微波同轴电缆发展趋势展望

引言

微波同轴电缆用于传输波长为1m~1mm(频率为300MHz~300GHz)的电磁波,是由互相同轴的内导体、介质、外导体、屏蔽和护套组成的。内外导体处于同心位置,电磁能量局限在内外导体之间的介质内传播,具有屏蔽性能高、频带宽及性能稳定等显著优点,广泛应用于雷达、电子对抗、电磁武器等装备中,是信号传输的"血管"和"神经",其重要性不言而喻。

1880年,OliverHeaviside发现将一根电话线用绝缘体包裹,可提高信号质量及通信距离,并依此申请了世界上第一根同轴电缆的专利:20世纪50年代,主要以杜仲橡胶和聚乙烯作为电缆介质材料:至60年代,实心聚四氟乙烯(PTFE)被广泛使用,大幅提高了同轴电缆的性能:到90年代,开始使用拉伸扩展型的低密度聚四氟乙烯,达到了较理想的性能指标,奠定了现代同轴电缆的基础:而后数十年,主要在此基础上,采用新材料、改进结构或引入新工艺,提高同轴电缆的性能,扩大其应用范围。笔者将总结多年来在研发和生产微波同轴电缆方面的经验,结合有关文献报道,展望微波同轴电缆的技术发展趋势。

1高频传输

国内外整机设备的射频信号传输频率通常不高于18GHz,随着装备信息化、现代化的推进,低频频谱渐趋饱和,未来对更高频段资源的应用需求将日益强烈。空间通信频率为31GHz、45GHz:星际组网通信频率为60GHz:太赫兹通信传输频率在100GHz以上。高频传输具有容量大、速率高、频带宽、方向性高、保密性和抗干扰性强等优点[2],符合电子系统小型化、模块化、集成化的发展趋势。

国外对于各类传输线研究较早,技术水平遥遥领先,已开发出太赫兹传输产品。如GOREPHASEFLEx组件,工作频率达110GHz,电压驻波比≤1.2,在弯折和温度变化时仍然能保持优异的稳定性能,代表微波同轴电缆的极高水平。微尺寸同轴电缆、金属圆波导等太赫兹元器件,传输频率已达0.15THz。国内有个别厂家开发出了工作频率为65GHz的同轴电缆,但100GHz以上的太赫兹传输目前还停留在设计仿真阶段,尚未开发出实用化产品。发展该技术,首先要突破的是传输理论,其次,在原材料、工艺设备、连接器设计制造、组件装配技术及测试等方面需要大幅提升。

2超稳相传输

PTFE具有介电常数低、介质损耗正切值小、耐高低温、化学性质稳定等优点,目前及未来相当一段时期内,将是最佳的微波同轴电缆电介质材料。PTFE介质同轴电缆存在以下问题:一是"温度一相位"曲线为一条斜率曲线,斜率关系到电缆的相位稳定性:二是在19℃附近,该曲线呈现相位突变的"拐点",影响电缆的相位跟踪特性。上述问题均与PTFE材料特性有关:前者可通过对介质的"微孔化",获得介电常数约为1.4的低密度PTFE来减小斜率:后者因是PTFE分子构型转变引起的,故难以消除。为解决上述问题,各国技术人员研究了PTFE改性或开发了新材料。目前已经开发出能替代PTFE的稳相同轴电缆材料,使相位特性有了显著改善。Times公司开发出了一种基于氟聚合物的介质材料TF4TM,该材料有与PTFE类似的损耗特性和温度等级,消除了介电常数的"突变效应",在很宽的温度范围内保持高度的相位稳定性,显著提高了相位温度稳定性、重复性和跟踪特性。

可熔性氟树脂(FEP、PFA),具有与PTFE接近的理化特性和电性能,不存在PTFE的相位"拐点"。加工性方面,可采用熔融挤出＋氮气发泡的成型方式,获得微孔结构介质,降低介电常数,达到低损耗、超稳相要求,成为可替代PTFE的稳相电缆介质材料。

采用"共混"的方法,将"镜像"(介电常数随温度变化趋势相反)材料均匀混合,制成聚合物合金,通过挤出加工介质,利用组分材料介电常数随温度变化的相互补偿性,达到降低斜率或消除"拐点"的目的,也是研制超稳相电缆的一个方向。

3耐特殊环境

电线电缆应用于航空航天领域除满足电气性能要求外,还要满足体积小、重量轻、机械强度高、可靠性高、耐高温、耐辐射等极端复杂工况要求。稳相电缆介质和护套多采用高分子材料,是耐辐射耐高温性能的薄弱点,各国技术人员也在积极开发替代性的介质和护套材料。二氧化硅具有优异的电性能,极高的耐环境性能、机械性及可靠性,成为耐辐射耐高温电缆研究的宠儿。Times公司已开发出成熟的二氧化硅绝缘微波同轴电缆,外导体为不锈钢,该电缆具有耐高温(1000℃)、耐辐射(y射线辐照剂量109rad)、介电常数低(1.6)等优点,且介电常数稳定,相位温度曲线斜率小,不会出现"拐点"。核电用耐高温耐辐照特种电缆市场被该系列产品垄断,国内已有多家单位开展这方面的研究,但尚未开发出实用性产品。随着核电技术的发展,对矿物绝缘电缆的需求将日益增加,未来将是一大热点。

各类武器装备为减重,提高空间利用率和运载能力,对布线的要求越来越高,希望线缆尽可能轻,体积尽可能小。轻质、耐辐照是对在空间环境下使用的微波传输线的两大突出要求。MicroCoax公司的MCJ系列稳相电缆,能够满足航空航天环境使用要求。结构与常规稳相电缆相同,但采用轻质高强度的导电纤维材料代替镀银铜线作为屏蔽编织层,不仅能够显著地减小电缆重量,还具有很高的耐辐照特性,电缆综合性能优异,在航空航天用轻型传输线领域处于垄断地位。

4新材料、新工艺

碳材料是近年来研究热点,在国外已有报道采用碳纳米管、石墨烯作为导体材料,虽然目前电性能与传统材料电缆相比仍有一定差距,但随着材料研究的深入,未来产品性能将得到进一步突破,更多新材料将得到应用。

在新型工艺技术上,西方发达国家格外重视,并投入大量研发经费,取得了显著的成果。瑞士HUBERsUHER已经开发出成熟的整体推挤PTFE绝缘电缆产品,该类产品性能优异、生产效率更高。

在智能制造领域,国外已有公司采用可3D打印的树脂材料用于电缆制造,后续将会有更多的电缆材料被纳入3D打印技术材料库中。3D打印技术在制造特种高端电缆方面优势巨大,可预见的未来十年,传统的电缆工艺技术将经历巨大的变革。

5结语

经过近三十年的发展,我国微波传输技术取得了较大进步,但是与国际先进同行相比,研发投入偏低,整体技术水平不高,尤其是在特种高端电线电缆方面的技术还较弱,核心竞争力较低,产品性能差距较大。未来,需重点在高频(毫米波、太赫兹)传输技术、超稳相技术、耐特种环境线缆以及新材料、新工艺开发等方向寻求突破。