同軸電纜的性能技術(shù)

摘要：PTFE(杜邦特氟龍)作為傳輸電纜的介質(zhì)材料已經(jīng)有幾十年的歷史。

在室溫條件下，PTFE會發(fā)生狀態(tài)改變，使其體積產(chǎn)生階躍突變，以及相對介電常數(shù)的變化，并呈現(xiàn)電長度變化的“滯后”效應(yīng)。

這些電長度的變化很難通過系統(tǒng)軟件或其他途徑進(jìn)行可靠預(yù)測和計(jì)量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的衰減。有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)材料的發(fā)展，為一些基本性能指標(biāo)帶來巨大改進(jìn)。

本文將比較幾個同軸電纜技術(shù):

? 溫度變化導(dǎo)致的相位變化關(guān)系
? 多組電纜間電長度的跟蹤性能和溫度變化之間的關(guān)系
? 多組電纜間在環(huán)境溫度改變時的電長度跟蹤性能
? 多次溫度循環(huán)后電長度的重復(fù)性能

此外，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與介質(zhì)之間的振動和相互作用產(chǎn)生的寄生相位噪聲，及相關(guān)的電長度參數(shù)，將在下文討論。

一、簡述

Oliver Heaviside注意到，將一根電話線用絕緣體包裹，會提高信號質(zhì)量及有效通信距離。1880年他申請了世界上第一根同軸電纜的專利。1929年美國電話電報(bào)公司貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師申請了第一根現(xiàn)代同軸電纜的專利。以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，它由兩根同軸金屬管構(gòu)成，以空氣做隔離，顯得比較粗糙。

19世紀(jì)30年代杜仲橡膠(一種天然橡膠) 是早期柔性同軸電纜的主要介質(zhì)選擇。

第二次世界大戰(zhàn)期間，聚乙烯成為主要的絕緣介質(zhì)材料。19世紀(jì)50年代開發(fā)出“發(fā)泡”工藝，減少了電纜電容及損耗。60年代固體全密度聚四氟乙烯（PTFE）或Teflon被廣泛使用。其擁有更高的溫度范圍，更低的損耗因數(shù)，更低的介電常數(shù)及在更寬的溫度和頻率范圍下的性能一致性，使之成為理想的同軸電纜介質(zhì)。

70年代與80年代，制造商開始使用拉伸擴(kuò)展型的低密度版本的PTFE，進(jìn)一步達(dá)到了較理想的性能指標(biāo)。

90年代對電長度穩(wěn)定性需求的增加，使制造商開始使用超低密度PTFE介質(zhì)。

這些產(chǎn)品的確有了顯著的改善，但仍有一些內(nèi)在局限性。其中最主要的限制是相位對溫度的“拐點(diǎn)”問題：由于PTFE分子的基本材料特性而導(dǎo)致的電長度階躍變化。這種效應(yīng)可以最小化，但不可能消除。

2004年同軸電纜產(chǎn)品使用TF4技術(shù)以解決該問題。

2015年進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)工藝，發(fā)展了更新的TF4技術(shù)，對比PTFE介電材料，其在相位敏感的應(yīng)用中擁有非常明顯的優(yōu)勢。

二、性能指標(biāo)

理想的微波電纜組件應(yīng)具有零損耗，零能量反射，及零電長度變化。這些理想的屬性應(yīng)在系統(tǒng)部件所處的任何環(huán)境條件下保持不變。

在實(shí)際應(yīng)用中我們要努力實(shí)現(xiàn)這些理想的屬性。但實(shí)際上同軸電纜組件電長度的變化確實(shí)與其所在的環(huán)境溫度變化有關(guān)。

A、相位變化和溫度變化之間的關(guān)系

眾所周知，用于構(gòu)成同軸電纜組件的金屬具有正向的擴(kuò)張溫度系數(shù)。電長度與物理長度是直接相關(guān)的。很明顯，溫度升高，物理長度會增加，電長度也會隨之增加。

相反，大多數(shù)微波電纜組件的電長度具有負(fù)向的溫度系數(shù)。圖1說明了溫度對一根理想電纜組件電長度的影響。

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圖1

中心導(dǎo)體的軸向長度隨溫度升高而增加。外導(dǎo)體也同樣隨溫度而增長并直接影響外導(dǎo)體直徑的變化。這會導(dǎo)致介質(zhì)密度的細(xì)微變化從而改變相對介電常數(shù)。該相互作用對介電常數(shù)產(chǎn)生了影響，使電長度的變化與金屬的膨脹-收縮作用成反比。這一現(xiàn)象至關(guān)重要，使理論上平衡兩者以達(dá)到溫度相位零變化成為可能。實(shí)際上, 使用PTFE作為傳播媒介的電纜組件，在室溫下介電常數(shù)總會有一個階躍變化，導(dǎo)致電長度發(fā)生相應(yīng)改變。

圖2說明了PTFE介質(zhì)的同軸電纜，溫度對相位的影響。

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圖2

B、相位跟蹤和溫度的關(guān)系

實(shí)際上，相位匹配的電纜組件不會隨著溫度的變化而保持相對匹配。相位跟蹤是指保持電纜組件之間初始相位值不變的性能。圖3說明了兩根原本在室溫下已經(jīng)相位匹配的電纜組件，隨著溫度的改變其相位跟蹤發(fā)生變化的情況。

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圖3

眾多因素決定良好的相位跟蹤性能。最關(guān)鍵的是電纜在單位長度上各方面的一致性。包括電容量，阻抗，及導(dǎo)體機(jī)械性能的一致性，這些都對相位跟蹤性能的好壞起關(guān)鍵作用。任何溫度下的相位匹配值，是初始匹配值與相位跟蹤的變化值相加得到。

圖4說明了相位跟蹤也與電纜在室溫匹配時的初始相位差有關(guān)。

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圖4

C、室溫下的相位匹配