同軸射頻物理發泡電纜制造工藝分析

姜春艷

（江蘇廣播電視大學，南京 210017 ）

0 引言

隨著社會信息化的不斷深入，通信事業迅速發展，集電視、通信、廣播和數字傳輸于一體的多功能雙向系統，在發達國家已經廣泛使用；而我國正朝這個方向不斷發展[1]。

同軸射頻物理發泡電纜因其回波損耗小，衰減小，接收頻道寬，能在1GHz的高頻下正常使用，目前是被廣泛應用的傳輸媒介，盡管越來越多的人們開始青睞光纖光纜，但由于目前光纜的分支分配技術難度比較大以及經濟上的原因，光纖光纜多用于長距離傳輸，分配網絡仍以同軸電纜為主。

在目前的移動通信領域內，射頻同軸電纜仍然是不可替代的傳輸媒介；但是隨著移動通信的不斷快速發展，特別是現在第二代和第三代移動通信技術的推廣、傳播和應用，對于射頻同軸電纜，就提出了更高的要求[2～4]。

基于上述原因和出發點，本文介紹了同軸射頻電纜的傳輸模型、物理發泡絕緣纜芯的結構以及物理發泡絕緣工序對于參數的影響，從工藝的角度闡述了物理發泡電纜制造應該注意的事項和問題。

1 同軸射頻電纜參數

電磁波如果在理想的同軸電纜中傳輸時，由于內導體和外導體電磁場的互作用，會使同軸電纜外面的電磁場等于零。在集膚效應和鄰近效應共同作用的影響下，同軸電纜回路中的電流分布主要集中在外導體的內表面和內導體的外表面，并且頻率越高，電流分布集中的情況就越嚴重[2,3,5]。

根據電磁場理論，射頻同軸電纜在實際應用中涉及的主要參數有特性阻抗、衰減常數、等效介電常數、電容和電壓駐波比等[2,3]。

1.1 特性阻抗

特性阻抗是射頻同軸電纜的主要參數，電纜在使用時線路阻抗的匹配與否對于傳輸質量的影響很大；當線路阻抗不匹配時，傳輸效率差，而當線路阻抗比較匹配時，由于沒有能量反射，因而具有最好的傳輸效率[2～4]。

在生產中，為保證電纜的特性阻抗值，介質的介電常數及發泡度是通過控制單位長度的額定電容來實現的[4]，為使傳輸損耗盡可能低，系統中使用射頻同軸電纜的特性阻抗為50Ω[2,3]。

1.2 等效介電常數

等效介電常數包括混合絕緣料的等效介電常數εθ、發泡聚乙烯等效介電常數εr、絕緣料發泡態等效介電常數ε發泡[2,3]。

1）混合絕緣料的等效介電常數εθ（采用體積加權計算）

其中：εi– 絕緣料介電常數 (實心態 )， vi– 絕緣料混合體積

2）發泡絕緣料等效介電常數εr

其中：P—發泡度。

3）絕緣料發泡態等效介電常數ε發泡

1.3 衰減常數

衰減常數是同軸射頻電纜的主要電氣性能方面的參數，它主要是反映電磁波能量沿著電纜傳輸時的損耗大小，是產品質量的重要考察指標之一，通常來說，為了使得損耗減小，就必須要求電纜有盡可能小的衰減常數[2～4]。

射頻同軸電纜的衰減常數由導體衰減和介質衰減兩部分構成[2,3]。

1.4 電容

電容C在電纜制造和工程應用中是一個重要的參考數據，其計算公式如下[3]：

1.5 等效介質損耗角正切

等效介質損耗角正切值包括絕緣料混合等效介質損耗角正切、絕緣料發泡等效介質損耗角正切、絕緣料發泡態等效介質損耗角正切[2,3]。

1)絕緣料混合等效介質損耗角正切tanδr：(采用體積加權計算)

其中：tanδr—絕緣料介質損耗角正切，Vi—絕緣料混合體積。

2)絕緣料發泡等效介質損耗角正切tanδθ：

1.6 電壓駐波比（VSWR）

電壓駐波比作為考察物理發泡聚己烯絕緣射頻同軸電纜的主要參數之一，其數值的高低直接決定了產品的質量[6]。

反射系數：

回波損耗：

電壓駐波比：

由于同軸電纜導體、絕緣體等存在偏差，在線路上每一點的阻抗也就存在偏差，從而引起輸入到線路中的信號發生折射與反射，如果存在著周期性不均勻性現象，會使反射信號增加，嚴重影響傳輸性能和影響性能[3]。

2 物理發泡絕緣纜芯的結構

絕緣纜芯的結構采用“內皮層（也稱為內薄層）—發泡層—外皮層（也稱為外薄層）”三層結構，其中中間發泡層可以達到80 %以上的發泡度，在保持外徑不變的情況下，如果適當地增加內導體的直徑，可以降低導體衰減，使電纜具有低衰減、大功率。

一般采用銅包鋁、銅管或者皺紋銅管來制備絕緣纜芯的內導體，而且所采用的銅導體應該是高電導率的無氧退火銅材，并要應保證其表面的清潔，這樣可以減少金屬導體衰減，保證傳輸的質量。

內皮層、發泡層和外皮層在整個結構中具有其各自的特殊功能：對于內皮層來說，其功能主要是用來黏連發泡層和內導體，保證纜芯的使用壽命，保證發泡層與內導體的緊密結合，從而使電纜的縱向密封防潮能力增強；而外皮層是用來提高發泡層的強度和光潔度，同時應具有較好的防潮防水性能；發泡層采用先進的氣體發泡工藝，將氮氣高壓注入熔融狀態的聚乙烯料中充分混合，制得具有泡孔細小、分布均勻且相互隔離的發泡絕緣層，使得電纜具有優異的電氣性能和防潮密封性能[2,3,5]。

另外，考慮到電纜必須要達到一定的機械強度，因此發泡層的聚乙烯材料采用高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）加成核劑按一定的比例組成，其介電常數為三種材料的混合。在發泡過程中高密度聚乙烯和低密度聚乙烯所起到的作用不同：高密度聚乙烯發泡時，氣孔大剛度好，但成型較困難，而且氣孔大影響了絕緣的一致性；低密度聚乙烯發泡時，氣孔小，柔軟性好，容易成型，絕緣的一致性好，但是其強度和剛度較差。由于介質衰減與絕緣纜芯的等效介質損耗角正切值有關，并且成核劑所占的比例很小，所以可以近似地只考慮高密度聚乙烯和低密度聚乙烯兩種混合料的介質衰減與絕緣纜芯的等效介質損耗角正切值。因此從該正切值對衰減的影響來看，為了取得較好的衰減，在高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的配備比例上，應該減小高密度聚乙烯所占的比例[2,3]。

3 制造工藝分析

所謂物理發泡，就是采用高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和成核劑三種物質按照一定的配比混合，將合適壓力下的氮氣或二氧化碳溶解于具有適當壓力的處于熔融狀態的聚乙烯絕緣料的混合物中，形成細微、均勻的泡孔結構，通過擠塑設備擠出均勻穩定的泡沫絕緣層[7]。

3.1 擠出機工藝控制方面

均勻的泡孔結構是制備物理發泡絕緣材料的前提和基礎[8]；因此擠出機各個區間的溫度、注氣壓力、絕緣外徑參數控制和擠出機模具的設計尺寸等等會成為影響絕緣纜芯質量的關鍵因素，也是物理發泡絕緣工藝的控制難點和技術難點。

3.1.1 溫度控制

一般來說，擠出機熔融段的溫度設置相對較高，通常在160℃～200℃之間，以確保進入擠出機的絕緣料充分熔融，但是在注入高壓氣體之后則要設置較低的溫度，通常在150℃～160℃左右，其目的是使熔化后的絕緣料與氣體充分混合并形成穩定、細密的泡沫結構。熔融段溫度如果過高，黏度下降，彈性增大，泡孔成長容易，但泡孔生長過度又會產生泡孔合并現象，從而產生大泡孔；而如果熔融段溫度過低，則氣泡生長的臨界壓力值升高，不利于達到高發泡度[2,3]。

3.1.2 注氣壓力

注氣處熔融體的壓力與注氣壓力的大小會直接影響發泡度的大小，并且注氣壓力必須大于熔融體壓力[2,3]。

發泡氣體一般采用高壓氮氣（N2）或二氧化碳（CO2）。熔體對N2和CO2具有較高的溶解度，可以保證電纜滿足電氣性能所需要的發泡度[8]；而目前一般使用CO2作為發泡氣體，因為它能更好的溶解于熔融絕緣體中，氣孔的結構也更均勻細密，達到比N2更高的發泡度[2,3]。

3.1.3 絕緣外徑參數

絕緣電纜的直徑可以通過調節螺桿和齒輪泵的轉速、牽引張力等方式來間接調節。射頻同軸電纜纜芯對同心度的要求較高，因此擠出機采用三層共擠或兩層共擠十字機頭，同時機頭發泡模具的設計也非常重要，一般采用擠壓式模具或擠管式模具。

3.1.4 模具設計尺寸

模芯的內徑要與內導體存在一定的間隙，保證覆蓋在內導體表面的內皮層能夠順利通過模芯，但是間隙也不能過大，過大的話容易導致偏心，同心度降低。而模芯與模套的間隙應較大，以使發泡絕緣體與內皮層緊密黏連。

3.2 內導體工藝控制方面

在射頻同軸電纜的制造過程中，一般內導體采取主動放線的方式來制造，主要是通過設定內導體合適的張力來控制內導體結構、尺寸以及電氣性能在長度方向上的均勻性；同時應避免由于排線、設備或其他裝置導致內導體周期性彎曲或非周期性的彎曲、變形和損傷等。

通過矯直后，內導體進入拉絲、清洗流程，主要目的是除去內導體表面的毛刺、氧化層等，內導體表面的氧化層會增大導體衰減，影響電壓駐波比。

內導體進入擠出機前，應進入合適的預熱；溫度過低，會導致絕緣層縮大，內導體與內皮黏接不好，縱向密封性差、溫度過高會使絕緣層內不產生大泡孔。

3.3 冷卻工藝控制方面

由于絕緣泡沫導熱性低，冷卻固化方式也很重要。對于大規格泡沫絕緣，反復冷卻非常重要。過快的冷卻可能導致內導體周圍出現大的泡孔甚至通孔[8]。

另外，冷卻水槽應保證電纜芯要先經過熱水槽后經過冷水槽，分段冷卻纜芯。避免電纜芯因冷卻水槽溫度不合適，而造成纜芯橢圓、偏心、表面粗糙、收縮過度變形等。一般絕緣纜芯外徑大，對水槽溫度很敏感，特別是在室溫較低時，各段水槽的溫度應逐漸降低[2,3]。

4 結束語

本文就無線通信用射頻同軸電纜的物理發泡絕緣纜芯對電纜參數的影響進行分析，通過建立相關的電氣模型，在理論上指導工藝生產。在物理發泡絕緣纜芯的工藝控制過程中，將理論分析與具體的設備以及實際使用的原材料的特性結合，最終制定出合適的工藝方案。在生產過程中，影響物理發泡絕緣纜芯性能參數的因素很多，可先解決主要影響因素，再對次要因素進行調整。

[1] 孫素文.物理發泡射頻同軸電纜[J].電線電纜, 1992.6:11-14.

[2] 李西林.同軸射頻物理發泡電纜制造工藝分析[J].科學之友, 2010.6: 20-21.

[3] 賀光武, 張曉勇.射頻同軸電纜的物理發泡工藝研究[J].網絡電信, 2006.8(10): 49-51.

[4] 王順虎.擠壓式鋁管外導體物理發泡射頻同軸電纜的設計制造及鋁管缺陷分析[J].有線電視技術, 2002.9(1), 95-98.

[5] 麻銀謙.采用新導體材料的物理發泡射頻同軸電纜[J].電線電纜, 1997.2: 26-28.

[6] 余強.影響物理發泡聚乙烯絕緣射頻同軸電纜電壓駐波比的因素分析[J].現代有線傳輸, 2004.1: 18-20.

[7] 竇月梅.大規格射頻同軸電纜的物理發泡絕緣二次擠塑[J].現代傳輸, 2009.4: 55-58.

[8] 李保安.新型無線移動通信用物理發泡絕緣同軸射頻電纜[J].光纖與電纜及其應用技術, 2002.2: 20-27.