DE102008038270A1

DE102008038270A1 - Kabel mit koaxialem Aufbau zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kabels

Info

Publication number: DE102008038270A1
Application number: DE102008038270A
Authority: DE
Inventors: Karl Zeiger; Dirk Liessem; Michael Dr.-Ing. Hoppe
Original assignee: Prymetall GmbH and Co KG
Current assignee: Aurubis Stolberg GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009024132A3; WO2009024132A2

Abstract

Das Kabel dient zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen und weist einen Innenleiter und einen im Wesentlichen koaxial zum Innenleiter angeordneten Außenleiter auf. Zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter ist ein Dielektrikum angeordnet. Sowohl der Innenleiter als auch der Außenleiter bestehen im Wesentlichen aus einem im Wesentlichen aus Kupfer bestehenden Material. Mindestens einer der Leiter ist mindestens bereichsweise aus einer niedrig legierten Kupferlegierung ausgebildet. Der Außenleiter wird um das Dielektrikum herumgeformt und anschließend derart mechanisch verformt, dass das Dielektrikum relativ zum Außenleiter mindestens bereichsweise fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kabel zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen, das einen Innenleiter, einen im wesentlichen koaxial zum Innenleiter angeordneten Außenleiter sowie ein zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordnetes Dielektrikum aufweist und bei dem sowohl der Innenleiter als auch der Außenleiter aus einem im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Material ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels, das einen Innenleiter, einen im wesentlichen koaxial zum Innenleiter angeordneten Außenleiter sowie ein zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordnetes Dielektrikum aufweist und bei dem sowohl der Innenleiter als auch der Außenleiter aus einem im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Material ausgebildet sind.
Derartige Kabel dienen zur Übertragung von Daten in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Anwendungen erfolgen beispielsweise im Mobilfunk, der Fernsehtechnologie, für Netzwerke oder in der Videotechnik. Bei der Konstruktion derartiger Kabel müssen unterschiedliche Anforderungen erfüllt werden. zum einen wird ein geringer Materialeinsatz angestrebt, andererseits muß aber eine ausreichende mechanische Stabilität erreicht werden und es muß für eine ausreichende Leitfähigkeit zur Vermeidung von Signalverlusten gesorgt werden.
Derzeit werden üblicherweise für die Herstellung solcher koaxialen Kabel, die in Tabelle 1a aufgeführten unlegierten und die in Tabelle 1b angegebenen phosphorhaltigen Kupfersorten verwendet, wie sie z. B. in der DIN CEN/TS 13388 genormt sind.
Zur Reduktion der Materialkosten ist es bereits bekannt, den Außenleiter statt aus Kupfer aus Aluminium auszubilden. Die Verwendung derartiger Kabel besitzt jedoch eine Reihe von Nachteilen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kabel der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß mit vermindertem Materialeinsatz eine ausreichende mechanische Stabilität bei akzeptablen Werten der Leitfähigkeit bereitgestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens einer der Leiter mindestens bereichsweise aus einer niedrig legierten Kupferlegierung ausgebildet ist.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß die Herstellung von preiswerten und zugleich mechanisch ausreichend stabilen Kabeln unterstützt wird, die Schweiß- und Wellbarkeit wie bisher sichergestellt ist und eine den bisher eingesetzten Kupfersorten vergleichbare Korrosionsbeständigkeit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst der Innenleiter mit dem Dielektrikum umgeben und dann ein Band aus einem Material, das im wesentlichen aus einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht, mit einem Abstand rohrartig um das Dielektrikum geformt und zu einem Rohr verschweißt wird und daß abschließend das Außenrohr derart mechanisch verformt wird, daß das Außenrohr mindestens bereichsweise das Dielektrikum fixiert.
Hierbei können die einzelnen Verfahrensschritte in einem oder mehreren Prozessen und an einem oder mehreren Orten durchgeführt werden.
Die Verwendung von niedrig legierten Kupferlegierungen ermöglicht es, reduzierte Wandstärken und damit einen verminderten Materialeinsatz zu ermöglichen und trotzdem eine ausreichende Stabilität bei ebenso guter Schweißbarkeit bereitzustellen. Niedrig legierte Kupferlegierungen weisen ähnliche elektrische Eigenschaften wie hochleitfähige Kupfermaterialien auf, erreichen jedoch aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit in Abhängigkeit der Verformung bzw. Verfestigungsverhalten) eine höhere mechanische Stabilität auch bei geringeren Wandstärken.
Für eine Übertragung von Hochfrequenzsignalen erweist es sich als vorteilhaft, daß der Innenleiter rohrartig ausgebildet ist.
Mittels einer Fertigungsvariante wird dabei ein nahtloses Rohr hergestellt, z. B. mittels der Verfahrenskombination Strangpressen und Ziehen (mit einer oder mehrerer Zwischenglühungen) oder mittels des Cast & Roll Verfahrens.
Eine andere Fertigungsvariante besteht darin, daß der Innenleiter aus einem metallischen Band ausgebildet ist, das zu einem Rohr verschweißt ist.
Eine einfache Umschließung des Dielektrikums mit dem Außenleiter kann dadurch erfolgen, daß der Außenleiter aus einem rohrartig verschweißten Band ausgebildet ist.
Eine Biegefähigkeit des Kabels bei einer Verlegung wird dadurch unterstützt, daß der Außenleiter ein wellenartiges Profil aufweist.
Ein geringes Baugewicht des Kabels wird dadurch unterstützt, daß das Dielektrikum aus einem geschäumten Material ausgebildet ist.

Für die einzelnen Kabeltypen lässt sich ein besonders sparsamer Materialeinsatz dadurch erreichen, dass die nachfolgend genannten maximalen Wandstärken verwendet werden.

Kabeltyp	Typische Wandstärke bei Standardlegierungen	Max. Wandstärke bei Verwendung von niedriglegierten Kupferlegierungen
1/2 Zoll	0,23–0,25 mm	≤ 0,18 mm
7/8 Zoll	0,25–0,30 mm	≤ 0,20 mm
1 1/4 Zoll	0,30–0,35 mm	≤ 0,25 mm
1 5/8 Zoll	0,35–0,40 mm	≤ 0,27 mm
2 1/4 Zoll	0,50 mm	≤ 0,40 mm

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daran gedacht, daß die niedrig legierte Kupferlegierung als CuFe 0,10–UNS C 19210 ausgebildet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante besteht darin, daß die niedrig legierte Kupferlegierung als PNA 214 ausgebildet ist.
Gemäß der Anwendungsgebiete ist vorgesehen, daß ein Wellenwiderstand zwischen 50 und 150 Ohm, vorzugsweise 50 oder 75 Ohm beträgt.
Eine hohe mechanische Stabilität wird dadurch unterstützt, daß das Dielektrikum um den Innenleiter herumgepreßt wird.
Die Herstellung gleichmäßiger Schweißnähte wird dadurch erleichtert, daß vor einer Verschweißung eine Besäumung von Kanten des Bandes durchgeführt wird.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 Eine perspektivische Darstellung eines Hochfrequenzkabels mit bereichsweise freigelegten Einzelbestandteilen und
2 einen schematischen Querschnitt durch das Kabel gemäß 1.
Gemäß der Ausführungsform in 1 besteht das Kabel (1) aus einem Innenleiter (2) und einem Außenleiter (3). Sowohl der Innenleiter (2) als auch der Außenleiter (3) sind rohrförmig ausgebildet und relativ zu einer Kabellängsachse (4) koaxial angeordnet. Zwischen dem Innenleiter (2) und dem Außenleiter (3) ist ein Dielektrikum (5) positioniert. Der Außenleiter (3) weist ein Profil (6) auf und ist von einem Schutzmantel (7) umgeben.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenleiter (2) aus einem nahtlosen Rohr hergestellt.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenleiter (3) aus einem bandartigen Material, das in einem Ausgangszustand ein rechteckförmiges Querschnittprofil aufweist und das zu einem Rohr gebogen wird. Nach der entsprechenden Formgebung des Bandes werden die nach der Verformung einander zugewandten Kanten des Bandes von einer Schweißnaht (9) miteinander verbunden, die sich im wesentlichen in Richtung der Körperlängsachse (4) erstreckt. Eine typische Dicke des Bandes ist kleiner gleich 0,20 mm.
Generell ist es auch möglich, das Bandmaterial beispielsweise spiralförmig zu einem Rohr zu wickeln und auch hier gegebenenfalls eine Verschweißung durchzuführen. Die Ausbildung gemäß 1 weist jedoch fertigungstechnische Vorteile auf.
2 zeigt einen Querschnitt durch das Kabel (1) gemäß 1 und veranschaulicht insbesondere noch einmal den Koaxialaufbau sowie die Anordnung der Schweißnaht (9).
Das Dielektrikum (5) besteht typischerweise aus einem Schaummaterial. Als Material für den Schutzmantel (7) können Kunststoffe oder Elastomere zum Einsatz kommen.

Als niedrig legierte Kupfermaterialien für den Innenleiter (2) und/oder den Außenleiter (3) können unterschiedliche Legierungen zum Einsatz kommen. Eine Zusammenstellung besonders bevorzugter Legierungen ist in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt.

Basiselement	Hauptlegierungs-element (Tol %)	Beispielhafter Werkstoff	DIN EN/ASTM	PNA-Nummer
Cu	Fe 0,02–1,0	CuFe 0,1 P	C19210	PNA214
Cu	Sn 0,02–1,0	CuSn 0,15 CuSn 0,2	CW117C/C14415 -	PNA216 PNA215
Cu	Ag 0,02–1,0	CuAg 0,1 P	CW016A/C11600	PNA217
Cu	Ni 0,02–3,0			-
Cu	Zn 0,02–3,0	CuZn 0,5	CW119C	PNA218
Cu	P 0,04–0,1			-
Cu	Fe, Sn, Ni, Zn, P, Si, Al, Zr, Be, Cr, Mn, Mg, Co, Ti, As, Cd (wahlweise eines oder mehrere Elemente im Bereich 0,02–1,00%)			-

Die verfahrenstechnische Herstellung des Kabels (1) kann bevorzugt wie nachfolgend beschrieben erfolgen. In einem ersten Schritt wird dem Innenleiter (2) aus einem Rohr gezogen oder aus einem Band derart hergestellt, daß dieses zunächst rohrartig geformt und anschließend verschweißt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Dielektrikum (5) um den Innenleiter (2) gepreßt. Um das Dielektrikum (5) herum wird aus einem Band die Grundkontur für den Außenseiter (3) geformt und diese rohrartige Grundkontur wird mit der Schweißnaht (9) versehen, um eine ausreichende Stabilität zu erzeugen.
Die Verschweißung des bandförmigen Ausgangsmaterials zum Innenleiter (2) und/oder zum Außenleiter (3) kann unter Verwendung unterschiedlicher Schweißverfahren durchgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, ein Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren anzuwenden. Bei diesem Verfahren werden die Bandkanten des als Ausgangsprodukt verwendeten Bandes in einem zwischen dem bandartigen Material und einer Elektrode brennenden elektrischen Lichtbogen aufgeschmolzen und verschweißt. Durch diesen Schweißvorgang wird lediglich eine eng begrenzte Schweißzone erzeugt, so daß die entstehende Wärme mit geringer Zeitverzögerung über den Rohrumfang abgeleitet wird.
Durch ein Fluten mit Schutzgas wird die Bildung einer Oxidhaut weitgehend vermieden. Um eine gleichmäßig gute Geometrie der Schweißnaht zu unterstützen, wird das Kupferband genau und konstant geführt und vorzugsweise vorab besäumt. Der erforderliche Schweißstrom wird in Abhängigkeit von der Legierung und in Abhängigkeit von der vorliegenden Dicke des Bandes gewählt.
Alternativ zu dem vorstehend erläuterten Schweißverfahren ist es aber auch möglich, beispielsweise ein Plasmaschweißen, ein Widerstandsschweißen, ein Kaltpreßschweißen, ein Reibschweißen, ein Laserstahlschweißen, ein Elektrodenstrahlschweißen oder ein Hochfrequenzschweißen durchzuführen.
Nach einer Durchführung der Verschweißung des Außenleiters (3) erfolgt ein Wellen des Außenleiters (3). Hierzu wird typischerweise eine Welleinrichtung verwendet, die mit einem Wellkopf versehen ist. Im Bereich des Wellkopfes ist eine frei rotierende Wellerscheibe angeordnet, die Wälzungen einer vorgegebenen Steigung und Tiefe in den Außenleiter (3) einwälzt. Das auf dem Innenleiter (2) aufsitzende Dielektrikum (5) wird hierdurch dicht vom Außenleiter (3) umschlossen und die Bauteile werden relativ zueinander fixiert. Durch die erzeugten Wellungen ist es bei einer späteren Verlegung des Kabels in einfacher Weise möglich, Biegungen ohne Beschädigungen am Außenleiter (3) durchzuführen.
Das Kabel (1) kann mit unterschiedlichen Widerstandswerten und in unterschiedlichen Dimensionierungen hergestellt werden. Typische Widerstandswerte betragen 50 Ohm bzw. 75 Ohm und typische Abmessungen des Kabels (1) 1/2 Zoll, 7/8 Zoll, 1 1/4 Zoll, 1 5/8 Zoll sowie 2 1/4 Zoll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN CEN/TS 13388 [0004]
- C19210 [0033]
- CW117C/C14415 [0033]
- CW016A/C11600 [0033]
- CW119C [0033]

Claims

Kabel zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen, das einen Innenleiter, einen im wesentlichen koaxial zum Innenleiter angeordneten Außenleiter sowie ein zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordnetes Dielektrikum aufweist und bei dem wohl der Innenleiter als auch der Außenleiter im wesentlichen aus einem im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Material ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Leiter (2, 3) mindestens bereichsweise aus einer niedrig legierten Kupferlegierung ausgebildet ist.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter aus einem rohrartig verschweißten Band ausgebildet ist.
Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schweißnaht (9) oder Verklebung des Außenleiters (3) im wesentlichen in Richtung einer Kabellängsachse (4) verläuft.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (3) ein wellenartiges Profil (6) aufweist.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (2) rohrartig ausgebildet ist.
Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (2) aus einem gezogenen Rohr oder aus Vollkupfer oder aus AlCu oder aus StaCu ausgebildet ist.
Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (2) aus einem metallischen Band ausgebildet ist, das zu einem Rohr verschweißt und ggf. gewellt wird.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (5) aus einem geschäumten Material ausgebildet ist.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wandstärke des Außenleiters (3) entsprechend des jeweiligen Kabeltyps unterschiedlich ist.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrig legierte Kupferlegierung als CuFe 0,10P–UNS C19210 ausgebildet ist.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrig legierte Kupferlegierung als PNA 214 ausgebildet ist.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand des Kabels 50 bis 150 Ohm beträgt, vorzugsweise aber 50 oder 75 Ohm.
Verfahren zur Herstellung eines Kabels zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen, das einen Innenleiter, einen im wesentlichen koaxial zum Innenleiter angeordneten Außenleiter sowie ein zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordnetes Dielektrikum aufweist und bei dem sowohl der Innenleiter als auch der Außenleiter im wesentlichen aus einem im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Material ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Innenleiter (2) mit dem Dielektrikum (5) umgeben und dann ein Band aus einem Material, das im wesentlichen aus einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht, mit einem Abstand rohrartig um das Dielektrikum (5) herumgeformt und dann zu einem Rohr verschweißt wird und daß abschließend der Außenleiter (3) derart mechanisch verformt wird, daß der Außenleiter (3) mindestens bereichsweise das Dielektrikum (5) fixiert.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (5) um den Innenleiter (2) herumgepreßt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Verschweißung eine Besäumung von Kanten des Bandes durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (3) nach der Verschweißung mit einer Wellung versehen wird.