JP5645129B2 - 高周波同軸ケーブル及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信施設やマイクロ波通信施設で用いられ、絶縁層として、内部充実層、発泡樹脂絶縁層、外部充実層の３層を備えた高周波同軸ケーブル及びその製造方法に関するものである。

携帯電話に必要な移動体通信施設やテレビ局のマイクロ波通信施設で用いられる高周波同軸ケーブルは、通信速度と容量の向上を目的として、使用周波数が高くなる傾向にある。これに伴い、減衰量の小さい高周波同軸ケーブルが要求されるようになっている。高周波同軸ケーブルの減衰量は、導体径に起因する導体損失と絶縁層を形成する絶縁体材料に起因する誘電体損失とを足した値であり、次式（１）〜（３）で示される。

ここで、ｆ：周波数（Ｈｚ）、ε：絶縁体の誘電率、ｔａｎδ：絶縁体の誘電正接、ａ：内部導体外径（ｍ）、ｂ：外部導体外径（ｍ）、ｋ₁：内部導体の導電率係数、ｋ₂：外部導体の導電率係数である。

特開昭６１−７８０１２号公報 特開２００３−２７２４４６号公報 特開２００５−２１１９４７号公報 実開平５−１５２１８号公報

高周波同軸ケーブルの特性インピーダンスは、内部導体外径と外部導体内径の大きさで決まる。高周波同軸ケーブルではインピーダンスは５０Ωと決められているため、導体損失は一義的に決まってしまう。そのため、これまでは絶縁体の誘電率εや誘電正接ｔａｎδを小さくすることで減衰量を小さくしてきた。誘電率εを小さくする目的で発泡度を向上させるには、高圧法重合の低密度ポリエチレンのような溶融粘度の大きな材料が好適であるが、分子鎖に分岐が多いため誘電正接ｔａｎδが大きくなるというトレードオフの関係にある。このため誘電体損失の低減に限界がある。

そこで、本発明の目的は、ケーブルの長さ方向の安定性の指標である電圧定在波比（ＶＳＷＲ）が小さく、且つ減衰量の小さい高周波同軸ケーブルを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、パイプ状内部導体の外周に、内部充実層、発泡樹脂絶縁層、外部充実層、外部導体、及びシースを順次設けた高周波同軸ケーブルにおいて、前記パイプ状内部導体の外表面には全周に亘って凹部と凸部とが交互に設けられ、前記パイプ状内部導体は前記凸部のみで前記内部充実層と密着しており、前記凹部と前記内部充実層との間には、前記パイプ状内部導体の長手方向に沿って断面形状が円形の空孔が形成されていることを特徴とする高周波同軸ケーブルである。

前記凹部は、前記凹部の開口部を前記パイプ状内部導体の外周方向に向けている断面形状が半円状の空洞部を形成すると良い。

前記空洞部は、前記パイプ状内部導体の表面の長手方向に沿って繋がっていると良い。

前記内部充実層と密着する前記凸部の幅は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であると良
い。

また本発明は、パイプ状内部導体の外周に、内部充実層、発泡樹脂絶縁層、外部充実層、外部導体、及びシースを順次設ける高周波同軸ケーブルの製造方法において、前記パイプ状内部導体の外表面に等間隔且つ長手方向に延伸するように複数の凹部を形成し、前記凹部を形成した前記パイプ状内部導体上に前記内部充実層をチューブ押出機で押し出した後、前記内部充実層の外周に、前記発泡樹脂絶縁層、前記外部充実層を押出形成し、前記外部充実層の外周に、前記外部導体、前記シースを順次形成し、前記内部充実層が前記凹部間に形成された凸部のみと密着し、前記凹部内に前記内部充実層が入り込まず、前記凹部と前記内部充実層との間に、前記パイプ状内部導体の長手方向に沿って断面形状が円形の空孔が形成されるように前記内部充実層を押し出すことを特徴とする高周波同軸ケーブルの製造方法である。

本発明によれば、ケーブルの長さ方向の安定性の指標であるＶＳＷＲが小さく、且つ減衰量の小さい高周波同軸ケーブルを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る高周波同軸ケーブルを示す構造図である。 図１の高周波同軸ケーブルにおけるパイプ状内部導体を示す斜視図である。 ＬＨＰＸ２０Ｄアニューラケーブルのパイプ状内部導体径と抵抗減衰の関係を示すグラフである。 発泡コアを示す断面図である。 図１の高周波同軸ケーブルの製造ラインを示す概略図である。 図５の製造ラインにおけるクロスヘッドを示す構造図である。 凹部を形成した後、その上に内部充実層までを被覆したパイプ状内部導体を示す断面図である。 実施例における高周波同軸ケーブルにおけるパイプ状内部導体の寸法を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る高周波同軸ケーブルを示す構造図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る高周波同軸ケーブル１０は、パイプ状内部導体１１の外周に、内部充実層１２、発泡樹脂絶縁層１３、外部充実層１４、外部導体１５、及びシース１６を順次設けたものである。以下、パイプ状内部導体１１の外周に、内部充実層１２、発泡樹脂絶縁層１３、外部充実層１４までを被覆したケーブルを発泡コア１７と称する。

パイプ状内部導体１１は、導体損失が少ないもの、例えば、断面がパイプ状に形成された銅材、又は銅を被覆したアルミニウム線を延伸した銅被アルミ線からなる。

図２に示すように、パイプ状内部導体１１の表面には、全周に亘って凹部（溝部）１８と凸部（密着部）１９とが交互に設けられる。凹部１８は、パイプ状内部導体１１の表面積を大きくし、導体損失を小さくするために形成するものである。導体損失を小さくするためには、パイプ状内部導体１１の表面積が凹部１８と凸部１９とが設けられていないパイプ状内部導体の表面積に対して１．１倍以上１．３倍以下となるように凹部１８を設けることが好ましい。

また、凹部１８の肉厚は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。０．５ｍｍ未満であると高周波同軸ケーブル１０の製造過程でパイプ状内部導体１１が歪んでしまう虞があるからである。

更に、各凹部１８が同様の形状となっていると良い。特に各凹部１８の形状は特定しないが、凹部１８に角があるとその角に電界が集中してしまい抵抗が大きくなるため、半円形が望ましい形状と言える。

この凹部１８は、パイプ状内部導体１１の外周方向に向けて半円状の空洞部２０を形成する。空洞部２０は、パイプ状内部導体１１の表面の長手方向に沿って繋がっていると良い。

図３に示すように、溝形成前のパイプ状内部導体１１の外径（又は溝形成後の対向する凸部１９における外径）は、３．９ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下であると良い。これは、３．９ｍｍよりも細径であると、パイプ状の導体にすること自体が難しく、且つ凹部１８の形成もできないためである。また、１２．９ｍｍよりも外径が大きいと、パイプ状内部導体１１の表面積を大きくして導体損失を下げなくても、パイプ状内部導体１１の断面積が大きく抵抗値が下がるので、パイプ状内部導体１１に凹部１８を設けても効果が小さいためである。特に１０Ｄのパイプ状内部導体１１が凹部１８を形成したときの効果が一番大きい。

図４に示すように、このパイプ状内部導体１１は、凸部１９のみで内部充実層１２と密着している。内部充実層１２と密着する凸部１９の幅は、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であると良く、より好ましくは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であると良い。これは、０．２ｍｍ未満であると、内部充実層１２との密着が不十分となり、発泡させたときに凸部１９と内部充実層１２が密着せず、大きな空隙ができてしまうからである。また、１．０ｍｍより長いと、パイプ状内部導体１１の外径によっては、凹部１８の形成が少なくなるため、パイプ状内部導体１１の表面積を前述したような範囲にすることができず、導体損失を減らすことができないからである。

更に、パイプ状内部導体１１の全周に亘って、パイプ状内部導体１１と内部充実層１２との十分な密着を得るためには、凸部１９が等間隔に形成されることが好ましい。

凹部１８と内部充実層１２との間には、パイプ状内部導体１１の長手方向に沿って断面が円形の空孔２１が形成される。この空孔２１は、パイプ状内部導体１１の全周に亘って等間隔に形成される。これにより、パイプ状内部導体１１の長手方向、且つ全周に亘って誘電率εの分布を均一にすることができる。

内部充実層１２の材料としては、特に規定はしないが、例えば、ポリエチレン樹脂と接着性ポリマとして無水マレイン酸変性ポリエチレンを混合したものを用いても良い。なお、樹脂としては、低温（１００℃程度）で接着するものが好ましい。

発泡樹脂絶縁層１３の樹脂材料としては、特に規定はしないが、ポリオレフィン系樹脂を用いることができ、ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ブロックポリプロピレン、ランダムポリプロピレン、インプラント型ＴＰＯ、エチレン−プロピレン−ブテン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−ヘキセン共重合体、エチレン−ペンテン共重合体が挙げられる。ポリプロピレンとしては、ブロックポリプロピレン、ランダムポリプロピレン、アタクチックポリプロピレン、シンジオタクチックポリプロピレン、イソタクチックポリプロピレンなどが挙げられる。ポリエチレンとしては、超高分子ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、超低密度ポリエチレンなどが挙げられる。これらを単独または複数種類組合せて用いることができる。例えば、高密度ポリエチレンと低密度ポリエチレンとを混合して用いることができる。また、発泡剤、発泡核剤としては、特に規定はしないが、公知のものを使用することができる。

更に、これら材料に、酸化防止剤、粘度調整剤、増粘剤、補強材、充填剤、可塑剤（軟化剤）、加硫剤、加硫促進剤、架橋剤、架橋助剤、発泡助剤、加工助剤、老化防止剤、耐熱安定剤、対候安定剤、帯電防止剤、滑剤、その他の添加剤を加えることができる。

発泡方法としては、化学発泡剤を用いる方法（化学発泡）と、成形機の中で溶融樹脂中にガスを注入する方法（物理発泡）とがあり、どちらの方法を用いても良い。また、発泡度は、特に規定はしないが、発泡度が高い方が誘電率εが低くなるため、７０％以上であることが好ましい。

外部導体１５としては、コルゲート状の銅材やアルミニウム材を用いることができる。

次に、高周波同軸ケーブル１０の製造方法をその製造ラインと共に説明する。

図５に示すように、高周波同軸ケーブル１０を製造するための製造ライン５０は、押出キャプスタン（送出キャプスタン）５１と、クロスヘッド５２と、内部充実層押出機（チューブ押出機）５３と、第１押出機５４と、ガス注入装置５５と、第２押出機５６と、外部充実層押出機５７と、冷却水槽５８とを備える。

この製造ライン５０を用いて高周波同軸ケーブル１０を製造する際には、先ず、ダイス内部に突起部を設けた押出キャプスタン５１からパイプ状内部導体１１を押し出すことで、その表面に突起部に対応した形状の凹部１８を等間隔且つ長手方向に延伸するように形成する。

その後、内部充実層押出機５３で内部充実層１２の材料を混練し、クロスヘッド５２でパイプ状内部導体１１上に内部充実層１２を押し出す。

図６に示すように、クロスヘッド５２は、パイプ状内部導体１１の外周に内部充実層１２を被覆するためのチューブタイプの心金６１と、心金６１を保持する心金ホルダ６２と、これら心金６１及び心金ホルダ６２との間に発泡樹脂材料６３と外部充実層１４の材料６４が通る流路６５を形成するための口金６６と、流路６５に発泡樹脂材料６３を導入するための発泡樹脂材料導入部６７と、流路６５に外部充実層１４の材料６４を導入するための外部充実層材料導入部６８とを有しており、内部充実層１２が凹部１８間に形成された凸部１９のみと密着し、凹部１８内に内部充実層１２が入り込まず、凹部１８内が空隙となるように内部充実層１２を押し出すことができるようになっている。

このクロスヘッド５２では、内部充実層１２以外にも発泡樹脂絶縁層１３、外部充実層１４も同時に押出形成して、発泡コア１７を形成する。

具体的には、ホッパ５９から投入した発泡樹脂絶縁層１３の樹脂材料、発泡核剤、ガス注入装置５５から注入したガスなどを第１押出機５４で混練し、混練して得られた発泡樹脂材料６３を第２押出機５６で発泡に適した温度まで下げると共に発泡樹脂材料導入部６７からクロスヘッド５２内の流路６５に導入し、内部充実層１２の外周に発泡樹脂絶縁層１３を押出形成する。内部充実層１２の外周に押し出した発泡樹脂材料６３は、クロスヘッド５２内外の圧力差によって物理発泡し、発泡樹脂絶縁層１３となる。

図７に示すように、内部充実層１２を押し出した直後は、空孔２１の断面は円形になっていないが、発泡成長の際には外周方向へ向けて発泡していくため、発泡樹脂絶縁層１３と密着する内部充実層１２も同時に外周方向へと引っ張られて、空孔２１が大きくなり空孔２１の断面が円形になる。これにより、内部充実層１２の外周における誘電率εを小さくすることができる。

また、外部充実層１４の材料６４を外部充実層押出機５７で混練すると共に外部充実層材料導入部６８からクロスヘッド５２内の流路６５に導入し、発泡樹脂絶縁層１３の外周に外部充実層１４を押出形成する。

その後、冷却水槽５８でパイプ状内部導体１１の外周に押し出した各材料を冷却し、得られた発泡コア１７を別のラインに送り、外部導体１５、シース１６を順次形成すると高周波同軸ケーブル１０が得られる。

次に、高周波同軸ケーブル１０の作用を説明する。

高周波信号が導体（銅）を流れるときの表皮深さは１ＧＨｚの場合に約２．１μｍ、３ＧＨｚの場合に１．２μｍと導体の僅かな表面にしか流れない（高周波信号の表皮効果）。高周波同軸ケーブル１０では、パイプ状内部導体の表面積を大きくするためにその表面に凹部１８を設けているので、高周波信号の流れる表面積を大きくすることができる。また、内部導体外径が大きくなることで、前述した導体損失の式（２）中のａが大きくなり、導体損失α_rを小さくすることができる。

更に、高周波同軸ケーブル１０では、内部充実層１２の押出時にチューブ押出機を用いるため、凹部１８内に内部充実層１２が入り込まず、凹部１８内が空隙となるように内部充実層１２を押し出すことができる。また、発泡樹脂絶縁層１３を形成すると同時に発泡樹脂絶縁層１３の気泡が成長し、発泡成長と共に空洞部２０に対向する内部充実層１２が外周方向に引っ張られるため、空洞部２０を円形の空孔２１とすることができる。その結果、高い発泡度の絶縁層を形成した場合と同じ効果が得られ、誘電体損失α_gを小さくすることができる。

従って、本発明によれば、パイプ状内部導体１１の外周に凹部１８を設けることで、パイプ状内部導体１１の外径を変更することなく、パイプ状内部導体１１の表面積を凹部１８を設けない場合に対して１．１倍以上１．３倍以下にすることができ、表面積が大きくなることで、導体損失α_rを小さくすることができる。また、凹部１８内に内部充実層１２が入り込まず、更には発泡樹脂絶縁層１３にも空間ができた結果、誘電体損失α_gも小さくなり、その結果、ケーブルの長さ方向の安定性の指標であるＶＳＷＲが小さく、且つ減衰量αの小さい高周波同軸ケーブル１０を提供することができる。

本発明の効果を実証すべく、以下に示す実施例１〜６及び比較例１〜４を実施した。

各実施例及び比較例において、高周波同軸ケーブルの作製は以下の手順に基づき行った。

先ず、第１押出機５４中に発泡用ポリエチレン及び発泡核剤等を投入、混練し窒素または炭酸ガスもしくはこれらの混合ガスをガス注入装置５５において第１押出機５４内部に圧入後、第２押出機５６で発泡に適した温度まで下げていく。

次に、パイプ状内部導体１１を用意し、ダイス内部に凸部を設けた押出キャプスタン５１から押し出し、パイプ状内部導体１１の外周に所望の凹部１８を形成する。

このとき、図８に示すように、パイプ状内部導体１１の凸部１９の肉厚ｔ₀を１．０、凹部１８の本数を２５本とし、凹部１８を設けていない場合のパイプ状内部導体の表面積を１として、表面積をその１．１倍、１．３倍としたパイプ状内部導体１１を作製した。

次に、内部充実層押出機５３で内部充実層１２の材料を混練後、凹部１８を形成したパイプ状内部導体１１上に内部充実層１２を被覆する。内部充実層１２はチューブ押出機で被覆形成するため、内部充実層１２がパイプ状内部導体１１の凹部１８内に入り込まず、図７に示したように形成される。

内部充実層１２を形成した後、発泡樹脂絶縁層１３を内部充実層１２の外周に形成する。なお、外部充実層１４は、外部充実層押出機５７において、発泡樹脂絶縁層１３と同時に形成する。使用したクロスヘッド５２内の構造は図６で示した通りである。

各層の被覆後、冷却水槽５８で冷却することにより、発泡樹脂絶縁層１３及び外部充実層１４は外側から先に固化するので、発泡樹脂絶縁層１３も外周側の気泡は内部充実層１２側よりも微細な気泡が形成される。

また、このとき発泡樹脂材料６３が押し出され発泡成長する際に、外周方向へ向けて発泡していくため、発泡樹脂絶縁層１３と密着する内部充実層１２も同時に外周方向へと引っ張られる。

これにより、凹部１８に対向する内部充実層１２及び発泡樹脂絶縁層１３は図４で示したように外周方向へと引っ張られ、空孔２１が大きくなる。このように、パイプ状内部導体１１の長手方向に空孔２１ができたことで、パイプ状内部導体１１上の誘電率εを小さくすることができる。

その後、外部導体１５及びシース１６を形成する。製造した高周波同軸ケーブルは可撓性向上のためにアニューラリングと呼ばれる独立リング状の外部導体１５を設けた２０Ｄアニューラとした。

高周波同軸ケーブルの減衰量及びＶＳＷＲの測定はアジレント社製スカラネットワークアナライザ８７５７Ｄを用いて行い、２．２ＧＨｚでの減衰量が５．８５ｄＢ／１００ｍ以下を合格とした。ケーブルタイプが１０Ｄとした場合は、減衰量が１５．６ｄＢ／１００ｍ以下を合格とし、ケーブルタイプが２９Ｄとした場合は、減衰量が４．２２ｄＢ／１００ｍ以下を合格とした。また、ＶＳＷＲはいずれの場合も１．１以下を合格とした。

実施例１は、ＬＨＰＸで一番汎用である９．０φｍｍの２０Ｄアニューラの場合である。図８に示すように、凹部１８の半径Ｒを０．１ｍｍ、凹部１８の肉厚ｔ₁を０．９ｍｍとし、凹部１８を設けていないパイプ状内部導体の表面積を１とした場合に対し、表面積を１．１倍に拡大したものである。ＶＳＷＲが１．０５であり、規格の減衰量が５．８３ｄＢ／１００ｍに向上した。

実施例２は、凹部１８の半径Ｒを０．５ｍｍ、凹部１８の肉厚ｔ₁を０．５ｍｍとし、凹部１８を設けていないパイプ状内部導体の表面積を１とした場合に対し、表面積を１．３倍に拡大したものである。ＶＳＷＲが１．０７であり、減衰量は５．８０ｄＢ／１００ｍとなり、高周波同軸ケーブルとして合格となった。

実施例３，４は、パイプ状内部導体１１がパイプ状でもっとも細い３．９φｍｍのＦＨＰＸ１０Ｄの場合であり、それぞれ凹部１８を設けていないパイプ状内部導体の表面積を１とした場合に対し、１．１倍、１．３倍としたものである。両方とも、ＶＳＷＲ及び減衰量が規格値以内であり、合格した。

実施例５，６は、パイプ状内部導体がストレートパイプ状では一番太いφ１２．９ｍｍのＬＨＰＸ２９Ｄの場合である。それぞれ凹部１８を設けていないパイプ状内部導体の表面積を１とした場合に対し、１．１倍、１．３倍としたものである。両方ともＶＳＷＲ及び減衰量が規格値以内であり、合格した。

比較例１は、パイプ状内部導体の外径が９．０φｍｍで凹部１８のない従来構造の場合であるが、凹部１８を形成していないため、導体損失を低くすることができず、減衰量は５．８９ｄＢ／１００ｍであり、不合格であった。

比較例２は、凹部１８を設けていないパイプ状内部導体の表面積を１とした場合に対し、表面積の倍率が１．４倍の場合である。０．８ｍｍの凹部１８を設けたため、凹部１８の肉厚ｔ₁が０．２ｍｍとなり、発泡コア製造時のラインテンションによりパイプ状内部導体の強度が足りず、凹部１８を設けた部分が伸線され、歪を生じ、ケーブル化できなかった。

比較例３は、内部充実層・発泡樹脂絶縁層共に充実押出のため、凹部１８の内部まで樹脂が入り込み、これによって内部充実層の量が増加してしまい誘電体損失を小さくする事ができず、減衰量が５．８７ｄＢ／１００ｍとなり不合格であった。

比較例４は、最細径のＦＨＰＸ１０Ｄの場合であるが、内部充実層と密着する凸部の幅ｔ₂が０．２ｍｍ以下の０．１７ｍｍのため、発泡樹脂絶縁層と、パイプ状内部導体の接着がうまくいかず、巨大気泡となり、ケーブル化できなかった。

以上の結果から、本発明によれば、ケーブルの長さ方向の安定性の指標であるＶＳＷＲが小さく、且つ減衰量の小さい高周波同軸ケーブルを得られることが分かる。

１０ 高周波同軸ケーブル
１１ パイプ状内部導体
１２ 内部充実層
１３ 発泡樹脂絶縁層
１４ 外部充実層
１５ 外部導体
１６ シース
１７ 発泡コア
１８ 凹部
１９ 凸部
２０ 空洞部
２１ 空孔

Claims (5)

1. パイプ状内部導体の外周に、内部充実層、発泡樹脂絶縁層、外部充実層、外部導体、及びシースを順次設けた高周波同軸ケーブルにおいて、
   前記パイプ状内部導体の外表面には全周に亘って凹部と凸部とが交互に設けられ、前記パイプ状内部導体は前記凸部のみで前記内部充実層と密着しており、
   前記凹部と前記内部充実層との間には、前記パイプ状内部導体の長手方向に沿って断面形状が円形の空孔が形成されていることを特徴とする高周波同軸ケーブル。
2. 前記凹部は、前記凹部の開口部を前記パイプ状内部導体の外周方向に向けている断面形状が半円状の空洞部を形成する請求項１に記載の高周波同軸ケーブル。
3. 前記空洞部は、前記パイプ状内部導体の表面の長手方向に沿って繋がっている請求項２に記載の高周波同軸ケーブル。
4. 前記内部充実層と密着する前記凸部の幅は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の高周波同軸ケーブル。
5. パイプ状内部導体の外周に、内部充実層、発泡樹脂絶縁層、外部充実層、外部導体、及びシースを順次設ける高周波同軸ケーブルの製造方法において、
   前記パイプ状内部導体の外表面に等間隔且つ長手方向に延伸するように複数の凹部を形成し、前記凹部を形成した前記パイプ状内部導体上に前記内部充実層をチューブ押出機で押し出した後、前記内部充実層の外周に、前記発泡樹脂絶縁層、前記外部充実層を押出形成し、前記外部充実層の外周に、前記外部導体、前記シースを順次形成し、
   前記内部充実層が前記凹部間に形成された凸部のみと密着し、前記凹部内に前記内部充
   実層が入り込まず、前記凹部と前記内部充実層との間に、前記パイプ状内部導体の長手方向に沿って断面形状が円形の空孔が形成されるように前記内部充実層を押し出すことを特徴とする高周波同軸ケーブルの製造方法。