對于同軸線纜而言，除了產品規格書中列出的插入損耗、回波損耗、電壓駐波比（VSWR）等常見參數之外，還有其他設計和構造方法能夠有助于其獲得更為準確一致的性能表現或者更長的使用壽命。為了確保高重復性和高可靠性，許多應用均要求產品具有精密結構。本文將就這一類要求，不良線纜結構所帶來的不利影響，以及線纜制造方法進行深入探討，以助力同軸線纜獲得更高性能。

插入損耗

介電材料的選擇 空氣是一種理想的介電材料，其允許信號以接近光速的速度幾乎無阻礙地傳播。然而，由于空氣無法在線纜結構上提供將內導體和外導體均勻隔開的支撐力，因此現實中這一理想狀態并不能應用于市售的同軸結構產品。這類線纜產品必須使用空氣之外的其他介電材料（見圖1）。 如下兩點是導致同軸線纜發生損耗的主要內在因素：

內外導體的阻性損耗；

電解質的損耗角正切和傳導電流。

此兩點因素中，第一點難以避免，然而后者卻存在多種應對之策。如下方程式所示，作為一種絕緣材料，電介質的相對電容率（也稱介電常數）是同軸線纜總衰減度的一個貢獻因素：

其中：Ld表示介電材料所致損耗；f為頻率；tanδ為損耗角正切；εr為介電常數；c為光速。與介電常數為2.34的高密度聚乙烯（HDPE）和介電常數為2.28的低密度聚乙烯相比，發泡聚乙烯的介電常數低至1.6。通過在介電材料中引入空氣，不但能幾乎將其介電常數減半，而且還能大幅降低損耗角正切。就插入損耗而言，實心介電材料最高，低密度介電材料居中，膨脹或微孔介電材料最低。 然而，另一方面，實心介電材料有高勻質性和各向同性的優點，而低密度材料卻通常存在介電常數沿線纜長度方向不一致的問題。微孔結構等各向異性的異質體系的介電常數很大程度上取決于體系內孔泡的形狀1。膨脹介電材料不但對溫度最不敏感，而且還有損耗和相位穩定的優點。

▲圖1：射頻/微波線纜組件的典型結構 同軸粗線 雖然小尺寸的同軸線纜一般在高頻下不受傳播模限制，但是出于減輕重量和提高柔性的考慮，人們往往選擇小直徑的同軸線纜。以下彎曲應力表達式可以解釋小直徑同軸線纜具有更高柔性的原因：

其中，σ表示彎曲應力，E為彈性模量，y為距中性軸的距離，R為彎曲半徑。從該式可以看出，彎曲應力隨距中性軸的距離的增大而線性增大。因此，與細的同軸線纜相比，粗同軸線纜距中性軸最遠處的受力更大。 另一方面，由于粗同軸線纜含有更多的金屬導體材料，因此其阻性損耗更小，因而可以降低總體損耗。從下式（3）可知，每單位長度的損耗量與內外導體的直徑成反比。

其中，LR為導體的阻性損耗，d和D分別為內外導體的直徑，σin和σout分別為內外導體的電導率，μin和μout分別為內外導體的磁導率。許多低損耗線纜通常比同類RG線纜更粗，而且可用于蜂窩等大型通信設備。對于蜂窩通信設備而言，還存在無源互調失真（PIM）這一主要考慮因素。

高功率多載波系統PIM

隨工作頻率和用途的不同，連接器的選擇有時會成為能否實現良好性能的關鍵要素。在采用兩種載波頻率和高信號電平的蜂窩通信設備中，當此兩類信號在傳輸線路中互混時，便會產生PIM問題。除此之外，多載波系統中使用的環行器、雙工器、衰減器、波導和天線等無源器件也存在PIM問題。雖然PIM導致的非線性互調失真（IMD）信號的電平一般較低，但是對于高靈敏度無線電應用而言，由于PIM可通過干擾通信鏈路的收發頻帶而導致系統動態范圍性能降低，因此被視為一個無法忍受的問題。 PIM的主要來源為以下兩種：

電熱感應PIM（ET-PIM），發生于粗糙表面或金屬連接處；

順磁性或鐵磁性材料。

雖然隧穿效應和非線性電導率等其他來源能夠加劇PIM問題，但已知其并非造成PIM的主要因素。 對于電熱感應PIM而言，根據熱阻方程可知，任何金屬表面均可視為一種阻性元件，而且其電阻為溫度和電阻溫度系數（TCR）的函數。這其中，熱與電之間的相互關系體現為電能損耗導致的材料自身發熱現象。這一現象取決于材料儲存熱量的能力（即熱容量）及其隨溫度的升高而將熱量輻射至周圍環境中的速度。 自身發熱效應體現為電阻的周期性動態變化，并且在當材料上施加兩種或兩種以上高頻信號時，或者當存在非線性的金屬接觸部位（如配接不充分或接觸表面較為粗糙）時尤為顯著。熱阻可與電容共同作用，形成熱域中的低通濾波器。當所述兩種載波的拍頻落入這一因熱力學作用而形成的低通濾波器的作用范圍內時，所述阻性元件的周期性冷熱變化便可起到無源電熱混頻器的作用，將基帶包絡頻率上變頻為射頻頻率，從而導致PIM2~3。 電熱感應PIM與連接器所用金屬的電流密度、TCR、電導率以及熱導率密切相關（見表1）。當具有低TCR和高熱導率的材料內的電流密度不高時，所產生的PIM較低。在高頻下，電流密度會因趨膚效應而增大，此時，如果同軸線纜的尺寸較細，電流密度還會因距中心導體的徑向距離較小而進一步增大，從而使得情況變得更加糟糕。此外，以下兩種情況也會導致PIM進一步加重：金屬表面粗糙度較大，使得電流在表面上的分布不均勻；金屬表面的微觀結構缺乏一致連貫性，導致流經連接處的電流量受到限制。由此可見，連接器越粗且連接越緊密，對PIM性能的改善越為有利。 對于高靈敏度蜂窩系統而言，其內使用的磁性材料往往是繼電熱感應PIM之后的第二大PIM來源。其中，引起PIM的因素為鐵磁材料的磁滯效應，或者鐵磁材料在外部交替磁場作用下發生的不可逆磁化。同軸連接器中常用的鐵磁材料為鎳和鉻，這一PIM來源能夠通過精心選擇連接器中使用的基礎材料和電鍍材料（如電鍍黃銅）的方式得到有效遏制。然而，在某些情況下，鎳鉻組分的作用優于鉑這一非鐵磁性組分——例如，鎳鉻在提高TCR方面優于鉑4。

溫度影響

幅度波動 同軸線纜會隨溫度的升高而發生物理膨脹，從而導致插入損耗和相位發生顯著變化。此外，當溫度升高時，分子振動加劇，電子碰撞更加頻繁，從而還使得金屬材料的電導率下降，損耗增大。這一現象更常發生于導電性較高的材料，這是因為根據維德曼–夫蘭茲定理（Wiedemann–Franz Law），熱導率隨平均粒子速度的增大而增大，而電導率卻因振動阻礙電荷的向前運動而降低。一般情況下，純金屬的電阻隨溫度的升高而線性增大。 雖然插入損耗隨溫度的升高而增大的現象無可避免，但相位穩定性能夠通過材料的精心選擇而得到優化。 穩相同軸線纜 相位的不穩定性源于電氣長度（即線纜長度相對于波長的倍數）的變化。對于大多數系統而言，這一問題無關緊要。然而，對于通過相位實現相長或相消干擾的系統（如波束控制系統）而言，在不同溫度和不同線纜彎曲程度下實現可重復的穩定相位和幅度這一點至關重要。 相位穩定性用于衡量同軸線纜在發生溫度變化和受到撓曲、振動、彎曲等機械應力時保持插入相位（∠S21）不變的能力。延時量與插入相位具有如下關系：

其中：f為頻率；τ為延時量，單位通常為納秒；∠S21為插入相位，單位為度。延時量與同軸線纜的長度和相對電容率具有如下關系：

其中，l為同軸線纜的機械長度。l和εr均隨時間變化。雖然長度一般隨溫度的升高而增大，且介電常數一般隨溫度的升高而降低，但是由于這兩種變化一般不成比例，因此不會導致穩定的延時量和相位。 由于同軸線纜的熱脹冷縮為一種線性變化，因此其固體材料的線性熱膨脹系數（CTE）有助于了解線纜尺寸隨溫度遞增和遞減的情況——這是因為該固體材料的漲縮與線纜的漲縮成正比。表2所示為同軸線纜組件中使用的部分材料的CTE及介電常數溫度系數。從該表可以看出，絕緣材料隨溫度的變化快于金屬。雖然導體的固有剛性具有保持線纜長度不變的作用，但是由于金屬的彈性模量一般為數百吉帕（GPa），而絕緣體的彈性模量鮮少超過5GPa，因此導致膨脹速度更快的絕緣材料受到內外導體的壓縮作用。這一壓縮作用在低溫下尤其顯著，而且屏蔽層的收縮會導致介電材料密度增大，從而最終可能使其介電常數發生變化（具體情況隨所使用的材料的不同而不同），并進而使得線纜的電氣長度也發生變化。如上文所述，發泡介電材料一般對于溫度變化具有更高的穩定性。 在穩相線纜的應用中，往往需要通過一條以上的線纜分配系統信號。在該情形中，成組同軸線纜之間的相變必須盡可能彼此接近。時偏匹配線纜組件能夠在不同溫度和撓曲條件下確保線纜之間在長度和εr方面保持確切的相位匹配。此外，同軸線纜組件之間的相位跟蹤（即相位的密切匹配）也是一項重要的工作。對于需要在惡劣天氣下可靠運行的線纜，為了減輕其溫度應力，可以在受控條件下對其進行溫度循環預處理。該處理相當于對介電材料和金屬導體進行退火，可以減小表面龜裂和內部應力這兩種可能導致線纜提前報廢的事態的發生概率。除了溫度波動之外，彎曲時發生的撓曲是導致相位不穩定的另一常見原因。

機械應力

振動、彎曲、撓曲 機械應力能夠對同軸線纜的電氣性能產生重大影響。線纜可能因風的切力或使用過程中的頻繁撓曲而經受振動，同軸線纜和連接器也可能會同時受到拉伸力、壓迫力、彎曲力、剪切力、扭轉力的共同作用。在所有這些外力中，頻繁的彎曲和撓曲能夠增大連接器與線纜連接部位以及屏蔽層的損傷，因此尤為不利。雖然從上式2可以看出，屏蔽材料的受力遠大于中心導體和介電材料的受力，但是由于護套和介電材料中聚合物的彈性模量又比屏蔽層中金屬導體和中心導體的彈性模量低若干個數量級，因此大大降低了其對彎曲應力的敏感程度。由于同軸線纜為針對阻抗和連續性設計的正交各向異性對稱結構，所以其中性軸極有可能恰好位于中心導體的中心軸線上。因此，與屏蔽層相比，中心導體因彎曲而承受的機械應力通常較小。出于這一原因，柔性同軸線纜應該同時具備以下特征：

內外導體的直徑較小，以減小整體的彎曲應變；

在貼膠鋁箔、編織層、護套材料之間設置非金屬層，以降低相互之間的摩擦系數；

中心導體為多股導線結構，以將彎曲應力分散于各股導線之間；

設置網尾護套或外部包塑層；

通過鎧裝防止彎曲程度超出預設彎曲半徑。

這些特征能夠減小同軸線纜彎曲時的應變，同時改善其相位性能。同軸線纜上幾乎任一位置上的彎曲均會導致連接器與線纜之間的連接部位發生彎曲，而該部位的彎曲可使得彈性較高的線纜推壓剛性較高的壓接結構，從而最終導致線纜扭結或護套材料被穿破。此外，對于需要在高撓曲條件下工作的線纜組件而言，網尾護套幾乎可謂必備之物。 沖擊、擠壓、磨耗 在安裝或日常使用過程中，同軸線纜可能會因擠壓或扭曲而受到剪切力。一般情況下，線纜能夠承受人員踩踏時施加的作用力，然而當受到嚙齒動物啃咬或車輛碾壓時，其破壞力足以使得線纜變形報廢。一般情況下，聚氨酯（PUR）等強力護套材料能夠確保基本的耐磨性和抗撕裂性。如想進一步提高抗壓性，可以設置鎧裝——互鎖金屬軟管一般能夠提供出色的抗壓性。

總結

設計同軸線纜時，首先需要精心考量其具體應用。如果這一方面未能明確，則設計出的線纜有可能會無法正常工作。低損耗穩相線纜通常需要使用介電常數相對較低的材料，并需要經歷大量的溫度循環處理。當線纜需要在彎曲和撓曲條件下使用時，其可能需要具有較小的直徑，或者設有鎧裝或網尾套管等用于防止故障的外部構件。與同類RG線纜產品相比，用于蜂窩通信設備的低損耗同軸線纜往往較粗，并且設置不含鐵磁金屬的低PIM連接器。總而言之，為了實現延長使用壽命和獲得最佳電氣性能這一總體目標，任何應用都需要在線纜的制造過程中做出稍許調節。