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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-09-24 09:27
對(duì)于同軸線纜而言，除了產(chǎn)品規(guī)格書中列出的插入損耗、回波損耗、電壓駐波比（VSWR）等常見參數(shù)之外，還有其他設(shè)計(jì)和構(gòu)造方法能夠有助于其獲得更為準(zhǔn)確一致的性能表現(xiàn)或者更長(zhǎng)的使用壽命。為了確保高重復(fù)性和高可靠性，許多應(yīng)用均要求產(chǎn)品具有精密結(jié)構(gòu)。本文將就這一類要求，不良線纜結(jié)構(gòu)所帶來的不利影響，以及線纜制造方法進(jìn)行深入探討，以助力同軸線纜獲得更高性能。
插入損耗
介電材料的選擇
空氣是一種理想的介電材料，其允許信號(hào)以接近光速的速度幾乎無阻礙地傳播。然而，由于空氣無法在線纜結(jié)構(gòu)上提供將內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體均勻隔開的支撐力，因此現(xiàn)實(shí)中這一理想狀態(tài)并不能應(yīng)用于市售的同軸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。這類線纜產(chǎn)品必須使用空氣之外的其他介電材料（見圖1）。
如下兩點(diǎn)是導(dǎo)致同軸線纜發(fā)生損耗的主要內(nèi)在因素：
內(nèi)外導(dǎo)體的阻性損耗；
電解質(zhì)的損耗角正切和傳導(dǎo)電流。
此兩點(diǎn)因素中，第一點(diǎn)難以避免，然而后者卻存在多種應(yīng)對(duì)之策。如下方程式所示，作為一種絕緣材料，電介質(zhì)的相對(duì)電容率（也稱介電常數(shù)）是同軸線纜總衰減度的一個(gè)貢獻(xiàn)因素：
其中：Ld表示介電材料所致?lián)p耗；f為頻率；tanδ為損耗角正切；εr為介電常數(shù)；c為光速。與介電常數(shù)為2.34的高密度聚乙烯（HDPE）和介電常數(shù)為2.28的低密度聚乙烯相比，發(fā)泡聚乙烯的介電常數(shù)低至1.6。通過在介電材料中引入空氣，不但能幾乎將其介電常數(shù)減半，而且還能大幅降低損耗角正切。就插入損耗而言，實(shí)心介電材料最高，低密度介電材料居中，膨脹或微孔介電材料最低。
然而，另一方面，實(shí)心介電材料有高勻質(zhì)性和各向同性的優(yōu)點(diǎn)，而低密度材料卻通常存在介電常數(shù)沿線纜長(zhǎng)度方向不一致的問題。微孔結(jié)構(gòu)等各向異性的異質(zhì)體系的介電常數(shù)很大程度上取決于體系內(nèi)孔泡的形狀1。膨脹介電材料不但對(duì)溫度最不敏感，而且還有損耗和相位穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
▲圖1：射頻/微波線纜組件的典型結(jié)構(gòu)
同軸粗線
雖然小尺寸的同軸線纜一般在高頻下不受傳播模限制，但是出于減輕重量和提高柔性的考慮，人們往往選擇小直徑的同軸線纜。以下彎曲應(yīng)力表達(dá)式可以解釋小直徑同軸線纜具有更高柔性的原因：
其中，σ表示彎曲應(yīng)力，E為彈性模量，y為距中性軸的距離，R為彎曲半徑。從該式可以看出，彎曲應(yīng)力隨距中性軸的距離的增大而線性增大。因此，與細(xì)的同軸線纜相比，粗同軸線纜距中性軸最遠(yuǎn)處的受力更大。
另一方面，由于粗同軸線纜含有更多的金屬導(dǎo)體材料，因此其阻性損耗更小，因而可以降低總體損耗。從下式（3）可知，每單位長(zhǎng)度的損耗量與內(nèi)外導(dǎo)體的直徑成反比。
其中，LR為導(dǎo)體的阻性損耗，d和D分別為內(nèi)外導(dǎo)體的直徑，σin和σout分別為內(nèi)外導(dǎo)體的電導(dǎo)率，μin和μout分別為內(nèi)外導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。許多低損耗線纜通常比同類RG線纜更粗，而且可用于蜂窩等大型通信設(shè)備。對(duì)于蜂窩通信設(shè)備而言，還存在無源互調(diào)失真（PIM）這一主要考慮因素。
高功率多載波系統(tǒng)PIM
隨工作頻率和用途的不同，連接器的選擇有時(shí)會(huì)成為能否實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵要素。在采用兩種載波頻率和高信號(hào)電平的蜂窩通信設(shè)備中，當(dāng)此兩類信號(hào)在傳輸線路中互混時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生PIM問題。除此之外，多載波系統(tǒng)中使用的環(huán)行器、雙工器、衰減器、波導(dǎo)和天線等無源器件也存在PIM問題。雖然PIM導(dǎo)致的非線性互調(diào)失真（IMD）信號(hào)的電平一般較低，但是對(duì)于高靈敏度無線電應(yīng)用而言，由于PIM可通過干擾通信鏈路的收發(fā)頻帶而導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍性能降低，因此被視為一個(gè)無法忍受的問題。
PIM的主要來源為以下兩種：
電熱感應(yīng)PIM（ET-PIM），發(fā)生于粗糙表面或金屬連接處；
順磁性或鐵磁性材料。
雖然隧穿效應(yīng)和非線性電導(dǎo)率等其他來源能夠加劇PIM問題，但已知其并非造成PIM的主要因素。
對(duì)于電熱感應(yīng)PIM而言，根據(jù)熱阻方程可知，任何金屬表面均可視為一種阻性元件，而且其電阻為溫度和電阻溫度系數(shù)（TCR）的函數(shù)。這其中，熱與電之間的相互關(guān)系體現(xiàn)為電能損耗導(dǎo)致的材料自身發(fā)熱現(xiàn)象。這一現(xiàn)象取決于材料儲(chǔ)存熱量的能力（即熱容量）及其隨溫度的升高而將熱量輻射至周圍環(huán)境中的速度。
自身發(fā)熱效應(yīng)體現(xiàn)為電阻的周期性動(dòng)態(tài)變化，并且在當(dāng)材料上施加兩種或兩種以上高頻信號(hào)時(shí)，或者當(dāng)存在非線性的金屬接觸部位（如配接不充分或接觸表面較為粗糙）時(shí)尤為顯著。熱阻可與電容共同作用，形成熱域中的低通濾波器。當(dāng)所述兩種載波的拍頻落入這一因熱力學(xué)作用而形成的低通濾波器的作用范圍內(nèi)時(shí)，所述阻性元件的周期性冷熱變化便可起到無源電熱混頻器的作用，將基帶包絡(luò)頻率上變頻為射頻頻率，從而導(dǎo)致PIM 2~3。
電熱感應(yīng)PIM與連接器所用金屬的電流密度、TCR、電導(dǎo)率以及熱導(dǎo)率密切相關(guān)（見表1）。當(dāng)具有低TCR和高熱導(dǎo)率的材料內(nèi)的電流密度不高時(shí)，所產(chǎn)生的PIM較低。在高頻下，電流密度會(huì)因趨膚效應(yīng)而增大，此時(shí)，如果同軸線纜的尺寸較細(xì)，電流密度還會(huì)因距中心導(dǎo)體的徑向距離較小而進(jìn)一步增大，從而使得情況變得更加糟糕。此外，以下兩種情況也會(huì)導(dǎo)致PIM進(jìn)一步加重：金屬表面粗糙度較大，使得電流在表面上的分布不均勻；金屬表面的微觀結(jié)構(gòu)缺乏一致連貫性，導(dǎo)致流經(jīng)連接處的電流量受到限制。由此可見，連接器越粗且連接越緊密，對(duì)PIM性能的改善越為有利。
對(duì)于高靈敏度蜂窩系統(tǒng)而言，其內(nèi)使用的磁性材料往往是繼電熱感應(yīng)PIM之后的第二大PIM來源。其中，引起PIM的因素為鐵磁材料的磁滯效應(yīng)，或者鐵磁材料在外部交替磁場(chǎng)作用下發(fā)生的不可逆磁化。同軸連接器中常用的鐵磁材料為鎳和鉻，這一PIM來源能夠通過精心選擇連接器中使用的基礎(chǔ)材料和電鍍材料（如電鍍黃銅）的方式得到有效遏制。然而，在某些情況下，鎳鉻組分的作用優(yōu)于鉑這一非鐵磁性組分——例如，鎳鉻在提高TCR方面優(yōu)于鉑4。
溫度影響
幅度波動(dòng)
同軸線纜會(huì)隨溫度的升高而發(fā)生物理膨脹，從而導(dǎo)致插入損耗和相位發(fā)生顯著變化。此外，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子振動(dòng)加劇，電子碰撞更加頻繁，從而還使得金屬材料的電導(dǎo)率下降，損耗增大。這一現(xiàn)象更常發(fā)生于導(dǎo)電性較高的材料，這是因?yàn)楦鶕?jù)維德曼–夫蘭茲定理（Wiedemann–Franz Law），熱導(dǎo)率隨平均粒子速度的增大而增大，而電導(dǎo)率卻因振動(dòng)阻礙電荷的向前運(yùn)動(dòng)而降低。一般情況下，純金屬的電阻隨溫度的升高而線性增大。
雖然插入損耗隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象無可避免，但相位穩(wěn)定性能夠通過材料的精心選擇而得到優(yōu)化。
穩(wěn)相同軸線纜
相位的不穩(wěn)定性源于電氣長(zhǎng)度（即線纜長(zhǎng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的倍數(shù)）的變化。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)而言，這一問題無關(guān)緊要。然而，對(duì)于通過相位實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)或相消干擾的系統(tǒng)（如波束控制系統(tǒng)）而言，在不同溫度和不同線纜彎曲程度下實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的穩(wěn)定相位和幅度這一點(diǎn)至關(guān)重要。
相位穩(wěn)定性用于衡量同軸線纜在發(fā)生溫度變化和受到撓曲、振動(dòng)、彎曲等機(jī)械應(yīng)力時(shí)保持插入相位（∠S21）不變的能力。延時(shí)量與插入相位具有如下關(guān)系：
其中：f為頻率；τ為延時(shí)量，單位通常為納秒；∠S21為插入相位，單位為度。延時(shí)量與同軸線纜的長(zhǎng)度和相對(duì)電容率具有如下關(guān)系：
其中，l為同軸線纜的機(jī)械長(zhǎng)度。l和εr均隨時(shí)間變化。雖然長(zhǎng)度一般隨溫度的升高而增大，且介電常數(shù)一般隨溫度的升高而降低，但是由于這兩種變化一般不成比例，因此不會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定的延時(shí)量和相位。
由于同軸線纜的熱脹冷縮為一種線性變化，因此其固體材料的線性熱膨脹系數(shù)（CTE）有助于了解線纜尺寸隨溫度遞增和遞減的情況——這是因?yàn)樵摴腆w材料的漲縮與線纜的漲縮成正比。表2所示為同軸線纜組件中使用的部分材料的CTE及介電常數(shù)溫度系數(shù)。從該表可以看出，絕緣材料隨溫度的變化快于金屬。雖然導(dǎo)體的固有剛性具有保持線纜長(zhǎng)度不變的作用，但是由于金屬的彈性模量一般為數(shù)百吉帕（GPa），而絕緣體的彈性模量鮮少超過5GPa，因此導(dǎo)致膨脹速度更快的絕緣材料受到內(nèi)外導(dǎo)體的壓縮作用。這一壓縮作用在低溫下尤其顯著，而且屏蔽層的收縮會(huì)導(dǎo)致介電材料密度增大，從而最終可能使其介電常數(shù)發(fā)生變化（具體情況隨所使用的材料的不同而不同），并進(jìn)而使得線纜的電氣長(zhǎng)度也發(fā)生變化。如上文所述，發(fā)泡介電材料一般對(duì)于溫度變化具有更高的穩(wěn)定性。
在穩(wěn)相線纜的應(yīng)用中，往往需要通過一條以上的線纜分配系統(tǒng)信號(hào)。在該情形中，成組同軸線纜之間的相變必須盡可能彼此接近。時(shí)偏匹配線纜組件能夠在不同溫度和撓曲條件下確保線纜之間在長(zhǎng)度和εr方面保持確切的相位匹配。此外，同軸線纜組件之間的相位跟蹤（即相位的密切匹配）也是一項(xiàng)重要的工作。對(duì)于需要在惡劣天氣下可靠運(yùn)行的線纜，為了減輕其溫度應(yīng)力，可以在受控條件下對(duì)其進(jìn)行溫度循環(huán)預(yù)處理。該處理相當(dāng)于對(duì)介電材料和金屬導(dǎo)體進(jìn)行退火，可以減小表面龜裂和內(nèi)部應(yīng)力這兩種可能導(dǎo)致線纜提前報(bào)廢的事態(tài)的發(fā)生概率。除了溫度波動(dòng)之外，彎曲時(shí)發(fā)生的撓曲是導(dǎo)致相位不穩(wěn)定的另一常見原因。
機(jī)械應(yīng)力
振動(dòng)、彎曲、撓曲
機(jī)械應(yīng)力能夠?qū)νS線纜的電氣性能產(chǎn)生重大影響。線纜可能因風(fēng)的切力或使用過程中的頻繁撓曲而經(jīng)受振動(dòng)，同軸線纜和連接器也可能會(huì)同時(shí)受到拉伸力、壓迫力、彎曲力、剪切力、扭轉(zhuǎn)力的共同作用。在所有這些外力中，頻繁的彎曲和撓曲能夠增大連接器與線纜連接部位以及屏蔽層的損傷，因此尤為不利。雖然從上式2可以看出，屏蔽材料的受力遠(yuǎn)大于中心導(dǎo)體和介電材料的受力，但是由于護(hù)套和介電材料中聚合物的彈性模量又比屏蔽層中金屬導(dǎo)體和中心導(dǎo)體的彈性模量低若干個(gè)數(shù)量級(jí)，因此大大降低了其對(duì)彎曲應(yīng)力的敏感程度。由于同軸線纜為針對(duì)阻抗和連續(xù)性設(shè)計(jì)的正交各向異性對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以其中性軸極有可能恰好位于中心導(dǎo)體的中心軸線上。因此，與屏蔽層相比，中心導(dǎo)體因彎曲而承受的機(jī)械應(yīng)力通常較小。出于這一原因，柔性同軸線纜應(yīng)該同時(shí)具備以下特征：
內(nèi)外導(dǎo)體的直徑較小，以減小整體的彎曲應(yīng)變；
在貼膠鋁箔、編織層、護(hù)套材料之間設(shè)置非金屬層，以降低相互之間的摩擦系數(shù)；
中心導(dǎo)體為多股導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，以將彎曲應(yīng)力分散于各股導(dǎo)線之間；
設(shè)置網(wǎng)尾護(hù)套或外部包塑層；
通過鎧裝防止彎曲程度超出預(yù)設(shè)彎曲半徑。
這些特征能夠減小同軸線纜彎曲時(shí)的應(yīng)變，同時(shí)改善其相位性能。同軸線纜上幾乎任一位置上的彎曲均會(huì)導(dǎo)致連接器與線纜之間的連接部位發(fā)生彎曲，而該部位的彎曲可使得彈性較高的線纜推壓剛性較高的壓接結(jié)構(gòu)，從而最終導(dǎo)致線纜扭結(jié)或護(hù)套材料被穿破。此外，對(duì)于需要在高撓曲條件下工作的線纜組件而言，網(wǎng)尾護(hù)套幾乎可謂必備之物。
沖擊、擠壓、磨耗
在安裝或日常使用過程中，同軸線纜可能會(huì)因擠壓或扭曲而受到剪切力。一般情況下，線纜能夠承受人員踩踏時(shí)施加的作用力，然而當(dāng)受到嚙齒動(dòng)物啃咬或車輛碾壓時(shí)，其破壞力足以使得線纜變形報(bào)廢。一般情況下，聚氨酯（PUR）等強(qiáng)力護(hù)套材料能夠確保基本的耐磨性和抗撕裂性。如想進(jìn)一步提高抗壓性，可以設(shè)置鎧裝——互鎖金屬軟管一般能夠提供出色的抗壓性。
總結(jié)
設(shè)計(jì)同軸線纜時(shí)，首先需要精心考量其具體應(yīng)用。如果這一方面未能明確，則設(shè)計(jì)出的線纜有可能會(huì)無法正常工作。低損耗穩(wěn)相線纜通常需要使用介電常數(shù)相對(duì)較低的材料，并需要經(jīng)歷大量的溫度循環(huán)處理。當(dāng)線纜需要在彎曲和撓曲條件下使用時(shí)，其可能需要具有較小的直徑，或者設(shè)有鎧裝或網(wǎng)尾套管等用于防止故障的外部構(gòu)件。與同類RG線纜產(chǎn)品相比，用于蜂窩通信設(shè)備的低損耗同軸線纜往往較粗，并且設(shè)置不含鐵磁金屬的低PIM連接器?？偠灾?，為了實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)使用壽命和獲得最佳電氣性能這一總體目標(biāo)，任何應(yīng)用都需要在線纜的制造過程中做出稍許調(diào)節(jié)。
參考資料：
1. Rodríguez-Pérez, M.a., et al. “The Effect of Cell Size on the Physical Properties of Crosslinked Closed Cell Polyethylene Foams Produced by a High Pressure Nitrogen Solution Process,” Cellular Polymers, Vol. 21, No. 3, 2002, pp. 165–194.,doi:10.1177/026248930202100302.
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4. J. R. Wilkerson, K. G. Gard and M. B. Steer,“Electro-Thermal Passive Intermodulation Distortion in Microwave Attenuators,” 2006 European Microwave Conference, Manchester, 2006, pp.157–160.
5. G. Rodriguez, “Phase Stability of Typical Navy Radio Frequency Coaxial Cables,” U.S. Naval Applied Science Laboratory, web: apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/628682.pdf.
來源：PASTERNACK
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