同軸電纜是一種傳輸線,用來良好地引導電磁波，其一般是由四層材料構(gòu)成：有兩個處于同心結(jié)構(gòu)的導體，兩導體之間由電介質(zhì)（絕緣材料）隔開；然后最外層通常包有絕緣材料作為保護性外皮。

同軸電纜能以低損耗的方式傳輸模擬信號和數(shù)字信號，適用于各種應用，其中常見的有電視廣播系統(tǒng)、長途電話傳輸系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)之間的短距離跳線以及局域網(wǎng)互聯(lián)等等。同軸電纜作為將電視信號傳播到千家萬戶的一種手段發(fā)展迅速，這就是有線電視網(wǎng)絡。一個有線電視系統(tǒng)可以負載幾十個甚至上百個電視頻道，其傳播范圍可以達幾十千米。

同軸電纜的發(fā)明

具有同軸結(jié)構(gòu)的電纜在1858年完成鋪設的首條跨大西洋電報電纜項目里就得到了應用，通過「PCB設計一板即成功專欄」的「信號完整性的歷史（黑魔法開始出現(xiàn)）」章節(jié)可以了解到當時電纜鋪設的情景。

但當時電與磁的相關(guān)理論還沒有形成統(tǒng)一，直到1860年麥克斯韋才去到倫敦國王學院執(zhí)教，雖然麥克斯韋對法拉第仰慕許久，但直到此時麥克斯韋才得以與法拉第第一次見面，1864年麥克斯韋的的論文《電磁場的動力學理論》才正式對外發(fā)表。

當時用于跨大西洋電報項目電纜的設計理念是引導電流而不是引導電磁波，結(jié)果，首條跨大西洋電報電纜項目電纜僅運行了三個星期便宣告失敗了。

直到1880年，英國物理學家、工程師和數(shù)學家奧利弗·亥維賽（Oliver Heaviside）才對同軸電纜的理論進行了描述，申請了同軸電纜專利（British patent No. 1,407）。

亥維賽設計的同軸電纜外導體由銅管構(gòu)成，內(nèi)導體是一根同心的銅導線，兩導體間以盤狀絕緣子進行隔離，其主要的電介質(zhì)是空氣，使沿著它傳播的信號具有低損耗特性。

亥維賽發(fā)明的同軸電纜老wu沒有找到實物照片，根據(jù)專利描述，找了一張現(xiàn)代的同軸電纜圖，構(gòu)造應該差不多，當然，現(xiàn)在的材料和工藝肯定是要更好的，大家湊合著看吧 。

亥維賽發(fā)明的同軸電纜由于外導體由銅管構(gòu)成，屬于剛性同軸傳輸線，不是很方便進行折彎，不利于工程實施。

為了克服亥維賽同軸電纜設計中的局限，貝爾實驗室的Lloyd Espenschied和Herman Affel開發(fā)了與亥維賽設計的同軸電纜具有類似結(jié)構(gòu)的寬帶同軸電纜，以支持美國不斷發(fā)展的電話行業(yè)，并為有線電視的發(fā)明鋪平了道路。其與亥維賽設計的同軸電纜有一個細微的差別，它是半剛性的，可以更容易地盤繞，電纜可以卷繞在一個大直徑的滾筒上，以便在海上進行鋪設作業(yè)。

此后，同軸電纜技術(shù)在材料和性能方面獲得了長足的進步，為射頻/微波/毫米波互連問題提供了廣泛的解決方案。

同軸電纜的特性阻抗

同軸電纜的特性阻抗由電纜的結(jié)構(gòu)和材料所決定，由外導體的內(nèi)徑與內(nèi)導體的外徑之比以及電介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，如下邊公式所示:

如果同軸電纜的外徑是恒定的（也即外導體的內(nèi)徑是恒定的），內(nèi)導體的直徑變大，則特性阻抗會變低，內(nèi)導體的直徑變小，則特性阻抗會變高。另外，特性阻抗與相對介電常數(shù)的平方根成反比，所以相對介電常數(shù)越高，則特性阻抗就越低。因此，理論上同軸電纜的特征阻抗可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和材料的自由組合而有任意的數(shù)值。

但為什么常用的同軸電纜的特性阻抗只有75Ω和50Ω兩種規(guī)格呢？

在實際的使用中，很難制造極薄的內(nèi)導體和極薄的電介質(zhì)，所以同軸電纜的特性阻抗值范圍就限定在幾歐姆到幾百歐姆之間變化。然而，實際使用的同軸電纜的特征阻抗幾乎總是50Ω或75Ω。

特性阻抗是50Ω或75Ω，這是有原因的

當高頻信號在同軸電纜上傳輸時，或多或少都會有所衰減（損耗）。除了由于阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射外，還有由于內(nèi)導體和外導體的電阻和電介質(zhì)內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的熱量（焦耳熱）。

由于集膚效應，電流只在導體的靠近表面很薄的一層流動，所以導體表面的電阻會影響損耗，頻率越高，損耗就越大。

空氣允許電磁波以接近光速的速度近乎無阻礙地傳播，其是一種理想的介電材料，而高分子材料則是在二十世紀初才發(fā)展起來的，所以亥維賽選擇了空氣作為他發(fā)明的同軸電纜的電介質(zhì)。

當高頻信號通過同軸電纜時，其損耗是導體損耗和介質(zhì)損耗之和。由于空氣的介電損耗足夠小，所以導體損耗成為主導。?

由于趨膚效應的作用，導致電流只在外導體靠內(nèi)很薄的區(qū)域以及內(nèi)導體靠外很薄的區(qū)域流動。導體損耗與導體截面成正比。因此，內(nèi)導體的外徑成為損耗因數(shù)的主導。

如果把內(nèi)導體半徑加大，這可以降低電阻值，但特性阻抗也會變低，而且必須有更多的電流才能傳輸相同的功率，由于導體損耗與電流的平方成正比，這也會導體損耗會增加。換句話說，外導體的內(nèi)徑和內(nèi)導體的外徑之間有一個合適的比值，它能最大限度地減少損耗。

簡而言之，當外徑與內(nèi)徑之比為0.2785，電介質(zhì)為空氣（相對介電常數(shù)≈1.000536，20℃，1大氣壓）時，特性阻抗約為76.65Ω。將數(shù)字四舍五入到75Ω，這便是75Ω同軸電纜的起源。

在同軸電纜發(fā)明的早期，由于沒有合適的適用于高頻傳輸?shù)牡蛽p耗的柔性電介質(zhì)，所以一般都采用空氣作為電介質(zhì)，使用圓盤狀的瓷器來固定內(nèi)導體，或用絲線進行懸空以與外導體隔開。

而到了1933 年,位于英國諾斯威奇的帝國化學工業(yè)(Imperial?Chemical?Industries ICI) 意外地發(fā)現(xiàn)了可以在工業(yè)上批量生產(chǎn)的聚乙烯，由于發(fā)現(xiàn)聚乙烯在非常高頻的電磁波下具有非常低的損耗特性，在第二次世界大戰(zhàn)之前，它首次被用作同軸電纜的絕緣體。由于聚乙烯可以填充在電纜內(nèi)部，因此很容易制造出輕小的電纜，而且其特性在彎曲時不會有太大變化，因此很快就在市場上推廣開來。

聚乙烯的相對介電常數(shù)約為2.26，所以當外徑與內(nèi)徑之比為0.2785時，特性阻抗約為51.0Ω。將數(shù)字四舍五入到50Ω，這便是50Ω同軸電纜的起源。

雖然現(xiàn)在75Ω的同軸電纜也是用聚乙烯填充的，這樣內(nèi)導體的直徑就會小于最小損耗的最優(yōu)值。然而，由于很難改變已經(jīng)為75Ω設計的成熟的應用體系，而且50Ω和75Ω之間的損耗差異也并不是很大，這樣就造成了50Ω和75Ω兩種規(guī)格的同軸電纜的并存情況。

審核編輯：黃飛

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