DE69303936T2

DE69303936T2 - Elektrisches Hochfrequenzkabel

Info

Publication number: DE69303936T2
Application number: DE69303936T
Authority: DE
Inventors: Michel Dunand; Francois Vaille
Original assignee: Filotex SA
Current assignee: Nexans France SAS
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2013-01-27
Also published as: EP0554160A1; CA2088215C; ES2090896T3; FR2686727A1; FR2686727B1; DE69303936D1; CA2088215A1; US5414215A; EP0554160B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Hochfrequenzkabel und insbesondere ein Koaxialkabel oder mit symmetrischem Leiterpaar.
Die elektrischen Hochfrequenzkabel, die möglichst wenig Platz beanspruchen, d.h. in der Lage sind, Biegekräfte und damit erhebliche Krümmungen unbeschadet zu überstehen, werden derzeit mehr und mehr gewünscht, um insbesondere in der Raumfahrt, bei militärischen und flugtechnischen Anwendungen Platz zu gewinnen. Von diesen gut biegsamen Kabeln wird weiter eine mechanische Dauerbelastbarkeit gefordert, d.h. ein guter Widerstand gegenüber periodisch auftretenden Belastungen, sowie akzeptable elektrische Kennwerte unter Berücksichtigung der Anwendungsfälle.
Das Problem der Biegsamkeit stellt sich im allgemeinen besonders hinsichtlich des Innenleiters dieser Kabel.
Es sind derzeit insbesondere zwei Arten von Koaxialkabeln bekannt, die die Forderungen nach guter Biegsamkeit oder die hinsichtlich der spezifischen Dämpfung erfüllen.
Ein erstes Koaxialkabel mit geringer spezifischer Dämpfung enthält beispielsweise in koaxialer Anordnung von innen nach außen:
- einen zentralen Innenleiter bestehend aus einem massiven Leiterdraht,
- eine Hülle aus dielektrischem Material, dessen Dichte im allgemeinen größer als Einheitswert ist,
- einen Außenleiter, beispielsweise bestehend aus einem Geflecht von Metallbändern, das mit einem Geflecht aus Drähten mit rundem Querschnitt bedeckt ist,
- einen äußeren Schutzmantel aus Isoliermaterial.
Ein solches Kabel wird als zufriedenstellend hinsichtlich der spezifischen Dämpfung angesehen. Diese Dämpfung liegt in der Größenordnung von 0,12 bis 0,13 dB/m bei 1 GHz für ein Kabel von 10 mm Durchmesser.
Dagegen besitzt ein solches Kabel einen Mindestkrümmungsradius von etwa dem 8-fachen seines Außendurchmessers sowie eine nur eingeschränkte mechanische Dauerbelastbarkeit. Für kleinere Krümmungsradien als obiger Wert erfährt der massive Innenleiter des Kabels entscheidende Beschädigungen. Im übrigen wird der zentrale Leiter nur durch die Verwendung eines Materials einer Dichte größer als Einheitswert für die Hülle mechanisch gehalten und gewährleistet die oben angegebenen Werte der spezifischen Dämpfung, wenn der Krümmungsradius des Kabels dem 8-fachen seines Außendurchmessers entspricht.
Um die Biegsamkeit dieser Kabel zu erhöhen, hat man daran gedacht, den massiven Innenleiter durch eine Litze von Leiterdrähten zu ersetzen, die einen unterteilten Innenleiter des Kabels bilden, und zugleich das die Hülle bildende dielektrische Material durch ein Material einer Dichte von im allgemeinen unter Einheitswert zu ersetzen.
In diesem Fall erreicht man Mindestkrümmungsradien in der Größenordnung von 4 bis 5 mal dem Außendurchmesser des Kabels, was einen deutlichen Gewinn im Vergleich zu den oben erwähnten Kabeln mit massivem Innenleiter darstellt. Auch die mechanische Dauerbelastbarkeit ist verbessert.
Die elektrischen Eigenschaften dieser Kabel sind jedoch im Vergleich zu denen der Kabel mit massivem Innenleiter kaum befriedigend. Insbesondere liegt der spezifische Dämpfungswert für ein Kabel mit unterteiltem Innenleiter, dessen Innenleiter einen Gesamtdurchmesser gleich dem des entsprechenden massiven Innenleiters besitzt (der Gesamtdurchmesser des geteilten Innenleiters wird durch den Hüllkreis der Litze bestimmt), etwa 30% über dem entsprechenden Wert für ein Kabel mit massivem Innenleiter.
Ähnliche Probleme werden bei Kabeln mit einem symmetrischen Leiterpaar beobachtet, bei denen zwei massive oder geteilte gegeneinander isolierte Innenleiter in einem Schutzmantel untergebracht sind. So ermöglichen die in den verschiedenen bekannten elektrischen Hochfrequenzkabeln verwendeten Innenleiter keine Synthese zwischen den Forderungen aus elektrischer Sicht (spezifische Dämpfung von etwa 0,12 bis 0,13 dB/m bei 1 GHz für ein Kabel von 10 mm Durchmesser) und den Forderungen nach erhöhter Biegsamkeit (Mindestkrümmungsradius von etwa 3 bis 5 mal dem Außendurchmesser des Kabels) sowie nach mechanischer Dauerbelastbarkeit.
Ziel der Erfindung ist es also, ein elektrisches Hochfrequenzkabel mit einer Dämpfung je Längeneinheit ähnlich der der Kabel mit massivem Innenleiter und mit einem Krümmungsradius und einer mechanischen Dauerbelastbarkeit ähnlich denen der Kabel mit geteiltem Innenleiter anzugeben.
Gegenstand der Erfindung ist also ein elektrisches Hochfrequenzkabel mit mindestens einem elektrischen Innenleiter bestehend aus einer Litze von Leiterdrähten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallband mit Überdeckung um diese Litze gewickelt ist.
Aufgrund dieses Metallbands bleibt die Biegsamkeit des geteilten Innenleiters erhalten und doch ergibt sich eine bessere Verteilung der Stromdichte an der Oberfläche des Leiters, was zu einer besseren Verteilung des elektromagnetischen Felds im elektrischen Hochfrequenzkabel gemäß der Erfindung führt. Dies bedeutet entlang eines solchen Kabels, daß die Dämpfung je Längeneinheit des Kabels höchstens 10% über der eines identischen Kabels mit einem massiven Innenleiter gleichen Durchmessers wie die Einheit aus Litze und Band liegt.
Vorzugsweise wird eine Schicht aus einem dielektrischen Material, auch dielektrische Haut genannt, um das Metallband zu dessen mechanischen Halt angeordnet. Die dielektrische Haut kann durch Extrusion oder Umwickeln des Metallbands erhalten werden.
Im Fall einer Extrusion um das Metallband herum kann die Haut aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), Perfluoralkoxyharz (PFA), einem Kopolymer von Äthylen und fluoriertem Propylen ((FEP), Äthylentetrafluoräthylen (ETFE), Polyäther- Ätherketon (PEEK), Polyäthylen (PE) oder Polypropylen (PP) bestehen.
Die dielektrische Haupt kann auch aus einem Band auf der Basis von PTFE oder aus einem Verbundband auf der Basis von Polyimid und PTFE oder von Polyimid und FEP oder von Polyimid und PFA-Harz bestehen, das mit Überdeckung auf das Metallband gewickelt ist und deren einzelne Windungen miteinander verschweißt sein können oder auch nicht verschweißt sind.
Vorzugsweise ist das die dielektrische Haut bildende Material massiv, um einen ausreichenden mechanischen Halt des Metallbands zu gewährleisten.
Ein erfindungsgemäßes Koaxialkabel kann koaxial von innen nach außen um einen zentralen Leiter herum aufweisen:
- eine Hülle aus einem dielektrischen Material,
- einen Außenleiter,
- einen äußeren Schutzmantel aus einem Isoliermaterial.
Das dielektrische Material der Hülle ist vorzugsweise expandiert und hat eine Dichte, die weniger als die Hälfte der Dichte des gleichen nicht-expandierten Materials beträgt. Das Kabel wird so biegsamer.
Ein erfindungsgemäßes Kabel mit symmetrischem Leiterpaar enthält zwei Innenleiter, die spiralförmig oder längs nebeneinander angeordnet sind und je eine Hülle aus einem dielektrischen Material besitzen. Dieses Material ist vorzugsweise expandiert und hat eine Dichte, die weniger als die Hälfte der Dichte des gleichen nicht-expandierten Materials beträgt.
Die Einheit der beiden Leiter kann von einer dielektrischen Hülle umgeben sein. Letztere kann wiederum von einer Abschirmung umgeben sein.
Das so gebildete Kabel mit einem symmetrischen Leiterpaar kann durch einen äußeren Schutzmantel aus einem Isoliermaterial geschützt werden.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung eines erfindungsgemäßen elektrischen Kabels und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
Figur 1 zeigt in Perspektive ein erfindungsgemäßes Koaxialkabel.
Figur 2 zeigt in Perspektive ein erfindungsgemäßes Kabel mit symmetrischem Leiterpaar.
Das Kabel 1 enthält von innen nach außen gesehen:
- eine Litze 2 aus Metalldrähten 20, wobei die Litze 2 einen Gesamtdurchmesser von 3,1 mm besitzt,
- ein Metallband 3, z.B. aus versilbertem Kupfer, das um die Litze 2 so mit Überdeckung gewickelt ist, daß der Durchmesser der Einheit nun 3,2 mm beträgt,
- eine Schicht 4, auch dielektrische Haut genannt, aus massivem PTFE einer Dichte von etwa 2 und einer Dicke von etwa 0,15 mm,
- eine Hülle 5 aus expandiertem PTFE einer Dichte unter Einheitswert und einer Dicke von 2,2 mm,
- ein Geflecht 6 von Metallbändern, über dem sich ein Geflecht 7 aus Metalldrähten mit rundem Querschnitt befindet, wodurch der Durchmesser der Einheit nun 8,8 mm annimmt,
- einen äußeren Schutzmantel 8 aus einem Isoliermaterial mit einer Dicke von 0,5 mm.
Das Band 3 verleiht dem geteilten Innenleiter 2 elektrische Eigenschaften, die sich nur wenig von denen eines massiven Innenleiters unterscheiden und doch dem Kabel 1 die gleiche Biegsamkeit verleihen wie einem bekannten Kabel mit geteiltem Innenleiter. So liegt die Dämpfung je Längeneinheit des Kabels 1 nur etwa 10% über der eines ansonsten gleichen Kabels mit massivem Innenleiter, und der Mindestkrümmungsradius betrügt das Drei- bis Fünffache des Außendurchmessers des Kabels. Das erfindungsgemäße Kabel vereint also die Vorteile eines Kabels mit massivem Innenleiter und die eines Kabels mit geteiltem Innenleiter.
Wenn das Kabel weiter bei hohen Frequenzen (typisch bei etwa 100 MHz) verwendet wird, dann reicht eine sehr geringe Dicke der Metallschicht in Höhe des zentralen Leiters aufgrund des Skin-Effekts aus. Während der geteilte Innenleiter der bekannten biegsamen Kabel bei hohen Frequenzen aufgrund der unregelmäßigen äußeren Oberfläche schlechte Leistungen bringt, ergibt das erfindungsgemäße Kabel eine optimale Verwendung aufgrund des dünnen Metallbands, das mit der Dicke der stromführenden Schicht kompatibel ist.
Außerdem sichert die dielektrische Haut 4 den mechanischen Halt des Bands 3, wenn das Kabel 1 Biegekräften unterworfen ist, so daß ggf. ein Aufklaffen des Bandes 3 vermieden wird. Das Aufklaffen des Bandes 3 würde nämlich unerwünschte Veränderungen der Dämpfung des Kabels um den Nennwert herum zur Folge haben, und die Hülle 5, die im allgemeinen aus einem Material geringer Dichte besteht (aus elektrischen Gründen), kann diesen Halt nicht ausreichend gewährleisten. Man verwendet daher eine dielektrische Haut 4, die dünn und steif ist und aus einem dielektrischen Material besteht, um ggf. das Band 3 zu halten.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Falls der Wunsch besteht, kann die Erfindung auch auf andere als Koaxialkabel für Hochfrequenz angewendet werden.
Die Erfindung ist beispielsweise auch auf Kabel mit symmetrischem Leiterpaar anwendbar (in Gegensatz zu den Koaxialkabeln, die manchmal auch Kabel mit koaxialem Leiterpaar genannt werden).
Diese Kabel besitzen meist zwei geteilte Innenleiter 12 und 12' (siehe Figur 2), die ggf. je von einer Hülle aus einem dielektrischen Material 15, 15' des gleichen Typs wie die Hülle 5 umgeben sind und nebeneinander oder spiralformig angeordnet sind. Das Ganze wird von einer dielektrischen Hülle 30 und dann von einer metallischen Abschirmung 16, 16 umgeben und kann durch einen äußeren Schutzmantel 18 aus Isoliermaterial geschützt werden. Erfindungsgemäß ist jeder Innenleiter 12, 12' des Kabels 10 gemäß Figur 2 von einem Metallband 13, 13' und dann ggf. von einer dielektrischen Haut 14, 14' umgeben, ehe das Ganze bei Bedarf von einer Hülle 15, 15' aus dielektrischem Material umhüllt wird.
Unabhängig von der Art des Kabels kann die dielektrische Haut durch Umwickeln oder durch Extrusion erhalten werden und auch aus einem anderen dielektrischen Material als PTFE bestehen. Sie kann beispielsweise aus einem Band auf der Basis von Polyimid und von PTFE gebildet sein, wie z.B. "KAPTON" (registrierte Marke). Sie soll jedoch eine ausreichende Dichte besitzen, d.h. in der Praxis aus einem nicht-expandierten oder massiven Material bestehen, um den mechanischen Halt des Metallbands zu gewährleisten. Die dielektrische Haut ist nicht in allen Fällen erforderlich, so daß das erfindungsgemäße Kabel diese Haut haben kann oder nicht.
Die dielektrische Hülle kann durch Umwickeln oder Extrusion erhalten werden. Sie kann auch aus anderen Materialien als expandiertem PTFE bestehen, beispielsweise aus expandiertem PE, sofern die Dichte dieses Materials das Kabel nicht daran hindert, die gewünschten Krümmungsradien und die gewünschte Dauerbelastbarkeit zu erzielen.
Wenn die dielektrische Hülle und/oder die dielektrische Haut gewickelt sind, können sie eine übliche thermische Behandlung erfahren, so daß die einzelnen Windungen miteinander verschweißen und sich eine homogene Hülle guter mechanischer Haltbarkeit ergibt.
Andererseits kann der Außenleiter aus einem einzigen Metallgeflecht auf der Basis von Bändern oder Drähten oder aus einem Metallband bestehen, das spiralförmig um die dielektrische Hülle gewickelt ist.
Schließlich könnte jedes Mittel durch ein äquivalentes Mittel ersetzt sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Elektrisches Hochfrequenzkabel mit mindestens einem elektrischen Innenleiter in Form einer Litze (2) von Leiterdrähten (20), dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallband (3) mit Überdeckung um die Litze (2) gewickelt ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (4) aus einem dielektrischen Material, die dielektrische Haut genannt wird, um das Metallband (3) zu dessen Halt angeordnet ist.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Haut (4) durch Extrusion oder Umwickeln des Metallbands erhalten wird.

4. Kabel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haut (4) um das Metallband extrudiert ist und aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die PTFE, PFA-Harz, FEP, ETFE, PEEK, PE und PP enthält.

5. Kabel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haut (4) aus einem Band auf der Basis von PTFE oder auf der Basis von Polyimid und PTFE oder auf der Basis von Polyimid und PFA-Harz oder auf der Basis von Polyimid und FEP besteht, das mit Überdeckung um das Metallband gewickelt ist.

6. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des die dielektrische Haut (4) bildenden Bands miteinander verschweißt sind.

7. Kabel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der dielektrischen Haut (4) massiv ist.

8. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in koaxialer Anordnung von innen nach außen um einen Innenleiter (2, 3, 4) herum enthält:

- eine Hülle (5) aus einem dielektrischen Material,

- einen Außenleiter (6, 7),

- einen äußeren Schutzmantel (8) aus einem Isoliermaterial.

9. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material, das die Hülle (5) bildet, expandiert ist und eine Dichte besitzt, die geringer als die Hälfte der Dichte des gleichen nicht-expandierten Materials ist.

10. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Innenleiter (12, 13, 14; 12', 13', 14') enthält.

11. Kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleiter (12, 12') spiralförmig oder gestreckt angeordnet sind.

12. Kabel nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (12, 13, 14; 12', 13', 14') je von einer Hülle aus einem dielektrischen Material (15, 15') umgeben sind.

13. Kabel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material der Hüllen (15, 15') expandiert ist und eine Dichte besitzt, die weniger als die Hälfte der Dichte des gleichen nicht-expandierten Materials beträgt.

14. Kabel nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit der beiden Leiter (12, 13, 14; 12', 13', 14') mit einer dielektrischen Hülle (30) umgeben ist.

15. Kabel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Hülle (30) von einer Abschirmung (16, 17) umgeben ist.

16. Kabel nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es durch einen äußeren Schutzmantel (18) aus Isoliermaterial geschützt ist.