高頻低損耗穩(wěn)相電纜的研制

鞠晨雁，李金明，李炳全，汪元林，岳文娟

(淮南新光神光纖線纜有限公司，安徽 淮南232008)

0 引言

高頻低損耗穩(wěn)相電纜是同軸射頻電纜領(lǐng)域的高技術(shù)產(chǎn)品，它具有衰減小、駐波低、相位穩(wěn)定等優(yōu)良的電氣性能，以及尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、柔軟性好等優(yōu)良的物理特性。主要用于相控陣?yán)走_(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星及導(dǎo)彈的監(jiān)控以及數(shù)字化相敏電子系統(tǒng)等要求穩(wěn)相指標(biāo)較高的環(huán)境，作為通訊、警戒、制導(dǎo)、導(dǎo)航、電子對抗等通信系統(tǒng)中各種無線電設(shè)備的傳輸線，在武器裝備系統(tǒng)中有著十分重要的應(yīng)用。目前使用的高端穩(wěn)相電纜組件幾乎全部依賴進(jìn)口，因此該產(chǎn)品急需實現(xiàn)國產(chǎn)化，以滿足各項重點工程的需求，使我軍在關(guān)鍵時刻不至于受制于人。

1 高頻低損耗穩(wěn)相電纜的研制

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)及可靠性要求

以美國MICRO-COAX公司的UFB311A電纜為參照，其性能應(yīng)滿足:

(1)工作頻率18 GHz。

(2)特性阻抗(50±2)Ω。

(3)試驗電壓5 000 V。

(4)絕緣電阻5 000 MΩ·km。

(5)成品電纜電容≤80.4 pF/m。

(6)成品電纜的衰減分別為:1 GHz≤0.16 dB/m;10 GHz≤0.49 dB/m;18 GHz≤0.69 dB/m。

(7)結(jié)構(gòu)反射損耗:在0.05～2 GHz頻段內(nèi)應(yīng)不小于26.4 dB。

(8)成品電纜駐波比≤1.1。

(9)電容穩(wěn)定性:溫度150℃，－55℃;冷熱交替試驗后，電容相對其初始測試值的變化應(yīng)不大于5%。

(10)相位穩(wěn)定性

溫度相位穩(wěn)定性:在－55～71℃范圍內(nèi)相位-溫度變化系數(shù)ηT的最大值與最小值之差│△η│max應(yīng)小于500 ppm(500×10－6)。

彎曲相位穩(wěn)定性:盤徑50 mm，卷繞一周，2 GHz，相位變化值│△φ│≤3°。

(11)屏蔽衰減:1 GHz，不小于100 dB。

(12)電纜應(yīng)經(jīng)受－45℃，2 h低溫卷繞試驗，彎曲半徑7D，護(hù)套表面不開裂。

(13)老化穩(wěn)定性:電纜應(yīng)能經(jīng)受80℃高溫試驗。

(14)成品電纜重量≤140 g/m。

(15)成品電纜外徑≤7.8 mm。

1.2 重點攻關(guān)項目

穩(wěn)相電纜屬于高技術(shù)含量產(chǎn)品，具有頻帶寬、損耗低、均勻性好、相位穩(wěn)定等特點。穩(wěn)相電纜的場合不僅要求電纜的相位隨溫度變化極小，而且要求電纜的相位隨彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、震動等機(jī)械應(yīng)力的長期作用的變化也很小，這是十分苛刻的使用要求。根據(jù)產(chǎn)品使用的特殊要求，產(chǎn)品研制的關(guān)鍵點為:

(1)電纜溫度穩(wěn)相設(shè)計。合適的電纜結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的電纜材料，減小相位變化率。

(2)機(jī)械穩(wěn)相設(shè)計。采用特殊的設(shè)計和結(jié)構(gòu)形式，使其內(nèi)導(dǎo)體、絕緣、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在彎曲時保持穩(wěn)定，相互之間能結(jié)合緊密。

(3)低衰減設(shè)計。衰減是射頻電纜最重要的參數(shù)之一，它反映了電磁能量沿電纜傳輸時的損耗的大小。不同密度的微孔聚四氟乙烯帶工藝已經(jīng)成熟，解決的關(guān)鍵問題是繞包后絕緣的一致性。

(4)微孔聚四氟乙烯薄膜繞包。微孔聚四氟乙烯薄膜(PTFE微孔帶)質(zhì)地很軟，經(jīng)多層繞包后容易造成電纜的絕緣外徑不均勻，一致性不好。因此，繞包PTFE微孔帶后，保證絕緣外徑一致、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻成為關(guān)鍵技術(shù)。

(5)鍍銀銅帶繞包。鍍銀銅帶繞包與PTFE微孔帶的繞包不同，由于鍍銀銅帶的伸率和強(qiáng)度與PTFE微孔帶的伸率和強(qiáng)度差別較大，繞包過程中易出現(xiàn)起褶、卷邊、翻轉(zhuǎn)問題。因此，保證繞包后鍍銀銅帶與絕緣接觸面光滑均勻成為關(guān)鍵技術(shù)。

1.3 產(chǎn)品關(guān)鍵材料選型

(1)內(nèi)導(dǎo)體

一般采用圓柱形結(jié)構(gòu)，主要要求是高頻下電阻小，有足夠的柔軟性和機(jī)械強(qiáng)度，以及高的尺寸精度。對于穩(wěn)相電纜來說，內(nèi)導(dǎo)體主要采用實心和絞線兩種形式。實心圓柱形內(nèi)導(dǎo)體的特點是加工方便，衰減較小，但其柔軟性及耐震動性較差。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑在2.5 mm以上時，采用柔軟性好的絞線內(nèi)導(dǎo)體。絞線內(nèi)導(dǎo)體能避免由金屬疲勞而引起的斷裂，但其與實心內(nèi)導(dǎo)體相比，高頻電阻較大，增加了電纜的損耗。

內(nèi)導(dǎo)體的形式要根據(jù)電纜對衰減、穩(wěn)相特性、駐波與電纜柔軟性的側(cè)重不同來選擇。單根鍍銀銅線有利于衰減、穩(wěn)相、駐波特性的改善，但會影響電纜的柔軟性;反之，絞合鍍銀銅線有利于電纜的柔軟性的改善，但會影響電纜的衰減與穩(wěn)相特性。內(nèi)導(dǎo)體的加工需要選擇高精度的加工設(shè)備，選用內(nèi)導(dǎo)體比實際適當(dāng)放大，生產(chǎn)絕緣時過模適當(dāng)拉拔至需要尺寸，確保內(nèi)導(dǎo)體的材料一致性與尺寸精度滿足要求。按照要求鍍銀銅絲選用2.4 mm，銀層厚度為不小于1.5μm。

(2)絕緣

絕緣是大功率射頻電纜結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，它對降低電纜的衰減、提高功率容量、減小波阻抗不均勻性以及增加機(jī)械穩(wěn)定性等，都有非常大的影響。射頻電纜的絕緣結(jié)構(gòu)一般分為實體絕緣、空氣絕緣及半空氣絕緣。根據(jù)穩(wěn)相電纜對相位穩(wěn)定的要求，所選用的絕緣材料在較寬的溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，同時絕緣材料還要具有較小的介電常數(shù)。綜合以上要求，所以選用PTFE微孔帶繞包的絕緣形式。PTFE微孔帶不但保留了聚四氟乙烯的性能優(yōu)點，同時由于采用了繞包的形式，不但克服了聚四氟乙烯加工工藝復(fù)雜的缺點，而且對于穩(wěn)定性能和制造柔軟型電纜有著絕對的優(yōu)勢。

(3)外導(dǎo)體及屏蔽層

同軸電纜的外導(dǎo)體起著回路和屏蔽雙重作用。采用的結(jié)構(gòu)主要有編織、管狀、繞包和電鍍等形式。繞包外導(dǎo)體具有衰減低、屏蔽性好、機(jī)械強(qiáng)度高、防潮及密封性好等優(yōu)點;缺點是柔軟性差，允許彎曲半徑大，不宜用于需要經(jīng)常移動或反復(fù)彎曲的場合。鍍銀圓銅線編織外導(dǎo)體主要應(yīng)用于高頻同軸電纜，但其高頻下衰減相對較大。

穩(wěn)相電纜采用鍍銀銅帶繞包和鍍銀圓銅線編織組合外導(dǎo)體。鍍銀銅帶繞包具有加工方便、電阻低、屏蔽效果好等優(yōu)點，主要應(yīng)用于高頻下，由于集膚效應(yīng)的影響，電流主要集中在表面鍍銀層，具有較低的衰減，提高了產(chǎn)品的性能。鍍銀圓單線編織結(jié)構(gòu)，雖然高頻下衰減相對較大，但是加工工藝成熟，一致性較好，形成互補(bǔ)作用。根據(jù)高頻集膚效應(yīng)，高頻條件下導(dǎo)電率越高、屏蔽材料越厚，其屏蔽效率越高，為提高高頻屏蔽效果，確定鍍銀層厚度為不小于2.0μm，鍍銀銅帶規(guī)格為0.076 mm×3.81 mm。

(4)護(hù)套材料

穩(wěn)相電纜的護(hù)套選用聚全氟乙丙烯材料，其具有良好的高低溫特性、較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕性、低摩擦系數(shù)、高阻燃性，對電纜具有良好的防護(hù)性能，可在－85～+200℃廣闊的溫度范圍內(nèi)長期使用，而且在常溫下比聚四氟乙烯具有更好的抗冷流性，可有效降低電纜外徑和重量。

1.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及技術(shù)設(shè)計

用穩(wěn)相電纜的場合不僅要求電纜的相位隨溫度變化極小，而且要求電纜的相位隨彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、震動等機(jī)械應(yīng)力的長期作用的變化也是很小的，這是十分苛刻的使用要求。反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)、震動等機(jī)械應(yīng)力長期作用會造成內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的機(jī)械硬化，使電纜的物理長度發(fā)生變化，從而引起相位的變化，外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及電纜各部分之間在彎曲等機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生尺寸變化或位移也會導(dǎo)致電纜的相位變化。因此高機(jī)械穩(wěn)相的射頻電纜必須采用特殊的設(shè)計和結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)導(dǎo)體、絕緣、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)在彎曲時保持穩(wěn)定，而且相互之間能結(jié)合緊密，從而保持電纜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以達(dá)到相位不隨彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等機(jī)械應(yīng)力而變化的目的。

1.4.1 電纜穩(wěn)相設(shè)計技術(shù)

在射頻條件下，同軸電纜的相移常數(shù)可用如下簡化公式來計算，即:

式中:β為相移常數(shù);ω為角頻率;L為電感(線路長度上);C為工作電容;f為頻率;εD為等效相對介電常數(shù)。

應(yīng)該注意，電纜的相移常數(shù)是與電纜尺寸無關(guān)的，它僅僅取決于電纜中使用的介質(zhì)，而且是隨頻率升高而正比增大的。

(1)溫度引起的相位變化

穩(wěn)相電纜要求其相移不隨溫度、壓力等環(huán)境因素影響而變化。在環(huán)境因素中最主要的是溫度的變化。環(huán)境溫度的變化會引起電纜幾何長度及絕緣的等效介電常數(shù)的變化，從而引起電纜的相移變化。同軸電纜每升高1℃所引起相移的相對變化通常稱為相移溫度系數(shù)，這是穩(wěn)相電纜的最重要的指標(biāo)。

電纜的相位變化率取決于電纜的結(jié)構(gòu)與介質(zhì)材料的變化。電纜的等效介電常數(shù)隨溫度的變化，取決于介質(zhì)材料的線膨脹系數(shù)以及絕緣層的結(jié)構(gòu)。

(2)彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊引起的相位變化

機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)、相敏電子戰(zhàn)系統(tǒng)及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之類應(yīng)用場合，不僅要求電纜的相位不隨溫度而變化，而且要求電纜的相位不隨彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、振動等機(jī)械應(yīng)力的長期作用而變化，這是十分苛刻的使用要求。反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)的機(jī)械應(yīng)力的長期作用會造成內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的機(jī)械硬化，使電纜的物理長度發(fā)生變化，從而引起相位的變化，外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及電纜各部分之間在彎曲等機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生尺寸變化或位移也會導(dǎo)致電纜的相位變化。

因此，高機(jī)械穩(wěn)相的射頻電纜必須采用特殊的設(shè)計和結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)導(dǎo)體、絕緣、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)在彎曲時保持穩(wěn)定，而且相互之間能結(jié)合緊密，從而保持電纜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以達(dá)到相位不隨彎曲、沖擊、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械應(yīng)力而變化的目的。

一般銅帶繞包外導(dǎo)體在彎曲震動時會由于滑動而產(chǎn)生間隙，引起電纜的介電常數(shù)ε的變化，從而引起傳輸參數(shù)變化，采用超薄繞包使其緊貼絕緣層，外面再用鍍銀圓線編織加以緊固，使整根電纜成為一體，從而保證在受機(jī)械彎曲和震動時能保持相位穩(wěn)定。

1.4.2 低衰減設(shè)計

在射頻下，同軸電纜的衰減α通?？捎孟率奖硎?

式中:αR為導(dǎo)體電阻損耗引起的衰減分量，稱為導(dǎo)體衰減;αG為介質(zhì)損耗引起的衰減分量，稱為介質(zhì)衰減;R為有效電阻;G為絕緣電導(dǎo);ZC為波阻抗。

從上式可見，當(dāng)特性阻抗已知時，導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減是降低衰減的兩大主要因素，αR決定于內(nèi)外導(dǎo)體所采用材料的特性和電纜的幾何尺寸。在內(nèi)外導(dǎo)體所采用材料的特性和電纜的幾何尺寸確定的情況下，可供調(diào)節(jié)的因素只有αG，也就是介質(zhì)損耗引起的衰減分量。用空氣作為絕緣從降低衰減這個角度考慮是比較理想的，但從保證電纜結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度和足夠的穩(wěn)定性角度考慮就需要引入別的介質(zhì)，在這種情況下空氣所占比例越多越好。在電纜使用頻率很高的前提下，從等效的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值角度出發(fā)，選用PTFE微孔帶繞包絕緣應(yīng)是首選，繞包絕緣中所用的不同密度的PTFE微孔帶工藝已經(jīng)成熟，市場能夠穩(wěn)定提供相關(guān)產(chǎn)品。目前的關(guān)鍵問題是繞包后絕緣的一致性問題。

導(dǎo)體材料為鍍銀銅線的情況下，衰減α計算如下:

式中:ks為絞線引起射頻電阻增大的系數(shù)，一般可取1.25;kb為編織引起的衰減增大系數(shù)，取2.2;k1為絞線的有效直徑系數(shù)，取0.97或1.0;d為內(nèi)導(dǎo)體等效直徑;D為絕緣直徑(屏蔽內(nèi)徑);tgδ為等效介質(zhì)損耗角正切值，取2×10－4。

1.4.3 PTFE微孔帶繞包技術(shù)

絕緣采用多層對縫繞包形式，由于PTFE微孔帶質(zhì)地很軟，容易造成電纜的絕緣外徑不均勻，對縫一致性不好，影響了產(chǎn)品的阻抗、衰減、電壓駐波比等性能。解決的辦法是有針對性地對繞包設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減小繞包張力并使其保持相對穩(wěn)定，減少包帶在繞包機(jī)上的彎曲次數(shù)，減小繞包機(jī)牽引的張力，在繞包過程中盡量避免對微孔PTFE絕緣層的機(jī)械損傷，使材料的寬度、厚度保持一致。

PTFE微孔帶不同于擠出發(fā)泡，它是開孔發(fā)泡，透氣、不透水，正好與聚四氟乙烯半定向帶相反，車間應(yīng)嚴(yán)格控制濕度，防止繞包過程中帶子受濕，導(dǎo)致介電常數(shù)不均勻，引起阻抗、衰減、電壓駐波比等指標(biāo)發(fā)生變化。

采用進(jìn)口盧卡斯繞包設(shè)備，通過紅外激光測量實際帶盤外徑來導(dǎo)出帶子張力，保證繞包的包帶張力在一定范圍內(nèi)可調(diào)、穩(wěn)定，盡可能減小繞包過程中PTFE微孔帶產(chǎn)生的拉伸變形，繞包成形后保持繞包層密度穩(wěn)定。

1.4.4 鍍銀銅帶繞包技術(shù)

鍍銀銅帶繞包與常規(guī)的塑料薄膜的繞包有所不同，由于鍍銀銅帶與塑料薄膜的伸率和強(qiáng)度差別較大，在繞包過程中容易出現(xiàn)起褶、卷邊、翻轉(zhuǎn)等問題，因此需選用合適的繞包機(jī)進(jìn)行繞包頭改造，使繞包的包帶張力可調(diào)、穩(wěn)定，進(jìn)一步提高設(shè)備的繞包節(jié)距調(diào)節(jié)精度，使其能用于金屬帶的繞包。

由于鍍銀銅帶在受壓變形后不能自行恢復(fù)，因此需要適當(dāng)調(diào)整加工過程中設(shè)備個別部分對電纜的拉力和壓力，避免對繞包后的鍍銀銅帶造成機(jī)械變形損傷，使其能滿足鍍銀銅帶的繞包加工要求。

1.5 高頻低損耗穩(wěn)相電纜結(jié)構(gòu)

設(shè)計的高頻低損耗穩(wěn)相電纜的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電纜截面示意圖

2 高頻低損耗穩(wěn)相電纜性能測試

電纜經(jīng)檢測驗證，其結(jié)構(gòu)尺寸、性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求，產(chǎn)品主要性能實測值與技術(shù)要求的對比見表1。較，克服了絞合束線相鄰銅絲相互間斷的問題(尤其是在電纜遭受拉伸或扭轉(zhuǎn)的情況下)，并通過比絞合線束更強(qiáng)的抗剪切及磨損能力將電纜耗損減至最小。

表1 電纜主要性能實測值與要求對比表

圖3 復(fù)合編織結(jié)構(gòu)實物圖

(3)絕緣、護(hù)套

該電纜的絕緣、內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套材料的選取及性能指標(biāo)要求比較高，材料的抗拉強(qiáng)度高，絕緣表面光滑，便于滑移。線芯護(hù)套外搭蓋繞包的一層各色阻燃帶，作為標(biāo)識的同時便于控制線芯滑移。該帶材具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，不脆斷。護(hù)套內(nèi)放置網(wǎng)狀纖維編織加強(qiáng)層，提高了護(hù)套的抗拉強(qiáng)度和抗撕性能;內(nèi)外護(hù)套、纖維加強(qiáng)層之間能夠緊密粘接，更加利于補(bǔ)強(qiáng)。

3 國產(chǎn)電纜的改進(jìn)方向

通過以上全面剖析，可看出虎牌采煤機(jī)電纜不是僅從控制線芯單方面來考慮斷芯問題，而是同時考慮材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種思路是值得借鑒的。因此我們應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面著手來提高國內(nèi)采煤機(jī)電纜的制造水平:

(1)由于電纜結(jié)構(gòu)中動力線芯、控制線芯、地線芯的結(jié)構(gòu)是不一樣的，要使導(dǎo)體線芯的單絲伸長率和線芯束合張力控制都均勻，這就需要充分考慮設(shè)備的精度、工藝工裝的改造、材料的性能指標(biāo)以及操作者的實際水平。

(2)控制線芯擠制包覆層后繞包阻燃帶，護(hù)套內(nèi)加入纖維加強(qiáng)層，能夠緊密粘接，更加有利于補(bǔ)強(qiáng)作用。

(3)絕緣料、護(hù)套料的配方要精細(xì)，便于不同采煤機(jī)電纜能應(yīng)用不同性能指標(biāo)的配方，努力使我們的設(shè)備、工藝向虎牌電纜的靠攏。

(4)導(dǎo)體的節(jié)距、成纜節(jié)距要相互匹配，通過模擬電纜的實際使用情況來分析導(dǎo)體的變化。

4 結(jié)束語

通過對比虎牌采煤機(jī)電纜，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)煤礦電纜的生產(chǎn)廠家主要是在控制線芯結(jié)構(gòu)上下功夫，但國外電纜企業(yè)對此并沒有特別關(guān)注，而是從電纜的整體結(jié)構(gòu)、各層工藝的控制以及材料性能指標(biāo)上綜合考慮，不是從“點”上解決問題，而是從“面”上控制整體工藝。這種設(shè)計思路值得國內(nèi)企業(yè)學(xué)習(xí)借鑒。

如何提高采煤機(jī)電纜的使用壽命，這是一個系統(tǒng)的課題。首先應(yīng)真正了解采煤機(jī)電纜的使用環(huán)境和用戶的需求，電纜制造企業(yè)要從桿材、拉絲、鍍錫等工藝的細(xì)節(jié)入手，綜合考慮電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計及選用的材料性能，實現(xiàn)生產(chǎn)的精細(xì)化控制，從而保證所做的產(chǎn)品達(dá)到最優(yōu)。

［1］ICEA S-75-381/NEMA WC-58 Portable and power feeder cables for use in mines and similar applications［S］.

［2］MT 818—2009煤礦用電纜［S］.