DE19524526A1 - Koaxialkabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koaxialkabel mit einem Zentralleiter und einem Außenleiter, die durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander ge­ trennt sind. Der Außenleiter ist - falls notwendig - mit zumindest einer Schutzbeschichtung versehen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Koaxialkabels mit einer solchen Struktur.

Koaxialkabel als solche sind beispielsweise aus dem US-Patent 4 368 576 bekannt. Die bekannten Koaxialkabel umfassen üblicherweise einen lang­ gestreckten Zentralleiter aus Metall, der konzentrisch in einem langge­ streckten, röhrenförmigen Außenleiter aus Metall angeordnet ist. Der Zen­ tralleiter besteht üblicherweise aus einem massiven Kupferdraht, der im Querschnitt kreisförmig ist. Kupfermanteldrähte aus Aluminium oder Stahl werden bekanntermaßen ebenfalls für diesen Zweck verwendet. Zentrallei­ ter aus einem Bündel von verlitzten oder gewickelten Drähten, sogenann­ ten Litzen sind ebenfalls bekannt.

Der Außenleiter eines Koaxialkabels besteht oftmals aus einer Lage von feinen verlitzten oder gewickelten Metalldrähten oder einer gewickelten Metallfolie. Aluminium oder Kupfer werden üblicherweise als Material für diese Drähte und Folien verwendet. Bei Verwendung von Kupfermaterial kann dieses gegebenenfalls zinnbeschichtet sein. Eine wichtige Eigenschaft der verlitzten Außenleiter liegt darin, daß sie den Koaxialkabeln ein ho­ hes Maß an Flexibilität verleihen.

Der Zentralleiter und der Außenleiter sind im allgemeinen durch eine Lage von elektrisch isolierendem Material voneinander getrennt, wobei es sich vorzugsweise um ein massives oder geschäumtes Kunststoffmaterial handelt. Koaxialkabel, bei denen Luft als elektrisch isolierendes Material zwischen den Leitern verwendet wird, sind als sogenannte "Semi-luftbeabstandete Kabel" bekannt.

Falls notwendig können ein oder mehrere zusätzliche Schutzbeschichtungen aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise einem Kunstharz auf dem Außenleiter vorgesehen sein. In Abhängigkeit der Verwendung des Koaxialkabels sind diese Beschichtungen mit Verstärkungselementen, z. B. in Form von Drähten aus Metall oder Kunstharz versehen, die in der gleichen Richtung gewickelt sind. Solche Schutzbeschichtungen sind jedoch nicht unbedingt notwendig. Zum Beispiel ist es bekannt, Bündel von Ko­ axialkabeln ohne eine Schutzbeschichtung in Übertragungskabeln von Ul­ traschall-Geräten zu verwenden.

Das bekannte Koaxialkabel hat Nachteile. Es wurde herausgefunden, daß die Herstellung des Außenleiters problematisch wird, wenn Kabel von die­ sem Typ miniaturisiert werden. Dies trifft sowohl für verlitzte Außenleiter als auch für einen Außenleiter aus Metallfolie zu. Beispielsweise müssen die für den verlitzten Außenleiter eingesetzten Metalldrähte eine minimale Dicke aufweisen. Die Verwendung von Drahtdicken unter 25 µm führt zu einem unzufriedenstellenden Verlitzungsprozeß. Außerdem läuft der Verlit­ zungsprozeß sehr langsam ab, auch wenn größere Drahtdicken verwendet werden. Wenn relativ dünne Koaxialkabel mit einem verlitzten oder gewic­ kelten Außenleiter verwendet werden, liegen die Geschwindigkeiten typi­ scherweise in der Größenordnung von 10 bis 30 cm/min. Wenn Koaxialkabel mit einem Außenleiter aus Folie miniaturisiert werden, treten ebenfalls produktionstechnische Probleme auf, wenn die Folie zugeführt wird. In der Praxis wurde herausgefunden, daß es unmöglich ist, die Folie zu wickeln, wenn der Durchmesser des Kabels kleiner als 1,5 mm ist. Auch wenn dickere Kabel verwendet werden, ist der Zuführungsprozeß jedoch sehr mühevoll und zeitaufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Koaxialkabel zu schaffen, daß die vorstehend erörterten Nachteile nicht aufweist. Die Erfindung zielt insbesondere auf ein Koaxialkabel mit einem relativ dün­ nen Außenleiter ab. Das erfindungsgemäße Kabel sollte auch eine ver­ gleichsweise hohe elektromagnetische Abschirmung aufweisen. Das Koaxial­ kabel gemäß der Erfindung soll ferner zuverlässig und seine Herstellung einfach sein und wenig Zeit beanspruchen. Dies bezieht sich insbesondere auf die Geschwindigkeit, mit der der Außenleiter auf der elektrisch iso­ lierenden Schicht aufgebracht wird.

Die vorstehenden Aufgabenstellungen werden bei einem Koaxialkabel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die im Kennzeichnungsteil dieses Anspruches angegebenen Merkmale gelöst, wonach der Außenleiter eine elektrisch leitende Lackschicht aufweist.

Es wurde herausgefunden, daß solche elektrisch leitenden Lacke in sehr dünnen Schichten aufgebracht werden können. Schichtdicken unter 200 µm, sogar unter 100 µm, können auf einer elektrisch isolierenden Schicht ohne Probleme erreicht werden. Folglich ermöglicht die Erfindung die Herstel­ lung relativ dünner Koaxialkabel. Solche dünnen Koaxialkabel können sehr erfolgreich als Verbindungsdrähte in integrierten Schaltkreisen ein­ gesetzt werden. Experimente, die zur Erfindung führten, haben gezeigt, daß elektrisch leitende Lackschichten mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 30 µm noch befriedigend sind. Es ist anzumerken, daß der Begriff "elektrisch leitende Lackschicht" hier in der Bedeutung zu verstehen ist, daß eine Schicht elektrisch leitende Partikel aufweist, die in einer Poly­ mermatrix eingebettet sind. Ein Beispiel für eine solche Schicht ist eine Lackschicht, die elektrisch leitende Rußpartikel in einem thermoplasti­ schen Harz aufweist.

Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß solche elektrisch leiten­ den Lacke ausreichend elastisch sind, um die Bildung von schädlichen Haarrissen im Außenleiter aufgrund einer Verbiegung des Koaxialkabels auszuschließen. Dies trifft insbesondere für eine Dicke der Lackschicht unter 50 µm zu. Es wurde herausgefunden, daß diese Lacke auf einer großen Anzahl von isolierenden synthetischen Kunstharzen haften, wie beispielsweise auf Polyolefinen, geschäumten oder nicht-geschäumten Po­ lyethylenen, Polypropylenen oder Mischungen davon, aber auch auf Poly­ vinylchloriden (PVC) und Polymeren mit Fluoranteil. Aufgrund der gleich­ mäßigen Struktur des so geschaffenen Außenleiters ist die elektromagneti­ sche Abschirmung des erfindungsgemäßen Kabels besser als die Abschir­ mung von Kabeln, die mit gelitzten Außenleitern versehen sind. Es ist weiterhin anzumerken, daß die Lackschichten auf einfache Weise und schnell aufgebracht werden können. Auftragsgeschwindigkeiten von -zig Metern pro Minute können problemlos verwirklicht werden. Folglich ist die Auftragsgeschwindigkeit viel höher als in dem Fall, wo verlitzte Außen­ leiter oder Außenleiter aus einer gewickelten Metallfolie verwendet wer­ den.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Koaxialkabels ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Lackschicht elektrisch leitfähige Partikel aus Metall, vorzugsweise Silber oder Kupfer aufweist. Elektrisch leitfähige Lackschichten mit Metallpartikeln weisen eine relativ hohe Leitfähigkeit auf. Dies trifft insbesondere auf Silber- oder Kupferpartikel zu. Wenn der Außenleiter des erfindungsgemäßen Kabels eine bestimmte spezifizierte Leitfähigkeit aufweisen muß, erlaubt die Verwendung eines leitfähigen Lackes auf der Basis von Metallpartikeln das Aufbringen einer dünneren Schicht verglichen mit dem Fall, wo ein Lack auf der Basis von leitfähi­ gen Rußpartikeln verwendet wird. Die exakte Menge der leitfähigen Parti­ kel im Lack, das zu verwendende Kunstharz, die exakte Schichtdicke, die exakte Leitfähigkeit der Lackschicht usw. können durch Fachleute über Routineversuche bestimmt werden.

Eine sehr geeignete Ausführungsform des Koaxialkabels ist erfindungsge­ mäß dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Metallschicht auf der elek­ trisch leitenden Lackschicht vorhanden ist. Diese Ausführungsform ist be­ sonders für solche erfindungsgemäßen Koaxialkabel geeignet, deren elek­ trisch leitende Lackschicht eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit für eine bestimmte Anwendung aufweist. Zusätzlich führt diese Maßnahme zu einer weiteren Verbesserung der elektromagnetischen Abschirmung des Ka­ bels.

Die Metallschicht kann auf verschiedene Weise aufgebracht werden, bei­ spielsweise mittels Vakuumabscheidung oder Sputtern. Der Außenleiter wird jedoch vorzugsweise mit einem elektrochemischen Prozeß aufgebracht, bei­ spielsweise durch autokatalytisches Nickelbeschichten, oder aus einem Me­ tallbad, beispielsweise durch Heißverzinnen. Aus Kostengründen und unter produktionstechnischen Aspekten kann die Metallschicht am geeignetsten durch Elektroabscheidung aufgebracht werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Koaxial­ kabels. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Zentralleiter, der mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist, durch eine Lösung von elektrisch leitfähigem Lack hindurchgeführt wird, wonach das Kabel getrocknet und nötigenfalls die Lackschicht mit zumindest einer Schutzbeschichtung versehen wird. Dieses erfindungsge­ mäße Verfahren ermöglicht es, daß ein Koaxialkabel schnell und rationell gefertigt werden kann, dessen Außenleiter einen elektrisch leitfähigen Lack umfaßt. Auftragsgeschwindigkeiten von -zig Metern pro Minute können dann problemlos realisiert werden. Die Lösung umfaßt vorzugsweise einen Lack, der elektrisch leitfähige Metallpartikel, wie beispielsweise aus Kupfer und Silber, in einer Polymermatrix enthält.

Vorzugsweise wird ein dünner Metall-Lack nachfolgend auf die elektrisch leitfähige Lackschicht aufgebracht, beispielsweise mittels einer auto­ katalytischen Abscheidung in einer Flüssigkeit oder mittels Hindurchführen des Kabels durch ein Lötbad aus Zinn/Blei (Zinnbeschichten). Diese Me­ tallschicht wird vorzugsweise mittels Elektroabscheidung geschaffen. Nö­ tigenfalls können schließlich ein oder mehrere Schutzbeschichtungen auf dem so gebildeten Außenleiter aufgebracht werden. Diese Beschichtungen dienen zum Verstärken des Koaxialkabels oder dessen Schutz gegen externe Einflüsse.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Er­ findungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläu­ tert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Koaxialkabel,

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm für den Herstellungsprozeß des erfindungsgemäßen Kabels,

Fig. 3 ein Kurvenschaubild, das die Übertragungsimpedanz zweier Koaxialkabel als Funktion der Frequenz darstellt.

Es ist anzumerken, daß die Dimensionen der verschiedenen in den Zeich­ nungen dargestellten Teile nicht maßstabsgetreu sind.

Fig. 1 zeigt ein Koaxialkabel. Dieses Kabel umfaßt einen Zentralleiter 1, eine elektrisch isolierende Schicht 2, einen Außenleiter 3 und eine Schutz­ schicht 4.

Im vorliegenden Falle besteht der Zentralleiter 1 aus einem Stahldraht mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Oberfläche mit einer dünnen Kupfer­ schicht versehen ist. Die genaue Zusammensetzung, Ausgestaltung und Dicke dieses Leiters stellen keine essentiellen Merkmale der Erfindung dar. Die Dicke des Zentralleiters liegt gewöhnlich zwischen 0,01 und 0,5 mm. Im vorliegenden Falle beträgt die Dicke 0,2 mm.

Eine Schicht 2 aus elektrisch isolierendem Material ist um den Zentral­ leiter herum vorgesehen. Im vorliegenden Falle beträgt die Schichtdicke 0,5 mm. Die gewünschte Dicke dieser Lage hängt vom Dielektrizitätswert des eingesetzten elektrisch isolierenden Materials ab. Die Dicke liegt gewöhnlich zwischen 0,01 und 0,8 mm. Im vorliegenden Falle besteht die Lage aus einem thermoplastischen Kunstharz, das auf dem Zentralleiter mittels Extrusion aufgebracht ist. Allgemein bekannte Kunstharze, die für diesen Zweck eingesetzt werden können, sind geschäumte oder nicht-ge­ schäumte Polyethylene und/oder Polypropylene. Andere Materialien, die geeigneterweise für diesen Zweck eingesetzt werden können, sind Fluor- Polymere, wie beispielsweise Polytetrafluorethylene (PTFE).

Der Außenleiter 3 des erfindungsgemäßen Koaxialkabels umfaßt eine dünne Schicht eines elektrisch leitfähigen Lacks. Im vorliegenden Falle besteht der Lack aus einer Suspension von Metallpartikeln aus Silber in einem thermoplastischen Kunstharz, wie beispielsweise Polyester, Polyurethan oder Polyacrylat. Lacke mit Metallpartikeln aus Kupfer oder Nickel können ebenfalls in geeigneter Weise eingesetzt werden. Aufgrund des Vorhanden­ seins der Kunstharz-Matrix haften solche Lacke gut auf einer elektrisch isolierenden Schicht aus einem Kunstharz. Im vorliegenden Falle beträgt die Dicke des Außenleiters 10 µm.

Vorzugsweise ist die dem Zentralleiter abgewandte Oberfläche der Schicht 3 weiterhin mit einer dünnen Metallschicht beispielsweise aus Sn, Ni oder Sn/Pb versehen. Aus Gründen der Klarheit ist diese Schicht in den Zeich­ nungen nicht dargestellt. Die Dicke dieser Metallschicht liegt typischer­ weise im Bereich von 5 bis 25 µm. Aufgrund des Vorhandenseins der Me­ tallpartikel in der elektrisch leitfähigen Lackschicht wird eine zufrie­ denstellende Haftung zwischen der Metallschicht und der Lackschicht er­ reicht.

Der Außenleiter 3 kann - falls gewünscht - mit einer oder mehreren Schutzbeschichtungen versehen sein. Diese Beschichtungen können im all­ gemeinen aus Kunstharz, wie z. B. Polyethylen oder Polyurethan, PVC oder einen Fluor-Polymer bestehen, die durch Extrusion hergestellt werden kön­ nen. Die Dicke einer solchen Schicht liegt typischerweise im Bereich von 50 bis 500 µm. Nötigenfalls enthält die Schutzbeschichtung auch Feuer­ hemmstoffe. Es wird nochmals angemerkt, daß diese Schutzbeschichtung nicht unbedingt notwendig ist.

Fig. 2 zeigt schematisch, wie ein Koaxialkabel gemäß der Erfindung her­ gestellt werden kann. Ein Kabel 11 besteht aus einem Zentralleiter, der mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist. Dieses Kabel wird durch ein Bad 12 hindurchgeführt, das eine Lösung aus einem elektrisch leitfähigen Lack enthält. Im vorliegenden Falle ist der Lack vom Typ "Elektodag 1415", wie er von der Firma Acheson geliefert wird. Dieser Lack beinhaltet Ag-Partikel in einem thermoplastischen Kunstharz, das in Methyl-Ethyl-Keton gelöst ist. Das Koaxialkabel wird durch einen Herd 15 hindurchgeführt. In diesem Herd wird der Lack bei einer Temperatur von etwa 125°C ausgehärtet. Nötigenfalls kann die Dicke des Außenleiters da­ durch erhöht werden, daß der Draht mehrere Male durch die Lacklösung und den Ofen hindurchgeführt wird.

In dem hier beschriebenen Falle wird die Lackschicht zusätzlich mit einer dünnen Metallschicht mittels Elektroabscheidung versehen. Zu diesem Zweck wird das Koaxialkabel mit der ausgehärteten Lackschicht zuerst aktiviert, indem es einer leichten Ätzbehandlung mittels Ozon in einem Ozonisator 16 ausgesetzt wird. Anschließend wird das so angeätzte Kabel durch ein Bad 17 hindurchgeführt. Dieses Bad enthält eine Anzahl von Platten 18 aus Blei/Zinn, die durch eine Stromquelle 19 auf ein negatives Potential bezüglich dem Außenleiter des durch das Bad geführten Kabels gebracht werden. Als Ergebnis dieser Spannungsdifferenz lösen sich die Platten leicht auf, um Blei- und Zinnsalze im Wasser des Bades 17 zu bilden. Diese Salze werden nachfolgend auf der elektrisch leitfähigen Lackschicht des Kabels reduziert, wodurch eine dünne Metallschicht aus Blei/Zinn auf der Lackschicht gebildet wird. Das Kabel wird anschließend durch ein Spülbad (nicht gezeigt) hindurchgeführt und getrocknet. Schließlich wird das Kabel mit einer Isolierabdeckung (nicht gezeigt) mittels Extrusion versehen.

Fig. 3 ist ein Kurvenschaubild, das die sogenannte Transferimpedanz Z_t (Ohm/m) als Funktion der Frequenz F (MHz) von zwei Koaxialkabeln zeigt. Kurve a wird durch Messung an einem bekannten Koaxialkabel mit einem verlitzten Außenleiter erhalten. Kurve b wird durch Messung an einem er­ findungsgemäßen Koaxialkabel erhalten, das einen Außenleiter auf der Basis eines elektrisch leitfähigen Lackes aufweist. In beiden Fällen liegt die Dicke des Zentralleiters bei 0,5 mm. Die Dicke der Isolierlage beträgt in beiden Fällen 0,45 mm. Das bekannte Koaxialkabel ist mit einem ver­ litzten Außenleiter mit einer Dicke von 0,4 mm versehen. Das erfindungs­ gemäße Kabel ist mit einem Außenleiter auf der Basis einer elektrisch leitfähigen Lackschicht mit einer Dicke von 0,01 mm versehen.

Das Kurvenschaubild zeigt, daß im Falle des erfindungsgemäßen Kabels die Frequenzabhängigkeit der Transferimpedanz weitaus geringer ist, als bei einem bekannten Kabel. Dies ist ein wichtiger Vorteil des erfindungs­ gemäßen Koaxialkabels.

Claims (8)

1. Koaxialkabel mit einem Zentralleiter (1) und einem Außenleiter (3), die voneinander durch eine elektrisch isolierende Schicht (2) getrennt sind, wobei der Außenleiter (3) gegebenenfalls mit zumindest einer Schutzbe­ schichtung (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (3) eine elektrisch leitfähige Lackschicht aufweist.

2. Koaxialkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lack­ schicht elektrisch leitfähige Partikel aus Metall, vorzugsweise aus Silber oder Kupfer aufweist.

3. Koaxialkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der elektrisch leitfähigen Lackschicht kleiner als 200 µm ist.

4. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß eine dünne Metallschicht auf der elektrisch leitfähigen Lack­ schicht vorhanden ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Koaxialkabels mit einem Zentralleiter (1) und einem Außenleiter (3), die voneinander durch eine elektrisch iso­ lierende Schicht (2) getrennt sind, wobei der Außenleiter (3) gegebenen­ falls mit zumindest einer Schutzbeschichtung (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zentralleiter (1), der mit einem elektrisch iso­ lierenden Schicht (2) versehen ist, durch eine Lösung eines elektrisch leitfähigen Lackes hindurchgeführt wird, wonach das Kabel getrocknet und gegebenenfalls die Lackschicht mit zumindest einer Schutzbeschichtung (4) versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lack­ schicht elektrisch leitfähige Partikel aus Metall, vorzugsweise aus Silber oder Kupfer, aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Metallschicht auf die Lackschicht aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ schicht mittels Elektroabscheidung geschaffen wird.