由式(3)可知，Z_c=58.3Ω已超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，這是造成駐波比過大的根本原因，經(jīng)計算設(shè)計，認(rèn)為導(dǎo)線直徑仍為1.4mm，但絕緣外徑改小為3.9mm是較合理的，在線測試電容為82pF/m。經(jīng)結(jié)構(gòu)尺寸修正后投入試生產(chǎn)，并對產(chǎn)品進(jìn)行抽樣試驗。試驗結(jié)果見圖3、4，試樣長度為19.5m。

圖3 修正后電纜的駐波及圓圖曲線 

從圖3、4可知，Δf=6.2MHz，相應(yīng)波阻抗Zc=49.5Ω，在147MHz時損耗α=8.78dB/100m，265MHz時α=12.11dB/100m，460MHz時α=16.87dB/100m，而其駐波峰值在462MHz處為1.33。這些指標(biāo)均完全滿足使用的要求。由此可知，當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改型時，要首先進(jìn)行設(shè)計計算，否則有可能像上述公司那樣錯誤認(rèn)為增大絕緣外徑，減小電容，就可獲得較低損耗，但結(jié)果卻適得其反。

圖4 修正后電纜衰減-頻率特性曲線

為了更好地說明電纜衰減中導(dǎo)體與介質(zhì)之間所占比例，可以通過式(1)，以及上述已知測試值（圖3、圖4）進(jìn)行運算來說明問題。為了簡略起見，把導(dǎo)體常數(shù)K1、K2以1代入（圓銅線為1），此時導(dǎo)體衰減分量可能偏小，而計算出介質(zhì)損耗為最大值，但不影響分析。將上述147MHz（S=1.1）和460MHz（S=1.2）的衰減值代入式(1)可得以下聯(lián)列方程

解之可得：sprt(ε) =1.132；tgδ=6.1×10^-4。并將它們代入460MHz頻點的衰減公式(6)可得

從式(7)、式(8)可知，在460MHz頻點時，導(dǎo)體損耗占該電纜總損耗的80%，而其中內(nèi)導(dǎo)體占總損耗的60%，這說明要降低產(chǎn)品的損耗，首先要從內(nèi)導(dǎo)體上下工夫。同樣也可以看出：介質(zhì)損耗與頻率f成正比，而導(dǎo)體損耗僅僅與頻率的開方根成正比。例如，在較低頻率147MHz時，其導(dǎo)體損耗占總損耗90%，但隨著傳輸頻率增加，尤其傳輸頻率達(dá)幾千兆赫后，介質(zhì)損耗起著主導(dǎo)地位，這一點在本文第4節(jié)中將詳細(xì)介紹。

3 導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和選擇

3.1復(fù)合銅線和銅層厚度

射頻同軸電纜是傳輸射頻信號，因此信號在導(dǎo)體傳輸中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即信號僅僅在電纜的內(nèi)導(dǎo)體外表面和外導(dǎo)體內(nèi)表面進(jìn)行有效傳輸。內(nèi)導(dǎo)體除采用實心銅線外，還經(jīng)常使用銅包覆線或空心銅管，以增加強度或節(jié)約材料，其中也包含著集膚效應(yīng)原因，提高有效的傳輸。

對于銅包覆線，如銅包鋼線來說，銅層的厚度δ＞0.07mm·sptr(f)（f單位為MHz），即可實現(xiàn)同規(guī)格純銅線的傳輸效果。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定銅包鋼線電阻率≤0.059Ω·mm²/m(即電導(dǎo)率為29.7%IACS），以直徑為1.6mm銅包鋼線為例，銅電阻率為0.0175Ωmm²/m，鋼電阻率為0.147Ωmm²/m，將鋼絲及其表面銅層看作兩個導(dǎo)體并聯(lián)，可算出表面銅層的厚度為0.025mm，代入δ＞0.07·sptr(f)可知，當(dāng)傳輸頻率大于1.67MHz時，其完全等效于同規(guī)格的實心圓銅線。了解了這計算方法，對于企業(yè)采購原材料是非常有用的。

3.2實例分析

Amphenol公司中國分公司需要RG-213同軸電纜，作為移動通信基站跳線，但該產(chǎn)品采用3/8in皺紋銅管外導(dǎo)體，彎曲性能太差，故提出電纜改型的要求。開始由英國和瑞士等兩家電纜制造廠提供編織銅絲外導(dǎo)體的電纜樣品供其試用，但經(jīng)采購認(rèn)證試驗后達(dá)不到使用要求，然后轉(zhuǎn)向本廠并提出試制的要求。用戶提出的產(chǎn)品技術(shù)要求:試樣的長度，即電纜和組件長度為2.25m（即包括兩端接插連接器），在2000MHz以下傳輸損耗＜0.9dB，回波損耗＞15dB。經(jīng)考慮，作者承諾兩周內(nèi)送樣，參與國外產(chǎn)品的競爭。

(1)設(shè)計前分析及試制 據(jù)查，MIL17/74RG-213/U產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為：內(nèi)導(dǎo)體為7×0.75mm銅絞線，絕緣為實心的聚乙烯，外徑為7.25mm;外導(dǎo)體為φ0.18mm裸銅絲單層編織；外護(hù)套為聚氯乙烯，外徑10.3mm，英國公司提供的產(chǎn)品：內(nèi)導(dǎo)體與絕緣的材料和結(jié)構(gòu)尺寸與RG-213/U相同，不同的是外導(dǎo)體采用雙層編織銅絲，護(hù)套PVC外徑為10.8mm，實際上是MIL17/75RG-214/U的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

電纜及組件的總損耗（包括射頻同軸電纜本體損耗與兩端連接器接入損耗）＜0.9dB。每只連接器接入損耗為0.07·sptr(f) （f單位為GHz），按最高頻率2GHz計算，每只連接器接入損耗約為0.099dB，因此要求電纜損耗小于0.31dB/m。若采用普通型聚乙烯絕緣料(tgδ=5×10^-4)時，按式(1)計算求得的衰減理論值約為0.344dB/m，不能采用；若采用高純凈聚乙烯絕緣料(tgδ=5×10^-4)，衰減理論值約為0.233dB/m，可以滿足指標(biāo)要求。因此必須采用高純凈聚乙烯絕緣料。

按指標(biāo)規(guī)定回波損耗（SRL）＞15dB，可通過以下公式計算，判別是否可以達(dá)到要求。


式中，Γ為反射系數(shù)；S為電壓駐波比。通常電壓駐波比S＜1.433，這容易達(dá)到的。

對于編織外導(dǎo)體而言，由于耦合（漏泄）損耗也是信號另一不可低估傳輸損耗，為了達(dá)到減低耦合損耗的目的，要求編織密度達(dá)95%。本產(chǎn)品試制中采用：(1)24×9×0.18mm裸銅絲單層編織；

(2)24×9×0.18mm+24×7×0.18mm雙層編織。為避開回波損耗峰值（由式(2)周期性回波公式可知，2000MHz時對應(yīng)周期長度約為48.9mm），編織節(jié)距選取40mm。

按上述設(shè)計要求，試制了產(chǎn)品并進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果:(1)單編織外導(dǎo)體產(chǎn)品在2000MHz時電纜衰減為0.412dB/m；(2)雙編織外導(dǎo)體產(chǎn)品衰減為0.367dB/m，均不能滿足＜0.31dB/m的指標(biāo)要求。

(2)采用銅箔+編織的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 上述試驗結(jié)果表明減小編織織外導(dǎo)體的耦合損耗是多么重要。經(jīng)思考決定采用銅箔+編織的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5可知，當(dāng)頻率為2000MHz時，電纜衰減為0.287dB/m，完全滿足使用的要求，然后送樣給用戶即通過采購認(rèn)證試驗。

圖5 RG-213(銅箔+編織)電纜衰減-頻率特性曲線

鋁箔的拉伸成型性能優(yōu)秀，但抗腐蝕性能差，一般只有3～5年的使用壽命，并且鋁的電阻率比銅大62%，從而導(dǎo)致相同尺寸的同軸電纜，鋁外導(dǎo)體的比銅外導(dǎo)體的損耗大10%左右，這也是不使用鋁箔的原因。銅很穩(wěn)定，電性能好，但加工性能中夠好，至今不能在同軸電纜上得到很好的應(yīng)用。作者同航天部四院（西安）的向陽銅箔廠及材料所合作開發(fā)的厚度為0.033～0.055mm銅箔+厚度為0.018mmPE復(fù)合薄膜，伸長率＞7%（德國標(biāo)準(zhǔn)是4%），剝離力＞5N/cm，折撓性能好，銅箔不易起皺開裂，柔軟，便于縱包成型，利用它設(shè)計的一種漏泄同軸電纜已申報了發(fā)明專利。

圖6 RG-213(銅箔+編織)電纜電壓駐波比-頻率特性曲線

4 介質(zhì)及介質(zhì)損耗角正切

這是一個反映材料本性的指標(biāo)。以聚乙烯（PE）來說，乙烯分子結(jié)構(gòu)的偶極矩矢量和為零，本身是無極性的(tgδ為0)，但在聚合生產(chǎn)過程中，需要加入催化劑、抗氧化劑、穩(wěn)定劑等進(jìn)行改性，最終產(chǎn)品必然有或多或少的金屬離子殘余。通常使用的絕緣用聚乙烯材料的介質(zhì)損耗角正切tgδ在5×10^-5～5×10^-4（1MHz），隨著工作頻率的升高，其值約以每1000MHz，10%的速率增加。

通過式(1)計算及分析，對于絕緣內(nèi)、外徑比為2.8∶1的50Ω物理發(fā)泡同軸電纜來說：(1)當(dāng)絕緣材料使用普通聚乙烯(tgδ=5×10^-4)時，工作頻率1000MHz時，介質(zhì)損耗占總傳輸損耗的23%；3000MHz時，占總損耗的35%。(2)當(dāng)絕緣材料使用高純度聚乙烯(tgδ=5×10^-5)時，工作頻率1000MHz時，介質(zhì)損耗占總損耗的3%；3000MHz時，占總損耗的5%。通俗地說，當(dāng)電纜的工作頻率不太高時（幾百兆赫以下），絕緣材料是否純凈影響不大，而當(dāng)工作效率為1.0千兆赫以上時，則相同結(jié)構(gòu)尺寸的同軸電纜，使用普通PE料的比使用高純凈PE料的衰減要大20%～30%，隨著頻率升高而迅速遞增，由此也就給出了如何根據(jù)同軸電纜用戶使用的頻率和傳輸損耗要求來選擇絕緣材料的關(guān)系（性能價格比）。

需要說明一下的是，一般情況下對同軸電纜絕緣的耐壓等級要求不高，但在高壓脈沖信號傳輸?shù)葢?yīng)用場合則要考慮到，當(dāng)高聚物中混有雜質(zhì)時，會使電纜的熱擊穿電壓下降；而隨著工作頻率的增加，則介質(zhì)損耗同步增大，更易導(dǎo)致熱擊穿。物理發(fā)泡聚乙烯絕緣結(jié)構(gòu)由于相對的介質(zhì)層厚度較薄和同部細(xì)孔的存在，因此，擊穿場強也大大下降，所以要注意使用場合。

近年來通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)大規(guī)模向中國轉(zhuǎn)移，隨之高性能機柜用電線電纜有了需求，要求電纜耐高溫、阻燃、防化學(xué)反應(yīng)和抗腐蝕等，從而導(dǎo)致氟塑料電纜需要的增加。早先的聚四氟乙烯不能擠出成型，現(xiàn)在則有多種熱塑性氟塑料投入市場，一般的PE擠出機即可生產(chǎn)，對同軸電纜制造企業(yè)來說并不困難。簡單地說，低檔的TEFZEL（四氟乙烯-乙烯共聚物）最易加工，工作溫度為150℃，介質(zhì)損耗角正切7×10^-4，略偏高；LDPTFE（低密度聚四氟乙烯）介質(zhì)損耗角正切可低至2×10^-5，工作溫度達(dá)到250℃，但加工溫度狹窄；綜合來說，F(xiàn)EP（聚全氟乙丙烯）可工作到200℃，介質(zhì)損耗角正切為1×10^-4，加工也容易，最適合用作高要求同軸電纜的絕緣介質(zhì)。

5 擠出機與擠出工藝

擠出機是同軸電纜制造最重要的工具，按理說不必談它，然而由于技術(shù)部門同生產(chǎn)部門的脫節(jié)，許多企業(yè)人員卻并未真正掌握其工藝原理。

(1)壓力分布

典型的擠出機內(nèi)壓力分布曲線可參見圖7，在擠出機模口處壓力釋放。擠出機旁路狀態(tài)下的壓力分布將隨著生產(chǎn)線牽引的啟動而大幅下降，理解這一點對于物理發(fā)泡生產(chǎn)線尤其重要，在生產(chǎn)線啟動后需相應(yīng)下調(diào)注氣壓力，否則在制造高發(fā)泡度絕緣時可能出現(xiàn)擠出不穩(wěn)定。

圖7 擠出機內(nèi)部壓力曲線示意圖 

(2)溫度分布

加工PE料時，進(jìn)料段溫度不應(yīng)超過160℃。通過改變機頭溫度可大幅度改變機筒內(nèi)部壓力，對于物理發(fā)泡工藝來說，高壓才能出高發(fā)泡度。制造薄壁結(jié)構(gòu)時，料溫愈高(230℃)愈佳，但應(yīng)避免PE料滯留時間過長導(dǎo)致裂解。

(3)擠出成型

模具的各種結(jié)構(gòu)型式不必再述，總之要使出料過程順滑，高精度的模具出精度的產(chǎn)品。要說的是，一定要考慮同軸電纜絕緣擠出時冷卻水的溫度和材料的收縮程度，記錄生產(chǎn)時的在線電容和外徑，同經(jīng)過5h冷卻后的值進(jìn)行比較，并同最終制成品的值（應(yīng)該與設(shè)計值一致）比較，從而得出需要修正的工藝數(shù)據(jù)。

(4)螺桿與機筒的間隙

為了制造出高質(zhì)量的絕緣線芯，擠出機長徑比越來越大，螺桿與機筒的間隙則越來越小。這里需要提醒的是，間隙過小將損傷擠出機！作者也是偶然發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的，出問題的是一臺進(jìn)口的φ100，長徑比L/D=36的擠出機。

工作時擠出機筒的下邊為冷空氣，上邊為熱空氣，這導(dǎo)致其上、下邊界產(chǎn)生溫度差，由于熱脹冷縮，將出現(xiàn)機筒向上彎曲翹起，對前述尺寸的擠出機來說，上、下邊界每差1℃，機筒會向上彎折0.38mm。同時，機筒內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱量快，溫度分布由外圓柱面向內(nèi)趨于一致，即螺桿無顯著彎曲。實際現(xiàn)象是，冷態(tài)時，螺桿頭部距離下部機筒內(nèi)壁0.08mm，距上壁0.45mm；靜止加熱到150℃，下部間隙0.56mm，上邊頂死。機筒上內(nèi)壁磨出坑，金屬碎屑都混入了絕緣介質(zhì)！

(5)生產(chǎn)設(shè)備運行的穩(wěn)定性

設(shè)備運行過程中出現(xiàn)波動是不可避免的。綜合起來評價，擠出生產(chǎn)線的均勻性可以通過生產(chǎn)過程中在線測試的絕緣線芯的電容變化區(qū)間和外徑的變化區(qū)間進(jìn)行比較，外徑變化導(dǎo)致相應(yīng)的電容變化，超出范圍的電容波動則是由介質(zhì)的介電常數(shù)ε的變化所引起，通過計算即可定量地得出結(jié)果。一般可將所有的波動折算成擠出機出膠量的變化，這個值小于3%，波動的周期大于3min，那么就可以認(rèn)為系統(tǒng)足夠穩(wěn)定。

6 射頻同軸電纜使用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

寬帶通信的需求是同軸電纜發(fā)展創(chuàng)新的動力。無線通信頻率越來越緊張，從幾十億歐元一張的3G執(zhí)照可見一斑。以前民用無線接入頻率最多900MHz而已，而信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局目前的規(guī)劃已擴展到FDD中高速無線接入的3400～3600MHz，甚至5.8GHz的“藍(lán)牙”，這顯然對傳輸射頻信號的同軸電纜提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的編織外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)同軸電纜需要減小編織的節(jié)距，采用性能良好的高速編織機以提高產(chǎn)品的回波損耗性能，可知參考的指標(biāo)是：2500MH以下，電壓駐波比（VSWR）＜1.2；3800MHz以下，VSWR＜1.3。為了解決信號的屏蔽干擾和傳輸損耗偏大的問題，采用銅箔+編織結(jié)構(gòu)是明智的選擇，同時它還具有生產(chǎn)效率高、容易安裝的優(yōu)勢，使用壽命超過15年。

對于射頻同軸電纜制造業(yè)來說，解決“最后一公里”的固定無線接入網(wǎng)FDD是未來幾年一塊真正的大蛋糕。信息產(chǎn)業(yè)部的政策表明，在我國廣大的中西部地區(qū)，用戶接入網(wǎng)的建設(shè)將以無線方式為主，而隨著我國加入WTO，中國電信、網(wǎng)通、聯(lián)通、移動等經(jīng)過新的改制重組，都將獲得電信運營的全部執(zhí)照，對于后幾家公司現(xiàn)在基本不具備用戶接入網(wǎng)，因此，由于固定無線接入方式建設(shè)快捷、組網(wǎng)靈活、成本低廉、性能先進(jìn)，也就意味著這是最好的選擇。作者亦正與信息產(chǎn)業(yè)部有關(guān)部門進(jìn)行商討，力爭以銅箔+編織（32mm節(jié)距）外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的HCCBY(SYWLY)-50-7物理發(fā)泡絕緣射頻同軸電纜（工作頻率到3800MHz）作為FDD天線饋線的通信行業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

隨著銅/鋁箔制造技術(shù)的提高，國外已出現(xiàn)取消編織層，單純以銅/鋁箔縱包或雙邊抱合縱包構(gòu)成外導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)（注：雙邊抱合縱包結(jié)構(gòu)是指：由兩片銅/鋁箔帶呈半圓形縱包成型，并左右兩邊重迭的結(jié)構(gòu)，其彎曲性能優(yōu)于單片縱包成型結(jié)構(gòu)），例如美國Times Microwave系統(tǒng)公司（它是美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-17及RG系列同軸電纜標(biāo)準(zhǔn)的主要起草者），從上世紀(jì)90年代以來已將此類結(jié)構(gòu)作為非皺紋銅管外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型射頻同軸電纜推向市場。作者本人于近年亦曾對此結(jié)構(gòu)在設(shè)計選材和制造工藝方面進(jìn)行了實踐，制造的銅箔縱包外導(dǎo)體物理發(fā)泡同軸電纜樣品經(jīng)測試表明，工作頻段可擴展到20GHz(HP8720矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試上限），其VSWR＜1.65，傳輸損耗僅略低于同尺寸皺紋銅管同軸電纜，加上柔軟易于安裝，從而在整體上具有明顯優(yōu)勢。

作者：廣東穗榕電纜廠  王建華  聯(lián)創(chuàng)光電科技股份有限公司  王發(fā)耀