高性能高可靠性同轴线缆组件的设计

发布时间:2022-06-01

Pasternack A 电缆组件

对于同轴电缆,除插入损耗、回波损耗、电压驻波比外,还列出了产品规格(VSWR)除了常见数外,还有其他设计和结构方法可以帮助其获得更准确、一致的性能性能或更长的使用寿命。为了确保高重复性和高可靠性,许多应用程序都要求产品具有精确的结构。本文将深入讨论不良电缆结构的不利影响和电缆制造方法,以帮助同轴电缆获得更高的性能。

插入损耗

介电材料的选择

空气是一种理想的介电材料,允许信号以接近光速的速度传播。然而,由于空气不能在电缆结构上提供内外导体均匀分离的支撑,这种理想状态不能应用于市场上的同轴结构产品。此类电缆产品必须使用空气以外的其他介电材料(见图1)。

以下两点是导致同轴电缆损耗的主要内部因素:

内外导体的阻力损失;电解质损耗角切割和传导电流。

在这两个因素中,第一点是不可避免的,但后者有各种对策。如下方程所示,电介质的相对电容率(也称介电常数)作为绝缘材料,是同轴电缆总衰减的贡献因素:

其中:Ld表示介电材料造成的损失;f为频率;tanδ正切损失角;εr介电常数;c为光速。介电常数为2.34高密度聚乙烯(HDPE)和介电常数为2.28与低密度聚乙烯相比,泡沫聚乙烯的介电常数低至1.6。通过在介电材料中引入空气,不仅可以将介电常数减半,还可以大大降低损耗角的正切。在插入损耗方面,实心介电材料较高,低密度介电材料中间,膨胀或微孔介电材料较低。

然而,另一方面,实心介电材料具有高均匀性和各向同性的优点,而低密度材料通常存在介电常数沿电缆长度方向不一致的问题。微孔结构等异质系统的介电常数在很大程度上取决于系统内孔气泡的形状1。膨胀介电材料不仅对温度较不敏感,而且具有损耗和相位稳定性的优点。

▲图1:典型的射频/微波电缆组件结构

同轴粗线

虽然小型同轴电缆在高频下一般不受传播模式的限制,但为了减轻重量和提高灵活性,人们经常选择小直径的同轴电缆。以下弯曲应力表达以解释为什么小直径同轴电缆更灵活:

其中,σ表示弯曲应力,E弹性模量,y距离中性轴,R弯曲半径。从这种类型可以看出,弯曲应力随着中性轴距离的增加而线性增加。因此,与细同轴电缆相比,粗同轴电缆离中性轴较远的应力更大。

另一方面,由于粗同轴电缆含有更多的金属导体材料,其阻力损失较小,因此可以减少整体损失。从以下公式(3)可以看出,每个单位长度的损失与内外导体的直径成反比。

其中,LR导体的阻性损失,d和D分别为内外导体的直径,σin和σout内外导体的电导率,μin和μout分别是内外导体的磁导率。许多低损耗电缆通常比同类电缆好RG电缆较厚,可用于蜂窝等大型通信设备。对于蜂窝通信设备,仍有无源互调失真(PIM)主要考虑因素。

高功率多载波系统PIM

随着工作频率和用途的不同,连接器的选择有时会成为实现良好性能的关键因素。当两种载波频率和高信号电平的蜂窝通信设备在传输线路中混合时,就会产生PIM问题。此外,环行器、双工器、衰减器、波导和天线也存在于多载波系统中PIM问题。虽然PIM非线性互调失真导致非线性失真(IMD)信号电平一般较低,但对于高灵敏度无线电应用,由于PIM系统的动态范围性能可以通过干扰通信链路的收发频带来降低,因此被视为一个难以忍受的问题。

PIM主要来源如下:

电热感应PIM(ET-PIM),发生在粗糙表面或金属连接处;顺磁性或铁磁性材料。

虽然隧道效应和非线性电导率等其他来源可能会加剧PIM问题,但已知不是造成的PIM主要因素。

对电热感应PIM根据热阻方程,任何金属表面都可以被视为电阻元件,其电阻是温度和电阻温度系数(TCR)函数。其中,热与电之间的相互关系反映在电能损失引起的材料本身的加热现象中。这种现象取决于材料储存热量的能力(即热容量)及其随着温度的升高而将热量辐射到周围环境中的速度。其自身的加热效应反映在电阻的周期性动态变化中,当材料上施加两个或两个以上的高频信号时,或当有非线性金属接触部分(如接触不足或接触表面粗糙)时,特别明显。热阻可与电容器共同作用,在热域中形成低通过滤波器。当两个载波的拍摄频率落入热力学形成的低通过滤波器的范围时,电阻元件的周期性冷热变化可以发挥无源电热混合器的作用,将基带包络频率变频为射频率,导致PIM 2~3。

电热感应PIM与连接器使用的金属的电流密度,TCR、电导率与热导率密切相关(见表1)。TCR当高热导率材料中的电流密度不高时,产生的PIM较低。在高频下,由于皮肤趋势效应,电流密度会增加。此时,如果同轴电缆的尺寸较小,由于距离中心导体的径向距离较小,电流密度会进一步增加,从而使情况更糟。此外,以下两种情况也会导致PIM进一步加重:金属表面粗糙度大,表面电流分布不均匀;金属表面的微结构缺乏一致性和连贯性,导致流经连接处的电流受到限制。可以看出,连接器越厚,连接就越紧密PIM性能改善越有利。

对于高灵敏度蜂窝系统,其中使用的磁性材料通常是继电热感应PIM第二大之后PIM来源。其中,原因PIM因素是铁磁材料的磁滞效应或铁磁材料在外部交替磁场作用下的不可逆磁化。同轴连接器中常用的铁磁材料是镍和铬PIM来源可以通过仔细选择连接器中使用的基本材料和电镀材料(如电镀黄铜)得到有效遏制。然而,在某些情况下,镍铬比铂的非铁磁性成分更好——例如,镍铬正在改善TCR优于铂4。

温度的影响

幅度波动

同轴电缆会随着温度的升高而物理膨胀,导致插入损耗和相位发生显著变化。此外,当温度升高时,分子振动增加,电子碰撞更频繁,这也降低了金属材料的导电性,增加了损耗。这种现象更常见于导电性较高的材料,因为维德曼–夫兰兹定理(Wiede nn–Franz Law),热导率随着平均粒子速度的增加而增加,但由于振动阻碍了电荷的向前运动,电导率降低。一般来说,纯金属电阻随温度的升高而线性增加。

虽然随着温度的升高,插入损耗不可避免地会增加,但通过材料的精心选择,可以优化相位稳定性。

稳定同轴线缆

相位的不稳定性源于电气长度(即电缆长度相对于波长倍数)的变化。这个问题对大多数系统来说并不重要。然而,对于通过相位实现相位长度或相位干扰的系统(如波束控制系统),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范围至关重要。

相位稳定性用于测量同轴电缆在温度变化和挠度、振动和弯曲时的机械应力(∠S21)能力不变。延迟量与插入相位有以下关系:

其中:f为频率;τ为延迟量,单位通常为纳秒;∠S21单位为插入相位。延迟量与同轴电缆的长度和相对电容率有以下关系:

其中,l是同轴电缆的机械长度。l和εr随着时间的推移而变化。虽然长度一般随温度的升高而增加,介电常数一般随温度的升高而降低,但由于这两种变化一般不成比例,因此不会导致稳定的延迟量和相位。

由于同轴线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)由于固体材料的收缩与电缆的收缩成正比,是因为固体材料的升降与电缆的升降成正比。表2显示了同轴电缆组件中使用的部分材料CTE以及介电常数的温度系数。从表中可以看出,绝缘材料比金属更快。虽然导体的固有刚保持电缆长度不变,但由于金属的弹性模量通常是数百吉帕(GPa),绝缘体的弹性模量很少超过5GPa,因此,膨胀速度较快的绝缘材料受到内外导体的压缩。这种压缩在低温下尤为明显,屏蔽层的收缩会增加介电材料的密度,较终可能改变介电常数(具体情况因材料而异),从而改变电缆的电气长度。如上所述,泡沫介电材料一般对温度变化具有较高的稳定性。

在稳相电缆的应用中,通常需要通过一个以上的电缆分配系统信号。在这种情况下,成组同轴电缆之间的相变必须尽可能接近。在不同的温度和弯曲条件下,可以确保电缆之间的长度εr保持准确的相位匹配。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,为了降低其温度应力,可以在控制条件下进行温度循环预处理。该处理相当于退火介电材料和金属导体,可以降低表面裂纹和内部应力的可能性,导致电缆提前报废。除了温度波动外,弯曲时的偏差是相位不稳定的另一个常见原因。

机械应力

振动、弯曲、挠曲

机械应力可以对同轴电缆的电气性能产生重大影响。电缆在使用过程中可能会因风的切割力或频繁的挠度而振动,同轴电缆和连接器也可能同时受到拉伸力、压力、弯曲力、剪切力和扭转力的共同作用。在所有这些外力中,频繁的弯曲和挠度会增加连接器和电缆连接部件以及屏蔽层的损坏,因此特别不利。虽然从上面的2可以看出,屏蔽材料的应力远远大于*导体和介电材料,但由于护套和介电材料中聚合物的弹性模量低于屏蔽层中金属导体和*导体的几个数量级,因此大大降低了其对弯曲应力的敏感性。由于同轴电缆是为阻抗和连续性设计的正交异性对称结构,因此性轴很可能位于*导体的中心轴上。因此,与屏蔽层相比,*导体的弯曲应力通常较小。由于这个原因,柔性应力应该具有以下特点:

内外导体直径较小,减少整体弯曲应变;非金属层设置在粘贴铝箔、编织层和护套材料之间,以减少摩擦系数;中心导体为多条导线结构,分散各条导线之间的弯曲应力;设置网尾护套或外包层; 防止装甲超过预设的弯曲半径。

这些特性可以减少同轴电缆弯曲时的应变,提高其相位性能。同轴电缆上几乎任何位置的弯曲都会导致连接器与电缆之间的连接部分弯曲,这部分的弯曲会使弹性电缆压缩刚性高的压缩结构,较终导致电缆扭结或护套材料断裂。此外,对于需要在高柔性条件下工作的电缆组件,网络尾护套几乎是必要的。

冲击、挤压、磨损

在安装或日常使用过程中,由于挤压或扭曲,同轴电缆可能会受到剪切力。一般来说,电缆可以承受踩踏时施加的力,但当啮齿动物或车辆被咬伤时,其破坏力足以使电缆变形和报废。一般来说,聚氨酯(PUR)等强护套材料可以保证基本的耐磨性和抗撕裂性。为了进一步提高抗压性,可以设置铠装-互锁金属软管,一般提供优异的抗压性。

总结

在设计同轴电缆时,首先要仔细考虑其具体应用。如果这方面不清楚,设计的电缆可能没有 常工作。低损耗稳相线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。当线缆需要在弯曲和挠曲条件下使用时,其可能需要具有较小的直径,或者设有铠装或网尾套管等用于防止故障的外部构件。与同类RG与电缆产品相比,蜂窝通信设备的低损耗同轴电缆通常较厚,设置低铁磁金属PIM连接器。总之,为了实现延长使用寿命和获得较佳电气性能的总体目标,任何应用程序都需要在电缆制造过程中进行一点调整。

参考文献

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:10.1177/0100302.

2. Wilkerson,J.r.,et al. “Electro-Ther l Theory of Intermodulation Distortion in Lossy Microwave Components,” IEEE Transactions on Microwave

Theory and Techniques, Vol. 56, No. 12, 2008, pp.2717–2725., doi:10.1109/tmtt.2008.2007084.

3. J. R. Wilkerson, I. M. Kilgore, K. G. Gard and M.B. Steer, “Passive Intermodulation Distortion in Antennas,” IEEE Transactions on Antennas and

Propagation, Vol. 63, No. 2, pp. 474–482, February 2015.

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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