• 高性能高可靠性同軸線纜組件的設計

    發布時間:2022-06-01

    Pasternack A 電纜組件

    對于同軸電纜,除插入損耗、回波損耗、電壓駐波比外,還列出了產品規格(VSWR)除了常見數外,還有其他設計和結構方法可以幫助其獲得更準確、一致的性能性能或更長的使用壽命。為了確保高重復性和高可靠性,許多應用程序都要求產品具有精確的結構。本文將深入討論不良電纜結構的不利影響和電纜制造方法,以幫助同軸電纜獲得更高的性能。

    插入損耗

    介電材料的選擇

    空氣是一種理想的介電材料,允許信號以接近光速的速度傳播。然而,由于空氣不能在電纜結構上提供內外導體均勻分離的支撐,這種理想狀態不能應用于市場上的同軸結構產品。此類電纜產品必須使用空氣以外的其他介電材料(見圖1)。

    以下兩點是導致同軸電纜損耗的主要內部因素:

    內外導體的阻力損失;電解質損耗角切割和傳導電流。

    在這兩個因素中,第一點是不可避免的,但后者有各種對策。如下方程所示,電介質的相對電容率(也稱介電常數)作為絕緣材料,是同軸電纜總衰減的貢獻因素:

    其中:Ld表示介電材料造成的損失;f為頻率;tanδ正切損失角;εr介電常數;c為光速。介電常數為2.34高密度聚乙烯(HDPE)和介電常數為2.28與低密度聚乙烯相比,泡沫聚乙烯的介電常數低至1.6。通過在介電材料中引入空氣,不僅可以將介電常數減半,還可以大大降低損耗角的正切。在插入損耗方面,實心介電材料較高,低密度介電材料中間,膨脹或微孔介電材料較低。

    然而,另一方面,實心介電材料具有高均勻性和各向同性的優點,而低密度材料通常存在介電常數沿電纜長度方向不一致的問題。微孔結構等異質系統的介電常數在很大程度上取決于系統內孔氣泡的形狀1。膨脹介電材料不僅對溫度較不敏感,而且具有損耗和相位穩定性的優點。

    ▲圖1:典型的射頻/微波電纜組件結構

    同軸粗線

    雖然小型同軸電纜在高頻下一般不受傳播模式的限制,但為了減輕重量和提高靈活性,人們經常選擇小直徑的同軸電纜。以下彎曲應力表達以解釋為什么小直徑同軸電纜更靈活:

    其中,σ表示彎曲應力,E彈性模量,y距離中性軸,R彎曲半徑。從這種類型可以看出,彎曲應力隨著中性軸距離的增加而線性增加。因此,與細同軸電纜相比,粗同軸電纜離中性軸較遠的應力更大。

    另一方面,由于粗同軸電纜含有更多的金屬導體材料,其阻力損失較小,因此可以減少整體損失。從以下公式(3)可以看出,每個單位長度的損失與內外導體的直徑成反比。

    其中,LR導體的阻性損失,d和D分別為內外導體的直徑,σin和σout內外導體的電導率,μin和μout分別是內外導體的磁導率。許多低損耗電纜通常比同類電纜好RG電纜較厚,可用于蜂窩等大型通信設備。對于蜂窩通信設備,仍有無源互調失真(PIM)主要考慮因素。

    高功率多載波系統PIM

    隨著工作頻率和用途的不同,連接器的選擇有時會成為實現良好性能的關鍵因素。當兩種載波頻率和高信號電平的蜂窩通信設備在傳輸線路中混合時,就會產生PIM問題。此外,環行器、雙工器、衰減器、波導和天線也存在于多載波系統中PIM問題。雖然PIM非線性互調失真導致非線性失真(IMD)信號電平一般較低,但對于高靈敏度無線電應用,由于PIM系統的動態范圍性能可以通過干擾通信鏈路的收發頻帶來降低,因此被視為一個難以忍受的問題。

    PIM主要來源如下:

    電熱感應PIM(ET-PIM),發生在粗糙表面或金屬連接處;順磁性或鐵磁性材料。

    雖然隧道效應和非線性電導率等其他來源可能會加劇PIM問題,但已知不是造成的PIM主要因素。

    對電熱感應PIM根據熱阻方程,任何金屬表面都可以被視為電阻元件,其電阻是溫度和電阻溫度系數(TCR)函數。其中,熱與電之間的相互關系反映在電能損失引起的材料本身的加熱現象中。這種現象取決于材料儲存熱量的能力(即熱容量)及其隨著溫度的升高而將熱量輻射到周圍環境中的速度。其自身的加熱效應反映在電阻的周期性動態變化中,當材料上施加兩個或兩個以上的高頻信號時,或當有非線性金屬接觸部分(如接觸不足或接觸表面粗糙)時,特別明顯。熱阻可與電容器共同作用,在熱域中形成低通過濾波器。當兩個載波的拍攝頻率落入熱力學形成的低通過濾波器的范圍時,電阻元件的周期性冷熱變化可以發揮無源電熱混合器的作用,將基帶包絡頻率變頻為射頻率,導致PIM 2~3。

    電熱感應PIM與連接器使用的金屬的電流密度,TCR、電導率與熱導率密切相關(見表1)。TCR當高熱導率材料中的電流密度不高時,產生的PIM較低。在高頻下,由于皮膚趨勢效應,電流密度會增加。此時,如果同軸電纜的尺寸較小,由于距離中心導體的徑向距離較小,電流密度會進一步增加,從而使情況更糟。此外,以下兩種情況也會導致PIM進一步加重:金屬表面粗糙度大,表面電流分布不均勻;金屬表面的微結構缺乏一致性和連貫性,導致流經連接處的電流受到限制??梢钥闯?,連接器越厚,連接就越緊密PIM性能改善越有利。

    對于高靈敏度蜂窩系統,其中使用的磁性材料通常是繼電熱感應PIM第二大之后PIM來源。其中,原因PIM因素是鐵磁材料的磁滯效應或鐵磁材料在外部交替磁場作用下的不可逆磁化。同軸連接器中常用的鐵磁材料是鎳和鉻PIM來源可以通過仔細選擇連接器中使用的基本材料和電鍍材料(如電鍍黃銅)得到有效遏制。然而,在某些情況下,鎳鉻比鉑的非鐵磁性成分更好——例如,鎳鉻正在改善TCR優于鉑4。

    溫度的影響

    幅度波動

    同軸電纜會隨著溫度的升高而物理膨脹,導致插入損耗和相位發生顯著變化。此外,當溫度升高時,分子振動增加,電子碰撞更頻繁,這也降低了金屬材料的導電性,增加了損耗。這種現象更常見于導電性較高的材料,因為維德曼–夫蘭茲定理(Wiede nn–Franz Law),熱導率隨著平均粒子速度的增加而增加,但由于振動阻礙了電荷的向前運動,電導率降低。一般來說,純金屬電阻隨溫度的升高而線性增加。

    雖然隨著溫度的升高,插入損耗不可避免地會增加,但通過材料的精心選擇,可以優化相位穩定性。

    穩定同軸線纜

    相位的不穩定性源于電氣長度(即電纜長度相對于波長倍數)的變化。這個問題對大多數系統來說并不重要。然而,對于通過相位實現相位長度或相位干擾的系統(如波束控制系統),在不同溫度和不同電纜彎曲程度下實現可重復的穩定相位和范圍至關重要。

    相位穩定性用于測量同軸電纜在溫度變化和撓度、振動和彎曲時的機械應力(∠S21)能力不變。延遲量與插入相位有以下關系:

    其中:f為頻率;τ為延遲量,單位通常為納秒;∠S21單位為插入相位。延遲量與同軸電纜的長度和相對電容率有以下關系:

    其中,l是同軸電纜的機械長度。l和εr隨著時間的推移而變化。雖然長度一般隨溫度的升高而增加,介電常數一般隨溫度的升高而降低,但由于這兩種變化一般不成比例,因此不會導致穩定的延遲量和相位。

    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(CTE)由于固體材料的收縮與電纜的收縮成正比,是因為固體材料的升降與電纜的升降成正比。表2顯示了同軸電纜組件中使用的部分材料CTE以及介電常數的溫度系數。從表中可以看出,絕緣材料比金屬更快。雖然導體的固有剛保持電纜長度不變,但由于金屬的彈性模量通常是數百吉帕(GPa),絕緣體的彈性模量很少超過5GPa,因此,膨脹速度較快的絕緣材料受到內外導體的壓縮。這種壓縮在低溫下尤為明顯,屏蔽層的收縮會增加介電材料的密度,較終可能改變介電常數(具體情況因材料而異),從而改變電纜的電氣長度。如上所述,泡沫介電材料一般對溫度變化具有較高的穩定性。

    在穩相電纜的應用中,通常需要通過一個以上的電纜分配系統信號。在這種情況下,成組同軸電纜之間的相變必須盡可能接近。在不同的溫度和彎曲條件下,可以確保電纜之間的長度εr保持準確的相位匹配。此外,同軸電纜組件之間的相位跟蹤(即相位的密切匹配)也是一項重要的工作。對于需要在惡劣天氣下可靠運行的電纜,為了降低其溫度應力,可以在控制條件下進行溫度循環預處理。該處理相當于退火介電材料和金屬導體,可以降低表面裂紋和內部應力的可能性,導致電纜提前報廢。除了溫度波動外,彎曲時的偏差是相位不穩定的另一個常見原因。

    機械應力

    振動、彎曲、撓曲

    機械應力可以對同軸電纜的電氣性能產生重大影響。電纜在使用過程中可能會因風的切割力或頻繁的撓度而振動,同軸電纜和連接器也可能同時受到拉伸力、壓力、彎曲力、剪切力和扭轉力的共同作用。在所有這些外力中,頻繁的彎曲和撓度會增加連接器和電纜連接部件以及屏蔽層的損壞,因此特別不利。雖然從上面的2可以看出,屏蔽材料的應力遠遠大于*導體和介電材料,但由于護套和介電材料中聚合物的彈性模量低于屏蔽層中金屬導體和*導體的幾個數量級,因此大大降低了其對彎曲應力的敏感性。由于同軸電纜是為阻抗和連續性設計的正交異性對稱結構,因此性軸很可能位于*導體的中心軸上。因此,與屏蔽層相比,*導體的彎曲應力通常較小。由于這個原因,柔性應力應該具有以下特點:

    內外導體直徑較小,減少整體彎曲應變;非金屬層設置在粘貼鋁箔、編織層和護套材料之間,以減少摩擦系數;中心導體為多條導線結構,分散各條導線之間的彎曲應力;設置網尾護套或外包層; 防止裝甲超過預設的彎曲半徑。

    這些特性可以減少同軸電纜彎曲時的應變,提高其相位性能。同軸電纜上幾乎任何位置的彎曲都會導致連接器與電纜之間的連接部分彎曲,這部分的彎曲會使彈性電纜壓縮剛性高的壓縮結構,較終導致電纜扭結或護套材料斷裂。此外,對于需要在高柔性條件下工作的電纜組件,網絡尾護套幾乎是必要的。

    沖擊、擠壓、磨損

    在安裝或日常使用過程中,由于擠壓或扭曲,同軸電纜可能會受到剪切力。一般來說,電纜可以承受踩踏時施加的力,但當嚙齒動物或車輛被咬傷時,其破壞力足以使電纜變形和報廢。一般來說,聚氨酯(PUR)等強護套材料可以保證基本的耐磨性和抗撕裂性。為了進一步提高抗壓性,可以設置鎧裝-互鎖金屬軟管,一般提供優異的抗壓性。

    總結

    在設計同軸電纜時,首先要仔細考慮其具體應用。如果這方面不清楚,設計的電纜可能沒有 常工作。低損耗穩相線纜通常需要使用介電常數相對較低的材料,并需要經歷大量的溫度循環處理。當線纜需要在彎曲和撓曲條件下使用時,其可能需要具有較小的直徑,或者設有鎧裝或網尾套管等用于防止故障的外部構件。與同類RG與電纜產品相比,蜂窩通信設備的低損耗同軸電纜通常較厚,設置低鐵磁金屬PIM連接器??傊?,為了實現延長使用壽命和獲得較佳電氣性能的總體目標,任何應用程序都需要在電纜制造過程中進行一點調整。

    參考文獻

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    4. J. R. Wilkerson, K. G. Gard and M. B. Steer,“Electro-Ther l 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.

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