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作者长期从事于射频电缆的研究和开发，并有机会与同行，以及网络运管商切磋交流，期望把自己在设计和制造中的一些心得体会以杂谈的形式与大家交流，并望得到大家的指教，共同提高，共同进步。本文主要论述基站用射频同轴电缆设计和制造的若干问题的分析，以及如何解决，供有关人员的参考。
2 损耗与驻波 2.1损耗和驻波峰值的计算 射频同轴电缆的损耗和驻波分别表征了电缆传输效率及其均匀性，是最重要指标之一。对于这些传输参数的计算是非常重要的，它可以分析电缆产品性能并反馈于电缆的设计或修改设计方案是必不可少的。其计算公式如下 式中：α为电缆衰减(dB/1000m)；αR为导体衰减(dB/1000m)；αG为介质衰减(dB/1000m)；Δα为失配衰减(dB/1000m)；f为工作频率（MHz)；ε为相对介电常数;K1、K2分别为内、外导体结构材料系数；d、D分别为内、外导体的等效直径(mm)；tgδ为绝缘的介质损耗角正切；S为电压驻波比。 光电缆中出现2倍波长的不均匀性时，就会出现驻波峰值，若电磁波波速为3×108m/s，则 式中：f(/Δf）为测试频率或频率差(MHz)；h为阻抗不均匀点的长度(m)。 驻波峰值在电压驻波比（VSWR）测试时表现出两种形式：一种是在某频点出现，则可能由电缆中相应长度的周期性不均匀所引起的;另一种在周期性频率点上出现，其频率差相对应的长度较长，则通常是由被测电缆的某一点损伤所引起的，或因整根样品的阻抗不匹配导致的。 2.2实例分析 我国西部地区地广人稀，无线接入系统是实现该农村地区通信的一种主要手段。某公司在该系统中使用5D-FB型射频同轴电缆作为馈张。该产品标准出自于日本关西电缆产品标准，其导线的直径为1.8mm，物理发泡聚乙烯绝缘外径为5.0mm。经过讨论和试验，发现该系统的发射系统在频率为247MHz、损耗＜13dB时，即可满足传播的覆盖范围为15～50km的要求。由此，某公司为了节约电缆制造成本，将该电缆的结构尺寸减小为：导线直径1.4mm，绝缘线芯外径4.5mm，结果出现电缆性能不够稳定，寻求作者帮助解决。 该公司提供了图1、2所示的改型后的产品实测数据（试样长为20.15m)。 图1 改型后电缆的驻波及及圆图曲线 从图1、2可知，当效率300MHz时的衰减为11.76dB/100m，与原5D-FB的指标相接近，甚好；但是其电压驻波比（VSWR）在318MHz处达1.7349，超过了原技术指标。本人认为这主要是由于电缆阻抗不匹配所引起的，于是在矢量网络分析仪上取其11个峰值点，并前后频率差值除以10，得到频率差Δf=6.2MHz，按式(2)计算可得ε=1.44，再由式(3)和式(4)求得电缆的波阻抗Zc(Ω)和工作电容C(pF/m) 图2 改型后电缆的衰减-频率特性曲线 由式(3)可知，Zc=58.3Ω已超过标准规定值，这是造成驻波比过大的根本原因，经计算设计，认为导线直径仍为1.4mm，但绝缘外径改小为3.9mm是较合理的，在线测试电容为82pF/m。经结构尺寸修正后投入试生产，并对产品进行抽样试验。试验结果见图3、4，试样长度为19.5m。 图3 修正后电缆的驻波及圆图曲线 从图3、4可知，Δf=6.2MHz，相应波阻抗Zc=49.5Ω，在147MHz时损耗α=8.78dB/100m，265MHz时α=12.11dB/100m，460MHz时α=16.87dB/100m，而其驻波峰值在462MHz处为1.33。这些指标均完全满足使用的要求。由此可知，当产品结构改型时，要首先进行设计计算，否则有可能像上述公司那样错误认为增大绝缘外径，减小电容，就可获得较低损耗，但结果却适得其反。 图4 修正后电缆衰减-频率特性曲线 为了更好地说明电缆衰减中导体与介质之间所占比例，可以通过式(1)，以及上述已知测试值（图3、图4）进行运算来说明问题。为了简略起见，把导体常数K1、K2以1代入（圆铜线为1），此时导体衰减分量可能偏小，而计算出介质损耗为最大值，但不影响分析。将上述147MHz（S=1.1）和460MHz（S=1.2）的衰减值代入式(1)可得以下联列方程 解之可得：sprt(ε) =1.132；tgδ=6.1×10-4。并将它们代入460MHz频点的衰减公式(6)可得 从式(7)、式(8)可知，在460MHz频点时，导体损耗占该电缆总损耗的80%，而其中内导体占总损耗的60%，这说明要降低产品的损耗，首先要从内导体上下工夫。同样也可以看出：介质损耗与频率f成正比，而导体损耗仅仅与频率的开方根成正比。例如，在较低频率147MHz时，其导体损耗占总损耗90%，但随着传输频率增加，尤其传输频率达几千兆赫后，介质损耗起着主导地位，这一点在本文第4节中将详细介绍。 |
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3 导体的结构和选择
3.1复合铜线和铜层厚度 射频同轴电缆是传输射频信号，因此信号在导体传输中产生集肤效应，即信号仅仅在电缆的内导体外表面和外导体内表面进行有效传输。内导体除采用实心铜线外，还经常使用铜包覆线或空心铜管，以增加强度或节约材料，其中也包含着集肤效应原因，提高有效的传输。 对于铜包覆线，如铜包钢线来说，铜层的厚度δ＞0.07mm·sptr(f)（f单位为MHz），即可实现同规格纯铜线的传输效果。国家标准规定铜包钢线电阻率≤0.059Ω·mm2/m(即电导率为29.7%IACS），以直径为1.6mm铜包钢线为例，铜电阻率为0.0175Ωmm2/m，钢电阻率为0.147Ωmm2/m，将钢丝及其表面铜层看作两个导体并联，可算出表面铜层的厚度为0.025mm，代入δ＞0.07·sptr(f)可知，当传输频率大于1.67MHz时，其完全等效于同规格的实心圆铜线。了解了这计算方法，对于企业采购原材料是非常有用的。 3.2实例分析 Amphenol公司中国分公司需要RG-213同轴电缆，作为移动通信基站跳线，但该产品采用3/8in皱纹铜管外导体，弯曲性能太差，故提出电缆改型的要求。开始由英国和瑞士等两家电缆制造厂提供编织铜丝外导体的电缆样品供其试用，但经采购认证试验后达不到使用要求，然后转向本厂并提出试制的要求。用户提出的产品技术要求:试样的长度，即电缆和组件长度为2.25m（即包括两端接插连接器），在2000MHz以下传输损耗＜0.9dB，回波损耗＞15dB。经考虑，作者承诺两周内送样，参与国外产品的竞争。 (1)设计前分析及试制 据查，MIL17/74RG-213/U产品结构为：内导体为7×0.75mm铜绞线，绝缘为实心的聚乙烯，外径为7.25mm;外导体为φ0.18mm裸铜丝单层编织；外护套为聚氯乙烯，外径10.3mm，英国公司提供的产品：内导体与绝缘的材料和结构尺寸与RG-213/U相同，不同的是外导体采用双层编织铜丝，护套PVC外径为10.8mm，实际上是MIL17/75RG-214/U的标准产品。 电缆及组件的总损耗（包括射频同轴电缆本体损耗与两端连接器接入损耗）＜0.9dB。每只连接器接入损耗为0.07·sptr(f) （f单位为GHz），按最高频率2GHz计算，每只连接器接入损耗约为0.099dB，因此要求电缆损耗小于0.31dB/m。若采用普通型聚乙烯绝缘料(tgδ=5×10-4)时，按式(1)计算求得的衰减理论值约为0.344dB/m，不能采用；若采用高纯净聚乙烯绝缘料(tgδ=5×10-4)，衰减理论值约为0.233dB/m，可以满足指标要求。因此必须采用高纯净聚乙烯绝缘料。 按指标规定回波损耗（SRL）＞15dB，可通过以下公式计算，判别是否可以达到要求。 式中，Γ为反射系数；S为电压驻波比。通常电压驻波比S＜1.433，这容易达到的。 对于编织外导体而言，由于耦合（漏泄）损耗也是信号另一不可低估传输损耗，为了达到减低耦合损耗的目的，要求编织密度达95%。本产品试制中采用：(1)24×9×0.18mm裸铜丝单层编织； (2)24×9×0.18mm+24×7×0.18mm双层编织。为避开回波损耗峰值（由式(2)周期性回波公式可知，2000MHz时对应周期长度约为48.9mm），编织节距选取40mm。 按上述设计要求，试制了产品并进行试验，试验结果:(1)单编织外导体产品在2000MHz时电缆衰减为0.412dB/m；(2)双编织外导体产品衰减为0.367dB/m，均不能满足＜0.31dB/m的指标要求。 (2)采用铜箔+编织的外导体结构 上述试验结果表明减小编织织外导体的耦合损耗是多么重要。经思考决定采用铜箔+编织的外导体结构，测试结果如图5、图6所示。从图5可知，当频率为2000MHz时，电缆衰减为0.287dB/m，完全满足使用的要求，然后送样给用户即通过采购认证试验。 图5 RG-213(铜箔+编织)电缆衰减-频率特性曲线 铝箔的拉伸成型性能优秀，但抗腐蚀性能差，一般只有3～5年的使用寿命，并且铝的电阻率比铜大62%，从而导致相同尺寸的同轴电缆，铝外导体的比铜外导体的损耗大10%左右，这也是不使用铝箔的原因。铜很稳定，电性能好，但加工性能中够好，至今不能在同轴电缆上得到很好的应用。作者同航天部四院（西安）的向阳铜箔厂及材料所合作开发的厚度为0.033～0.055mm铜箔+厚度为0.018mmPE复合薄膜，伸长率＞7%（德国标准是4%），剥离力＞5N/cm，折挠性能好，铜箔不易起皱开裂，柔软，便于纵包成型，利用它设计的一种漏泄同轴电缆已申报了发明专利。 图6 RG-213(铜箔+编织)电缆电压驻波比-频率特性曲线 4 介质及介质损耗角正切 这是一个反映材料本性的指标。以聚乙烯（PE）来说，乙烯分子结构的偶极矩矢量和为零，本身是无极性的(tgδ为0)，但在聚合生产过程中，需要加入催化剂、抗氧化剂、稳定剂等进行改性，最终产品必然有或多或少的金属离子残余。通常使用的绝缘用聚乙烯材料的介质损耗角正切tgδ在5×10-5～5×10-4（1MHz），随着工作频率的升高，其值约以每1000MHz，10%的速率增加。 通过式(1)计算及分析，对于绝缘内、外径比为2.8∶1的50Ω物理发泡同轴电缆来说：(1)当绝缘材料使用普通聚乙烯(tgδ=5×10-4)时，工作频率1000MHz时，介质损耗占总传输损耗的23%；3000MHz时，占总损耗的35%。(2)当绝缘材料使用高纯度聚乙烯(tgδ=5×10-5)时，工作频率1000MHz时，介质损耗占总损耗的3%；3000MHz时，占总损耗的5%。通俗地说，当电缆的工作频率不太高时（几百兆赫以下），绝缘材料是否纯净影响不大，而当工作效率为1.0千兆赫以上时，则相同结构尺寸的同轴电缆，使用普通PE料的比使用高纯净PE料的衰减要大20%～30%，随着频率升高而迅速递增，由此也就给出了如何根据同轴电缆用户使用的频率和传输损耗要求来选择绝缘材料的关系（性能价格比）。 需要说明一下的是，一般情况下对同轴电缆绝缘的耐压等级要求不高，但在高压脉冲信号传输等应用场合则要考虑到，当高聚物中混有杂质时，会使电缆的热击穿电压下降；而随着工作频率的增加，则介质损耗同步增大，更易导致热击穿。物理发泡聚乙烯绝缘结构由于相对的介质层厚度较薄和同部细孔的存在，因此，击穿场强也大大下降，所以要注意使用场合。 近年来通信设备产业大规模向中国转移，随之高性能机柜用电线电缆有了需求，要求电缆耐高温、阻燃、防化学反应和抗腐蚀等，从而导致氟塑料电缆需要的增加。早先的聚四氟乙烯不能挤出成型，现在则有多种热塑性氟塑料投入市场，一般的PE挤出机即可生产，对同轴电缆制造企业来说并不困难。简单地说，低档的TEFZEL（四氟乙烯-乙烯共聚物）最易加工，工作温度为150℃，介质损耗角正切7×10-4，略偏高；LDPTFE（低密度聚四氟乙烯）介质损耗角正切可低至2×10-5，工作温度达到250℃，但加工温度狭窄；综合来说，FEP（聚全氟乙丙烯）可工作到200℃，介质损耗角正切为1×10-4，加工也容易，最适合用作高要求同轴电缆的绝缘介质。 |
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5 挤出机与挤出工艺
挤出机是同轴电缆制造最重要的工具，按理说不必谈它，然而由于技术部门同生产部门的脱节，许多企业人员却并未真正掌握其工艺原理。 (1)压力分布 典型的挤出机内压力分布曲线可参见图7，在挤出机模口处压力释放。挤出机旁路状态下的压力分布将随着生产线牵引的启动而大幅下降，理解这一点对于物理发泡生产线尤其重要，在生产线启动后需相应下调注气压力，否则在制造高发泡度绝缘时可能出现挤出不稳定。 图7 挤出机内部压力曲线示意图 (2)温度分布 加工PE料时，进料段温度不应超过160℃。通过改变机头温度可大幅度改变机筒内部压力，对于物理发泡工艺来说，高压才能出高发泡度。制造薄壁结构时，料温愈高(230℃)愈佳，但应避免PE料滞留时间过长导致裂解。 (3)挤出成型 模具的各种结构型式不必再述，总之要使出料过程顺滑，高精度的模具出精度的产品。要说的是，一定要考虑同轴电缆绝缘挤出时冷却水的温度和材料的收缩程度，记录生产时的在线电容和外径，同经过5h冷却后的值进行比较，并同最终制成品的值（应该与设计值一致）比较，从而得出需要修正的工艺数据。 (4)螺杆与机筒的间隙 为了制造出高质量的绝缘线芯，挤出机长径比越来越大，螺杆与机筒的间隙则越来越小。这里需要提醒的是，间隙过小将损伤挤出机！作者也是偶然发现这一现象的，出问题的是一台进口的φ100，长径比L/D=36的挤出机。 工作时挤出机筒的下边为冷空气，上边为热空气，这导致其上、下边界产生温度差，由于热胀冷缩，将出现机筒向上弯曲翘起，对前述尺寸的挤出机来说，上、下边界每差1℃，机筒会向上弯折0.38mm。同时，机筒内部金属结构传导热量快，温度分布由外圆柱面向内趋于一致，即螺杆无显著弯曲。实际现象是，冷态时，螺杆头部距离下部机筒内壁0.08mm，距上壁0.45mm；静止加热到150℃，下部间隙0.56mm，上边顶死。机筒上内壁磨出坑，金属碎屑都混入了绝缘介质！ (5)生产设备运行的稳定性 设备运行过程中出现波动是不可避免的。综合起来评价，挤出生产线的均匀性可以通过生产过程中在线测试的绝缘线芯的电容变化区间和外径的变化区间进行比较，外径变化导致相应的电容变化，超出范围的电容波动则是由介质的介电常数ε的变化所引起，通过计算即可定量地得出结果。一般可将所有的波动折算成挤出机出胶量的变化，这个值小于3%，波动的周期大于3min，那么就可以认为系统足够稳定。 6 射频同轴电缆使用领域的发展趋势 宽带通信的需求是同轴电缆发展创新的动力。无线通信频率越来越紧张，从几十亿欧元一张的3G执照可见一斑。以前民用无线接入频率最多900MHz而已，而信息产业部无线电管理局目前的规划已扩展到FDD中高速无线接入的3400～3600MHz，甚至5.8GHz的“蓝牙”，这显然对传输射频信号的同轴电缆提出了更高的要求。 传统的编织外导体结构同轴电缆需要减小编织的节距，采用性能良好的高速编织机以提高产品的回波损耗性能，可知参考的指标是：2500MH以下，电压驻波比（VSWR）＜1.2；3800MHz以下，VSWR＜1.3。为了解决信号的屏蔽干扰和传输损耗偏大的问题，采用铜箔+编织结构是明智的选择，同时它还具有生产效率高、容易安装的优势，使用寿命超过15年。 对于射频同轴电缆制造业来说，解决“最后一公里”的固定无线接入网FDD是未来几年一块真正的大蛋糕。信息产业部的政策表明，在我国广大的中西部地区，用户接入网的建设将以无线方式为主，而随着我国加入WTO，中国电信、网通、联通、移动等经过新的改制重组，都将获得电信运营的全部执照，对于后几家公司现在基本不具备用户接入网，因此，由于固定无线接入方式建设快捷、组网灵活、成本低廉、性能先进，也就意味着这是最好的选择。作者亦正与信息产业部有关部门进行商讨，力争以铜箔+编织（32mm节距）外导体结构的HCCBY(SYWLY)-50-7物理发泡绝缘射频同轴电缆（工作频率到3800MHz）作为FDD天线馈线的通信行业使用的标准产品。 随着铜/铝箔制造技术的提高，国外已出现取消编织层，单纯以铜/铝箔纵包或双边抱合纵包构成外导体的结构（注：双边抱合纵包结构是指：由两片铜/铝箔带呈半圆形纵包成型，并左右两边重迭的结构，其弯曲性能优于单片纵包成型结构），例如美国Times Microwave系统公司（它是美国军用标准MIL-17及RG系列同轴电缆标准的主要起草者），从上世纪90年代以来已将此类结构作为非皱纹铜管外导体结构的新型射频同轴电缆推向市场。作者本人于近年亦曾对此结构在设计选材和制造工艺方面进行了实践，制造的铜箔纵包外导体物理发泡同轴电缆样品经测试表明，工作频段可扩展到20GHz(HP8720矢量网络分析仪的测试上限），其VSWR＜1.65，传输损耗仅略低于同尺寸皱纹铜管同轴电缆，加上柔软易于安装，从而在整体上具有明显优势。 作者：广东穗榕电缆厂 王建华 联创光电科技股份有限公司 王发耀 |
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