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高性能高可靠同轴电缆组件的设计
材料来源:《微波杂志》2020年3/4月号           录入时间:2020/4/16 15:53:14

Designing Coaxial Cable Assemblies for High Performance and Reliability

Pasternack美国加州尔湾市

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对于同轴电缆而言,除了产品手册中给出的插入损耗、回波损耗、电压驻波比(VSWR)等常见参数之外,其他设计和构造方法同样有助于其获得更加准确连贯的性能或者更长的使用寿命。为了确保高度可重复的可靠性能,许多应用均要求产品具有高度精确的结构。本文对部分此类要求、不良电缆结构的不利影响以及电缆制造方法进行深入探讨,以助力获得更高的同轴电缆性能。

插入损耗

介电材料的选择

空气允许信号以接近光速的速度近乎无阻碍地传播,是一种理想的介电材料。然而,由于空气无法提供在结构上将内导体和外导体均匀隔开的支撑力,因此现实中无法应用于市售的同轴结构产品。因此,此类电缆产品使用空气之外的其他介电材料(图1)。

 

图1:射频/微波电缆组件的典型结构

导致同轴电缆发生损耗的内在因素主要有:内外导体的阻性损耗;电介质的损耗角正切和传导电流。此两因素中,虽然前者难以避免,但是后一因素却存在多种应对之策。如下式所示,作为一种绝缘材料,电介质的相对电容率(也称介电常数)是同轴电缆总衰减的一个贡献因素:

 

其中:Ld表示介电材料所致损耗;f为频率;tanδ为损耗角正切;εr为介电常数;c为光速。与介电常数为2.34的高密度聚乙烯(HDPE)和介电常数为2.28的低密度聚乙烯相比,发泡聚乙烯的介电常数低至1.6。通过在介电材料中引入空气,不但能几乎将其介电常数减半,而且还能大幅降低损耗角正切。就插入损耗而言,实心介电材料最高,低密度介电材料居中,膨胀或微孔介电材料最低。

然而,另一方面,实心介电材料有高匀质性和各向同性的优点,而低密度材料却通常存在介电常数沿电缆长度方向不一致的问题。微孔结构等各向异性的异质体系的介电常数很大程度上取决于体系内孔泡的形状1。膨胀介电材料不但对温度最不敏感,而且还有损耗和相位稳定的优点。

同轴粗线

虽然小尺寸的同轴电缆一般在高频下不受传播模限制,但是出于减轻重量和提高柔性的考虑,人们往往选择小直径的同轴电缆。以下弯曲应力表达式可以解释小直径同轴电缆具有更高柔性的原因:

 

其中,σ表示弯曲应力,E为弹性模量,y为距中性轴的距离,R为弯曲半径。从该式可以看出,弯曲应力随距中性轴的距离的增大而线性增大。因此,与细的同轴电缆相比,粗同轴电缆距中性轴最远处的受力更大。

另一方面,由于粗同轴电缆含有更多的金属导体材料,因此其阻性损耗更小,因而可以降低总体损耗。从下式可知,每单位长度的损耗量与内外导体的直径成反比。

 

其中,LR为导体的阻性损耗,d和D分别为内外导体的直径,σin和σout分别为内外导体的电导率,μin和μout分别为内外导体的磁导率。许多低损耗电缆通常比同类RG电缆更粗,而且可用于蜂窝等大型通信设备。对于蜂窝通信设备而言,还存在无源互调失真(PIM)这一主要因素。

高功率多载波系统的PIM

随工作频率和用途的不同,连接器的选择有时会成为能否实现良好性能的关键要素。在采用两种载波频率和高信号电平的蜂窝通信设备中,当此两类信号在传输线路中混合时,便会产生PIM问题。除此之外,多载波系统中使用的环行器、双工器、衰减器、波导和天线等无源器件也存在PIM问题。虽然PIM导致的非线性互调失真(IMD)信号的电平一般较低,但是对于高灵敏度无线电应用而言,由于PIM会通过干扰通信链路的收发频带而导致系统动态范围性能降低,因此被视为一个无法忍受的问题。

PIM的主要来源为以下两种:

* 电热感应PIM(ET-PIM),发生于粗糙表面或金属连接处;

* 顺磁性或铁磁性材料。

虽然隧穿效应和非线性电导率等其他来源能够加剧PIM问题,但已知其并非造成PIM的主要因素。

对于电热感应PIM,根据热阻方程可知,任何金属表面均可视为一种阻性元件,而且其电阻为温度和电阻温度系数(TCR)的函数。这其中,热与电之间的相互关系体现为电能损耗导致的材料自身发热现象。这一现象取决于材料储存热量的能力(即热容量)及其随温度的升高而将热量辐射至周围环境中的速度。自身发热效应体现为电阻的周期性动态变化,并且在当材料上施加两种或两种以上高频信号时,或者当存在非线性的金属接触部位(如配接不充分或接触表面较为粗糙)时尤为显著。热阻可与电容共同作用,形成热域中的低通滤波器。当两种载波的拍频落入这一因热力学作用而形成的低通滤波器的作用范围内时,所述阻性元件的周期性冷热变化便可起到无源电热混频器的作用,将基带包络频率上变频为射频频率,从而导致PIM2~3

电热感应PIM与连接器所用金属的电流密度、TCR、电导率以及热导率密切相关(表1)。当具有低TCR和高热导率的材料内的电流密度不高时,所产生的PIM较低。在高频下,电流密度会因趋肤效应而增大,此时,如果同轴电缆较细,电流密度还会因距中心导体的径向距离较小而进一步增大,从而使得情况变得更加糟糕。此外,以下两种情况也会导致PIM进一步加重:金属表面较粗糙,使得电流在表面上的分布不均匀;金属表面的微观结构缺乏一致连贯性,导致流经连接处的电流量受到限制。由此可见,连接器越粗且连接越紧密,对PIM性能的改善越有利。

对于高灵敏度蜂窝系统而言,其使用的磁性材料往往是继电热感应PIM之后的第二大PIM来源。其中,引起PIM的因素为铁磁材料的磁滞效应,或者铁磁材料在外部交替磁场作用下发生的不可逆磁化。同轴连接器中常用的铁磁材料为镍和铬,这一PIM来源能够通过精心选择连接器中使用的基础材料和电镀材料(如电镀黄铜)得到有效遏制。然而,在某些情况下,镍铬组分的作用优于铂这一非铁磁性组分——例如,镍铬在提高TCR方面优于铂4

温度的影响

幅度波动

同轴电缆会随温度的升高而发生膨胀,从而导致插入损耗和相位发生显著变化。此外,当温度升高时,分子振动加剧,电子碰撞更加频繁,从而还使得金属材料的电导率下降,损耗增大。这一现象更常发生于导电性较高的材料,这是因为根据维德曼–夫兰兹定理,热导率随平均粒子速度的增大而增大,而电导率却因振动阻碍电荷的向前运动而降低。一般情况下,纯金属的电阻随温度的升高而线性增大。

虽然插入损耗随温度的升高而增大的现象不可避免,但相位稳定性能够通过材料的精心选择而得到优化。

稳相同轴电缆

相位的不稳定性源于电气长度(即电缆长度相对于波长的倍数)的变化。对于大多数系统而言,这一问题无关紧要。然而,对于通过相位实现幅度相长或相消的系统(如波束控制系统)而言,在不同温度和不同电缆弯曲程度下实现可重复的稳定相位和幅度至关重要。

相位稳定性用于衡量同轴电缆在发生温度变化和受到挠曲、振动、弯曲等机械应力时保持插入相位(∠S21)不变的能力。延时量与插入相位具有如下关系:

 

其中:f为频率;τ为延时量,单位通常为纳秒;∠S21为插入相位,单位为度。延时量与同轴电缆的长度和相对电容率具有如下关系:

 

其中,l为同轴电缆的机械长度。l和εr均随时间变化。虽然长度一般随温度的升高而增大,且介电常数一般随温度的升高而降低,但是由于这两种变化一般不成比例,因此不会导致稳定的延时量和相位。

由于同轴电缆的热胀冷缩为一种线性变化,因此其固体材料的线性热膨胀系数(CTE)有助于了解电缆尺寸随温度递增和递减的情况——这是因为该固体材料的涨缩与电缆的涨缩成正比。2所示为同轴电缆组件中使用的部分材料的CTE及介电常数温度系数。从该表可以看出,绝缘材料随温度的变化快于金属。虽然导体的固有刚性具有保持电缆长度不变的作用,但是由于金属的弹性模量一般为数百吉帕(GPa),而绝缘体的弹性模量鲜少超过5GPa,因此导致膨胀速度更快的绝缘材料受到内外导体的压缩作用。这一压缩作用在低温下尤其显著,而且屏蔽层的收缩会导致介电材料密度增大,从而最终可能使其介电常数发生变化(具体情况随所使用的材料的不同而不同),并进而使得电缆的电气长度也发生变化。如上文所述,发泡介电材料一般对于温度变化具有更高的稳定性。

在稳相电缆的应用中,往往需要通过一条以上的电缆分配系统信号。在该情形中,成组同轴电缆之间的相变必须尽可能彼此接近。时偏匹配电缆组件能够在不同温度和挠曲条件下确保电缆之间在长度和εr方面保持确切的相位匹配。此外,同轴电缆组件之间的相位跟踪(即相位的密切匹配)也是一项重要的工作。对于需要在恶劣天气下可靠运行的电缆,为了减轻其温度应力,可以在受控条件下对其进行温度循环预处理。该处理相当于对介电材料和金属导体进行退火,可以减小表面龟裂和内部应力这两种可能导致电缆提前报废的事态的发生概率。除了温度波动之外,弯曲时发生的挠曲是导致相位不稳定的另一常见原因。

机械应力

振动、弯曲、挠曲

机械应力能够对同轴电缆的电气性能产生重大影响。电缆可能因风的切力或使用过程中的频繁挠曲而振动,同轴电缆和连接器也可能会同时受到拉伸力、压迫力、弯曲力、剪切力、扭转力的共同作用。在所有这些外力中,频繁的弯曲和挠曲能够增大连接器与电缆连接部位以及屏蔽层的损伤,因此尤为不利。虽然从式2可以看出,屏蔽材料的受力远大于中心导体和介电材料的受力,但是由于护套和介电材料中聚合物的弹性模量又比屏蔽层中金属导体和中心导体的弹性模量低若干个数量级,因此大大降低了其对弯曲应力的敏感程度。由于同轴电缆为针对阻抗和连续性设计的正交各向异性对称结构,所以其中性轴极有可能恰好位于中心导体的中心轴线上。因此,与屏蔽层相比,中心导体因弯曲而承受的机械应力通常较小。出于这一原因,柔性同轴电缆应该同时具备以下特征:

* 内外导体的直径较小,以减小整体的弯曲应变;

* 在贴胶铝箔、编织层、护套材料之间设置非金属层,以降低相互之间的摩擦系数;

* 中心导体为多股导线结构,以将弯曲应力分散于各股导线之间;

* 设置网尾护套或外部包塑层;

* 通过铠装防止弯曲程度超出预设弯曲半径。

这些特征能够减小同轴电缆弯曲时的应变,同时改善其相位性能。同轴电缆上几乎任一位置上的弯曲均会导致连接器与电缆之间的连接部位发生弯曲,而该部位的弯曲可使得弹性较高的电缆推压刚性较高的压接结构,从而最终导致电缆扭结或护套材料被穿破。此外,对于需要在高挠曲条件下工作的电缆组件而言,网尾护套几乎是必备之物。

冲击、挤压、磨耗

在安装或日常使用过程中,同轴电缆可能会因挤压或扭曲而受到剪切力。一般情况下,电缆能够承受人员踩踏时施加的作用力,然而当受到啮齿动物啃咬或车辆碾压时,其破坏力足以使得电缆变形报废。一般情况下,聚氨酯(PUR)等强力护套材料能够确保基本的耐磨性和抗撕裂性。如想进一步提高抗压性,可以设置铠装——互锁金属软管一般能够提供出色的抗压性。

总结

设计同轴电缆时,首先需要精心考量其具体应用。如果这一点未能明确,则设计出的电缆可能无法正常工作。低损耗稳相电缆通常需要使用介电常数相对较低的材料,并需要经历大量的温度循环处理。当电缆需要在弯曲和挠曲条件下使用时,其可能要有较小的直径,或者具有铠装或网尾套管等用于防止故障的外部构件。与同类RG电缆相比,用于蜂窝通信设备的低损耗同轴电缆往往较粗,并且使用不含铁磁金属的低PIM连接器。总而言之,为了实现延长使用寿命和获得最佳电气性能这一总体目标,任何应用都需要在电缆的制造过程中做出稍许调节。

参考文献


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