引言
微波同軸電纜用于傳輸波長為1m~1mm(頻率為300MHz~300GHz)的電磁波,是由互相同軸的內(nèi)導體、介質(zhì)、外導體、屏蔽和護套組成的。內(nèi)外導體處于同心位置,電磁能量局限在內(nèi)外導體之間的介質(zhì)內(nèi)傳播,具有屏蔽性能高、頻帶寬及性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點,廣泛應用于雷達、電子對抗、電磁武器等裝備中,是信號傳輸?shù)?血管"和"神經(jīng)",其重要性不言而喻。
1880年,OliverHeaviside發(fā)現(xiàn)將一根電話線用絕緣體包裹,可提高信號質(zhì)量及通信距離,并依此申請了世界上第一根同軸電纜的專利:20世紀50年代,主要以杜仲橡膠和聚乙烯作為電纜介質(zhì)材料:至60年代,實心聚四氟乙烯(PTFE)被廣泛使用,大幅提高了同軸電纜的性能:到90年代,開始使用拉伸擴展型的低密度聚四氟乙烯,達到了較理想的性能指標,奠定了現(xiàn)代同軸電纜的基礎:而后數(shù)十年,主要在此基礎上,采用新材料、改進結(jié)構(gòu)或引入新工藝,提高同軸電纜的性能,擴大其應用范圍。筆者將總結(jié)多年來在研發(fā)和生產(chǎn)微波同軸電纜方面的經(jīng)驗,結(jié)合有關文獻報道,展望微波同軸電纜的技術發(fā)展趨勢。
1高頻傳輸
國內(nèi)外整機設備的射頻信號傳輸頻率通常不高于18GHz,隨著裝備信息化、現(xiàn)代化的推進,低頻頻譜漸趨飽和,未來對更高頻段資源的應用需求將日益強烈?？臻g通信頻率為31GHz、45GHz:星際組網(wǎng)通信頻率為60GHz:太赫茲通信傳輸頻率在100GHz以上。高頻傳輸具有容量大、速率高、頻帶寬、方向性高、保密性和抗干擾性強等優(yōu)點[2],符合電子系統(tǒng)小型化、模塊化、集成化的發(fā)展趨勢。
國外對于各類傳輸線研究較早,技術水平遙遙領先,已開發(fā)出太赫茲傳輸產(chǎn)品。如GOREPHASEFLEx組件,工作頻率達110GHz,電壓駐波比≤1.2,在彎折和溫度變化時仍然能保持優(yōu)異的穩(wěn)定性能,代表微波同軸電纜的極高水平。微尺寸同軸電纜、金屬圓波導等太赫茲元器件,傳輸頻率已達0.15THz。國內(nèi)有個別廠家開發(fā)出了工作頻率為65GHz的同軸電纜,但100GHz以上的太赫茲傳輸目前還停留在設計仿真階段,尚未開發(fā)出實用化產(chǎn)品。發(fā)展該技術,首先要突破的是傳輸理論,其次,在原材料、工藝設備、連接器設計制造、組件裝配技術及測試等方面需要大幅提升。
2超穩(wěn)相傳輸
PTFE具有介電常數(shù)低、介質(zhì)損耗正切值小、耐高低溫、化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點,目前及未來相當一段時期內(nèi),將是最佳的微波同軸電纜電介質(zhì)材料。PTFE介質(zhì)同軸電纜存在以下問題:一是"溫度一相位"曲線為一條斜率曲線,斜率關系到電纜的相位穩(wěn)定性:二是在19℃附近,該曲線呈現(xiàn)相位突變的"拐點",影響電纜的相位跟蹤特性。上述問題均與PTFE材料特性有關:前者可通過對介質(zhì)的"微孔化",獲得介電常數(shù)約為1.4的低密度PTFE來減小斜率:后者因是PTFE分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變引起的,故難以消除。為解決上述問題,各國技術人員研究了PTFE改性或開發(fā)了新材料。目前已經(jīng)開發(fā)出能替代PTFE的穩(wěn)相同軸電纜材料,使相位特性有了顯著改善。Times公司開發(fā)出了一種基于氟聚合物的介質(zhì)材料TF4TM,該材料有與PTFE類似的損耗特性和溫度等級,消除了介電常數(shù)的"突變效應",在很寬的溫度范圍內(nèi)保持高度的相位穩(wěn)定性,顯著提高了相位溫度穩(wěn)定性、重復性和跟蹤特性。
可熔性氟樹脂(FEP、PFA),具有與PTFE接近的理化特性和電性能,不存在PTFE的相位"拐點"。加工性方面,可采用熔融擠出＋氮氣發(fā)泡的成型方式,獲得微孔結(jié)構(gòu)介質(zhì),降低介電常數(shù),達到低損耗、超穩(wěn)相要求,成為可替代PTFE的穩(wěn)相電纜介質(zhì)材料。
采用"共混"的方法,將"鏡像"(介電常數(shù)隨溫度變化趨勢相反)材料均勻混合,制成聚合物合金,通過擠出加工介質(zhì),利用組分材料介電常數(shù)隨溫度變化的相互補償性,達到降低斜率或消除"拐點"的目的,也是研制超穩(wěn)相電纜的一個方向。
3耐特殊環(huán)境
電線電纜應用于航空航天領域除滿足電氣性能要求外,還要滿足體積小、重量輕、機械強度高、可靠性高、耐高溫、耐輻射等極端復雜工況要求。穩(wěn)相電纜介質(zhì)和護套多采用高分子材料,是耐輻射耐高溫性能的薄弱點,各國技術人員也在積極開發(fā)替代性的介質(zhì)和護套材料。二氧化硅具有優(yōu)異的電性能,極高的耐環(huán)境性能、機械性及可靠性,成為耐輻射耐高溫電纜研究的寵兒。Times公司已開發(fā)出成熟的二氧化硅絕緣微波同軸電纜,外導體為不銹鋼,該電纜具有耐高溫(1000℃)、耐輻射(y射線輻照劑量109rad)、介電常數(shù)低(1.6)等優(yōu)點,且介電常數(shù)穩(wěn)定,相位溫度曲線斜率小,不會出現(xiàn)"拐點"。核電用耐高溫耐輻照特種電纜市場被該系列產(chǎn)品壟斷,國內(nèi)已有多家單位開展這方面的研究,但尚未開發(fā)出實用性產(chǎn)品。隨著核電技術的發(fā)展,對礦物絕緣電纜的需求將日益增加,未來將是一大熱點。
各類武器裝備為減重,提高空間利用率和運載能力,對布線的要求越來越高,希望線纜盡可能輕,體積盡可能小。輕質(zhì)、耐輻照是對在空間環(huán)境下使用的微波傳輸線的兩大突出要求。MicroCoax公司的MCJ系列穩(wěn)相電纜,能夠滿足航空航天環(huán)境使用要求。結(jié)構(gòu)與常規(guī)穩(wěn)相電纜相同,但采用輕質(zhì)高強度的導電纖維材料代替鍍銀銅線作為屏蔽編織層,不僅能夠顯著地減小電纜重量,還具有很高的耐輻照特性,電纜綜合性能優(yōu)異,在航空航天用輕型傳輸線領域處于壟斷地位。
4新材料、新工藝
碳材料是近年來研究熱點,在國外已有報道采用碳納米管、石墨烯作為導體材料,雖然目前電性能與傳統(tǒng)材料電纜相比仍有一定差距,但隨著材料研究的深入,未來產(chǎn)品性能將得到進一步突破,更多新材料將得到應用。
在新型工藝技術上,西方發(fā)達國家格外重視,并投入大量研發(fā)經(jīng)費,取得了顯著的成果。瑞士HUBERsUHER已經(jīng)開發(fā)出成熟的整體推擠PTFE絕緣電纜產(chǎn)品,該類產(chǎn)品性能優(yōu)異、生產(chǎn)效率更高。
在智能制造領域,國外已有公司采用可3D打印的樹脂材料用于電纜制造,后續(xù)將會有更多的電纜材料被納入3D打印技術材料庫中。3D打印技術在制造特種高端電纜方面優(yōu)勢巨大,可預見的未來十年,傳統(tǒng)的電纜工藝技術將經(jīng)歷巨大的變革。
5結(jié)語
經(jīng)過近三十年的發(fā)展,我國微波傳輸技術取得了較大進步,但是與國際先進同行相比,研發(fā)投入偏低,整體技術水平不高,尤其是在特種高端電線電纜方面的技術還較弱,核心競爭力較低,產(chǎn)品性能差距較大。未來,需重點在高頻(毫米波、太赫茲)傳輸技術、超穩(wěn)相技術、耐特種環(huán)境線纜以及新材料、新工藝開發(fā)等方向?qū)で笸黄啤?
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