同軸電纜溫度穩(wěn)相材料的新進展

摘要：PTFE(杜邦特氟龍)作為傳輸電纜的介質材料已經(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。

這些電長度的變化很難通過系統(tǒng)軟件或其他途徑進行可靠預測和計量，從而導致系統(tǒng)性能的衰減。有機和無機介質材料的發(fā)展，為一些基本性能指標帶來巨大改進。

本文將比較幾個同軸電纜技術:

? 溫度變化導致的相位變化關系
? 多組電纜間電長度的跟蹤性能和溫度變化之間的關系
? 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)后電長度的重復性能

此外，導體結構與介質之間的振動和相互作用產(chǎn)生的寄生相位噪聲，及相關的電長度參數(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年美國電話電報公司貝爾電話實驗室的工程師申請了第一根現(xiàn)代同軸電纜的專利。以今天的標準來看，它由兩根同軸金屬管構成，以空氣做隔離，顯得比較粗糙。

19世紀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選擇。

第二次世界大戰(zhàn)期間，聚乙烯成為主要的絕緣介質材料。19世紀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。

70年代與80年代，制造商開始使用拉伸擴展型的低密度版本的PTFE，進一步達到了較理想的性能指標。

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。

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

2004年同軸電纜產(chǎn)品使用TF4技術以解決該問題。

2015年進一步優(yōu)化和改進工藝，發(fā)展了更新的TF4技術，對比PTFE介電材料，其在相位敏感的應用中擁有非常明顯的優(yōu)勢。

二、性能指標

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

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

A、相位變化和溫度變化之間的關系

眾所周知，用于構成同軸電纜組件的金屬具有正向的擴張溫度系數(shù)。電長度與物理長度是直接相關的。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。

圖1

中心導體的軸向長度隨溫度升高而增加。外導體也同樣隨溫度而增長并直接影響外導體直徑的變化。這會導致介質密度的細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)象至關重要，使理論上平衡兩者以達到溫度相位零變化成為可能。實際上, 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，導致電長度發(fā)生相應改變。

圖2說明了PTFE介質的同軸電纜，溫度對相位的影響。

圖2

B、相位跟蹤和溫度的關系

實際上，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。

圖3

眾多因素決定良好的相位跟蹤性能。最關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，及導體機械性能的一致性，這些都對相位跟蹤性能的好壞起關鍵作用。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。

圖4

C、室溫下的相位匹配

對于相位敏感應用的電纜組件，我們期望每根組件相位是匹配的，環(huán)境溫度導致的相位變化與最初的電長度成一定比例，具有相同電長度的組件，在相同溫度下，保持相位一致。

D、相位重復性與溫度的關系

相位重復性類似相位跟蹤。幾乎所有的系統(tǒng)應用都會經(jīng)歷幾十或幾百次溫度循環(huán)。計量在每次特定溫度循環(huán)下是非常重要的。半剛電纜表現(xiàn)出最好的一致性。一根制作良好的柔性電纜也有較好的重復性，但同時它又存在內在變化性，這是由擴張/收縮的介質和外導體結構之間的相互作用引起的。

事實上,實際的相位跟蹤與溫度之間的關系是由以上這些因素所共同組成的。圖5顯示了這些因素如何對幾組相位匹配電纜組件的實際相位跟蹤性能造成的疊加影響。

圖5

E、相位滯后與溫度的關系

圖6顯示了PTFE材料由于其滯后特性使電纜相位溫度特性進一步復雜化。

圖6

PTFE的一系列特性使之成為最佳的電纜介質材料。但它有一個明顯的缺點是PTFE材料在18-20攝氏度之間會經(jīng)歷分子相位變化。這個相位變化導致了1.5%的體積變化與對應的介電常數(shù)變化，從而導致了電長度的突然改變。這種影響可以通過使用低密度PTFE介質而減少，但是不能消除。

此外，這種相位突變在溫度上升和溫度下降時開始變化的溫度點是不一樣的。這種滯后效應大大降低了相位跟蹤性能。

三、典型微波電纜的性能

目前及未來相當一段時期內，PTFE是最常見的用于微波和毫米波電纜電介質材料。它有兩個基本大類，高密度(=2.01)和低密度(=1.73)。另外還有超低密度PTFE(=1.42)，其被優(yōu)化用于構成相位穩(wěn)定的電纜。這些電纜由于超低密度結構提供極少的機械支持，極易受到機械損壞?？偠灾瑔挝婚L度低密度PTFE電介質密度一致性的差異，會直接導致相位跟蹤性能的差異，這在達到電纜額定溫度時尤其明顯。圖7疊加顯示了一些高性能同軸電纜的相位隨溫度變化的“足跡”。

圖7

A、全密度PTFE介質

固體核心,全密度PTFE電纜有非常堅固的介質核心，其相位溫度斜率為最大，分子相位變化效應也最為明顯.

B、低密度微孔PTFE介質

低密度PTFE介質核心可以用不同的方法來制成，這些方法都有著類似的工藝。把固體PTFE材料置于可控的拉力拉伸并逐漸升高溫度。

接著在保持張力的情況下冷卻，就會產(chǎn)生一個“拉伸的”PTFE材料,可用于構成電纜的絕緣體。

大多數(shù)相位敏感微波應用的電纜都會用到這些低密度PTFE。在相位隨著溫度變化時，低密度材料會使相位溫度斜率最小化，同時使電纜電長度的“階梯躍變”變小。

四、PTFE的替代品

目前已經(jīng)開發(fā)出了幾款能替代PTFE同軸電纜的產(chǎn)品，并且在系統(tǒng)級性能上面有了顯著的改善。由于改進了導體和介質對相位影響的平衡性，從而提高了電纜的相位溫度性能，所有這些替代品已經(jīng)消除了相位溫度拐點，

圖8和9表明了PTFE和TF4?之間的形狀和跟蹤性能的對比。

圖8

圖9

A、二氧化硅半剛性電纜組件

二氧化硅被用作電纜的絕緣介質材料已經(jīng)有許多年。二氧化硅材料非常易吸濕。因此它必須用于完全氣密的電纜組件中(泄漏率小于5 x 10-8 Atm-cc/sec He)。

這種電纜組件在結構上屬于半剛電纜，外護套是銅包鋼，并且直接和不銹鋼連接器外殼進行焊接。

由于電纜結構的一致性和絕緣介質的無機性，該電纜表現(xiàn)出極優(yōu)異的溫度相位重復性和跟蹤性。

基于這些材料的使用，便能做出非常牢固的電纜組件。除此之外，由于介質有類似于壓緊的沙子的特性，所以能在電纜受到擠壓時對外導體提供很好的機械支持。

圖10

不銹鋼和二氧化硅材料都具有極優(yōu)異的抗輻射和抗腐蝕性能。可以在絕對零度到超過600攝氏度的范圍內使用。 它們在航空航天應用中是系出名門，當之無愧的。

B、TF4 ? 半鋼電纜組件

時代微波系統(tǒng)最新開發(fā)出一款基于氟聚合物的介質材料TF4?，該材料有與PTFE類似的溫度等級并且消除了介電常數(shù)的突變效應。因為其制作工藝是熔化擠出，所以可以得到比一般低密度PTFE在單位長度上更均勻一致的結構從而提供了更優(yōu)秀的相位跟蹤和重復性能。此外半鋼結構和二氧化硅組件一樣都是均勻的管狀結構，所以該結構可以提供匹敵二氧化硅組件的重復性能且無需使用不銹鋼導體及特殊設計的連接器。TF4 ? 半鋼電纜組件可以采用通常有現(xiàn)貨的連接器來生產(chǎn)，事實上，它可以使用任何用在普通PTFE介質的半鋼電纜組件的連接器。

該材料的另一個優(yōu)點是其具有“微孔”的介質結構。為了平衡電纜導體和介質對相位的影響，介質材料需要降低密度，但是這樣會同時降低機械強度。使用超低密度(Vp = 84%)的TF4?介質有著和標準密度(Vp = 76%)拉伸型的PTFE帶同樣的硬度測量值。這樣就能夠做出滿足足夠機械強度的電纜且不再需要沉重而昂貴的結構來保證機械強度。圖10和圖11比較了用二氧化硅介質和TF4介質的半鋼電纜之間的溫度相位性能。

圖11

C、TF4? 柔性電纜組件

正如TF4?介質可以直接替代PTFE介質的半鋼電纜，對柔性電纜來說其介質也是可以直接被TF4?所替代的。

TF4? 柔性電纜和PTFE介質的電纜在尺寸上很接近，另外他們的外觀和使用起來的感覺也與PTFE介質的電纜幾乎相同。

TF4? 柔性電纜的優(yōu)越性來自顯著改進的相位，相位跟蹤和重復性隨溫度變化的性能。

圖12

五、穩(wěn)相性能比較

A、相位變化與溫度的關系

圖12和圖13比較了柔性PTFE電纜和TF4 ?電纜之間的溫度相位特性。每種電纜包括了10根完全相位匹配的組件，既表現(xiàn)出了相位溫度特性同時又表現(xiàn)出了跟蹤特性。

這五種電纜技術在相位溫度曲線中的表現(xiàn)是有很明顯的差異的。

圖13

固體PTFE介質的電纜在溫度相位曲線圖上明顯表現(xiàn)出一條很陡的斜率曲線，尤其在室溫區(qū)間內更為陡峭。在+15℃至+25℃的室溫區(qū)間內其相位溫度斜率大概是-130 PPM/deg C。這樣的電長度變化率比低于+15℃時的變化率快了超過4倍。低于室溫時的電長度溫度系數(shù)是-30 PPM/deg C。

這種相位溫度大斜率的變化會發(fā)生在所有以PTFE為介質的電纜中。斜率的大小可以通過降低介質的密度來得到改善，但是由于PTFE材料的性質，這種斜率突變是無法從根本上消除的。

圖12顯示了經(jīng)過合理優(yōu)化改進的“微孔”PTFE的斜率。介質的影響經(jīng)過這樣的改善平衡了金屬漲縮的影響，在室溫范圍內其相位溫度曲線會低于一般PTFE材料的曲線。其相位溫度曲線斜率在室溫范圍外也會相對平坦。雖然有所減少，但是在+15℃to+25℃的范圍內仍舊表現(xiàn)出一個非常明顯的相位溫度曲線斜率: 大約-85 PPM/deg C。

一些廠商已經(jīng)可以提供“超”低密度的PTFE介質，其傳播速率可以超過85%，這樣就更進一步改進了室溫時的相位溫度變化。這些產(chǎn)品通過過渡補償介質導體間的相位平衡使之形成稍許偏正向的相位溫度斜率，斜率線會位于原PTFE“拐點”曲線的上方和下方，并進一步減少材料位于相變溫度帶時的電長度斜率。這些產(chǎn)品的特性并沒有在本文中加以闡述，因為它們的絕緣介質已經(jīng)變得很脆弱，在很多場合是不適用的，除非用在一些不需施加（或極小的）機械應力的應用中。由于介質只能提供如此微弱的機械支持，這些電纜往往表現(xiàn)出機械性能的退化和結構引起的回損及穩(wěn)定性的問題。

用二氧化硅和TF4?做為電纜介質能解決這些問題且不用增加電纜尺寸或重量。

Phase Track?和二氧化硅電纜產(chǎn)品經(jīng)過合理優(yōu)化導體和介質之間的相位平衡使之在操作溫度范圍內消除了斜率的突變，并且在機械強度和可操作性上達到或優(yōu)于低密度微孔PTFE產(chǎn)品。

B、相位追蹤和溫度的關系

另一個同軸互聯(lián)產(chǎn)品所需具備的重要特性是在整個系統(tǒng)操作溫度范圍內多組信號通路間保持相對電長度的穩(wěn)定，這個多組電纜組件間相位保持“跟蹤”的特性在一些不能夠進行校驗的硬件體系結構應用中尤為關鍵。

總的來說，同軸電纜組件關系到相位跟蹤這一關鍵特性是由電纜單位長度上的一致性來決定的，這個一致性是指電纜單位長度上的介質密度，導體單位長度，材料特性，導體幾何尺寸和加工工藝條件這些因素上都要做到一致性。

再回到圖7，便可以得到一些合理且清晰的經(jīng)驗推論。這五種介質的樣品，每一種都是10根完全一致的電纜組件，并在室溫環(huán)境下進行相位匹配?？梢钥闯?，固體介質的跟蹤性能要優(yōu)于密度較低的介質，半鋼電纜的跟蹤性能要優(yōu)于柔性結構的電纜（又一個證明超低密度PTFE技術的不切實際的例子）。

比較圖12和圖13可以看出改進跟蹤性能的TF4?材料和微孔PTFE材料之間的差異。兩幅圖形所展示的數(shù)據(jù)都是由結構完全相同的電纜得出，唯一區(qū)別就是介質的不同。且這兩種電纜都是標準的柔性電纜設計。PTFE這一組電纜的跟蹤性能是±200 PPM，而結構完全相同的TF4組電纜可以達到±100 PPM。

如果把外導體從柔性電纜常用的編織結構變成固體管結構，跟蹤性能可以進一步達到±50 PPM。二氧化硅產(chǎn)品，由于其固體幾何結構，無機介質材料和全焊接結構，所以可以提供極優(yōu)異的跟蹤性能，可以達到±25 PPM。

C、相位的重復性和溫度的關系

另一個相似但略有不同的溫度相位屬性是相位的重復性。它用于表征電纜在多次往返經(jīng)過一個給定的溫度范圍能恢復到給定電長度的特性。

該特性與相位跟蹤密切相關。事實上，跟蹤性能很好但重復性能卻不好的情況是不太可能存在的。

圖14比較了超低密度PTFE電纜和采用相同電纜結構但使用TF4?介質的相位重復性能。

該圖繪出了在-60至+100攝氏度范圍內這兩種電纜的電長度的變化。紅色點是PTFE電纜，綠色點是TF4電纜。

可以看出，TF4的變動范圍僅為PTFE的四分之一。這對一組電纜組件在相位跟蹤溫度性能方面的進步是貢獻巨大的。

圖14

D、相位跟蹤性能和環(huán)境溫度變化之間的關系

到目前為止所有的討論都基于電纜組件處于完全相同溫度下。從實際來說，這是不可能達到的。通常電纜在設備中分布的區(qū)域會有稍許不同而這些區(qū)域的溫度也會有不同。

再看一下圖7來了解這會怎樣影響系統(tǒng)性能，固體PTFE電纜的跟蹤性能比低密度的要好很多。

只要電纜是完全匹配好的就會保持跟蹤。但是一旦它們所處的環(huán)境溫度有些許變化，跟蹤性能會下降的很快。相位溫度曲線斜率越大，相位跟蹤性能就下降的越厲害。

圖15顯示了兩根固體PTFE電纜在±2 C環(huán)境溫度變化下相位溫度響應。

圖15

假設系統(tǒng)經(jīng)歷了整個溫度區(qū)間的變化，而系統(tǒng)硬件環(huán)境在兩根電纜間產(chǎn)生了4℃的溫度變化，這就會導致兩根電纜間800PPM的電長度差異。對于低密度PTFE電纜這個數(shù)值會減少到大約500PPM。當然最大差異會發(fā)生在相位溫度曲線斜率最陡的溫度范圍內。

圖16

E、產(chǎn)品“混用”

有些情況，只允許有極小的絕對溫度相位改變，而且絕對相位跟蹤性能也十分重要。對于這些特殊的要求， 一種稱為“混用”的技術可以得到很好的結果。

TF4?介質表現(xiàn)出來的相位溫度特性曲線有極小的負向斜率，而二氧化硅介質有極小正向斜率。

當同時使用這兩種組件：一端用TF4?半鋼電纜，另一端用二氧化硅半鋼電纜并用轉接器連接起來， 其結果就是相位斜率的相互抵消。

這兩者的影響和它們所占組合電纜長度的比率有關。通過調整兩者的電長度，可以完全平衡并有效消除相位溫度曲線的斜率。

從圖17可以看出，負向斜率的TF4?介質半鋼電纜若和正向斜率的二氧化硅介質半鋼電纜相連接，則在-40℃至60℃的溫度區(qū)間內相位溫度響應曲線是完全水平的。

圖17

六、總結

對于相控陣天線和其他系統(tǒng)結構應用，優(yōu)秀的相位溫度性能是不可或缺的。

而且對于實驗室環(huán)境的應用更為重要，因為實驗室的環(huán)境溫度范圍往往就是PTFE拐點產(chǎn)生的溫度范圍。而且從一個較冷的房間去到較暖的房間過程中，之間的溫度差異對相位敏感的測試來說會有極大的影響。

不管在何種應用中，只要用到相位敏感的設備，一定要考慮哪怕是最基本的元器件對整體性能的影響。

目前雖然還沒有技術能提供一個“完美”的互聯(lián)，但是總能找到一些可操作的方法去接近它。

來源：Times Microwave Systems