编织工艺对射频同轴电缆性能影响的探究

引言

射频同轴电缆是雷达、通信设备中不可缺少的元器件,在系统中传输电磁波信号,其主要结构是内导体、绝缘、外导体和护套。其中外导体起到屏蔽的作用,也叫屏蔽层,一般采用焊铜管、拔管或编织工艺加工,当使用场景要求柔软可弯折时,多使用编织工艺。编织过程中,编织线张力、速度、收线张力等工艺的一致性都会影响电缆结构的均匀性,从而影响电缆驻波:编织角和编织密度则会影响编织覆盖率,进而影响屏蔽效能。

本文首先介绍了编织工艺,然后研究了编织工艺对驻波、屏蔽衰减性能的影响。

1编织工艺简介

编织是一种用编织机将金属丝或扁线按一定规律,交织覆盖在电缆绝缘表面,成为一个保护层或屏蔽层的工艺。电缆编织层通常使用四股线,即每层至少两股线,每股线盖住其他两股,而本身又被另外两股盖住(图1）。

编织机由编织部分、收线传动装置部分组成。编织工作在偶数走马锭或管式线盘的编织部分进行,一半走马锭或管式线盘按顺时针"8"字型运动,将编织线绕在芯线上,另一半逆时针运动缠绕。编织工艺的影响因素包含编织线张力、速度、收线张力、编织角、编织密度、编织节距、编织速度等。

现阶段,射频同轴电缆屏蔽层选用的材料主要是钢丝、铝线、铝镁合金线、镀锡铜线、镀银铜线等,可以满足不同的使用需求。例如,钢丝可以有效地提升电缆的抗拉、抗扭性能:镀锡铜线柔软,导电性能良好,比铜线的耐蚀性、抗氧化性能更好,可以有效地延长电缆的使用寿命。这些材质的屏蔽材料在射频同轴电缆外导体中占比最大,可达40%～50%。

当前,国内航天、航空事业发展欣欣向荣,电动汽车行业也迎来了黄金时代,这就对设备提出了小型化、轻量化的要求,因此基础的元器件射频同轴电缆也在根据需求减轻重量。

为此,可以采取的手段之一就是使用表面镀金属的高分子材料,比如表面镀银的聚酰亚胺纤维,其兼有金属材料的导电性能和高分子材料质量小的特点。

2编织工艺对射频电缆驻波的影响

驻波作为射频同轴电缆最重要的指标之一,反映了电缆结构的均匀性。理想状态下,射频同轴电缆阻抗匹配,反射系数为零。

但是实际生产中由于工艺缺陷,电缆特性阻抗会发生周期性变化,信号的内部反射在始端产生叠加,会出现反射系数很大的峰值,其频率与周期长度相关,可以采用以下公式进行计算:

式中:h为周期长度（mm）:ν为电缆的速比:f为频率（GHz)。

反射的信号不仅会产生能量损失,还会干扰信号源,导致信号失真。生产中影响射频同轴电缆的因素主要有:内外导体尺寸、磁导率和电导率,绝缘层结构尺寸和相对介电常数,以及使用时的频率。编织通过张力以及绝缘芯线轴向运动,直接将金属线交织覆盖在较软的绝缘表面,极易改变其外径均匀性,也会影响到编织层本身的尺寸,是导致成品电缆驻波变大的工艺之一。因此,在射频同轴电缆编织时,尤其要注意工艺控制。

使用某国产走马锭编织机,采用扁线厚度为0.05～0.11mm,宽度为0.9～1.3mm的某一固定尺寸,对外径为10mm的推挤绝缘芯线进行加工,由齿轮调节节距在28～33mm。图2是由3台编织机生产的三盘射频同轴电缆编织层驻波测试图,均在4.4～4.7GHz存在一个较高峰值—1.130、1.305、1.210,不满足产品标准和使用要求的不超过1.100。电缆速比是92%,根据上述公式,计算出周期的长度范围是29.36～31.36mm,与编织节距范围相近。因此,初步推断编织存在制造误差,排除在绝缘推挤加工中存在缺陷。

由于编织速度与收线张力由电机控制,精度较高,故首先从编织线张力寻找原因。重新调节了编织线的张力,分别在3台设备试装50g、100g、150g重力锭,每台的24个走马锭一致,编织速度与收线张力等其他条件不变。经多次调整,得到了较好的产品。

测试结果(图3）与之前驻波图相比,处于4.4～4.7GHz的驻波峰变小或消失了,说明合适的编织工艺可以减小射频同轴电缆的驻波。

由于越来越多的使用场景对电缆的屏蔽效能有较高要求,电缆的编织外导体也随之增加。在加工中也要注意对驻波的影响,按照第一层编织的工艺条件,用上面调整张力后的第一根编织产品,再在原来的设备上进行第二层编织。

驻波测试(图4）结果表明,在4.66GHz存在1.123的驻波峰,与之前的结果相比,在编织工艺的长度周期内驻波稍有变大。第二层编织对驻波影响不大。

3编织工艺对射频电缆屏蔽效能的影响

编织工艺的射频同轴电缆的外导体是由金属线编织而成,是非完全屏蔽的,因此在传输信号时,也会辐射部分信号并受到外界信号的干扰,影响通信效果。

随着电子技术的飞速发展,设备的使用频率不断提升,系统对电缆等元器件的屏蔽性能要求也越来越高。同时,手机等电子设备已经成为生活中不可缺少的工具,城市中地铁和过江隧道建设越来越成熟,在这种时代背景下,就需要敷设电缆能够向外泄漏一定能量。因此,研究射频同轴电缆编织外导体的屏蔽效能显得很有必要。主要可以通过两个指标对屏蔽效能进行衡量基于电磁场理论的屏蔽衰减和基于电路理论的转移阻抗。转移阻抗越小,屏蔽性能越好。

根据电磁屏蔽原理,电磁屏蔽是通过电磁波在屏蔽层表面的反射和金属屏蔽体对高频的衰减来实现的。外部入射电磁波到达编织金属屏蔽层时,一部分能量被反射,其余部分能量通过编织层上的菱形小孔耦合进入到电缆内部,在电缆的内导体上产生感应电流和感应电压,对传输的信号产生干扰。

内部原本传输的电磁波在屏蔽层内多次反射,也有一部分透过编织屏蔽层辐射到外部。为了研究编织工艺参数对射频同轴电缆性能的影响,测试了不同编织角、编织密度下射频同轴电缆的屏蔽效能。

3.1编织角对屏蔽效能的影响

被测试样件为扁线编织的射频同轴电缆,扁线厚度为0.04～0.10mm,宽度为0.6～0.8mm的某一固定尺寸,采用某国产走马锭设备编织而成。

编织角的定义是编织线的方向和电缆轴向的夹角。设备通过电机或齿轮调节编织角度,编织角越大,编织点越低,编织线的出线点离编织点就越近。由于扁线易翻转,因此生产中要控制出线点与编织点距离,编织点不宜过高,这就使得编织角不宜太小。因此,从209开始编织测试,逐渐增加编织角度。

由图5可以看出,在编织角409以前,屏蔽效能随着编织角变大而提升,但变化不大:编织角大于409后,电缆屏蔽效能开始下降,样件的柔软性也变差:而且在编织过程中要保证精确的编织角度往往比较困难。兼顾上述几种因素,编织角维持在409±59的范围内较为合适。

3.2编织密度对屏蔽效能的影响编织密度用以下公式计算:

式中:9为编织角:D为编织层平均外径:L为节距:Kc为填充系数:w为编织线宽度:F为编织密度。

在上述编织角对屏蔽效能影响的分析结果的基础上,采用409编织角,调节节距,对不同编织密度进行测试。对样品进行再编织得到的双层编织射频同轴电缆进行测试,结果如图6所示,可以看出,屏蔽效能随着编织密度增加而增加。对于单层编织屏蔽,当编织密度F增加到85%左右时,屏蔽效能增加趋势变缓:增加到95%时(编织密度增加10%）,屏蔽效能只增加4dB。增加编织层数,结果也同预想一致,可以提高屏蔽效能,但是明显可以感觉到电缆样品柔韧性降低,在对敷设最小弯曲半径有要求的条件下,不易弯折,或者会造成超出极限进行弯折,破坏电缆结构,影响使用。

生产中在无特殊的屏蔽性能要求时,单层屏蔽一般可取编织密度85%。

4结语

本文对比分析了不同编织工艺对射频同轴电缆性能的影响,可为电缆编织加工提供参考。由分析结果可知,合适的编织线张力可改善电缆驻波,二次编织对电缆驻波影响较小。

同时,电缆屏蔽衰减等级并不能简单通过增加编织角度或增加编织密度而显著提升,加之生产中必须考虑经济效益,敷设时必须考虑弯折性能,因此,当编织角在40)士5)、编织密度为85%左右时,可得到屏蔽衰减性能和弯折性均较好的射频同轴电缆。