CN102197442A - 共轴电缆 - Google Patents

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斯特凡·梅茨
斯特凡·舍勒
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Huber and Suhner AG
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Abstract

本发明涉及包括由外导体(12)以特定距离同心围绕的中心内导体(11)的共轴电缆(10)，其中内导体(11)和外导体(12)之间的中间空间被填充以电介质(13)。具有特殊良好机械和电性能的共轴电缆通过电介质(13)和至少内导体(11)实现，电介质包括沿电缆纵向方向延伸的并由玻璃构成的多个中空纤维(14，15，19)，至少内导体(11)具有一热膨胀系数，所述热膨胀系数匹配电介质(13)关于共轴电缆(10)中最小可能的温度相关相变。

Description

共轴电缆
技术领域
共轴电缆具有中心内导体，其由外导体以特定距离同心地围绕。中心内导体和同心的外导体之间的中间空间填充有电介质。在要求苛刻的应用中，例如在太空中的卫星技术的情况中，尤其是对于如-55℃至+125℃的大温度范围内，温度上的相移的低线性衰减(dB/m)和线性相关性，和/或近似零的相关性对于共轴电缆具有特殊重要性以及对于GHz范围内极高频率具有适用性。
背景技术
例如，通过使中心内导体和外导体之间的中间空间尽可能地完全填充空气(相对介电常数εr＝1)，能够实现非常低的衰减。另一方面，在很多情况中，电介质还承担将中心内导体稳定和固定在中心处的任务，以便即使在电缆弯曲或扭曲时，电缆的同心结构也会维持。
中间空间或电介质中的高空气含量能够以多种方式实现：
1.借助定位间隔器或间隔元件，其将内导体支撑和固定在外导体上(例如参见，EP-A2-0899750或US-A-5,742,002)。
2.借助低密度的膨胀的或多孔材料(参见，例如，DE-A1-3415746或WO-A1-2007/147271，作为进一步参考)。对此公知的技术是浆料挤压，熔体挤出，粉末烧结或塑料包装。
3.借助沿电缆纵向方向行进的紧密捆扎的管束。
类型(1)对于生产是非常复杂的，并且尤其是在小的电缆尺寸的情况中，仅能非常困难地实现。
类型(2)以广泛变化的形式被使用，但限于多孔性或机械强度方面。
关于以上列举的类型(3)，以往已经获得了很多解决方案：
文献DE-A1-1440771描述了一种共轴电缆，特别是一种用于生产这样电缆的方法，其中管沿平行于电缆中心轴的纵向方向在围绕内导体的一层中铺设为间隔元件。管具有相对薄的壁，使得内导体和外导体或护套之间的容积仅填充有空气，或至少填充有气体。管由泡沫塑料或弹性体构成。“管”在此理解为表示填充和未填充的管以及不管其是否为中空的杆的形式。由此定义的管还可由多种材料充满或加固的玻璃纤维生产，并且还包含硅或硅橡胶的加固。这种管还应用于相关文献GB-909,343。
文献DE-B-1059522描述了一种共轴电缆，其中导体彼此支靠并借助一个或多个管形绝缘元件彼此绝缘。绝缘元件在围绕内导体的一层内螺旋地缠绕以使内导体绝缘或者平行于内导体布置。绝缘元件具有两部分的形式，包括具有螺旋切口以提高电缆的弯曲性能的内元件和内元件的薄外皮。绝缘元件优选由聚苯乙烯构成。
文献CH-257548公开了一种共轴电缆(图2)，其中中空的内导体借助许多在单层内螺旋缠绕的乙烯聚合物的管被保持在与外导体相距一定距离的位置处并与其绝缘。管的直径被选择得尽可能的大，以便在内导体和外导体之间提供尽可能小的固体材料。为了获得对内导体的必要保持，管以超尺寸的方式进行生产，并且其截面是从圆截面变形至获得所需内外径比以及必要压力施加在内导体上的程度。
文献DE-A1-19956641描述了一种共轴电缆，其中内导体借助优选形成为单丝的许多绞线与外导体分开并支靠外导体。绞线包括电介质材料，如聚醚醚酮，聚芳醚酮或聚醚酰亚胺。在此，仅绞线之间的中间空间是空气填充的。
文献DE-C-902865公开了一种共轴电缆，其中绝缘材料，例如聚乙烯的管作为间隔器围绕内导体进行缠绕，并且塑料包装也被施加在顶端。使用最初为圆截面的管，并在绞合(stranding)过程中产生的张力的作用下、以及借助随后的包装，沿径向方向将管一起压在内导体上，使其彼此非常紧密依靠地被放置，并进而呈现截面近似扇形的形状。
另一文献，GB-535743，涉及一种共轴电缆，其中内导体由许多具有低介电损耗的材料的管或电缆所围绕，所述材料诸如“聚乙烯”或橡胶。
文献GB-A-2374721公开了一种共轴电缆，其中中空的内导体由多重丝状绝缘绞线围绕，该绝缘绞线与内导体平行排列。优选为甲基戊烯的绞线是以在纵向方向的压力下的高弹性负载为特征，并用于提高电缆的机械性能。
最后，JP-A-7169341公开了一种抗辐射的共轴电缆，其中内导体和外导体之间的中间空间填充有玻璃纤维或陶瓷纤维。
关于最小的温度相关相变，已知具有特殊构造电介质的解决方案(US-A-4,287,384)以及解决方案(US-A-3,909,555或US-A-3,971,880)，其中内导体由涂敷有良好导电层的低热膨胀的金属构成。在后者的情况中，电介质由精细分开的石英，氧化镁或氧化铝构成。
已知的高质量共轴电缆是申请人提供的“SUCOFLEX 404”类型的共轴电缆。具有50欧姆阻抗，26.5GHz操作频率和5.5mm的外直径的上述共轴电缆在25.6GHz处具有近似1.15dB/m的衰减。-55℃和+125℃之间温度范围内的(非线性)相变仅是750ppm。由镀银铜构成的内导体在此由超低密度的压延PTFE电介质围绕，其具有1.26的相对介质常数。相变关于温度的非线性分布(profile)由于PTFE的介电常数引起的相变部分的非线性温度相关性所产生。根据本发明的发现，低绝对量的相变有助于PTFE的介电常数引起的相变部分的负温度相关响应，其在很大程度上由内导体和外导体的热膨胀引起的相变部分的正温度相关响应进行补偿。
尽管描述的“SUCOFLEX 404”共轴电缆关于衰减，温度相关相变和操作范围具有非常好的特性，但希望在所有数值上进一步改进上述电缆。特别地，这样改进的电缆倾向于是足够柔软、相对简单和廉价地进行生产，并且在毫米级范围内的小直径情况中也具有良好质量。
发明内容
因此，本发明是基于提供柔性或半柔性共轴电缆的目的，该共轴电缆避免了已知共轴电缆的缺陷。该电缆尤其期望以最小衰减为特征。此外，倾向于具有相移的最小温度相关响应。另外，相移对温度的相关性在大的温度范围内应当尽可能是线性的。最后，期望即使在恶劣的条件下，尤其是在太空中和从至少-55℃至+125℃之间的大温度范围内，能够在没有任何问题的情况下使用电缆，并且允许电缆本身能够被相对简单地生产直至具有几毫米(例如，6毫米)的小外直径。
通过作为整体的权利要求1的特征实现该目的。
对于根据本发明的共轴电缆，内导体和同心的外导体之间电介质由多个中空纤维构成，所述中空纤维由玻璃构成并沿电缆的纵向方向行进，以及至少内导体具有一热膨胀系数，所述热膨胀系数匹配电介质关于共轴电缆中尽可能小的温度相关相变。
由玻璃拉伸的中空纤维能够生产或非常均匀地拉伸直到具有小于1mm的外直径和小于0.05mm的壁厚度。以这些尺寸，上述中空玻璃纤维或玻璃毛细管具有高机械稳定性，并且同时能于宽限制内进行弯曲而不断裂。中空玻璃纤维在张力下是坚固的并且能不困难地进行绞合，并由此可集成在常规电缆生产工序中。特别地，配置中空玻璃纤维作为电介质的共轴电缆对高温和低温，振动和其他机械效应不敏感。中空纤维中以及中空纤维之间的中空空间，如果需要，可在电缆整个长度内被排空或填充有特殊气体或气体混合物，如果这是在某些应用中需要的。
中空玻璃纤维是良好的电绝缘体并且化学中性或对外部效应相对不敏感。因为小的可能的壁厚度，玻璃纤维能够产生具有大的多孔性以及由此具有高空气含量的电介质。特别地，由中空玻璃纤维所引起的相变的温度相关响应部分是线性的，并且根据玻璃的类型，可接近零。
根据本发明的共轴电缆的一种构造的特征在于由电介质引起的相变部分具有几乎可以忽略不计的温度相关响应，以及在于内导体的热膨胀系数相应地接近零。优选地，外导体的热膨胀系数也接近零。这允许温度相关相变在宽的温度范围内被保持得非常低，余下温度相关性大部分是线性的。
本发明的另一构造以这样事实为特征，即中空纤维被布置在多个同心层内。在此情况中，特别是电绝缘材料、优选是塑料的中间层，优选地分别设置在中空纤维的同心层之间，并增加电缆构造的稳定性。如果单独的同心层的中空纤维分别被绞合，则机械性能进一步提高，绞合在层与层之间能够沿相同方向或相反方向。
原则上，整个电介质可由一种类型的中空纤维构成。可是，电缆设计上的更大灵活性可通过不同的同心层的中空纤维实现，不同的同心层的中空纤维在构造和/或材料和/或其尺寸方面被不同地设计。
已经发现基本由石英玻璃或SiO2构成的中空纤维关于电和机械以及加工特性尤其是有利的，具有圆形截面和0.01mm和4mm之间，尤其是0.01mm和1mm之间的外直径的中空纤维是优选的。这种情况中的中空纤维具有0.001mm和2mm，尤其是0.001mm和0.05mm之间的壁厚度。
特别地，共轴电缆的良好长期稳定性可通过在外侧设有保护覆盖层的中空纤维实现，保护层优选由丙烯酸脂(acrylate)或硅树脂(silicone)或陶瓷或氟化乙烯丙烯(FEP)或聚乙烯(polyethylene)构成，并具有10μm范围内的层厚度。
因为中空玻璃纤维的电介质对于温度相关相变的作用相比于常规的电介质相对小，例如PTFE，故具有小于或等于5ppm/K的热膨胀系数的内导体优选地用在共轴电缆中。特别地，内导体由FeNi36Ag(不胀钢)或科瓦铁镍钴合金(Kovar)或玻璃构成，并在外侧设有良好导电性的包覆层，尤其是Ag的包覆层。内导体有利地在此情况中具有小于2mm的外直径。
相反地，外导体可包括缠绕的CuAg条。
附图说明
以下基于结合附图的示例性实施例更详细地解释本发明。
图1以截面示出了根据本发明示例性实施例的共轴电缆的基本构造；
图2以透视图示出了图1中所示的共轴电缆的中空纤维层的绞合；
图3以图片示出了根据图1的共轴电缆的原型的截面；
图4依照设有导电包覆层、具有适合的热膨胀的芯，以简单图示示出了图1中共轴电缆的内导体的构造，；
图5依照设有保护覆盖层的中空玻璃纤维，以简单图示示出了图1中共轴电缆的中空纤维的构造；
图6示出了共轴电缆中相变Δp的温度相关性的图，该共轴电缆具有由涂敷丙烯酸脂的中空SiO2纤维的电介质引起的部分(曲线a1)和CuAg(镀银铜)内导体引起的部分(曲线b1)；和
图7示出了共轴电缆中相变Δp的温度相关性的图，该共轴电缆具有由涂敷丙烯酸脂的中空SiO2纤维的电介质引起的部分(曲线a1)和镀银FeNi36Ag(不胀钢)的内导体引起的部分(曲线b1)。
具体实施方式
大多孔性、进而得到的高空气含量，对于低衰减性是必须的，在现有技术中，例如通过高度的发泡实现。目前，PTFE主要用于实现该性能，对于开始描述的“SUCOFLEX 404”类型的商业可获得的共轴电缆通常就是这样。可是，由于高度的发泡或相关联的多孔性，降低了机械稳定性。具有最低可能材料含量或高空气含量的截面绝缘体外形今天还可通过外形挤压实现；可是，关于多孔性(60-80％)和机械稳定性，对此还存在限制。
在本发明的情况中，通过选择中空的玻璃纤维实现所需性能。使用中空的玻璃纤维允许空气含量显著增加，同时如果使用适合的玻璃，机械性能尤其好。此外，相比于挤压，上述技术允许更节约成本的生产，因为更快的加工是可能的。优选由石英或硅石或SiO2形成的中空纤维的使用允许实现具有良好强度和大约92％的非常好的多孔性的电介质。在此情况中，关于热膨胀和电数值，SiO2具有非常好的性能。
在图1中，根据本发明示例性实施例的共轴电缆的基本构造以截面方式再现；图2以透视图示出了图1中所示的共轴电缆的中空纤维层的绞合。图1和2的共轴电缆10包括中心的内导体11，其由外导体12以特定距离同心地围绕。内导体11和外导体11之间的圆环中间空间被填充以高多孔性，即高比例的空气填充中空空间H1(在中空纤维内)和H2(中空纤维之间)的电介质。导体的布置是在外侧围绕绝缘、保护性护套22(图1中虚线所示)。
电介质包括标准的中空的纤维14、15，其被布置成一层同心布置在另一个内的多层。内层的中空纤维14和外层的中空纤维15自身绞合。根据图2的绞合称作SZ绞合(即，绞合的中空纤维的相对行进层)。可是，“同节距”绞合(层沿相同方向的取向)可替换地是可能的。此外，对于每个层级能够使用不同类型的纤维(纤维材料，直径，壁厚度)。变形的其他可能性是间距的设定(节距的长度)，其对于每层可以是不同的。层的数量没有限制。在+/-10％绞合长度的绞合操作中，使间距任意改变也是有利的。边界条件是包括N层绞合中空纤维的电介质的尺寸给出了限定的阻抗值(典型地是50或75欧姆)。
在绞合时，还必须留意最终产品的各自需求：例如，电缆的扭转稳定性、温度稳定性、电性能(相位稳定性，衰减，电力传输)。
在绞合中空纤维14、15的单层之间引入中间层21，其同样由绝缘材料(例如，塑料)构成。中间层21在此情况中可通过挤压、交叉包装、纵向包装或浸渍涂敷被引入。
单独的中空纤维14、15的直径(图5中的d2)处于从0.01mm至4mm的范围，尤其是0.01mm和1mm之间的范围内。作为实例给出的直径是650μm。中空纤维14、15的壁厚度处于0.001mm至2mm之间的范围，尤其是0.001mm和0.05mm之间的范围内。作为实例给出的壁厚度是27μm。单独的中空纤维14、15可关于彼此加强或不加强。这对整个电缆构造的移动性具有影响，并且在电缆安装之后的一些应用中具有优势。电介质的外直径处于0.03mm和12mm之间的范围内。共轴电缆10的外直径由外导体12的构造控制，并处于0.05mm和16mm之间的范围内。
用来生产中空纤维14、15的材料是绝缘的、非导电的材料。尽管塑料(含氟聚合物(fluoropolymers)，聚乙烯，聚丙烯，COC，TPX，COP，PVC)也可用作中空纤维的材料，原则上中空材料由玻璃，尤其是石英玻璃或硅石，以及红宝石或其他宝石玻璃或材料所构成。可是，所有这些材料的组合也是可以想象到的。另外，以图5中所示的方法由前述两类材料的多个同心层18、19生产中空纤维14、15是有利的，也就是说，例如，中空石英玻璃纤维或中空纤维19，在其外侧设有例如含氟聚合物(尤其是FEP)的薄(例如10μm厚)的保护覆盖层18。其他可能性是使用多孔中空纤维或微构造的纤维或具有非圆截面或特殊截面轮廓的中空纤维。
在本发明的范围内重要的还有选择用于内导体11和外导体12的适合材料，其具有与电介质13匹配的热膨胀系数。根据由电介质引起的相移部分的温度相关响应，根据对正或负的补偿的目的，或等于，或近似等于零的目的选择膨胀系数。这产生对于温度最佳的相位响应，因为：
1.温度改变导致电介质13的(相对)介电常数(εr)的改变，并且由此导致电长度以及由此存在温度改变时相移结果的改变，和
2.内导体11和外导体12的温度改变产生与长度改变相关联的相移，该长度与电介质13情况中的效果是相反的。
两种效果的总和给出了具有最低衰减值的全部(最佳的)相变(因为高多孔性)。如果电介质13仅对温度相关相变Δp起到一点作用，则中空的玻璃纤维通常就是这样，并且在图6和7中以曲线a1为特征，内导体和外导体的补偿不是必须的。相反地，特别是内导体11，以及外导体12具有尽可能低或可忽略的热膨胀系数(图7中曲线b2)是必须的，也就是说，例如由不胀钢，科瓦铁镍钴合金或在热膨胀方面类似的材料所形成。为了同时实现所需的高导电性，根据图4的内导体11包括该材料的芯16并配有Ag或者类似物的包覆层17。重叠两个曲线a1和b2随后给出净效应曲线c，其或多或少表征温度相关相移。另一方面，如果取代FeNi36Ag(不胀钢)，镀银铜导体(CuAg)用作内导体11的材料，如图6所示，这产生根据在此示出的曲线b1是相对大的温度相关相移部分，并且完全导致相应的强的温度响应。可是，在两种情况中，不同于PTFE用作电介质的情况，至少获得线性温度相关响应。
外导体12可包括交叉缠绕金属条或镀金属条或镀金属膜。还可形成为纵向膜，由金属或镀金属条/膜构成，编织的电线，辫编线或绝缘材料的镀金属纤维。可是，还可包括所有这些类型的外导体的组合。
护套22可包括绝缘材料或塑料层，绝缘材料的交叉缠绕条或膜，绝缘条或膜的纵向膜，绝缘材料的编织纤维，或这些类型护套的组合。
实例
生产根据本发明的共轴电缆的原型(20)，其在图3中示出并具有以下数据：
内导体：镀银铜导体(直径d1＝1.7mm)
中空纤维：石英玻璃，27×650μm；两层中25个纤维
外导体：缠绕CuAg条
介电常数(εr)：1.22
18GHz处的衰减：3.1
26.5GHz处的衰减：4.5
相变：3600ppm(线性)，从-55℃至+125℃温度范围内
可是，如果内导体11由镀银FeNi36Ag(不胀钢)构成，该原型情况中相对高的温度相关相变能够急剧降低(至90ppm)，并由此实际上具有可忽略的热膨胀。
标记列表：
10，20    共轴电缆
11        内导体
12        外导体
13        电介质(例如中空的SiO2纤维)
14，15    中空纤维(例如SiO2)
16        芯
17     包覆层
18     覆盖层
19     中空纤维
21     中间层
22     护套
a1     曲线(中空玻璃纤维的电介质引起的相变)
b1     曲线(CuAg的内导体引起的相变)
b2     曲线(FeNi36Ag的内导体引起的相变)
c      曲线(a1和b2的重叠)
d1     直径(内导体)
d2     直径(中空纤维)
H1，H2 中空空间

Claims (15)

1.一种具有中心内导体(11)的共轴电缆(10，20)，中心内导体(11)由外导体(12)以特定距离同心地围绕，内导体(11)和外导体(12)之间的中间空间填充以电介质(13)，其特征在于：电介质(13)由多个中空纤维(14，15，19)构成，中空纤维由玻璃构成，并沿着电缆的纵向方向行进，以及至少内导体(11)具有一热膨胀系数，所述热膨胀系数匹配电介质(13)关于共轴电缆(10，20)中尽可能小的温度相关相变。
2.根据权利要求1的共轴电缆，其特征在于：由电介质(13)引起的相变部分(曲线a1)具有几乎可以忽略不计的温度相关响应，并且内导体(11)的热膨胀系数相应地接近零(曲线b2)。
3.根据权利要求2的共轴电缆，其特征在于：外导体(12)的热膨胀系数也接近零。
4.根据权利要求1至3之一的共轴电缆，其特征在于：中空纤维(14，15，19)布置成多个同心层。
5.根据权利要求4的共轴电缆，其特征在于：中间层(21)，特别是电绝缘材料，优选是塑料，分别被设置在中空纤维(14，15)的同心层之间。
6.根据权利要求4或5的共轴电缆，其特征在于：单独同心层的中空纤维(14，15，19)分别被绞合。
7.根据权利要求4至6之一的共轴电缆，其特征在于：不同同心层的中空纤维(14，15)在其构造和/或材料和/或其尺寸方面被不同地进行设计。
8.根据权利要求1至7之一的共轴电缆，其特征在于：中空纤维(14，15，19)基本由石英玻璃或SiO2构成。
9.根据权利要求8的共轴电缆，其特征在于：中空纤维(14，15，19)具有圆形截面和0.01mm和4mm之间，尤其是0.01mm和1mm之间的外直径。
10.根据权利要求8或9的共轴电缆，其特征在于：中空纤维(14，15，19)具有0.001mm和2mm，尤其是0.001mm和0.05mm之间的壁厚度。
11.根据权利要求8至10之一的共轴电缆，其特征在于：中空纤维(14，15，19)在外侧设有保护覆盖层(18)。
12.根据权利要求11的共轴电缆，其特征在于：保护层(18)优选由丙烯酸脂或硅树脂或陶瓷或氟化乙烯丙烯(FEP)或聚乙烯(PE)构成，并具有10μm范围内的层厚度。
13.根据权利要求1至12之一的共轴电缆，其特征在于：内导体(11)具有小于或等于5ppm/K的热膨胀系数。
14.根据权利要求13的共轴电缆，其特征在于：内导体(11)由FeNi36Ag或科瓦铁镍钴合金或玻璃构成，并在外侧设有良好导电性的包覆层(17)，尤其是Ag的包覆层，并且内导体(11)具有小于2mm的外直径。
15.根据权利要求1至14之一的共轴电缆，其特征在于：外导体(12)包括缠绕的CuAg条。
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