CN110970157A - 一种空心式超轻型稳相电缆及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空心式超轻型稳相电缆及其制作方法，由内向外包括内导体、绝缘层、外导体、屏蔽层、护套层，其特征在于：所述内导体为空心式镀银铜管，在所述外导体与所述护套层之间的屏蔽层由轻质导电纤维构成，绝缘层为微孔聚四氟乙烯绝缘，本发明优化改良了传统稳相电缆各部分结构材料，通过创造性地引入空心式镀银铜线作为内导体，同时突破轻质导电纤维应用技术，在保证电缆传输性能的基础上，大幅度减轻电缆整体重量，可广泛应用于航空航天领域，增大电缆的适用场景。
Description
技术领域
本发明属于电缆领域，具体涉及稳相射频同轴电缆领域。
背景技术
稳相电缆的轻量化技术作为航空航天领域目前最为迫切的需求，在国内外引起广泛关注。国内研究水平较为薄弱，缺乏相应技术。国外主要是采用轻质高强度的导电纤维材料，代替金属镀银铜线作为射频稳相电缆的编织层的方案，能够有效降低电缆重量，且综合电气性能较好。
但是该方案仅针对屏蔽层，整体减重幅度还不够大，不能满足航空航天实际需求。需要同时考虑稳相电缆其他结构的减重措施，达到更好的轻量化减重效果。
例如，在201710429966.0号《一种用于航空航天的超轻型电缆》专利中，该实用新型采用镀银碳纳米管纤维或者镀银芳纶纤维绞合成束做为导体，有一定的减重效果，但是会导致内导体传输信号能力变差，一定程度上会影响电缆性能，同时使用镀银铜带做为编织层，整体减重效果一般。在201410673793.3号《一种航空航天用高强度轻型电缆》：该实用新型所述线芯由外向内依次用绝缘材料和镀镍铜导体绕包而成，绝缘材料采用间位芳纶与聚酯薄膜复合而成，有一定的减重效果，但是复合结构效果中庸，以牺牲部分性能的代价达到减重的目的，减重效果并不突出。在 201410021677.3号《一种用于绕包机绕包头的旋转导辊装置》专利中，该实用新型由三根导电线芯绞合成缆，单根线芯由硅橡胶绝缘层挤包在镀银铜丝绞合导体上而成，缆芯间隙填充阻燃绳，外设圆导体编织屏蔽层。这样的结构设计跟一般氟塑料电缆差别不大，只能做到小幅度减轻电缆重量，并不能实现30％以上的减重效果。
本专利设计的电缆为稳相结构，使用镀银芳纶纤维替代原有的镀银铜带作为屏蔽层，可以有效减轻电缆重量。在此基础上，采用高频损耗较小的绝缘材料，减少电缆衰减，保证电缆性能。护套选用性能优异且是最轻的氟塑料材料，辐照交联乙烯-四氟乙烯聚合物，进一步提高了电缆整体减重效果。综上，与现有轻型电缆相比，本发明具有明显的效果，具有了一定新颖性。
在此背景下，需要一种可靠性更高性能更好，兼容多种减重措施的综合性方案，来实现稳相电缆的大幅减重，满足航空航天领域需求。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的问题，提供一种空心式超轻型稳相电缆及其制作方法，以解决当前航空航天领域设备对高性能稳相电缆需求增大，但传统稳相电缆质量较大，现有减重方案只针对屏蔽层，效果有限，无法较好的平衡好电缆重量与稳相性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种空心式超轻型稳相电缆，由内向外包括包括内导体1、绝缘层2、外导体3、屏蔽层4、护套层5，其特征在于：所述内导体1为空心式镀银铜管。
进一步的，在所述外导体3与所述护套层5之间的屏蔽层4由轻质导电纤维构成。
进一步的，所述的绝缘层2为微孔聚四氟乙烯绝缘。
进一步的，所述外导体3为镀银铜带绕包结构，所述外导体3厚度为 0.049～0.051mm。
进一步的，所述的屏蔽层4采用镀银碳纳米管纤维或镀银芳纶纤维编织。
进一步的，所述的护套层6采用辐照交联乙烯-四氟乙烯聚合物 (X-ETFE)挤出成型。
一种空心式超轻型稳相电缆的制作方法，包括制作空心式镀银铜线、绕包绝缘层、绕包外导体、编织屏蔽层、挤塑外护套层，其特征在于：
步骤一：制作空心式镀银铜线，具体为通过反复拉拔退火的方式制得外径均一、厚度一致的微细铜管，然后用连续电镀的方式进行镀银加工，银层厚度≥2μm；
本步骤中，反复拉拔退火方式是指：将铜管放在退火炉内丹里，充氮抽真空将炉温升温到475～485度，维持475～485度保温半小时至1小时，后停火炉内丹自然冷却到室温进行排污完成一次拉拔，后反复进行1次以上所述拉拔过程；
步骤二：绕包绝缘层，具体为采用多头绕包的方式，调整微孔聚四氟乙烯节距，以搭盖的形式在空心式镀银铜线外绕包制得绝缘层；
本步骤中，采用6头绕包，绕包节距4.9mm～5.4mm；
步骤三：绕包外导体，具体为使用铜带绕包通过单头绕包形式进行，控制收、放线张力使芯线稳定前行，同时使用绕包托膜将芯线限制在模孔内防止绕包时芯线受力弯曲变形，控制绕包外径公差在0.05mm以内；
步骤四：编织屏蔽层，具体为采用导电纤维并丝工序，调整编织节距和编织张力参数使用高速编织机在外导体外制备屏蔽层；本步骤中，并丝时控制每股纤维张力为4～5N；
步骤五：挤塑外护套层，具体为采用薄壁挤塑方式，螺杆的端部设置在30～40°之间用以改进料筒内材料的湍流情况，挤塑外护套层厚度控制在0.25mm左右。本步骤中，控制拉伸比参数在80为较佳。
进一步的，所述步骤四中的导电纤维为外观完整无断丝及打结，导电纤维外镀银层厚度不小于0.2μm且银层均一无凸点。
进一步的，所述导电纤维为碳纳米管纤维或芳纶纤维。
本发明可带来以下有益效果：
本发明优化改良了传统稳相电缆各部分结构材料，通过创造性地引入空心式镀银铜线作为内导体，同时突破轻质导电纤维应用技术，在保证电缆传输性能的基础上，大幅度减轻电缆整体重量，可广泛应用于航空航天领域，增大电缆的适用场景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明空心式超轻型稳相电缆结构示意图；
图2为本发明空心式超轻型稳相电缆外导体层结构示意图；
图3为本发明空心式超轻型稳相电缆屏蔽层结构示意图；
图4为本发明空心式超轻型稳相电缆制备流程示意图；
图中：
1内导体、2绝缘层、3外导体层、4屏蔽层、5护套层
具体实施方式
为进一步阐述本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的一种空心式超轻型稳相电缆及其制作方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
如图1所示，本发明的电缆主要由内导体1、绝缘层2、外导体3、屏蔽层4、护套层5这五部分组成。
内导体1为空心式镀银铜管，直径为φ2.35mm。
绝缘层2为微孔聚四氟乙烯绝缘层，绝缘外径为φ6.30mm，微孔密度为0.7g/cm3；
外导体3采用尺寸为0.05mm*2.0mm的薄窄镀银铜带绕包，外导体外径为φ6.50mm。
屏蔽层4为镀银碳纳米管纤维，编织层外径为φ7.00mm。
护套层5采用辐照交联乙烯-四氟乙烯聚合物(X-ETFE)挤出成型，护套层外径为φ7.50mm。
本发明专利整体制备流程如图4所示，通过以下关键工艺过程制造得到：
采用反复拉拔退火的工艺制得表面光滑、壁厚均匀的空心内导体。再经过连续电镀的方式进行镀银，控制银层厚度在2μm以上，保证银层光滑连续且无凹点。
采用微孔聚四氟乙烯绝缘绕包的制造技术，利用精密多头绕包设备，绕包层数为6层，控制绕包节距和绕包张力，以搭盖的形式制得微孔聚四氟乙烯绝缘层。
采用精密单头绕包设备，在绝缘层外绕包薄窄镀银铜带，通过调整铜带宽度(b)、绕包重叠部分轴向宽度(Δ)、绕包角(φ)等参数，同时控制收、放线张力，保证绕包外径公差在0.05mm以内，如图2所示。
b为铜带宽度；Δ为绕包重叠部分轴向宽度；D为绕包层的平均直径；φ为绕包角。
考虑镀银铜带材料制造的可能性，取铜带宽度b＝2.0mm，铜带厚度δ＝0.05mm，因此镀银铜带绕包后外径D铜带＝D+4δ。Δ取1.0mm，φ取45°。
采用轻质导电纤维替代传统的镀银铜线作为电缆屏蔽层，要求纤维完整连续，无断线或者打结情况，且纤维银层厚度在0.2μm以上。利用高速编织机，编织成型制得屏蔽层，要求张力要调节均匀，大小适度，结构如图3所示。
采用高温挤塑机，以薄壁挤塑方式制得外护套，挤出温度控制在260℃。
本实例的性能参数详见表1：
表1航空航天用轻型传输线性能参数
| 项目 | 性能参数 |
| 最高工作频率 | 18GHz |
| 电压驻波比 | ≤1.35 |
| 衰减 | ≤0.66dB/m |
| 机械相位稳定性 | ±0.5°/GHz |
| 温度相位稳定性 | ≤1000PPm |
| 介质耐电压 | ≥5000V |
| 电缆重量 | ≤100g/m |
| 工作温度范围 | -100～+100℃ |
实施例2
如图1所示，本发明的电缆主要由内导体1、绝缘层2、外导体3、屏蔽层4、护套层5这五部分组成。
内导体1为空心式镀银铜管，直径为φ1.45mm。
绝缘层2为微孔聚四氟乙烯绝缘层，绝缘外径为φ4.10mm。微孔密度为0.7g/cm3；
外导体3采用尺寸为0.05mm*1.1mm的薄窄镀银铜带绕包，外导体外径为φ4.20mm。
屏蔽层4为镀银芳纶纤维，编织层外径为φ4.80mm。
护套层5采用辐照交联乙烯-四氟乙烯聚合物(X-ETFE)挤出成型，护套层外径为φ5.20mm。
本发明专利整体制备流程如图4所示，通过以下关键工艺过程制造得到：
采用反复拉拔退火的工艺制得表面光滑、壁厚均匀的空心内导体。再经过连续电镀的方式进行镀银，控制银层厚度在2μm以上，保证银层光滑连续且无凹点。
采用微孔聚四氟乙烯绝缘绕包的制造技术，利用精密多头绕包设备，绕包层数为5层，控制绕包节距和绕包张力，以搭盖的形式制得微孔聚四氟乙烯绝缘层。
采用精密单头绕包设备，在绝缘层外绕包薄窄镀银铜带，通过调整铜带宽度(b)、绕包重叠部分轴向宽度(Δ)、绕包角(φ)等参数，同时控制收、放线张力，保证绕包外径公差在0.05mm以内，如图2所示。
b为铜带宽度；Δ为绕包重叠部分轴向宽度；为绕包层的平均直径；φ为绕包角。
考虑镀银铜带材料制造的可能性，取铜带宽度b＝1.1mm，铜带厚度δ＝0.05mm，因此镀银铜带绕包后外径D铜带＝D+4δ。Δ取0.55mm，φ取 45°。
采用轻质导电纤维替代传统的镀银铜线作为电缆屏蔽层，要求纤维完整连续，无断线或者打结情况，且纤维银层厚度在0.2μm以上。利用高速编织机，编织成型制得屏蔽层，要求张力要调节均匀，大小适度，结构如图3所示。
采用高温挤塑机，以薄壁挤塑方式制得外护套，挤出温度控制在300℃。
本实例的性能参数详见表2：
表2航空航天用轻型传输线性能参数
| 项目 | 性能参数 |
| 最高工作频率 | 26.5GHz |
| 电压驻波比 | ≤1.35 |
| 衰减 | ≤1.35dB/m |
| 机械相位稳定性 | ±0.5°/GHz |
| 温度相位稳定性 | ≤1000PPm |
| 介质耐电压 | ≥5000V |
| 电缆重量 | ≤45g/m |
| 工作温度范围 | -100～+100℃ |
本发明专利可带来以下有益效果：
本发明专利通过选用上述这些材料、采用特殊的电缆结构和加工工艺，使这种电缆相比同类型的射频同轴测试电缆，具有以下更突出的特点：
1.重量极轻：所述的内导体(1)采用镀银铜管替代常规镀银铜单线；所述的绝缘层(2)采用密度更小，单位质量更轻的微孔聚四氟乙烯材料；所述的外导体(3)采用薄窄镀银铜替代常规镀银铜带；所述的屏蔽层(4) 采用轻质导电纤维材料代替常规镀银铜线；所述的护套层(5)采用最轻的氟塑料辐照交联乙烯-四氟乙烯聚合物，可以大幅减轻电缆重量。国外同规格电缆重量100g/m，使用该方案制得的稳相电缆重量为70.33g/m，减重效果极其明显。
2.衰减和电压驻波比低：所述的绝缘层(2)采用微孔聚四氟乙烯绕包成型，同轴度好，外径均匀，使电缆具有较低的衰减(≤0.66dB/m，18GHz) 和电压驻波比(≤1.35，18GHz)。
3.机械相位稳定性高：所述绝缘层(2)采用微孔聚四氟乙烯绝缘，所述的外导体(3)采用薄窄镀银铜带绕包结构，加上所述的护套层(5) 采用X-ETFE材料紧包，可使电缆在弯曲过程中介质稳定，各结构层的变形尽可能联动一致，接触紧密。这种稳固的结构，大大减小因机械作用引起的相位变化(电缆弯曲180°，相位变化≤±0.5°/GHz)。
4.使用环境：本发明专利采用所述护套层(5)X-ETFE材料作为外护套，极大的增强了稳相电缆的耐辐照性能，可以用于航空航天环境。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种空心式超轻型稳相电缆，由内向外包括包括内导体(1)、绝缘层(2)、外导体(3)、屏蔽层(4)、护套层(5)，其特征在于：所述内导体(1)为空心式镀银铜管。
2.如权利要求1所述一种空心式超轻型稳相电缆，其特征在于：在所述外导体(3)与所述护套层(5)之间的屏蔽层(4)由导电纤维构成。
3.如权利要求1所述一种空心式超轻型稳相电缆，其特征在于：所述的绝缘层(2)为微孔聚四氟乙烯绝缘。
4.如权利要求1和2所述一种空心式超轻型稳相电缆，其特征在于：所述外导体(3)为镀银铜带绕包结构，所述外导体(3)厚度为0.049～0.051mm。
5.如权利要求1和2所述一种空心式超轻型稳相电缆，其特征在于：所述的屏蔽层(4)采用镀银碳纳米管纤维或镀银芳纶纤维编织。
6.如权利要求1所述一种空心式超轻型稳相电缆，其特征在于：所述的护套层(6)采用辐照交联乙烯-四氟乙烯聚合物(X-ETFE)挤出成型。
7.一种空心式超轻型稳相电缆的制作方法，包括制作空心式镀银铜线、绕包绝缘层、绕包外导体、编织屏蔽层、挤塑外护套层，其特征在于：
步骤一：制作空心式镀银铜线，具体为通过反复拉拔退火的方式制得外径均一、厚度一致的微细铜管，然后用连续电镀的方式进行镀银加工，银层厚度≥2μm；
步骤二：绕包绝缘层，具体为采用多头绕包的方式，调整微孔聚四氟乙烯节距，以搭盖的形式在在空心式镀银铜线外绕包制得绝缘层；
步骤三：绕包外导体，具体为使用铜带绕包通过单头绕包形式进行，控制收、放线张力使芯线稳定前行，同时使用绕包托膜将芯线限制在模孔内防止绕包时芯线受力弯曲变形，控制绕包外径公差在0.05mm以内；
步骤四：编织屏蔽层，具体为采用导电纤维并丝工序，调整编织节距和编织张力参数使用高速编织机在外导体外制备屏蔽层；
步骤五：挤塑外护套层，具体为采用薄壁挤塑方式，螺杆的端部设置在30～40°之间用以改进料筒内材料的湍流情况，挤塑外护套层厚度控制在0.25mm左右。
8.按照权利要求7所述的一种空心式超轻型稳相电缆制作方法，其特征在于：所述步骤四中的导电纤维为外观完整无断丝及打结，纤维外镀银层厚度不小于0.2μm且银层均一无凸点。
9.按照权利要求8所述的一种空心式超轻型稳相电缆制作方法，其特征在于：所述步骤四中的导电纤维为碳纳米管纤维或芳纶纤维。
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