TW202141873A

TW202141873A - 同軸電纜

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Publication number: TW202141873A
Application number: TW109114003A
Authority: TW
Inventors: 曾勇昇; 功成艾
Original assignee: 愛爾蘭商陶格拉斯集團控股有限公司
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2021-11-01

Abstract

本發明揭露用於高頻領域且具低耗損的同軸電纜結構。所述同軸電纜包括：一對同軸心內導體與外導體線材；一異質性介電-空隙複合材，設置於該等內、外導體線材之間以構成一實質相同間距；以及一外層絕緣披覆材，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。

Description

同軸電纜

本發明係關於一種同軸電纜，特別是關於用於高頻領域且具低傳輸耗損的同軸電纜。

同軸電纜(Coaxial Cable)是指由相互絕緣的同軸心內外導體構成的電纜。一般來說，同軸電纜內導體為銅線，而外導體為銅管或金屬網。電磁波在同軸電纜傳播時，只分佈在外導體的內表面和內導體的外表面之間，也就是說電磁波在金屬導體之間的空間介質傳播，其特點為輻射損耗小，所受到外界的干擾影響亦小。同時，同軸電纜中金屬導體之間空間介質的絕緣材料的選擇對它的傳輸性也有決定性的影響。

傳統上，內外導體之間根據絕緣媒介不同主要分為：泡沫絕緣電纜與空氣絕緣電纜。泡沫絕緣電纜的絕緣體是由發泡聚乙烯材料構成。空氣絕緣電纜是指內外導體之間的絕緣媒介為空氣，內導體是依靠與外導體之間的一種絕緣固體媒介螺旋支撐。美國專利US 6,812,401 B2和US 7,795,536 B2皆揭露高頻高速的同軸電纜結構，透過一對絞合絕緣線材等距螺旋纏繞內、外導體之間，以有效提升高頻領域的傳輸性能。

本案體認到傳統同軸電纜結構的結構複雜，導致製造過程繁瑣且費用高昂。有鑑於此，為解決上述習知技術的困境，本發明之目的之一在於提供一種具透氣性的同軸電纜，降低同軸導體間絕緣材的介電常數，進而減少了在高頻、高速（例如6-10 GHz及更高頻率）下的訊號傳輸損耗量。

本發明另一目的在於提供一種結合異質金屬披覆內導體與透氣性介電材的同軸電纜，同時兼具良好導電性與低訊號傳輸損耗的性能。

根據本發明之一態樣，提供一種同軸電纜，包括：一對同軸心內導體與外導體線材；一異質性介電-空隙複合材，設置於該等內、外導體線材之間以構成一間距；以及一外層絕緣披覆材，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。

根據本發明另一態樣，提供一種同軸電纜，包括：一對同軸心內導體與外導體線材，其中該內導體表面披覆一金屬導體；一透氣性異質性介電-空隙複合材，設置於該等內、外導體線材之間以構成一間距，其中該透氣性異質介電-空隙複合材包含一低k介電材與空氣複合結構；以及一外層絕緣披覆材，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。

於一實施例中，該內導體表面披覆一異質金屬導體，其中該內導體的材質包括銅，其中該異質金屬導體包括錫或鋁。於另一實施例中，該內導體的材質包括鋁，其中該異質金屬導體包括銀或銅。

於另一實施例中，於任一橫截面，該低k介電材接觸環繞該內導體線材且具有多個凸出部，其中該等凸出部的形狀包括星芒狀、圓凸狀、方凸狀或前述形狀之任意組合，及該等凸出部的凸出端與該外導體線材接觸。該等凸出部的數目至少大於5。於另一實施例中，於任一橫截面，該低k介電材接觸環繞該外導體線材的內徑且具有多個內凹結構，其中該等內凹結構形成多個空氣間隙，其中該等空氣間隙包括星芒狀、圓凸狀、方凸狀或前述形狀之任意組合。該等空氣間隙的數目至少大於5。

本發明之其他態樣，部分將在後續說明中陳述，而部分可由說明中輕易得知，或可由本發明之實施而得知。本發明之各方面將可利用後附之申請專利範圍中所特別指出之元件及組合而理解並達成。需了解，前述的一般說明及下列詳細說明均僅作舉例之用，並非用以限制本發明。

本發明揭露用於高頻領域且具低耗損的同軸電纜結構，透過適當的可透氣性異質介電-空隙複合材，調整同軸心內導體與外導體線材之間介電複合材的介電常數，並使同軸電纜具有適當的透氣性及足夠的剛性，降低在高頻、高速應用領域的傳輸損耗量。為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述並配合所附圖式，其中類似的元件符號代表類似的元件。然以下實施例中所述之裝置、元件及程序步驟，僅用以說明本發明，並非用以限制本發明的範圍。

理論上，具有較低電容的同軸電纜會讓傳輸脈波有更完整波形，且訊號傳輸有更好的性能。為了降低電容可以藉由結構設計或材料選擇來製造同軸電纜。整體而言，在電纜設計時，可採用增加絕緣體厚度；減少導體直徑，或使用介電常數較低的絕緣材。然而，電路佈線有規定導體的直徑範圍限制，要過度降低導體直徑，顯然是不可行的。而增加絕緣厚度通常會導致增加成本，大小與重量。唯一比較可行的是選擇的介電常數的絕緣體材質與結構。

傳統上，電纜業界常用的絕緣材料包含：PTFE（一種氟樹脂），其具有良好的防腐能力和切削性能，非常優越的熱穩定性和阻燃性，可防靜電，且具有良好的潤滑性。在較大的溫度和頻率範圍內具有很好的電性能和絕緣性能，另一個突出的特點是，PTFE彈性模量較小，故易變性、彈性好、非常適合做同軸連接器的絕緣子。

圖1A至圖1E顯示根據本發明實施例所繪示之同軸電纜的剖面示意圖。如圖1A所示，根據本發明之一實施例，提供一種同軸電纜結構100a，包括：一對同軸心內導體110與外導體140線材，其中該內導體的材質包括單股實心銅導線或多股絞合銅導線。該等內、外導體線材之間以一異質性介電-空隙複合材120、130構成一均等絕緣間距，該異質性介電-空隙複合材包含一低k介電材與空氣複合結構。於任一橫截面，該低k介電材接觸環繞該內導體線材且具有多個凸出部，其中該等凸出部的形狀包括星芒狀、圓凸狀、方凸狀或前述形狀之任意組合，及該等凸出部的凸出端與該外導體線材接觸。該等凸出部的數目至少為5。該低k介電材包括發泡聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)或可透氣布料。一外層絕緣披覆材150，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。

應注意的是，該等凸出部的外形並非限定於銳角，其凸出端可為圓滑的弧邊，凸出端的底部可為圓滑的弧邊與該內導體線材接觸，亦可視實際需求選擇不與該外導體線材接觸（如圖1B所示），其中該等星芒狀凸出部的數目並不限定於且較佳為至少為5。

如圖1C所示，根據本發明另一實施例的同軸電纜結構100c，該等凸出部的形狀可以為方凸形，方凸形凸出部的底部與內導體線材接觸，方凸形凸出部之外為空氣間隙，空氣間隙的大小決定了電纜的透氣性，因此電纜的損耗和阻抗可隨空氣間隙所佔的比例變化。

請參閱圖1D，根據本發明另一實施例，提供一種同軸電纜結構100d，包括：一對同軸心內導體110與外導體140線材，其中該內導體的材質包括單股實心銅導線或多股絞合銅導線。該等內、外導體線材之間以一異質性介電-空隙複合材120、130構成一均等絕緣間距，該異質性介電-空隙複合材包含一低k介電材與空氣複合結構。於任一橫截面，該低k介電材接觸環繞該外導體線材的內徑且具有多個內凹結構，其中該等內凹結構形成多個空氣間隙，其中該等空氣間隙包括星芒狀、圓凸狀、方凸狀或前述形狀之任意組合。該等空氣間隙的數目至少為5。該低k介電材包括發泡聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)或可透氣布料。一外層絕緣披覆材150，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。

請參閱圖1E，根據本發明另一實施例的同軸電纜結構100e，該等內凹結構的形狀可以為類梯形，該等類梯形結構的底部與外導體線材接觸，該等類梯形結構之間和介於內導體線材的空間為空氣間隙，空氣間隙的大小決定了電纜的透氣性，因此電纜的損耗和阻抗可隨空氣間隙所佔的比例變化。

圖2A至圖2C顯示根據本發明實施例所繪示之同軸電纜的相對尺寸的剖面示意圖。圖2A顯示傳統標準型的同軸電纜，內導體線材為銅，直徑為例如0.94 mm。內、外導體線材之間的絕緣材係聚四氟乙烯(PTFE)，介電常數ɛ_r 為2.1，損耗正切為0.0002。外導體線材為銅，直徑為例如3.00 mm，外層絕緣披覆材為聚碳酸酯（polycarbonate，PC），介電常數ɛ_r 為2.9，損耗正切為0.01，直徑為例如4.30 mm。圖2A所顯示的傳統標準型同軸電纜作為一比較例，不具透氣性，用於比較驗證本發明實施例的模擬結果。

圖2B顯示根據本發明另一實施例的同軸電纜，內導體線材為銅，直徑為例如1.12 mm。內、外導體線材之間為絕緣材與空氣的混合結構，該絕緣材接觸環繞該外導體線材，且具有多個方形凹入形成空氣間隙朝向該外導體線材，該該絕緣材形成類似梯形的結構的上底寬度為例如0.88 mm，下底寬度為例如1.46 mm，高度為例如0.68 mm，絕緣材係聚四氟乙烯(PTFE)，介電常數ɛ_r 為2.1，損耗正切為0.0002。外導體線材為銅，直徑為例如3.00 mm，外層絕緣披覆材為聚碳酸酯（polycarbonate，PC），介電常數ɛ_r 為2.9，損耗正切為0.01，直徑為例如4.30 mm。

圖2C顯示根據本發明另一實施例的同軸電纜，內導體線材為銅，直徑為例如0.84 mm。內、外導體線材之間為絕緣材與空氣的混合結構，該絕緣材接觸環繞該內導體線材，且具有多個(例如6個)星芒狀凸出部朝向該外導體線材，該等星芒狀凸出部底部的寬度約為0.22 mm，高度約為0.66 mm，絕緣材係聚四氟乙烯(PTFE)，介電常數ɛ_r 為2.1，損耗正切為0.0002。外導體線材為銅，直徑為例如2.80 mm，外層絕緣披覆材為聚碳酸酯（polycarbonate，PC），介電常數ɛ_r 為2.9，損耗正切為0.01，直徑為例如4.30 mm。

表1顯示於模擬時所使用相對應圖2A至圖2C同軸電纜結構的材料和參數。表 1

層	比較例	實施例一	實施例二
內導體	銅	銅	銅
絕緣材	PTFE (ɛ_r =2.1) 損耗正切 (0.0002)	PTFE (ɛ_r =2.1) 損耗正切 (0.0002)	PTFE (ɛ_r =2.1) 損耗正切 (0.0002)
外導體(屏蔽)	銅	銅	銅
外層披覆	聚碳酸酯 (ɛ_r =2.9) 損耗正切 (0.01)	聚碳酸酯 (ɛ_r =2.9) 損耗正切 (0.01)	聚碳酸酯 (ɛ_r =2.9) 損耗正切 (0.01)

本發明除上述實施例變化之外，仍包括其他絕緣材與空氣的混合結構的變化，例如形成多股空氣線狀空隙於絕緣材內部，用以增加透氣性同時降低絕緣材的介電常數。

為使本發明上述各實施例的同軸電纜於高頻狀態下具有更佳的匹配性，可將該內導體表面披覆一異質金屬導體，例如該內導體的材質包括銅，其中該異質金屬導體包括錫或鋁。其中該內導體的材質包括鋁，其中該異質金屬導體包括銀或銅。整體而言，銅的導電性較佳，但重量較重，披覆輕質金屬例如錫或鋁可降低重量但維持良好導電性。另一方面，鋁的導電性較差，但重量較輕，披覆金屬例如銀或銅可增加導電性但維持輕質量。

根據以上實施例，內、外導體線材使同軸電纜增加較多的損耗，另一方面介電材的電導率和損耗正切則增加較少的損耗。

圖3A、3B至圖5A、5B分別顯示根據本發明圖2A至圖2C實施例模擬結果的史密斯圖(Smith Chart)。模擬結果是以S-參數(S-parameter)於史密斯圖表示。表2顯示比較例、實施例一、二的S-參數阻抗的模擬結果。模擬的電纜長度為100 cm，頻率範圍為100 MHz至10 GHz。表 2

層	比較例	實施例一	實施例二
複變I/P阻抗	(50.2, -0.151) Ohm at 100 MHz (50, 0.178) Ohm at 10 GHz	(52.2, -0.177) Ohm at 100 MHz (52, -0.277) Ohm at 10 GHz	(47, -0.24) Ohm at 100 MHz (46.7, -0.00105) Ohm at 10 GHz
複變O/P阻抗	(50.2, -0.142) Ohm at 100 MHz (49.9, -0.228) Ohm at 10 GHz	(52.2, -0.175) Ohm at 100 MHz (52, -0.379) Ohm at 10 GHz	(47, -0.236) Ohm at 100 MHz (46.7, -0.00477) Ohm at 10 GHz

圖6顯示比較例、實施例一、二的S_1,2 -參數於頻率範圍為100 MHz至10 GHz的模擬結果。S-參數表示在輸入埠量測反射損失(return loss)，主要是觀測發送端看到多大的訊號反射成份；值越接近0越好，表示傳遞過程反射(reflection)越小。根據模擬結果顯示實施例一、二於頻率範圍為100 MHz至10 GHz的S_1,2 -參數皆優於傳統標準型比較例的結果。

本發明上述實施例主要提供一種同軸電纜內部的絕緣材的模型，透過可透氣性、異質性介電-空隙複合材降低電纜內部的介電性，例如增加空氣間隙的比例可將低整體絕緣複合材的介電係數及可透氣性，而low-k介電材（例如PTFE）提供支撐內、外導體線材之間的距離及剛性，增加絕緣材內部或內部導體周圍或附近的空氣量（即空氣的介電常數為1，PTFE介電常數為2.1），就會降低引入的介電常數的平均值，該介電常數將限制在1和2之間。如此訊號傳遞的損耗將顯著減少，尤其是在高頻、較短波長的情境中。大體而言，任何增加介電層中空氣含量的結構和方法都會相對改善電纜於高頻下的傳輸性能。

本發明以上揭露內容提供同軸電纜模型的結構截面、阻抗和插入損耗，透過選擇PTFE作為絕緣體材料，其具有2.1的介電常數和0.0002損耗正切，並且其內部導體可披覆或鍍銀而與空氣槽接觸，可達到6GHz的損耗降至0.5291 dB。在減少重量和成本方面，披覆或塗佈0.01毫米銅薄層的鋁（Al）用來代替銅可達到非常相似的結果，在6 GHz時損耗為0.53629 dB。

本發明雖以各種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100a~100e:同軸電纜結構 110:內導體 120、130:介電-空隙複合材 140:外導體 150:外層絕緣披覆材

從本發明各實施例的詳細描述，且結合所伴隨之圖式，將能更完全地理解及體會本發明，其中圖式為：

圖1A至圖1E顯示根據本發明實施例所繪示之同軸電纜的剖面示意圖；

圖2A至圖2C顯示根據本發明實施例所繪示之同軸電纜的相對尺寸的剖面示意圖；

圖3A、3B至圖5A、5B分別顯示根據本發明圖2A至圖2C實施例模擬結果的史密斯圖(Smith Chart)；及

圖6顯示比較例、實施例一、二的S_1,2 -參數於頻率範圍為100 MHz至10 GHz的模擬結果。

100a:同軸電纜結構

110:內導體

120、130:介電-空隙複合材

140:外導體

150:外層絕緣披覆材

Claims

一種同軸電纜，包括：一對同軸心內導體與外導體線材；一異質性介電-空隙複合材，設置於該等內、外導體線材之間以構成一間距；以及一外層絕緣披覆材，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。
如申請專利範圍第1項所述之同軸電纜，其中該內導體的材質包括一銅導線外披覆一金屬導體，其中該金屬導體包括錫或鋁。
如申請專利範圍第1項所述之同軸電纜，其中該內導體的材質包括一鋁導線外披覆一金屬導體，其中該金屬導體包括銀或銅。
如申請專利範圍第1項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材包含一低k介電材與空氣之複合結構。
如申請專利範圍第4項所述之同軸電纜，其中於一橫截面，該異質性介電-空隙複合材以該低k介電材接觸該內導體線材並沿著該內導體線材之外緣形成朝向該外導體線材的多個凸出部。
如申請專利範圍第5項所述之同軸電纜，其中該等凸出部至少一者更與該外導體線材接觸。
如申請專利範圍第5項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材更以該低k介電材環繞包覆該內導體線材之外緣，藉此該內導體線材並無與空氣接觸。
如申請專利範圍第4項所述之同軸電纜，其中於一橫截面，該異質性介電-空隙複合材以空氣接觸該內導體線材並沿著該內導體線材之外緣形成朝向該外導體線材的多個空氣間隙。
如申請專利範圍第8項所述之同軸電纜，其中該等空氣間隙至少一者更與該外導體線材接觸。
如申請專利範圍第8項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材更以空氣環繞該內導體線材之外緣，藉此該內導體線材並無與該低k介電材接觸。
如申請專利範圍第4項所述之同軸電纜，其中該低k介電材包括發泡聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)或可透氣布料。
如申請專利範圍第4項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材的整體介電常數範圍介於1和2之間。
一種同軸電纜，包括：一對同軸心內導體與外導體線材，其中該內導體表面披覆一金屬導體；一透氣性異質性介電-空隙複合材，設置於該等內、外導體線材之間以構成一間距，其中該透氣性異質介電-空隙複合材包含一低k介電材與空氣複合結構；以及一外層絕緣披覆材，包覆該外導體線材並保護該同軸電纜結構。
如申請專利範圍第13項所述之同軸電纜，其中該內導體的材質包括銅，該金屬導體包括錫或鋁。
如申請專利範圍第13項所述之同軸電纜，其中該內導體的材質包括鋁，該金屬導體包括銀或銅。
如申請專利範圍第13項所述之同軸電纜，其中於一橫截面，該異質性介電-空隙複合材以該低k介電材接觸該內導體線材並沿著該內導體線材之外緣形成朝向該外導體線材的多個凸出部。
如申請專利範圍第16項所述之同軸電纜，其中該等凸出部至少一者更與該外導體線材接觸。
如申請專利範圍第16項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材更以該低k介電材環繞包覆該內導體線材之外緣，藉此該內導體線材並無與空氣接觸。
如申請專利範圍第13項所述之同軸電纜，其中於一橫截面，該異質性介電-空隙複合材以空氣接觸該內導體線材並沿著該內導體線材之外緣形成朝向該外導體線材的多個空氣間隙。
如申請專利範圍第19項所述之同軸電纜，其中該等空氣間隙至少一者更與該外導體線材接觸。
如申請專利範圍第19項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材更以空氣環繞該內導體線材之外緣，藉此該內導體線材並無與該低k介電材接觸。
如申請專利範圍第13項所述之同軸電纜，其中該低k介電材包括發泡聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)或可透氣布料。
如申請專利範圍第13項所述之同軸電纜，其中該異質性介電-空隙複合材的整體介電常數範圍介於1和2之間。