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电线电缆/光纤 |
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常用材料对微波电缆性能的影响 |
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作者：Paul Pino |
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摘要：在进行系统设计时，电缆往往是最后考虑的部分。在很多情况下，电缆却是系统的生命线。例如：如果航天器上用于传输数据的电缆出现故障，则航天器和地面控制中心将会失去通讯联系。电缆的可靠性主要依据它的耐用性和信号的完整性，而用于制造电缆组件的材料在任何环境下能直接影响到这些电缆的寿命。
索引词：航空航天电子学、航空航天材料、航空航天测试、电缆屏蔽、介电材料、材料属性、性能损失。
I. 引言
在当今时代，微波电缆组件的应用环境越来越富于挑战性，比如暴露在极端的温度变化下；接触化学物品；经常受到磨擦和弯曲。还有一些其它的挑战，比如要求电缆组件不但小巧轻便，还要经济耐用。为了确保信号的完整性和产品的可靠性，我们必须对影响电缆全面性能的电气、机械、环境和特定应用等限制条件等进行评估。这些变量对电缆绝缘体和电缆护套以及电缆构造均有直接的影响。同时，试验和数据分析是鉴定这些电缆在特定环境下是否仍然可靠的关键。
II. 评估限制因素
环境因素对微波/射频电缆组件有很大的影响。电气性能可能是首要和最主要的考虑因素，还有很多其他因素也是影响信号完整性的潜在因素，例如：内部和外部的电磁干扰（EMI）、电压驻波比（VSWR）和插损。如果没有其他环境因素影响的话，电气性能一般是非常可靠的； 但是在受机械性能、环境因素或者特定应用压力的影响下，维持可靠的电气性能则具有很大的挑战性。
对电缆施加的不同动作均会产生机械应力。弯曲能使电缆里面产生动能，如果没有妥善处理，会导致严重损坏。当电缆属于人工操作设备的一部分时，最容易对电缆造成机械应力。操作人员踩住或翻转电缆时均有可能扭折、压折或压坏电缆。因此，电缆的抗挤压和抗拉伸强度对于克服机械应力至关重要。同时，便携设备的电缆跟锋利的表面接触时会被割伤或磨损。受重力和振动等复杂因素的影响，机械应力对装备的稳定性存在极大的危害并造成电缆过早损坏。
环境压力来自电缆的物理使用环境。极端的温度和压力对电缆的材料会产生一定影响。低温会让电缆变硬，而高温则使电缆变得非常软。真空环境使电缆产生溢油和添加剂的泄漏会对无尘生产工艺造成污染，同时液体静压力会导致气体或液体渗透电缆护套。不同等级和形式的辐射也会对绝缘和护套材料造成不同程度的损害。电缆移动所产生的摩擦力会破坏电缆护套。而泥土等污垢、化学物品或金属碎片则会对金属护套造成损害， 环境压力对绝缘和护套材料存在严重危害，因此在设计这些电缆组件时，首先应对这些因素进行充分的考虑。
特定应用的压力来自电缆应用的特殊环境所受到的限制。在航空航天应用中，为了减轻起飞时承载的重量，对电缆的要求是尽可能的小而轻。如果电缆由技术人员和其他人员操作使用，就需要对易燃性、电压和卤素使用等安全因素多加考虑。
造成电缆组件设计比较复杂的原因之一是电气性能、机械性能和环境性能等因素相互交织在一起。每个因素都会直接影响其他因素；因此必须在特定应用的环境下对组件设计方面进行全面测试。
III. 选择正确的材料
如要确保高质量的稳定信号，须对电缆的绝缘和护套材料特性进行评估，因为这些属性对于电缆能否适应严格要求起着决定性的作用。信号电缆所采用的电介质材料不但影响到信号的完整性，而且也影响到电缆的耐用性。外护套所采用的材料影响到电缆的耐压性和耐磨性。护套材料应能抵抗所有外在的影响因素（比如：温度、摩擦、液体和气体），才能保护电缆里面的导体。有很多材料都可用于制作电缆的绝缘体和护套，其中很多材料均有各自的特定用途。因为每种材料有着各自的属性，其中有些材料更适用于设计微波电缆，以满足特定环境要求。
A. 硅胶
硅胶（表I）主要用于电缆护套，在低温环境下仍能保持高柔韧性。但是，它易断，而且其粘性表面会产生比较高的摩擦力，所以不适合洁净室环境。硅胶的抗拉伸强度和抗撕裂强度比较低，因此使用此种材料制作的护套比其他材质更厚。可以通过某些表面处理的方法降低摩擦系数，但是随着时间的推移，这些处理会被渐渐磨损掉。硅胶具有极好的耐辐射性，但是可用于制作电缆护套的硅胶等级已众所周知，因为在真空应用中，比如热真空舱的应用中，会产生硅油泄漏。如果还需要考虑重量因素，那么硅胶就不是最佳选择。如果重点在于其柔韧性而不在于重量，则硅胶是一个理想选择。但是，处理硅胶电缆内的导体需要更多人工，从而导致更高的终端接头装配成本。表I 硅胶的特性
 B. 聚氨酯
聚氨酯（表II）是一种很好的护套材料，但是由于耐电压性能比其他材料低，而不用作绝缘。有无卤素等级可供选择。机械性上，聚氨酯柔性好，它非常抗击穿、抗磨损。对阻燃性的处理不会降低它的柔性，但是，柔性更好的等级往往有粘性或发粘，从而导致更高的摩擦系数。环境方面，聚氨酯抗溶剂、紫外线、辐射和霉菌。聚氨酯的温度范围不宽，在-40℃左右变得易碎，其温度上限为100℃左右。而且聚氨酯不抗化学清洗剂。表II 聚氨酯的特性
 C. 聚乙烯
聚乙烯（表III）最适用于导体绝缘，由于聚乙烯护套比较硬，对电缆的柔韧性有影响。聚乙烯和泡沫材料一起使用时，具有很好的介电属性。从机械力学角度来说，高分子重量的聚乙烯具有耐磨损和低摩擦的特点，但相对于其他材料来说，它还是显得比较硬。与聚氨酯一样，聚乙烯的应用温度范围也很小，很难将防化材料和聚乙烯材质的电缆护套相结合。聚乙烯的机械属性在阻燃处理后会降低。表III 聚乙烯的特性
 D. 含氟聚合物
氟化乙丙烯 (FEP)、过氟烷氧基 (PFA) 和聚四氟乙烯(PTFE) 等含氟聚合物均是很好的护套材料（表 IV），尤其适用于失效成本很高的应用环境。在所有绝缘材料中，含氟聚合物材料的耐压性最高。含氟聚合物可以承受极端的温度，但是每种材料有自己的应用温度范围：氟化乙丙烯（FEP） 可以耐受从 -250°C 到150°C的温差变化，而过氟烷氧基（PFA） 则可以耐受从 -250°C 到 200°C的温差变化。聚四氟乙烯（PTFE） 在从低温到260°C的情况下也不会丧失其柔韧性。含氟聚合物耐化学物品、酸和腐蚀性物品，同时它们均为不可燃物品。聚四氟乙烯和其聚合物还具有低脱气的优点，这对超高真空 (UHV) 环境尤为重要。多数含氟聚合物都是柔韧的，但是和耐温性能一样，其柔韧度会依据不同材料变化而有所差异。过氟烷氧基最硬，其次是氟化乙丙烯和聚四氟乙烯。同时，采用聚四氟乙烯制成的护套的柔韧度最好。在电介质、护套、导体和遮蔽线中添加任何成分将会导致真空脱气。当这些材料脱气时，微粒物质会凝固在制冷器表面，这也是在应用领域中最常见的。在人造卫星上，从电缆中释放的硅油或其他润滑剂可使光学器件变得模糊不清。聚四氟乙烯具有化学惰性，不含有添加剂、油、润滑油或增塑剂，因此在真空环境下是最佳材料。表 IV 含氟聚合物特性
 E. 工程含氟聚合物
含氟聚合物的缺点之一是抗磨损和抗击穿能力不强。某些含氟聚合物可通过工程处理来改良其物理、化学和电磁属性，从而提高它在微波应用中应对特殊要求的能力。四氟乙烯 (ETFE) 可通过辐照来改善其机械属性和耐化学性，但辐照可以使其硬度增强，从而可以大大降低其柔韧性。聚四氟乙烯的自然属性是耐热和具有化学惰性，为此在改良它的电气或者机械性能的时候，其温度和化学属性基本不会改变。
图1-膨体聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜结构
现已开发了专门技术对聚四氟乙烯进行工程处理，使其更能应对环境和化学等方面的挑战（表V）。用于绝缘导体的电介质材料对插损、电缆尺寸和柔韧性均有重要影响。电介质耗损越小，电缆所表现出的插损就越小。标准含氟聚合物的介电耗损为2.1。为了减小电缆的尺寸，聚四氟乙烯的介电常数可以被设计为1.3。与聚四氟乙烯的标准结构相比，把电介质耐电压提高2.5倍时，在频率为10 GHz 时的耗损因素为 0.00015。按照这种属性，用1/2000 英寸（50微米）厚的聚四氟乙烯层进行绝缘的导体就能承载1000 伏的电压。另外一种经过工程处理的聚四氟乙烯可具有半导体的电气特性，并可以用于提高电缆屏蔽效能。在耐磨损和抗击穿性能方面，经过工程处理的聚四氟乙烯的抗拉伸强度比常规聚四氟乙烯强50倍，而且能够承受从低温到300°C的变化。表V 工程含氟聚合物的增强特性
 IV. 设计验证
有些行业制定了电缆的安全、环境、性能方面的相关标准，但是对应用于很多恶劣环境下的微波电缆的要求往往高于这些标准。在这种情况下，制造商可能需要在模拟实际应用中的机械和环境压力的同时，要开发附加测试来评估电缆的电气特性。在所有的测试过程中必须监测电气性能和信号的完整性，至于该采用哪种测试方法，取决于应用的环境限制条件。
相位阵列应用要求利用同类型和长度的多种组件进行密切相位追踪，以将系统性错误降低到最低。这些错误会影响系统范围，出现混乱和干扰，同时也影响普遍的准确率。相位追踪中的常见问题，有的是因为电缆组装制造过程中的不良材料和工艺控制，有的是因为将不同制造商装配的组件结合在一起。所以，应根据其使用的环境对相位追踪和稳定性进行全面测试。
机械力学方面的检测主要验证电缆在被挤压、磨损、潜在击穿、极度弯折、持续弯曲，冲击和震动等环境中运行时的电气性能。微波/射频电缆的应用通常要求良好的相位稳定性，而相位稳定性在安装、日常维护以及实际应用时会受弯曲和挠曲的影响。使用手持式测试仪器时，常常会将电缆任意弯曲，因为在移动测试仪器时，经常需要电缆组件缠绕在仪器上。在系统设计中应考虑到这些移动对系统运行的影响。在实验室环境下，技术人员有可能将椅子的滚轮从电缆上滚过，这意味着需要将挤压强度也考虑进去。在测试实验室，很难模拟随意弯曲动作，但是可以通过tic-toc测试，重复将电缆弯曲180°或者更大角度，以模拟最糟糕的情况。然后用拉伸试验就可以模拟将电缆当作系绳的情形。在测试过程中，应该评估插损和VSWR。
图2-GORE® PHASEFLEX®微波/射频测试组件——绝缘体及护套采用膨体聚四氟乙烯材料（ePTFE）
在模拟电缆的应用环境条件时，比如温度、海拔、极端的压强；震动和加速；暴露在液体和气体环境；或者湿度时，也需要测量电缆电气特性。在进行海拔变化、机械冲击和振动的测试时，监测阻抗的变化也很重要。振动和撞击可以导致机械和电气故障，因为会出现金属疲劳和焊接裂缝。温度变化直接影响相位长度。如果温度达到一个极端，电气长度就会发生变化，如果温度恢复正常后，电气长度的变化和温度变化的比例不一致（称为迟滞现象），那就很难应用信号的纠错技术。在温度循环试验时，施加锁模力可以监测电缆绝缘体的耐压性能，以观察护套和导体的变化。
图3— 戈尔电缆性能验证实验室
对电缆进行大量的机械和环境测试后，制造商应该按照应用要求，重新验证电缆的电气特性、绝缘体、护套材料是否仍然稳定。
对于严格环境下应用的电缆，其失效造成的后果将会很严重。因此，确保电缆在使用寿命内的电气和机械性能完整性至关重要。要做好这点，首先要理解危害电缆性能的因素；针对这些因素选择正确的材料；并且通过电气、机械和环境方面的测试来验证电缆的可靠性。
Paul Pino, W. L. Gore & Associates, Inc. （戈尔公司）(end)
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(投稿)
(6/13/2011) |
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