編織工藝對(duì)射頻同軸電纜性能影響的探究

邵偲淳 蔡曉虎 鄭成軍 肖懷遠(yuǎn)

摘要：介紹了射頻同軸電纜外導(dǎo)體編織工藝，分別測(cè)試了不同編織線張力、編織角和編織密度等工藝條件下電纜的駐波和屏蔽效能，探究了不同編織工藝條件的影響，為射頻同軸電纜的編織工藝改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：射頻同軸電纜;編織工藝;駐波;屏蔽衰減;影響

0 引言

射頻同軸電纜是雷達(dá)、通信設(shè)備中不可缺少的元器件，在系統(tǒng)中傳輸電磁波信號(hào)，其主要結(jié)構(gòu)是內(nèi)導(dǎo)體、絕緣、外導(dǎo)體和護(hù)套。其中外導(dǎo)體起到屏蔽的作用，也叫屏蔽層，一般采用焊銅管、拔管或編織工藝加工，當(dāng)使用場(chǎng)景要求柔軟可彎折時(shí)，多使用編織工藝。編織過程中，編織線張力、速度、收線張力等工藝的一致性都會(huì)影響電纜結(jié)構(gòu)的均勻性，從而影響電纜駐波;編織角和編織密度則會(huì)影響編織覆蓋率，進(jìn)而影響屏蔽效能。

本文首先介紹了編織工藝，然后研究了編織工藝對(duì)駐波、屏蔽衰減性能的影響。

1 編織工藝簡(jiǎn)介

編織是一種用編織機(jī)將金屬絲或扁線按一定規(guī)律，交織覆蓋在電纜絕緣表面，成為一個(gè)保護(hù)層或屏蔽層的工藝。電纜編織層通常使用四股線，即每層至少兩股線，每股線蓋住其他兩股，而本身又被另外兩股蓋?。▓D1）。

編織機(jī)由編織部分、收線傳動(dòng)裝置部分組成。編織工作在偶數(shù)走馬錠或管式線盤的編織部分進(jìn)行，一半走馬錠或管式線盤按順時(shí)針“8”字型運(yùn)動(dòng)，將編織線繞在芯線上，另一半逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)纏繞。編織工藝的影響因素包含編織線張力、速度、收線張力、編織角、編織密度、編織節(jié)距、編織速度等。

現(xiàn)階段，射頻同軸電纜屏蔽層選用的材料主要是鋼絲、鋁線、鋁鎂合金線、鍍錫銅線、鍍銀銅線等，可以滿足不同的使用需求。例如，鋼絲可以有效地提升電纜的抗拉、抗扭性能;鍍錫銅線柔軟，導(dǎo)電性能良好，比銅線的耐蝕性、抗氧化性能更好，可以有效地延長電纜的使用壽命。這些材質(zhì)的屏蔽材料在射頻同軸電纜外導(dǎo)體中占比最大，可達(dá)40%～50%。

當(dāng)前，國內(nèi)航天、航空事業(yè)發(fā)展欣欣向榮，電動(dòng)汽車行業(yè)也迎來了黃金時(shí)代，這就對(duì)設(shè)備提出了小型化、輕量化的要求，因此基礎(chǔ)的元器件射頻同軸電纜也在根據(jù)需求減輕重量。

為此，可以采取的手段之一就是使用表面鍍金屬的高分子材料，比如表面鍍銀的聚酰亞胺纖維，其兼有金屬材料的導(dǎo)電性能和高分子材料質(zhì)量小的特點(diǎn)。

2 編織工藝對(duì)射頻電纜駐波的影響

駐波作為射頻同軸電纜最重要的指標(biāo)之一，反映了電纜結(jié)構(gòu)的均勻性。理想狀態(tài)下，射頻同軸電纜阻抗匹配，反射系數(shù)為零。

但是實(shí)際生產(chǎn)中由于工藝缺陷，電纜特性阻抗會(huì)發(fā)生周期性變化，信號(hào)的內(nèi)部反射在始端產(chǎn)生疊加，會(huì)出現(xiàn)反射系數(shù)很大的峰值，其頻率與周期長度相關(guān)，可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[1]：

反射的信號(hào)不僅會(huì)產(chǎn)生能量損失，還會(huì)干擾信號(hào)源，導(dǎo)致信號(hào)失真。生產(chǎn)中影響射頻同軸電纜的因素主要有：內(nèi)外導(dǎo)體尺寸、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸和相對(duì)介電常數(shù)，以及使用時(shí)的頻率[2]。編織通過張力以及絕緣芯線軸向運(yùn)動(dòng)，直接將金屬線交織覆蓋在較軟的絕緣表面，極易改變其外徑均勻性，也會(huì)影響到編織層本身的尺寸，是導(dǎo)致成品電纜駐波變大的工藝之一。因此，在射頻同軸電纜編織時(shí)，尤其要注意工藝控制。

使用某國產(chǎn)走馬錠編織機(jī)，采用扁線厚度為0.05～0.11 mm，寬度為0.9～1.3 mm的某一固定尺寸，對(duì)外徑為10 mm的推擠絕緣芯線進(jìn)行加工，由齒輪調(diào)節(jié)節(jié)距在28～33 mm。圖2是由3臺(tái)編織機(jī)生產(chǎn)的三盤射頻同軸電纜編織層駐波測(cè)試圖，均在4.4～4.7 GHz存在一個(gè)較高峰值——1.130、1.305、1.210，不滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的不超過1.100。電纜速比是92%，根據(jù)上述公式，計(jì)算出周期的長度范圍是29.36～31.36 mm，與編織節(jié)距范圍相近。因此，初步推斷編織存在制造誤差，排除在絕緣推擠加工中存在缺陷。

由于編織速度與收線張力由電機(jī)控制，精度較高，故首先從編織線張力尋找原因。重新調(diào)節(jié)了編織線的張力，分別在3臺(tái)設(shè)備試裝50 g、100 g、150 g重力錠，每臺(tái)的24個(gè)走馬錠一致，編織速度與收線張力等其他條件不變。經(jīng)多次調(diào)整，得到了較好的產(chǎn)品。

測(cè)試結(jié)果（圖3）與之前駐波圖相比，處于4.4～4.7 GHz的駐波峰變小或消失了，說明合適的編織工藝可以減小射頻同軸電纜的駐波。

由于越來越多的使用場(chǎng)景對(duì)電纜的屏蔽效能有較高要求，電纜的編織外導(dǎo)體也隨之增加。在加工中也要注意對(duì)駐波的影響，按照第一層編織的工藝條件，用上面調(diào)整張力后的第一根編織產(chǎn)品，再在原來的設(shè)備上進(jìn)行第二層編織。

駐波測(cè)試（圖4）結(jié)果表明，在4.66 GHz存在1.123的駐波峰，與之前的結(jié)果相比，在編織工藝的長度周期內(nèi)駐波稍有變大。第二層編織對(duì)駐波影響不大。

3 編織工藝對(duì)射頻電纜屏蔽效能的影響

編織工藝的射頻同軸電纜的外導(dǎo)體是由金屬線編織而成，是非完全屏蔽的，因此在傳輸信號(hào)時(shí)，也會(huì)輻射部分信號(hào)并受到外界信號(hào)的干擾，影響通信效果[3]。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)備的使用頻率不斷提升，系統(tǒng)對(duì)電纜等元器件的屏蔽性能要求也越來越高。同時(shí)，手機(jī)等電子設(shè)備已經(jīng)成為生活中不可缺少的工具，城市中地鐵和過江隧道建設(shè)越來越成熟，在這種時(shí)代背景下，就需要敷設(shè)電纜能夠向外泄漏一定能量。因此，研究射頻同軸電纜編織外導(dǎo)體的屏蔽效能顯得很有必要。主要可以通過兩個(gè)指標(biāo)對(duì)屏蔽效能進(jìn)行衡量——基于電磁場(chǎng)理論的屏蔽衰減和基于電路理論的轉(zhuǎn)移阻抗[4]。轉(zhuǎn)移阻抗越小，屏蔽性能越好。

根據(jù)電磁屏蔽原理，電磁屏蔽是通過電磁波在屏蔽層表面的反射和金屬屏蔽體對(duì)高頻的衰減來實(shí)現(xiàn)的。外部入射電磁波到達(dá)編織金屬屏蔽層時(shí)，一部分能量被反射，其余部分能量通過編織層上的菱形小孔耦合進(jìn)入到電纜內(nèi)部，在電纜的內(nèi)導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生干擾。