优质大规格耐高温低损耗同轴电缆介绍

随着我国国民经济的快速发展，电子通信领域的日新月异，以及我国航空航天事业和国防工业等方面的实力不断增强，对与此相配套的电子元器件的要求也相应提高，因此对机载通信设备的重要元器件之一的同轴电缆也提出了更高的要求。由于布线时机载通信同轴电缆距离发动机较近，需承受180～200℃ 的高温，因而要求其应具有耐高温、传输损耗低、屏蔽性能好(尽量减少电磁干扰)、使用频带宽(截止频率一般在3 GHz以上)、相对质量轻等特性。以往此类的大规格同轴电缆基本依赖进口，而且数量较大(年进口量在100 km 以上)，所以制造大规格耐高温低损耗同轴电缆具有较大的现实意义。

1 电缆的结构设计及选材
        根据用户需要，我们展开了SFCFK一50—12—51型大规格耐高温低损耗同轴电缆的研制，但其提出的技术指标中，对电缆的衰减、屏蔽性能、工作温度范围、电压驻波比、截止频率等都有非常高的要求。根据以往的电缆设计制作经验，本电缆的技术加工，尤其是电缆的绝缘及外导体的设计和加工难度较高。图1为本电缆的结构示意图，其内导体采用镀银铜包铝线，绝缘采用微孔聚四氟乙烯带绕包的结构形式，外导体采用镀银铜带绕包+镀银圆铜线编织的结构形式，护套采用可熔性聚四氟乙烯(PFA)。
 
    1.1 内导体的选材和结构设计
        考虑到本电缆应用于机载设备，因而在保证其传输性能的前提下，尽可能地减轻电缆质量。由于内导体的质量占整个电缆质量的比例较大，所以减轻内导体质量就成为减轻电缆质量的关键。为满足本电缆轻质和传输损耗小的要求，我们选用了单根镀银铜包铝线作为内导体，其原因在于：
        a.单根导体的结构形式可以***大程度地减小内导体的导体衰减。
        b.在铜包铝线表面镀银可以降低电缆的高频损耗，以及防止导体表面在高功率运行时氧化。
        c.铜包铝线可在大大减轻电缆质量(可减轻内导体质量40%以上)的同时，保证其高频传输性能与采用实心铜线时完全相同。
        d.从经济角度考虑铜包铝线比纯铜线更节约成本。
    1.2 绝缘的选材和结构设计
        由于电缆的介质损耗与介质的介电常数的算术平方根以及介质损耗因数成正比，因此在电缆绝缘材料选择时应尽量选择介电常数和介质损耗因数较小的材料。 另外出于对电缆耐高温的考虑，在选择绝缘材料时，应使用耐温等级较高的材料。表1为常用介质材料的等效介电常数及耐温等级，可见氟塑料类材料较为适宜，其中微孔聚四氟乙烯具有非常优良的电气性能，而且耐温等级也非常高，非常适合作为本电缆的绝缘介质。我们***终确定绝缘采用微孔聚四氟乙烯带绕包。
 
    1.3 外导体的选材和结构设计
        射频电缆外导体的常见结构有编织外导体、管状外导体、皱纹管外导体、金属带绕包外导体等。管状外导体和皱纹管外导体的传输损耗较小、屏蔽效果较好，但弯曲性能差，如果发生小半径弯曲，会导致外导体形变，而且无法恢复；编织外导体的弯曲性能较好，但传输损耗较大，而且屏蔽性能较差。金属带绕包+圆线编织的外导体结构形式综合了其他几种结构形式的优点，具有传输损耗较小、屏蔽效果较好、弯曲性能较好等优点，既可以满足电缆的电气性能，又能满足其弯曲性能。因此，我们***终确定本电缆的外导体采用镀银铜带绕包+镀银圆铜线编织的结构形式。
    1.4 护套的选材
        由于本电缆所要求的耐温等级较高，故应采用氟塑料护套；且从加工角度考虑，聚全氟乙丙烯(FEP)和可熔性聚四氟乙烯比较易于加工；又因为电缆的外径较大，从而对护套材料的物理性能(如抗应力开裂)要求较高，而可熔性聚四氟乙烯的抗开裂等性能指标都优于FEP。因此，我们采用可熔性聚四氟乙烯作为本电缆的护套材料。

2 电缆的制造工艺及关键技术
    2.1 内导体的制造
        由于本电缆的电压驻波比(VSWR)指标小于1.25(6 GHz以下)，这对电缆制造的均匀性及一致性提出了较高的要求，所以在制造时应对各个工艺环节加以严格控制。为降低电缆的VSWR，在内导体制造时，铜包铝线应选择直径略大于设计要求的直径(4.8 mm + 0.05 mm)，镀银时应保证其银层厚度达到3～5μm，用钨钢拉丝模(模具孔径为4.8mm)拉丝时应保持收线速度均匀，收线速度控制在0.5～1.0 m／s。这样可以使内导体表面光滑，外径均匀，从而在内导体这个环节上***大程度地降低电缆的VSWR。
    2.2 绝缘的制造
        由于本电缆的外径较大，所以聚四氟乙烯带的绕包层数也相应增多，另外，为满足电缆绝缘等效介电常数的要求，需采用不同种类、规格的聚四氟乙烯带进行绕包加工，因此加工工艺较难控制。在本电缆绝缘的研制过程中，我们采用了正交试验设计方法进行了微孔聚四氟乙烯带绕包绝缘的优化设计。正交试验设计方法是分式析因设计方法之一，其是在析因设计要求的实验次数太多时，从析因设计的水平组合中，选择一部分有代表性的水平组合进行试验。正交试验设计方法具有有效率、快速、经济的特点。我们将等效介电常数等指标作为试验研究过程的因变量，将影响微孔聚四氟乙烯带绕包加工的诸多因素(如宽度、厚度、定向度等)作为试验研究过程的自变量，将上述试验中因素所处的具体状态或情况定为不同的水平(或等级)，进行了本电缆绝缘制造工艺的正交实验设计。
        把以上的诸多因素进行分组试验，然后比较试验结果，找出了影响电缆绝缘性能的主因及次因，确定了***佳的绝缘绕包的工艺参数，并在实际生产中加以应用，***终使电缆的各项电气性能指标有了较大的提高。
    2.3 外导体的制造
        本电缆外导体结构是镀银铜带绕包+镀银圆铜线编织，其难点是镀银铜带的国产化、镀银铜带的精密复绕以及编织设备的技术改造。
        2.3.1 镀银铜带的国产化
        现阶段我国镀银铜带仍依赖进口，其价格昂贵且供货周期较长，基于节约成本以及今后批量生产的考虑，须***解决镀银铜带的自主生产制造这一关键问题。实现镀银铜带的国产化的瓶颈主要是铜带的镀银以及退火。
        在铜带镀银时，应注意以下方面:
        a.裸铜带在镀银前须***经过酸洗，将铜带表面的氧化层清洗干净。根据铜带厚度以及表面光洁度的不同，酸洗液的浓度也应该随之调整。
        b.保持电镀设备收放线的一致性，以保证镀银铜带在收线时排列整齐。如果设备收放线的一致性不好，就会出现铜带被拉断或者卷边的现象，从而影响镀银铜带的质量。
        在退火时，应先将镀银铜带松圈，使镀银铜带处于松散的状态，再将其放入真空退火炉中。先将真空退火炉内的空气排出，再充入保护气体(如氮气)，至0.01 MPa(0.1大气压)，然后将真空炉的温度加到350℃，并保持数小时(具体时间根据炉内镀银铜带的数量来确定)，随后将其加热开关关闭，使其自然冷却。待炉内温度冷却至室温，充入保护气体使炉内外压力相同，再将真空炉打开，将镀银铜带取出。这样，镀银铜带的整个镀银以及退火的过程就完成了。经过以上工艺处理的镀银铜带可以完全满足本电缆加工及生产的要求。
        2.3.2 镀银铜带的精密复绕
        由于本电缆的绝缘外径和镀银铜带的规格都较大，所以在镀银铜带复绕时与绝缘之间需要保持较大的张力，如果不采取措施就会使电缆在复绕时的摆动幅度过大，镀银铜带绕包节距的公差变大，导致镀银铜带的复绕精度下降，从而影响电缆的电气性能。为解决镀银铜带在复绕过程中存在的这一问题，我们设计并制作了“复绕托具”，十分有效地控制了电缆的摆动幅度，使复绕精度提高l5％～20%。
        2.3.3 编织设备的技术改造
        由于本电缆的外径尺寸较大，在编织时需要足够的张力来牵引芯线，因此原有的编织设备不能够满足本电缆加工生产的需要。我们在原有编织设备的基础上进行了技术改造，首先在编织机的收线装置中加装控制张力的电机，使收线张力便于调节，再将排线用的螺杆调换成螺距较小的螺杆，使排线间距减小，便于排线整齐。经过以上的技术改造，编织机的收线张力变得更加均匀，排线更加整齐，起到了防止电缆变形的作用。
    2.4 护套的制造
        由于本电缆的规格较大，为保证挤塑时的出胶量应使用φ60以上的高温挤塑机。同时为防止电缆因张力过大而产生形变，在挤塑时应采用被动放线。在挤塑的过程中，应保持收线速度均匀、恒定，收线速度控制在10～12 m／min，另外在整个挤塑的过程中还应保证电缆及周围环境的清洁。

3 电缆的性能测试
        我们对所设计的SFCFK一5O一12—51型射频同轴电缆进行了一系列的性能测试，并将测试结果与SYFY一50—12～3泡沫聚乙烯绝缘皱纹管外导体电缆和国外******电缆进行了对比，如表2所示，可以看出本电缆的性能完全满足预先设定的指标，并且优于其他同规格的电缆。
 
        大规格耐高温低损耗同轴电缆可用于通信系统的信号传输，具有高屏蔽、低损耗、大功率、工作温度范围宽等优点。我们研制的此类产品现已达到当前******xj****水平，可代替******进口电缆，推广应用前景十分广阔。