同轴电缆的性能技术

摘要：PTFE(杜邦特氟龙)作为传输电缆的介质材料已经有几十年的历史。

在室温条件下，PTFE会发生状态改变，使其体积产生阶跃突变，以及相对介电常数的变化，并呈现电长度变化的“滞后”效应。

这些电长度的变化很难通过系统软件或其他途径进行可靠预测和计量，从而导致系统性能的衰减。有机和无机介质材料的发展，为一些基本性能指标带来巨大改进。

本文将比较几个同轴电缆技术:

• 温度变化导致的相位变化关系
• 多组电缆间电长度的跟踪性能和温度变化之间的关系
• 多组电缆间在环境温度改变时的电长度跟踪性能
• 多次温度循环后电长度的重复性能

此外，导体结构与介质之间的振动和相互作用产生的寄生相位噪声，及相关的电长度参数，将在下文讨论。

一、简述

Oliver Heaviside注意到，将一根电话线用绝缘体包裹，会提高信号质量及有效通信距离。1880年他申请了世界上第一根同轴电缆的专利。1929年美国电话电报公司贝尔电话实验室的工程师申请了第一根现代同轴电缆的专利。以今天的标准来看，它由两根同轴金属管构成，以空气做隔离，显得比较粗糙。

19世纪30年代杜仲橡胶(一种天然橡胶) 是早期柔性同轴电缆的主要介质选择。

第二次世界大战期间，聚乙烯成为主要的绝缘介质材料。19世纪50年代开发出“发泡”工艺，减少了电缆电容及损耗。60年代固体全密度聚四氟乙烯（PTFE）或Teflon被广泛使用。其拥有更高的温度范围，更低的损耗因数，更低的介电常数及在更宽的温度和频率范围下的性能一致性，使之成为理想的同轴电缆介质。

70年代与80年代，制造商开始使用拉伸扩展型的低密度版本的PTFE，进一步达到了较理想的性能指标。

90年代对电长度稳定性需求的增加，使制造商开始使用超低密度PTFE介质。

这些产品的确有了显著的改善，但仍有一些内在局限性。其中最主要的限制是相位对温度的“拐点”问题：由于PTFE分子的基本材料特性而导致的电长度阶跃变化。这种效应可以最小化，但不可能消除。

2004年同轴电缆产品使用TF4技术以解决该问题。

2015年进一步优化和改进工艺，发展了更新的TF4技术，对比PTFE介电材料，其在相位敏感的应用中拥有非常明显的优势。

二、性能指标

理想的微波电缆组件应具有零损耗，零能量反射，及零电长度变化。这些理想的属性应在系统部件所处的任何环境条件下保持不变。

在实际应用中我们要努力实现这些理想的属性。但实际上同轴电缆组件电长度的变化确实与其所在的环境温度变化有关。

A、相位变化和温度变化之间的关系

众所周知，用于构成同轴电缆组件的金属具有正向的扩张温度系数。电长度与物理长度是直接相关的。很明显，温度升高，物理长度会增加，电长度也会随之增加。

相反，大多数微波电缆组件的电长度具有负向的温度系数。图1说明了温度对一根理想电缆组件电长度的影响。

 

 

图1

中心导体的轴向长度随温度升高而增加。外导体也同样随温度而增长并直接影响外导体直径的变化。这会导致介质密度的细微变化从而改变相对介电常数。该相互作用对介电常数产生了影响，使电长度的变化与金属的膨胀-收缩作用成反比。这一现象至关重要，使理论上平衡两者以达到温度相位零变化成为可能。实际上, 使用PTFE作为传播媒介的电缆组件，在室温下介电常数总会有一个阶跃变化，导致电长度发生相应改变。

图2说明了PTFE介质的同轴电缆，温度对相位的影响。

 

 

图2

B、相位跟踪和温度的关系

实际上，相位匹配的电缆组件不会随着温度的变化而保持相对匹配。相位跟踪是指保持电缆组件之间初始相位值不变的性能。图3说明了两根原本在室温下已经相位匹配的电缆组件，随着温度的改变其相位跟踪发生变化的情况。

 

 

图3

众多因素决定良好的相位跟踪性能。最关键的是电缆在单位长度上各方面的一致性。包括电容量，阻抗，及导体机械性能的一致性，这些都对相位跟踪性能的好坏起关键作用。任何温度下的相位匹配值，是初始匹配值与相位跟踪的变化值相加得到。

图4说明了相位跟踪也与电缆在室温匹配时的初始相位差有关。

 

 

图4

C、室温下的相位匹配