同轴电缆是射频和微波应用中最常用的传输线,因为它能够提供可靠的传输,并具有宽带宽、低损耗和高隔离度的优势。主要发射设备制造商,如广播和电视、雷达、GPS、应急管理系统、空中和海上交通工具,都使用同轴电缆。同轴电缆适用于任何需要最小化信号损耗和衰减的系统。与波导不同,同轴电缆没有较低截止频率,但它的上限频率呢?
最高频率
除少数例外情况,大多数同轴电缆并没有实际的阻带频率意义上的截止,而是用“截止”一词指制造商测试的最高频率,或者当频率达到某一点时,同轴电缆变成波导,并且除了横电磁模(TEM)之外的其他模式开始出现。因此,同轴电缆的截止频率可能是指同轴电缆保持在规格范围内,或者在一个合理范围内以避免横磁(TM)或横电(TE)传播模式。尽管同轴电缆仍然可以传输频率高于TEM模式截止频率的信号,但TM或TE传输模式效率低得多,在大多数应用中并不理想。
截止频率与趋肤深度
讨论同轴电缆频率时需要注意的两个重要概念是趋肤深度和截止频率。同轴电缆由两个导体组成,一个内部引脚和一个外部接地屏蔽。当高频导致电子向导体表面迁移时,沿同轴线会发生趋肤深度现象。这种趋肤效应导致衰减增加和介质发热,并沿同轴线引起更大的电阻损耗。为了减少趋肤效应造成的损耗,可以使用更大直径的同轴电缆,但增加同轴电缆的尺寸会降低其可传输的最高频率。问题在于,当电磁能量的波长尺寸超过横电磁(TEM)模式,并开始以横电11模式(TE11)沿同轴线“反弹”时,就产生了同轴电缆截止频率。由于新的频率模式以与TEM模式不同的速度传播,它会对通过同轴电缆的TEM模式信号产生反射和干扰。这被称为上限频率或截止频率。
截止频率是电磁系统中能量流经时开始被衰减或反射而不是通过线路的点。TE和TM模式是在同轴线上传播的最低阶模式。在TEM模式下,电场和磁场都垂直于传播方向,所需的TEM模式在所有频率下都可以传播。当频率高于截止频率时,第一个高阶模式(称为TE11)也被允许传播,从而激发高阶模式。为了确保只有单一模式传播以获得清晰的信号,信号需要低于截止频率。减小同轴电缆的尺寸会提高截止频率。同轴电缆和同轴连接器可以达到毫米波频率,但随着物理尺寸缩小,功率处理能力降低,损耗增加。
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