高頻低損耗穩相電纜的研制

鞠晨雁，李金明，李炳全，汪元林，岳文娟

(淮南新光神光纖線纜有限公司，安徽 淮南232008)

0 引言

高頻低損耗穩相電纜是同軸射頻電纜領域的高技術產品，它具有衰減小、駐波低、相位穩定等優良的電氣性能，以及尺寸小、重量輕、結構穩定、柔軟性好等優良的物理特性。主要用于相控陣雷達、射電望遠鏡、衛星及導彈的監控以及數字化相敏電子系統等要求穩相指標較高的環境，作為通訊、警戒、制導、導航、電子對抗等通信系統中各種無線電設備的傳輸線，在武器裝備系統中有著十分重要的應用。目前使用的高端穩相電纜組件幾乎全部依賴進口，因此該產品急需實現國產化，以滿足各項重點工程的需求，使我軍在關鍵時刻不至于受制于人。

1 高頻低損耗穩相電纜的研制

1.1 主要技術指標及可靠性要求

以美國MICRO-COAX公司的UFB311A電纜為參照，其性能應滿足:

(1)工作頻率18 GHz。

(2)特性阻抗(50±2)Ω。

(3)試驗電壓5 000 V。

(4)絕緣電阻5 000 MΩ·km。

(5)成品電纜電容≤80.4 pF/m。

(6)成品電纜的衰減分別為:1 GHz≤0.16 dB/m;10 GHz≤0.49 dB/m;18 GHz≤0.69 dB/m。

(7)結構反射損耗:在0.05～2 GHz頻段內應不小于26.4 dB。

(8)成品電纜駐波比≤1.1。

(9)電容穩定性:溫度150℃，－55℃;冷熱交替試驗后，電容相對其初始測試值的變化應不大于5%。

(10)相位穩定性

溫度相位穩定性:在－55～71℃范圍內相位-溫度變化系數ηT的最大值與最小值之差│△η│max應小于500 ppm(500×10－6)。

彎曲相位穩定性:盤徑50 mm，卷繞一周，2 GHz，相位變化值│△φ│≤3°。

(11)屏蔽衰減:1 GHz，不小于100 dB。

(12)電纜應經受－45℃，2 h低溫卷繞試驗，彎曲半徑7D，護套表面不開裂。

(13)老化穩定性:電纜應能經受80℃高溫試驗。

(14)成品電纜重量≤140 g/m。

(15)成品電纜外徑≤7.8 mm。

1.2 重點攻關項目

穩相電纜屬于高技術含量產品，具有頻帶寬、損耗低、均勻性好、相位穩定等特點。穩相電纜的場合不僅要求電纜的相位隨溫度變化極小，而且要求電纜的相位隨彎曲、扭轉、沖擊、震動等機械應力的長期作用的變化也很小，這是十分苛刻的使用要求。根據產品使用的特殊要求，產品研制的關鍵點為:

(1)電纜溫度穩相設計。合適的電纜結構和優越的電纜材料，減小相位變化率。

(2)機械穩相設計。采用特殊的設計和結構形式，使其內導體、絕緣、外導體結構在彎曲時保持穩定，相互之間能結合緊密。

(3)低衰減設計。衰減是射頻電纜最重要的參數之一，它反映了電磁能量沿電纜傳輸時的損耗的大小。不同密度的微孔聚四氟乙烯帶工藝已經成熟，解決的關鍵問題是繞包后絕緣的一致性。

(4)微孔聚四氟乙烯薄膜繞包。微孔聚四氟乙烯薄膜(PTFE微孔帶)質地很軟，經多層繞包后容易造成電纜的絕緣外徑不均勻，一致性不好。因此，繞包PTFE微孔帶后，保證絕緣外徑一致、內部結構均勻成為關鍵技術。

(5)鍍銀銅帶繞包。鍍銀銅帶繞包與PTFE微孔帶的繞包不同，由于鍍銀銅帶的伸率和強度與PTFE微孔帶的伸率和強度差別較大，繞包過程中易出現起褶、卷邊、翻轉問題。因此，保證繞包后鍍銀銅帶與絕緣接觸面光滑均勻成為關鍵技術。

1.3 產品關鍵材料選型

(1)內導體

一般采用圓柱形結構，主要要求是高頻下電阻小，有足夠的柔軟性和機械強度，以及高的尺寸精度。對于穩相電纜來說，內導體主要采用實心和絞線兩種形式。實心圓柱形內導體的特點是加工方便，衰減較小，但其柔軟性及耐震動性較差。當內導體直徑在2.5 mm以上時，采用柔軟性好的絞線內導體。絞線內導體能避免由金屬疲勞而引起的斷裂，但其與實心內導體相比，高頻電阻較大，增加了電纜的損耗。

內導體的形式要根據電纜對衰減、穩相特性、駐波與電纜柔軟性的側重不同來選擇。單根鍍銀銅線有利于衰減、穩相、駐波特性的改善，但會影響電纜的柔軟性;反之，絞合鍍銀銅線有利于電纜的柔軟性的改善，但會影響電纜的衰減與穩相特性。內導體的加工需要選擇高精度的加工設備，選用內導體比實際適當放大，生產絕緣時過模適當拉拔至需要尺寸，確保內導體的材料一致性與尺寸精度滿足要求。按照要求鍍銀銅絲選用2.4 mm，銀層厚度為不小于1.5μm。

(2)絕緣

絕緣是大功率射頻電纜結構中的重要組成部分，它對降低電纜的衰減、提高功率容量、減小波阻抗不均勻性以及增加機械穩定性等，都有非常大的影響。射頻電纜的絕緣結構一般分為實體絕緣、空氣絕緣及半空氣絕緣。根據穩相電纜對相位穩定的要求，所選用的絕緣材料在較寬的溫度范圍內應具有良好的穩定性，同時絕緣材料還要具有較小的介電常數。綜合以上要求，所以選用PTFE微孔帶繞包的絕緣形式。PTFE微孔帶不但保留了聚四氟乙烯的性能優點，同時由于采用了繞包的形式，不但克服了聚四氟乙烯加工工藝復雜的缺點，而且對于穩定性能和制造柔軟型電纜有著絕對的優勢。

(3)外導體及屏蔽層

同軸電纜的外導體起著回路和屏蔽雙重作用。采用的結構主要有編織、管狀、繞包和電鍍等形式。繞包外導體具有衰減低、屏蔽性好、機械強度高、防潮及密封性好等優點;缺點是柔軟性差，允許彎曲半徑大，不宜用于需要經常移動或反復彎曲的場合。鍍銀圓銅線編織外導體主要應用于高頻同軸電纜，但其高頻下衰減相對較大。

穩相電纜采用鍍銀銅帶繞包和鍍銀圓銅線編織組合外導體。鍍銀銅帶繞包具有加工方便、電阻低、屏蔽效果好等優點，主要應用于高頻下，由于集膚效應的影響，電流主要集中在表面鍍銀層，具有較低的衰減，提高了產品的性能。鍍銀圓單線編織結構，雖然高頻下衰減相對較大，但是加工工藝成熟，一致性較好，形成互補作用。根據高頻集膚效應，高頻條件下導電率越高、屏蔽材料越厚，其屏蔽效率越高，為提高高頻屏蔽效果，確定鍍銀層厚度為不小于2.0μm，鍍銀銅帶規格為0.076 mm×3.81 mm。

(4)護套材料

穩相電纜的護套選用聚全氟乙丙烯材料，其具有良好的高低溫特性、較高的機械強度、耐化學腐蝕性、低摩擦系數、高阻燃性，對電纜具有良好的防護性能，可在－85～+200℃廣闊的溫度范圍內長期使用，而且在常溫下比聚四氟乙烯具有更好的抗冷流性，可有效降低電纜外徑和重量。

1.4 關鍵結構及技術設計

用穩相電纜的場合不僅要求電纜的相位隨溫度變化極小，而且要求電纜的相位隨彎曲、扭轉、沖擊、震動等機械應力的長期作用的變化也是很小的，這是十分苛刻的使用要求。反復彎曲、扭轉、震動等機械應力長期作用會造成內導體和外導體的機械硬化，使電纜的物理長度發生變化，從而引起相位的變化，外導體結構以及電纜各部分之間在彎曲等機械應力作用下發生尺寸變化或位移也會導致電纜的相位變化。因此高機械穩相的射頻電纜必須采用特殊的設計和結構形式，其內導體、絕緣、外導體結構應在彎曲時保持穩定，而且相互之間能結合緊密，從而保持電纜的結構穩定性，以達到相位不隨彎曲、扭轉、沖擊等機械應力而變化的目的。

1.4.1 電纜穩相設計技術

在射頻條件下，同軸電纜的相移常數可用如下簡化公式來計算，即:

式中:β為相移常數;ω為角頻率;L為電感(線路長度上);C為工作電容;f為頻率;εD為等效相對介電常數。

應該注意，電纜的相移常數是與電纜尺寸無關的，它僅僅取決于電纜中使用的介質，而且是隨頻率升高而正比增大的。

(1)溫度引起的相位變化

穩相電纜要求其相移不隨溫度、壓力等環境因素影響而變化。在環境因素中最主要的是溫度的變化。環境溫度的變化會引起電纜幾何長度及絕緣的等效介電常數的變化，從而引起電纜的相移變化。同軸電纜每升高1℃所引起相移的相對變化通常稱為相移溫度系數，這是穩相電纜的最重要的指標。

電纜的相位變化率取決于電纜的結構與介質材料的變化。電纜的等效介電常數隨溫度的變化，取決于介質材料的線膨脹系數以及絕緣層的結構。

(2)彎曲、扭轉、沖擊引起的相位變化

機載相控陣雷達、相敏電子戰系統及矢量網絡分析儀之類應用場合，不僅要求電纜的相位不隨溫度而變化，而且要求電纜的相位不隨彎曲、扭轉、沖擊、振動等機械應力的長期作用而變化，這是十分苛刻的使用要求。反復彎曲、扭轉的機械應力的長期作用會造成內導體和外導體的機械硬化，使電纜的物理長度發生變化，從而引起相位的變化，外導體結構以及電纜各部分之間在彎曲等機械應力作用下發生尺寸變化或位移也會導致電纜的相位變化。

因此，高機械穩相的射頻電纜必須采用特殊的設計和結構形式，其內導體、絕緣、外導體結構應在彎曲時保持穩定，而且相互之間能結合緊密，從而保持電纜的結構穩定性，以達到相位不隨彎曲、沖擊、扭轉等機械應力而變化的目的。

一般銅帶繞包外導體在彎曲震動時會由于滑動而產生間隙，引起電纜的介電常數ε的變化，從而引起傳輸參數變化，采用超薄繞包使其緊貼絕緣層，外面再用鍍銀圓線編織加以緊固，使整根電纜成為一體，從而保證在受機械彎曲和震動時能保持相位穩定。

1.4.2 低衰減設計

在射頻下，同軸電纜的衰減α通常可用下式表示:

式中:αR為導體電阻損耗引起的衰減分量，稱為導體衰減;αG為介質損耗引起的衰減分量，稱為介質衰減;R為有效電阻;G為絕緣電導;ZC為波阻抗。

從上式可見，當特性阻抗已知時，導體衰減和介質衰減是降低衰減的兩大主要因素，αR決定于內外導體所采用材料的特性和電纜的幾何尺寸。在內外導體所采用材料的特性和電纜的幾何尺寸確定的情況下，可供調節的因素只有αG，也就是介質損耗引起的衰減分量。用空氣作為絕緣從降低衰減這個角度考慮是比較理想的，但從保證電纜結構的機械強度和足夠的穩定性角度考慮就需要引入別的介質，在這種情況下空氣所占比例越多越好。在電纜使用頻率很高的前提下，從等效的介電常數和介質損耗角正切值角度出發，選用PTFE微孔帶繞包絕緣應是首選，繞包絕緣中所用的不同密度的PTFE微孔帶工藝已經成熟，市場能夠穩定提供相關產品。目前的關鍵問題是繞包后絕緣的一致性問題。

導體材料為鍍銀銅線的情況下，衰減α計算如下:

式中:ks為絞線引起射頻電阻增大的系數，一般可取1.25;kb為編織引起的衰減增大系數，取2.2;k1為絞線的有效直徑系數，取0.97或1.0;d為內導體等效直徑;D為絕緣直徑(屏蔽內徑);tgδ為等效介質損耗角正切值，取2×10－4。

1.4.3 PTFE微孔帶繞包技術

絕緣采用多層對縫繞包形式，由于PTFE微孔帶質地很軟，容易造成電纜的絕緣外徑不均勻，對縫一致性不好，影響了產品的阻抗、衰減、電壓駐波比等性能。解決的辦法是有針對性地對繞包設備進行改進，盡可能減小繞包張力并使其保持相對穩定，減少包帶在繞包機上的彎曲次數，減小繞包機牽引的張力，在繞包過程中盡量避免對微孔PTFE絕緣層的機械損傷，使材料的寬度、厚度保持一致。

PTFE微孔帶不同于擠出發泡，它是開孔發泡，透氣、不透水，正好與聚四氟乙烯半定向帶相反，車間應嚴格控制濕度，防止繞包過程中帶子受濕，導致介電常數不均勻，引起阻抗、衰減、電壓駐波比等指標發生變化。

采用進口盧卡斯繞包設備，通過紅外激光測量實際帶盤外徑來導出帶子張力，保證繞包的包帶張力在一定范圍內可調、穩定，盡可能減小繞包過程中PTFE微孔帶產生的拉伸變形，繞包成形后保持繞包層密度穩定。

1.4.4 鍍銀銅帶繞包技術

鍍銀銅帶繞包與常規的塑料薄膜的繞包有所不同，由于鍍銀銅帶與塑料薄膜的伸率和強度差別較大，在繞包過程中容易出現起褶、卷邊、翻轉等問題，因此需選用合適的繞包機進行繞包頭改造，使繞包的包帶張力可調、穩定，進一步提高設備的繞包節距調節精度，使其能用于金屬帶的繞包。

由于鍍銀銅帶在受壓變形后不能自行恢復，因此需要適當調整加工過程中設備個別部分對電纜的拉力和壓力，避免對繞包后的鍍銀銅帶造成機械變形損傷，使其能滿足鍍銀銅帶的繞包加工要求。

1.5 高頻低損耗穩相電纜結構

設計的高頻低損耗穩相電纜的結構見圖1。

圖1 電纜截面示意圖

2 高頻低損耗穩相電纜性能測試

電纜經檢測驗證，其結構尺寸、性能指標均達到了設計要求，產品主要性能實測值與技術要求的對比見表1。較，克服了絞合束線相鄰銅絲相互間斷的問題(尤其是在電纜遭受拉伸或扭轉的情況下)，并通過比絞合線束更強的抗剪切及磨損能力將電纜耗損減至最小。

表1 電纜主要性能實測值與要求對比表

圖3 復合編織結構實物圖

(3)絕緣、護套

該電纜的絕緣、內護套、外護套材料的選取及性能指標要求比較高，材料的抗拉強度高，絕緣表面光滑，便于滑移。線芯護套外搭蓋繞包的一層各色阻燃帶，作為標識的同時便于控制線芯滑移。該帶材具有良好的機械強度和韌性，不脆斷。護套內放置網狀纖維編織加強層，提高了護套的抗拉強度和抗撕性能;內外護套、纖維加強層之間能夠緊密粘接，更加利于補強。

3 國產電纜的改進方向

通過以上全面剖析，可看出虎牌采煤機電纜不是僅從控制線芯單方面來考慮斷芯問題，而是同時考慮材料性能和結構設計，這種思路是值得借鑒的。因此我們應當從以下幾個方面著手來提高國內采煤機電纜的制造水平:

(1)由于電纜結構中動力線芯、控制線芯、地線芯的結構是不一樣的，要使導體線芯的單絲伸長率和線芯束合張力控制都均勻，這就需要充分考慮設備的精度、工藝工裝的改造、材料的性能指標以及操作者的實際水平。

(2)控制線芯擠制包覆層后繞包阻燃帶，護套內加入纖維加強層，能夠緊密粘接，更加有利于補強作用。

(3)絕緣料、護套料的配方要精細，便于不同采煤機電纜能應用不同性能指標的配方，努力使我們的設備、工藝向虎牌電纜的靠攏。

(4)導體的節距、成纜節距要相互匹配，通過模擬電纜的實際使用情況來分析導體的變化。

4 結束語

通過對比虎牌采煤機電纜，發現國內煤礦電纜的生產廠家主要是在控制線芯結構上下功夫，但國外電纜企業對此并沒有特別關注，而是從電纜的整體結構、各層工藝的控制以及材料性能指標上綜合考慮，不是從“點”上解決問題，而是從“面”上控制整體工藝。這種設計思路值得國內企業學習借鑒。

如何提高采煤機電纜的使用壽命，這是一個系統的課題。首先應真正了解采煤機電纜的使用環境和用戶的需求，電纜制造企業要從桿材、拉絲、鍍錫等工藝的細節入手，綜合考慮電纜的結構設計及選用的材料性能，實現生產的精細化控制，從而保證所做的產品達到最優。

［1］ICEA S-75-381/NEMA WC-58 Portable and power feeder cables for use in mines and similar applications［S］.

［2］MT 818—2009煤礦用電纜［S］.