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同轴电缆中有什么?

发布日期:2019-11-25   作者:小天   来源:www.twl-link.cn   编辑:天科乐   访问量:558

它们是射频/微波行业的备用设备,因为它们连接了至关重要的组件,从日常生活中的智能手机和笔记本电脑到军事和航空航天业的雷达和GPS对于几乎每种应用,在保持足够的信号完整性的同时将信号从一个电缆组件传输到另一个电缆组件都具有挑战性。添加复杂且动态的信号路径需要一个灵活的平台,以适应多种环境和应用。著名的工程师和数学家Oliver Heaviside提出了解决该问题的一种方法。1880年,他为屏蔽电报传输线的设计申请了专利。


1929年,为克服Heaviside设计的局限性,贝尔实验室的Lloyd EspenschiedHerman Affel开发了带有空气状介电垫片的宽带同轴电缆。自本发明以来,同轴电缆技术在材料和性能上都取得了进步,从而为各种RF /微波/毫米波互连问题提供了解决方案。

多种同轴电缆符合不同的电气和机械性能标准。频率和功率要求决定了同轴电缆的物理尺寸。


同轴电缆的最基本版本由中心导体组成,该中心导体通过类空气介质与圆柱对称导电屏蔽层机械隔离。圆柱内导体的几何形状允许在最大截止频率以下的电磁(EM)信号在导体之间的分隔空间内产生横向电磁(TEM)波(或具有垂直磁和电成分的EM波) 。

对于超出截止频率的信号,波长的大小足够小,以生成非垂直的横向电(TE)和横向磁(TM)波导模式。这些附加模式会降低信号完整性和性能。通常,同轴电缆的直径越大,截止频率将越低。功率处理能力也会随着尺寸的增加而增加。由于同轴电缆内TEM模式波的敏感性,所有电缆的几何成分在整个传输线上必须保持一致。否则,信号将遭受各种劣化的反射和相位变化的影响。工程师必须考虑电缆组件,就好像它只是另一个微波组件一样。设计通常需要工程师花费数十万美元才能获得精密放大器,

如果操作不正确,布线会严重影响系统性能,” Ellis继续说道。有些人认为诸如PVC管道之类的电缆组件,好像所有电缆都是从A点到B点的信号。选择或布线时,如果不考虑布线,就会损害性能。这就是为什么电压驻波比(VSWR),插入损耗,相长和其他性能特征都非常关键的原因,也是为什么客户在购买高端布线产品时要求很高的原因。

用于构造同轴电缆的材料可能会根据振动,温度,湿度,电流,挠曲和应变而在电气上发生变化。这种变化会影响电缆的性能。此外,还有趋肤效应,这是一种物理现象,描述了随着信号频率的增加,在导体表面附近传播的电子的分布增加了。趋肤效应使沿同轴电缆传播的信号容易受到导体表面光洁度的影响。

作为这些敏感性的产物,同轴电缆设计人员已经开发出先进的做法和材料,以确保尽可能高的性能,同时满足成本,重量,灵活性,损耗和坚固性的需求。

同轴电缆中的介电垫片至关重要,因为它保持了两个导体的同轴几何形状,并带来了更多的挑战,即要表现得尽可能像空气。呈空气状意味着具有接近相同的空气磁导率μ/μ0和介电常数ε/ε0(或εμ大约为1,这两者都是材料的损耗角正切δ的成分)。

由于极少的材料具有与空气相同的电和磁性能,因此减少干扰电介质使用量的技术很普遍。此类技术包括以下用途:高空气含量的膨胀塑料泡沫;螺旋绝缘垫片 捕获空气的电介质带;和设计得更像空气的材料。

为了保持电介质的空气状机械和热性能,许多投资集中在塑料的化学材料开发上。最初,由于铁氟龙具有高度的电稳定性,因此将铁氟龙的实心管用于同轴电介质。它还具有低成本的高耐化学性和耐热性。然而不幸的是,特氟隆在室温下流动。结果,它在低成本应用中已被聚四氟乙烯(PTFE)泡沫或尼龙材料所取代。

在相稳定性和传播速度(VOP)方面,其他材料(例如挤出的含氟聚合物树脂)提供的性能优于PTFE。铁氟龙和尼龙电介质的相速度通常在70%的范围内。相反,PTFE膨胀的空气电介质可以达到80%的中低范围,而含氟聚合物树脂的相速度在80%的较高范围内。

同轴电缆的中心导体可以根据应用由多种样式的多种导电材料制成。传统的中心导体是一条简单的实心铜线,延伸到整个同轴电缆。为了通过权衡高频性能来增加电缆的灵活性,可以使用编织的或绞合的中心导体。可以将电镀金属(例如铝,钢,银或锡)与铜一起使用,以减少中心导体的重量和成本。

这种方法还可以确保在较高的频率下保持良好的电气性能,因为表面导体主要是铜。在某些应用中,中空金属中心导体可用于减少重量和成本,同时增加柔韧性。然而,该解决方案特定于不需要在低频下传输高功率的高频应用。

将与中心导体上使用的技术类似的技术应用于外部导体,以减少重量和成本。设计师还努力提高灵活性并减少环境压力。因为外部导体用作电信号的返回路径,所以在大多数应用中必须保持足够的厚度以防止信号路径的泄漏/干扰。但是,为固体外部导体保持足够的厚度会增加重量,同时会降低柔韧性。结果,已经开发了编织,绞合和缠绕的方法以提供足够的保护和性能。

对于诸如有线电视之类的低成本应用,最少的编织用于减少成本,重量和尺寸。戈尔微波电缆产品公司首席电气工程师Paul Pino表示:电缆制造商根据性能,成本和可制造性目标使用多种材料类型。中心导体通常为镀银铜,但也可使用镀锡铜。镀银铜包铝用于轻型应用。同轴屏蔽可以是多种材料,包括成型的铍铜,镀银铜和金属化聚合物。

对于性能更高的电缆,可能希望重量更轻,尺寸更小。这种趋势已导致开发增加编织,缠绕或包裹的屏蔽层的方法。

当涉及电缆的挠曲和机械运动性能时,这样的技术产生缺点。结果,需要额外的技术来在压力下保持电性能。在多层屏蔽层之间使用机械绝缘的介电层有助于防止屏蔽层变形以及运动引起的随时间磨损。它还增加了层的屏蔽能力。(屏蔽材料包括缠绕带,编织带,编织线和缠绕的导电带(通常为铝))。

另外,通常使用缠绕的圆柱形钢制成的挤压层可以包围高性能电缆。它将防止高压和扭矩损坏。增加电介质的密度会增加其抗压强度,戈尔微波电缆产品首席设计工程师Paul Warren说。但是同轴电缆的性能会受到影响。因此,最常见的做法是使用较硬的外套。例如,在同轴屏蔽层上增加不锈钢编织层可提高抗压强度,同时又可减轻重量和灵活性。铠装电缆护套是最有效的,但它们也很重且昂贵。

根据电缆所处的环境,还可以通过多种方法对同轴电缆进行护套保护,以保护其性能。标准涂层聚氯乙烯(PVC)可以制成各种厚度和颜色。尽管PVC相对耐化学性和耐热性,但它不能承受机械应力。有时会使用使用高强度合成材料的编织外套来提高同轴电缆的机械性能。这样的外套除了提供耐切割,抗切片和抗磨蚀的涂层外,还提供贴身压力。

真正影响电缆组件的另一件事,也是种类繁多的原因,是机械性能,埃利斯指出。性能可能与电缆将在其中运行的环境有关。例如,一艘海军舰船的雷达系统中的电缆沿舰船外部运行,并带有盐雾,极端温度和振动应力。

为了在极端的环境中使用坚固耐用的电缆,需要进行大量的开发。考虑到这种极端情况,一些公司已经开发出专有的材料和电缆层,以增强各种条件下电缆的性能。可以在航空航天,航海和军事工业中找到示例。


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