【应用分析】同轴电缆的结构和材料分析

dianbin

选择某一用途的同轴电缆的主要技术依据是其电气性能、机械性能和环境特性等。在有些环境下，防火性能也很重要。所有这些性能都与电缆结构和所用材料有关。
电缆最重要的电气性能是衰减低、阻抗均匀、回波损耗高，对于漏泄电缆还有很关键的一点是其最佳的耦合损耗。最重要的机械性能是弯曲性能（尤其是低温下）、抗拉强度、抗压强度和耐磨性能，电缆还应能承受运输、储存、安装和使用中的环境应力。这些力可能是气候引起的，也可能是化学或生态反应的结果。若电缆安装在防火安全要求高的场所，其防火性能也很重要，其中三个最重要的因素是：延燃性、烟密度和卤素气体释放量。
电缆的主要作用是传输信号，因此，应使电缆结构和材料保证在电缆整个使用期限内都有很好的传输特性，这一点非常重要，下面将详细讨论。

1、内导体
铜是内导体的主要材料，可以是以下形式：退火铜线、退火铜管、铜包铝线。通常，小电缆内导体是铜线或铜包铝线，而大电缆用铜管，以减少电缆重量和成本。对大电缆外导体进行轧纹，这样可获得足够好的弯曲性能。
内导体对信号传输影响很大，因为衰减主要是内导体电阻损耗引起的。其电导率，尤其是表面电导率，应尽可能高，一般要求是58MS/m（+20℃），因为在高频下，电流仅在导体表面的一个薄层内传输，这种现象称为趋肤效应，电流层的有效厚度称为趋肤深度。表1表示铜管和铜包铝线作为内导体时在特定频率下的趋肤深度值。
内导体用的铜材质量要求很高，要求铜材应无杂质，表面干净、平整、光滑。内导体直径应稳定且公差很小。直径的任一变化都会降低阻抗均匀性和回波损耗，因此应精确控制制造工艺。

2、外导体
外导体有两个基本的作用：第一是回路导体的作用，第二起屏蔽作用。漏泄电缆的外导体还决定了其漏泄性能。同轴馈线电缆和超柔电缆的外导体是由轧纹铜管焊接而成的，这些电缆的外导体完全封闭，不允许电缆有任何辐射。
外导体通常由铜带纵向包覆而成。在外导体层上，开有纵向或横向的槽口或小孔。
外导体开槽在轧纹型电缆中比较常见。通过沿轴向方向对轧纹波峰进行等距离切削开槽形成。削去的部分所占比例很小，且槽孔间距远远小于传输的电磁波长。
显然，将非漏泄型电缆按以下方法加工可制成漏泄电缆：以120度夹角对非漏泄型电缆中常见的普通皱纹型电缆的外导体波峰进行切削，获得一组合适的槽孔结构。
漏泄电缆的外形、宽度及槽孔结构决定了其性能指标。
外导体用的铜材也应质量很好，导电率高，无杂质。外导体尺寸应严格控制在公差范围内，以保证均匀的特征阻抗和高的回波损耗。
焊接轧纹铜管外导体有以下优点：


• 完全封闭对外界完全屏蔽的外导体，无辐射且能防止潮气入侵
• 因环状轧纹而能纵向防水
• 机械性能非常稳定
• 机械强度高
• 极好的弯曲性能
• 连接容易、可靠
• 超柔电缆因螺旋状轧纹深而具有很小的弯曲半径

3、绝缘介质
射频同轴电缆介质远不只是起绝缘作用，最终的传输性能主要是在绝缘之后才确定的，因此介质材料的选择和其结构非常重要。所有重要的性能，如衰减、阻抗和回波损耗，都与绝缘关系很大。对绝缘最重要的要求有：
• 相对介电常数低，介质损耗角因子小，以保证衰减小
• 结构一致，以保证阻抗均匀，回波损耗大
• 机械性能稳定以保证寿命长
• 防水防潮


物理高发泡绝缘可以达到以上所有要求。用先进的挤塑和注气工艺及特殊的材料，发泡度可以达到80％以上，这样的电气性能与空气绝缘电缆比较接近。注气方法中，氮气直接注入挤塑机内的介质材料中，该工艺也称为物理发泡方法。与此相对的化学发泡方法，其发泡度只能达到50％左右，介质损耗较大。注气法得到的发泡结构一致，意味着其阻抗均匀，回波损耗大。
我们的RF电缆因绝缘材料的介质损耗角小、发泡度大而具有非常好的电气性能。发泡介质特性在高频下更加重要，正是这种特殊的发泡结构决定了电缆高频下非常低的衰减性能。
独特的多层绝缘（内薄层－发泡层－外薄层）共挤工艺可以得到均匀、密闭的发泡结构，具有机械性能稳定、强度高以及很好的防潮性能等特点。为使电缆在潮湿的环境中仍保持很好的电气性能，我们特意设计了一种电缆：在发泡绝缘层外表面加一层薄的实芯PE。这种外薄层可以有效防止潮气入侵，从一开始生产就保护电缆电气性能，这种设计对于外导体开孔的漏泄电缆尤其重要。另外，绝缘层通过内薄层紧紧地包在内导体上，进一步提高了电缆的机械稳定性。而且，薄层中含有特殊的稳定剂，即能保证和铜的相容性，又能保证我们电缆的长期使用寿命。选用合适的内薄层材料，完全可以获得满意的性能，如：防潮、粘接和稳定性。
这种多层绝缘设计（内薄层－发泡层－外薄层）可以同时获得极好的电气性能和稳定的机械性能，从而提高了我们的RF电缆的长期使用寿命和可靠性。

4、护套
户外电缆最常用的护套材料是黑色线性低密度聚乙烯，它密度与LDPE相近，但强度与HDPE相当。相反，在某些情形下，我们倾向用HDPE，它可为护套提供更好的机械性能和耐摩擦、化学、潮气及不同环境条件的性能。
防紫外线的黑色HDPE能承受如极高温度和极强紫外线引起的气候应力。当强调电缆的防火安全性时，应使用低烟无卤阻燃材料。在漏泄电缆中，为减小火的蔓延，可在外导体和护套之间使用防火阻燃带，使容易熔融的绝缘层保留在电缆内。

5、防火性能
漏泄电缆通常安装在防火安全性能要求较高的场所。安装电缆的安全性与电缆本身和安装场所的防火性能有关。延燃性、烟密度和卤素气体释放量是有关电缆防火性能的三个重要因素。
使用阻燃护套料并在穿墙时用防火隔离带可以防止火焰沿电缆蔓延。燃烧性要求最低的测试是按IEC332-1标准的单根电缆的垂直燃烧试验，所有户内用电缆都应达到该要求。要求较严的是按IEC332-5标准的成束燃烧试验。在此试验中，电缆成束垂直燃烧，燃烧长度不允许超过规定值，电缆根数与测试电缆规格有关。电缆燃烧时的烟密度也应考虑，浓烟能见度低，具有刺激性气味，易引起呼吸和恐慌问题，因此会给拯救和灭火工作带来困难。燃烧电缆烟密度依据IEC 1034-1和IEC 1034-2两个标准用光的传输强度进行测试，对低烟电缆，透光率的典型值要求大于60%。
PVC能达到IEC 332-1和IEC 332-3的要求，是室内电缆使用的一种普通和传统的护套材料，但在考虑防火安全性时并不理想且容易引起致命。当加热到一定高温，PVC会降解并产生卤酸。PVC护套电缆燃烧时，1公斤PVC会产生包括水在内的1公斤浓度为30％的卤酸。由于PVC的这种腐蚀性和毒性，近年来对无卤电缆的需求明显增加。含卤量根据IEC 754-1标准测量，如果电缆所有材料燃烧时卤酸释放量不超过5mg/g时，可认为是无卤电缆。
无卤阻燃（HFFR）电缆护套材料一般都属聚烯烃化合物，并加有矿物填充剂，如氢氧化铝。这些填充剂遇火会分解，产生氧化铝和水蒸汽，其中水能有效阻止火的蔓延。填充剂和聚合物基体的燃烧产物都是无毒、无卤和低烟的。
电缆安装时的防火安全包括以下几方面：


• 在电缆接入端，户外电缆应与防火安全的电缆相连
• 应避免安装在有火险的房间和区域
• 穿墙的防火隔离带应能燃烧足够长时间，并具有隔热和气密性
• 安装过程中的安全性也很重要