同軸射頻物理發(fā)泡電纜制造工藝分析

李西林

（珠海漢勝科技股份有限公司，廣東 珠海 519000）

1 引言

同軸射頻電纜是被廣泛應(yīng)用的傳輸媒介，盡管光纖光纜已經(jīng)越來(lái)越受到人們的青崍，但由于目前光纜的分支分配技術(shù)難度大以及經(jīng)濟(jì)上的原因，光纖光纜多用于長(zhǎng)距離T線傳輸E，分配網(wǎng)絡(luò)仍以同軸電纜為主。在目前的移動(dòng)通信領(lǐng)域，射頻同軸電纜是不可替代的傳輸媒介。隨著移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，特別是現(xiàn)在第二、三代移動(dòng)通信技術(shù)的推廣和使用，對(duì)射頻同軸電纜提出了更高的要求。

基于上述原因和出發(fā)點(diǎn)，本文對(duì)在射頻同軸電纜的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)給其性能帶來(lái)嚴(yán)重影響的絕緣工序進(jìn)行分析。

2 傳輸模型

電磁波在理想的同軸電纜中傳輸時(shí)，由于內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體電磁場(chǎng)的互作用，使同軸電纜外面的電磁場(chǎng)等于零。在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)作用的結(jié)果下，同軸電纜回路中的電流分布集中在內(nèi)導(dǎo)體的外表面和外導(dǎo)體的內(nèi)表面，而且頻率越高，集中的情況越嚴(yán)重。此時(shí)能量就好像是由金屬內(nèi)部向外被擠出來(lái)一樣，集中在同軸電纜的介質(zhì)中，而導(dǎo)體只限定了電磁波的傳播方向。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，射頻同軸電纜在實(shí)際應(yīng)用中涉及的主要參數(shù)。

2.1 特性阻抗

特性阻抗是射頻同軸電纜的主要參數(shù)，電纜在使用時(shí)線路阻抗匹配與否對(duì)傳輸質(zhì)量有很大影響，當(dāng)線路阻抗匹配時(shí)，沒(méi)有能量反射，因而具有最好的傳輸效率，為使傳輸損耗盡可能低，系統(tǒng)中使用射頻同軸電纜的特性阻抗為50 Ω。

2.2 衰減常數(shù)

衰減常數(shù)是同軸饋線電纜的主要電氣性能參數(shù)，它反映了電磁波能量沿電纜傳輸時(shí)的損耗大小，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要考察指標(biāo)之一，射頻同軸電纜的衰減常數(shù)由導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減兩部分構(gòu)成。

2.3 等效介電常數(shù)

等效介電常數(shù)包括混合絕緣料的等效介電常數(shù)εθ、發(fā)泡聚乙烯等效介電常數(shù)εr、絕緣料發(fā)泡態(tài)等效介電常數(shù)ε發(fā)泡。

（1）混合絕緣料的等效介電常數(shù)εθ（采用體積加權(quán)計(jì)算）

（2）發(fā)泡絕緣料等效介電常數(shù)εr

其中P：發(fā)泡度。

（3）絕緣料發(fā)泡態(tài)等效介電常數(shù)ε發(fā)泡

根據(jù)電容串聯(lián)關(guān)系，總等效電容與各層絕緣的電容關(guān)系為：

2.4 等效介質(zhì)損耗角正切

等效介質(zhì)損耗角正切值包括絕緣料混合等效介質(zhì)損耗角正切、絕緣料發(fā)泡等效介質(zhì)損耗角正切、絕緣料發(fā)泡態(tài)等效介質(zhì)損耗角正切。

由于同軸電纜導(dǎo)體、絕緣體等存在偏差，在線路上每一點(diǎn)的阻抗也就存在偏差，從而引起輸入到線路中的信號(hào)發(fā)生折射與反射，如果存在著周期性不均勻性現(xiàn)象，會(huì)使反射信號(hào)增加，嚴(yán)重影響傳輸性能和影響性能。

3 物理發(fā)泡絕緣纜芯結(jié)構(gòu)

絕緣纜芯結(jié)構(gòu)采用“內(nèi)皮層（也稱內(nèi)薄層）——發(fā)泡層——外皮層（也稱外薄層）”三層結(jié)構(gòu)，其中發(fā)泡層的發(fā)泡度可以達(dá)到80 %以上，在節(jié)省材料的同時(shí)更重要的是可以降低介質(zhì)損耗。在保持外徑的情況下，增加內(nèi)導(dǎo)體的直徑，可以降低導(dǎo)體衰減，使電纜具有低衰減、大功率。

絕緣纜芯的內(nèi)導(dǎo)體一般采用銅包鋁、銅管或者皺紋銅管，銅導(dǎo)體應(yīng)該采用高電導(dǎo)率的無(wú)氧退火銅材，而且應(yīng)保證其表面的清潔，這樣可以減少金屬導(dǎo)體衰減。所用內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)入擠出機(jī)之前，要對(duì)內(nèi)導(dǎo)體表面的氧化層進(jìn)行清洗，內(nèi)皮層主要用來(lái)黏連發(fā)泡層和內(nèi)導(dǎo)體，保證纜芯的使用壽命。因此內(nèi)皮層采用黏性低密度聚乙烯（LDPE），其厚度應(yīng)該盡可能的薄，一般為0.01 mm～0.05 mm。外皮層用來(lái)提高發(fā)泡層的強(qiáng)度和光潔度，同時(shí)應(yīng)具有較好的防潮防水性能。外皮層采用 HDPE或者M(jìn)DPE，其厚度一般為0.01 mm～0.05 mm。發(fā)泡層采用先進(jìn)的氣體發(fā)泡工藝，將氮?dú)飧邏鹤⑷肴廴跔顟B(tài)的聚乙烯料中充分混合，制得具有泡孔細(xì)小、分布均勻且相互隔離的發(fā)泡絕緣層，使得電纜具有優(yōu)異的電氣性能和防潮密封性能。內(nèi)皮層在內(nèi)導(dǎo)體和發(fā)泡層之間起到黏連作用，保證發(fā)泡層與內(nèi)導(dǎo)體的緊密結(jié)合，從而使電纜的縱向密封防潮能力增強(qiáng)?？紤]到電纜必須達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度，發(fā)泡層的聚乙烯料采用高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）加成核劑按一定的比例組成，其介電常數(shù)為三種材料的混合，相對(duì)內(nèi)皮，外皮較小。介質(zhì)衰減與絕緣纜芯的等效介質(zhì)損耗角正切值 tg5有關(guān)。由于成核劑所占的比例很小，所以近似只考慮HDPE和LDPE兩種混合料的tga。以陶氏化學(xué)的HDPE－6944、LDPE－1253為例，HDPE的tga大于LDPE的tga。因此從tga對(duì)衰減的影響來(lái)看，為了取得較好的衰減，在HDPE和LDPE的配比上，應(yīng)減小HDPE所占的比例。在發(fā)泡過(guò)程中HDPE和LDPE所起到的作用不同：HDPE發(fā)泡時(shí)，氣孔大剛度好，但成型較困難，而且氣孔大影響了絕緣的一致性；LDPE發(fā)泡時(shí)，氣孔小，柔軟性好，容易成型，絕緣的一致性好，但是其強(qiáng)度和剛度較差。綜合考慮各個(gè)方面的因素，對(duì)于無(wú)線基站使用的射頻同軸電纜，在 HDPE和LDPE的配比上，HDPE占70 %～80 %，LDPE占20 %～30%，成核劑的比例應(yīng)適當(dāng)，保證氣泡均勻細(xì)密地生成。

4 工藝控制

4.1 內(nèi)導(dǎo)體

在射頻同軸電纜的制造過(guò)程中，內(nèi)導(dǎo)體采取主動(dòng)放線的方式，通過(guò)設(shè)定內(nèi)導(dǎo)體合適的張力來(lái)控制內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尺寸以及電氣性能在長(zhǎng)度方向的均勻性。同時(shí)應(yīng)避免由于排線、設(shè)備或其他裝置導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體周期性彎曲或非周期性的彎曲、變形、損傷等。通過(guò)矯直后，內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)入拉絲、清洗流程，主要目的是除去內(nèi)導(dǎo)體表面的毛刺、氧化層等。內(nèi)導(dǎo)體表面的氧化層會(huì)增大導(dǎo)體衰減，影響電壓駐波比。內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)入擠出機(jī)前，應(yīng)進(jìn)入合適的預(yù)熱。溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致絕緣層縮大，內(nèi)導(dǎo)體與內(nèi)皮黏接不好，縱向密封性差、溫度過(guò)高會(huì)使絕緣層內(nèi)不產(chǎn)生大泡孔。

4.2 擠出機(jī)

擠出機(jī)各個(gè)區(qū)間的溫度、注氣壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、絕緣外徑參數(shù)控制和擠出機(jī)模具的設(shè)計(jì)尺寸是影響絕緣纜芯質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是物理發(fā)泡絕緣工藝的控制難點(diǎn)。

擠出機(jī)熔融段的溫度設(shè)置相對(duì)較高，通常在160 ℃～200 ℃，以確保進(jìn)入擠出機(jī)的絕緣料充分熔融，注入高壓氣體后則要設(shè)置較低的溫度，通常在150 ℃～160 ℃，使熔化后的絕緣料與氣體充分混合并形成穩(wěn)定、細(xì)密的泡沫結(jié)構(gòu)。熔融段溫度過(guò)高，黏度下降，彈性增大，泡孔成長(zhǎng)容易，但泡孔生長(zhǎng)過(guò)度又會(huì)產(chǎn)生泡孔合并現(xiàn)象，從而產(chǎn)生大泡孔，黏度低也會(huì)使內(nèi)導(dǎo)體定位不牢固。熔融段溫度過(guò)低，則氣泡生長(zhǎng)的臨界壓力值升高，不利于達(dá)到高發(fā)泡度。注氣處的熔融體的壓力與注氣壓力的大小直接影響發(fā)泡度的大小，且注氣壓力必須大于熔融體壓力。

絕緣纜直徑可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿和齒輪泵的轉(zhuǎn)速、牽引張力等方式間接調(diào)節(jié)。射頻同軸電纜纜芯對(duì)同心度要求較高，因此擠出機(jī)采用三層共擠或兩層共擠十字機(jī)頭，同時(shí)機(jī)頭發(fā)泡模具的設(shè)計(jì)也非常重要，一般采用擠壓式模具或擠管式模具。模芯內(nèi)徑要與內(nèi)導(dǎo)體存在一定的間隙，保證覆蓋在內(nèi)導(dǎo)體表面的內(nèi)皮層能夠順利通過(guò)模芯；但是間隙過(guò)大容易導(dǎo)致偏心。模芯與模套的間隙應(yīng)較大，以使發(fā)泡絕緣體與內(nèi)皮層緊密黏連。

發(fā)泡氣體一般采用高壓氮?dú)猓∟2）或二氧化碳（CO2）。使用 CO2，作為發(fā)泡氣體，能夠更好的溶解于熔融絕緣體中，氣孔的結(jié)構(gòu)也更均勻細(xì)密。達(dá)到比N2更高的發(fā)泡度。

4.3 冷卻

冷卻水槽應(yīng)保證纜芯先經(jīng)過(guò)熱水槽后經(jīng)過(guò)冷水槽，分段冷卻纜芯。避免纜芯因冷卻水槽溫度不合適，而造成纜芯橢圓、偏心、表面粗糙、收縮過(guò)度變形等。一般絕緣纜芯外徑大，對(duì)水槽溫度很敏感，特別是在室溫較低時(shí)，各段水槽的溫度應(yīng)逐漸降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文就無(wú)線通信用射頻同軸電纜的物理發(fā)泡絕緣纜芯對(duì)電纜參數(shù)的影響進(jìn)行分析，通過(guò)建立相關(guān)的電氣模型，在理論上指導(dǎo)工藝生產(chǎn)。在物理發(fā)泡絕緣纜芯的工藝控制過(guò)程中，將理論分析與具體的設(shè)備以及實(shí)際使用的原材料的特性結(jié)合，最終制定出合適的工藝方案。在生產(chǎn)過(guò)程中，影響物理發(fā)泡絕緣纜芯性能參數(shù)的因素很多，可先解決主要影響因素，再對(duì)次要因素進(jìn)行調(diào)整。

1 萬(wàn)家華、王敏華、錢(qián) 琳.氟塑料物理發(fā)泡絕緣微同軸電纜的研制[J].電線電纜，2008.2

2 余 強(qiáng).影響物理發(fā)泡聚乙烯絕緣射頻同軸電纜電壓駐波比的因素分析[J].現(xiàn)代有線傳輸，2004.1

3 江 成.物理發(fā)泡同軸電纜電壓駐波比的性能分析[J].電線電纜，2003.1