解析同轴射频电缆中的奥秘

2016-03-25 来源:微波射频网作者:Pasternack公司互连产品经理 Steve Ellis 我要评论(0) 字号:

同轴射频电缆为射频及微波行业的常备物品。这是因为,下至日常生活中使用的智能手机和笔记本电脑,上至军事及航天领域中的雷达和全球定位系统(GPS),所有重要设备均需此类电缆连接。然而,对于几乎每一种用途而言,在将信号从一个设备传递至另一个设备的过程中,如何保持足够的信号完整性均是一项具有挑战性的任务。要想实现复杂的动态信号路径,必须要有可适用于多种环境及用途的高灵活性平台。为了解决此问题,著名的工程师和数学家Oliver Heaviside在1880年提出了一种屏蔽电报传输线的设计,并获得该设计的专利权。

在之后的1929年,为了克服Heaviside设计的各种局限,贝尔实验室的Lloyd Espenschied及Herman Affel开发了一种具有类空气介电层的宽带同轴电缆。此项发明使得同轴电缆技术在材料和性能上均取得极大进展,为各种射频/微波/毫米波互连问题提供了解决方案。

同轴电缆中的奥秘

以上所示为符合不同电气和机械性能标准的多种同轴电缆。其中,各同轴电缆的物理尺寸由相应的频率和功率要求所决定。(Pasternack提供)。

最基本的同轴电缆结构包括中心导体,柱形对称导电屏蔽层,以及将上述两者相隔开来的类空气介质。这种“圆筒套圆柱”的导体结构可使最大截止频率以下的电磁信号在两种导体之间的分隔区域内产生横电磁波(或磁分量和电分量垂直的电磁波)。

对于超出截止频率的信号而言,由于其波长极小,因此还可产生非垂直的横电和横磁波导模。这两种额外产生的波导模可导致信号完整性和信号性能的下降。一般而言,同轴电缆的直径越大,截止频率越低。此外,同轴电缆所能承受的功率随尺寸增大而增加。由于上述横电磁波在同轴电缆内的灵敏性非常高,因此电缆的所有几何分量必须在整个传输线路上保持一致。否则,将产生诸多信号反射降低和相位变化方面的问题。“工程师必须将电缆组件的重要性提高至与其它微波器件同样的高度。为了实现设计目的,工程师们经常需要花费成千上万美元来获得精密的放大器、滤波器或其它对系统性能产生较大影响的器件”,Pasternack的互连产品经理Steve Ellis先生说。

“当电缆使用不合理时,系统性能将受到极大影响”,Ellis先生进一步指出,“有些人认为电缆组件的功用就像PVC管道一样,充其量不过是把信号从一个地方转移到另一个地方。事实上,不加考虑地选择或布置电缆将对性能产生非常不利的影响。这就是电压驻波比(VSWR)、插入损耗、相位长度等性能参数为何都如此重要的原因,也是客户在购买高端电缆产品时为何如此追求此类参数的原因”。

同轴电缆材料的电气性能表现各异,取决于振动、温度、湿度、电流、挠曲和应力等因素。这些因素的变化都将对电缆性能产生影响。此外,还有趋肤效应的问题。趋肤效应是指当导体内的信号频率增大时,将有更多电子沿导体的表面区域迁移的物理现象。由于趋肤效应的存在,同轴电缆内的信号对于导体表面处理时产生的缺陷极其敏感。

针对上述各敏感性要求,同轴电缆设计者开发出了各种先进方法和材料,以在尽可能确保高性能的同时,满足成本、重量、柔韧性、损耗及耐用性方面的要求。

同轴电缆内的介电层保持着两种导体的同轴几何构造,所以是同轴电缆的关键部件。与此同时,该介电层也为同轴电缆带来另外的挑战,这是因为其性质必须尽可能地接近空气。与空气性质接近意味着具有与空气相仿的磁导率μ/μ0和电容率ε/ε0(或者说大约为1的ε和μ,两者皆为材料的损耗正切值δ)。

由于极少有材料具有与空气相同的电磁性质,因此通常使用可降低干扰性介电材料用量的技术。此类技术包括对如下材料的使用:具有高空气含量的发泡塑料泡沫;螺绕介电层;可保持空气的介质条带;以及设计上更为接近空气的材料。

为了使电介质保持与空气相似的机械及热性能,很多研究着眼于塑料化学材料的开发。最初,由于特氟隆材料的高电性稳定性、高耐化性、高耐热性和低成本优点,固体特氟隆管被用作上述同轴电介质。然而,由于特氟隆在室温下可发生液化流动现象,在大部分的低成本应用中,其已被聚四氟乙烯(PTFE)泡沫或尼龙材料所代替。

挤出氟聚合物树脂等其他材料在相稳定性和传播速度(VOP)方面的性能优于PTFE。特氟隆和尼龙介质所提供的相速一般为70%~79%。与此相比,PTFE发泡空气介质的相速可达到80%~85%,而含氟聚合物树脂的相速可达85%~89%。

根据不同应用需求,同轴电缆可使用由多种不同导电材料以不同方式制成的中心导体。传统中心导体只不过为一条贯穿同轴电缆的简单实心铜线。为了提高电缆柔性,可在牺牲高频性能的前提下,使用编织或绞合中心导体。此外,为了降低中心导体的重量和成本,还可使用镀铝、镀钢、镀银或镀锡铜线。

由于此方式中表面导体仍主要为铜,因此其仍能保证在较高频率下获得良好的电性能。在一些应用中,还可使用空心金属中心导体,以实现在降低重量和成本的同时增加柔软性的目的。然而,此方式只适用于无需在较低频率下传输高功率的高频用途。

外层导体也可使用与中心导体类似的技术实现降低重量和成本的目的。此外,设计人员还在提高外层导体的柔性及降低其环境应力方面倾注精力。由于外层导体为电信号提供返回路径,因此在大部分应用中,其必须保持足够的厚度,以防止该信号路径发生泄漏或干扰。然而,保持足够的厚度和坚实度意味着重量的增加和柔性的降低。两相权衡下,技术人员开发出了编织、绞合及缠绕技术,以在实现高保护性的同时,保证足够高的性能。

对于有线电视等低成本应用,可使用最小编织技术,达到降低成本、重量和尺寸的目的。正如Gore Microwave Cable Products公司的首席电气工程师Paul Pino先生所言,“为了实现不同的性能、成本和制造性目标,电缆制造商使用着各种类型的材料。中心导体大部分为镀银铜线,同时也有部分为镀锡铜线。轻质用途中使用镀银铜包铝线。此外,同轴屏蔽层也可使用各种材料制造,比如,成型铍铜、镀银铜材和金属化聚合物等。”

高性能电缆倾向于具有更轻的质量和更小的尺寸。为了达到此目的,已开发出由编织、缠绕或包裹技术制成的屏蔽层。

但是,这些技术不利于电缆的弯曲和机械运动性能。因此,还需要可在压力条件下实现高电气性能的其他技术。例如,在多个屏蔽层之间设置机械绝缘介电层的方式除了有助于防止屏蔽变形和电缆随运动和时间发生的磨损之外,还能提高屏蔽层的屏蔽能力(屏蔽材料包括由导电条带(通常为铝)制成的缠绕带、编织带、编织线及缠绕条)。

此外,在高性能电缆的外周还可套设防压层。该层一般为绕制的圆柱钢套,用于防止高压和高扭矩使用条件下发生的损伤。“虽然提高介质的密度可增加其抗压性,但同时会导致同轴电缆的性能受损”,Gore Microwave Cable Products公司的首席设计工程师Paul Warren先生说。因此,最常见的做法是使用高刚性护套。例如,在同轴屏蔽层外增设不锈钢编织护套可在牺牲重量和柔软度性能的同时提高抗压性能。在此方面,虽然铠装电缆护套是最为有效的选择,但是其仍然具有较重且价格昂贵的缺点。

根据使用环境,还可使用其他数种方法为同轴电缆增设套层,以达到性能保护的目的。例如,可使用标准套层材料——聚氯乙烯(PVC)制成各种厚度和颜色的护套。虽然PVC具有较高的耐化和耐高温性能,但是其无法承受较高的机械压力。在某些情况下,为了提高同轴电缆的机械性能,还可使用高抗拉性合成材料制成的编织护套。这种护套可紧实地套设在电缆上,而且还具有较好的抗切割和抗擦伤性能。

“其他一个可真正影响电缆组件性能的因素为机械性能,这也是为何电缆组件性能存在着如此诸多变数的原因所在”,Ellis先生指出,“电缆性能必须符合其使用环境。比方说,海军舰船雷达系统的电缆由于绕置于舰船外部,因此常须遭受盐雾、高低温和振动因素的影响。现今,大量的开发工作已经着眼于为如此极端的使用环境研发可靠耐用的电缆。”

为了满足此类极端环境的使用需求,一些公司已经开发出可在各种条件下提高性能的专有技术电缆材料和套层,并已将其应用于航空航天、航海、军工等各领域中。

作者:Pasternack公司互连产品经理Steve Ellis先生

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016微波技术专刊,未经允许谢绝转载。

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