问题。

三、电缆的选择和使用

同轴电缆通常用于传输有线电视信号、视频信号、数字信号和其它各种高频信号。根据用途不同，选用电缆的标准也有差异。

质量好的电缆从外观上看结构紧密、挺实、外护套光滑柔韧。编织网丝粗、密度大。除编织丝数量外，屏蔽层编织角小于45°。但有些产家为了节省材料，电缆的编织角大于70°，这会使电缆的屏蔽特性变差。工艺差的电缆中心导体或绝缘部分都能从中拉出。四屏蔽电缆外导体的铝箔分粘接和搭接两种。搭接是将铝箔在电缆物理发泡绝缘体上裹上一层，接头处重迭一部分，一般为3mm。粘接是铝箔与物理发泡绝缘体粘在一起。粘接较搭接屏蔽性能更好。最好的四屏蔽电缆都采用粘接。

有线电视系统和高带宽频监控系统所用同轴电缆多为高频物理发泡电缆。由于电缆的低频抗干扰特性差，外界在低频段的干扰强度大、干扰频率多。所以，在使用上有意避开了5MHz以下的频段。但上述系统工作的频带宽，因此，在选择电缆时，应特别注意高频的衰减特性和反射损耗。在有线电视反向传输信号时，所有终端的噪声将汇集到前端。所以，为了尽量减小电缆受外界的干扰，通常选用4层屏蔽或铝管电缆。

在监控系统中，目前采用视频基带传输方式较为普遍，习惯上大多采用聚乙烯实心电缆。由于视频的频率范围是0-6MHz，这种电缆在生产中即使采用杂质含量高的再生塑料作为介质材料。在传输低频（视频）时有时也看不出大的问题。实心电缆通常为单层屏蔽，抗干扰特性当然不能与多层电缆相比。视频基带传输中，采用高频物理发泡电缆具有更低的信号衰减。但在发泡电缆中采用劣质的介质材料，传输效果比聚乙烯实心电缆要差。这是因为劣质材料介电常数增大，而导体直径未变，从而造成特性阻抗严重偏移。如果介质的发泡度不够，也会造成上述情况。鉴别介质材料最有效的方法是测试电缆的高频衰减值。如果材料纯度和发泡度不够，高频衰减会明显增加。

电缆在生产过程中，如果加工质量不好，还会造成外导体圆度不规则或中心导体偏心。这直接影响电缆的反射损耗，即阻抗。从而影响图像传输质量，阻抗指针只能用网络分析仪才能测出。

在施工中，不能破坏电缆的外型。否则会影响电缆的阻抗特性和屏蔽特性。电缆连接时，切记不要随意将导线拧在一起了事。必须采用专用接头连接。制作前，应参考同轴电缆的接头制作方法。这一点应特别重视。具统计，在工程中有80%以上故障出在接头上。

如果电缆对过强的干扰信号屏蔽达不到传输要求时，只能采用辅助措施才能解决。如：在外导体加金属管或磁环，屏蔽或短路信号；在传输线两端加调制解调器，转移频率，躲避干扰；或增加视频幅度，压制干扰等方法。

作者：深圳市西艾特电子技术有限公司 总工程师 heml

参考文献：
《小同轴综合通信电缆》作者：简水生
《射频电缆的屏蔽衰减》作者：永鼎