shadow png

Оригинальные конструктивные решения фазостабильных кабелей СВЧ-диапазона

В работах [1,2] были рассмотрены основные параметры современных радиочастотных кабелей и кабельных сборок, в которых сердечник кабеля изолирован сплошным или пористым ПТФЭ. Показано, что основным препятствием для создания фазостабильных кабельных сборок является так называемое «тефлоновое колено» на температурно-фазовой характеристике кабелей. Данная статья посвящена рассмотрению оригинальных конструктивных решений кабелей с высокой температурно-фазовой стабильностью.

Зарубежные компании не прекращают работы по совершенствованию в едином комплексе конструкции и технологии изготовления фазостабильных радиочастотных кабелей. Для этого используют новые материалы и конструкции кабелей с одновременной оптимизацией технологии их изготовления.

Основными направлениями работ по созданию фазостабильных радиочастотных кабелей являются:

  • Разработка конструкции сердечника кабеля на основе новых, нетрадиционных изоляционных материалов с минимальными структурными изменениями при температурных переходах. Идеальным диэлектриком является воздух с диэлектрической проницаемостью Ɛ = 1, однако требуется соосное крепление внутреннего проводника кабеля. Очевидным решением является полувоздушная конструкция изоляции сердечника с минимальными эквивалентными значениями Ɛ и тангенса угла диэлектрических потерь tg δ.
  • Разработка конструкции и применение новых материалов проводников (прежде всего внутреннего проводника) с минимальным изменением линейных размеров при изменении температуры.

Радиочастотные кабели Temp — Flex

Для обеспечения жестких требований к фазовой стабильности кабелей для аэрокосмической техники, а также для прецизионного измерительного и медицинского оборудования компания Molex, США (www.molex.com) разработала серию гибких радиочастотных кабелей Temp-Flex и с 2013 года начала их производство. Некоторые данные о кабельных сборках 6 типов компании Molex приведены в работе [3], однако в ней не раскрыто одно из главных преимуществ кабелей семейства Temp-Flex — отсутствие в температурно-фазовых характеристиках нежелательного эффекта «тефлоновое колено».

Во всех кабелях Temp-Flex в качестве материала изоляторов сердечника использованы высокотемпературные диэлектрики высокой чистоты ФЭП (FEP — Fluorinated Ethylene Propylene, фторированный этилен-пропилен, отечественный аналог Ф-4МБ) и ПФА (PFA — PerFluoroAlkoxy, отечественный аналог Ф-50 [4,5]), у которых на температурно-фазовых характеристиках отсутствует «тефлоновое колено».

Конструкция серийно выпускаемых кабелей семейства Temp-Flex Low Loss Microwave Coax показана на рис. 1, а их основные параметры приведены в таблице 1.

Конструкция кабелей Temp-Flex Low Loss Microwave Coax

Рис. 1. Конструкция кабелей Temp-Flex Low Loss Microwave Coax
1 — внутренний проводник, SPC
2 — сплошной изолятор из особочистого FEP
3 — внутренний ленточный экран, SPC
4 — внешний экран в виде оплётки из проволок, SPC
5 — оболочка из ФЭП

Параметры кабелей семейства Temp-Flex Low Loss Microwave Coax

Таблица 1

№ п/п Марка кабеля Диаметр, мм; материал f пред., ГГц α, дБ/м на f=18 ГГц α, дБ/м а f=40 ГГц Δ Ψ, ° при изгибе (f, ГГц) Δ Ψ, ppm (Δ Т, °С)
Внутренний проводник Изолятор; ФЭП Оболочка; ФЭП
1 141SC-1901 0,91; SPC 2,97 3,99 35 2,13
Рис. 2 а Рис. 2 г
2 086SC-2401 0,51; SPC 1,65 2,57 62 3,31 5,38 Рис. 2 б Рис. 2 д
3 063SC-2701 0,36; SPC 1,17 1,90




4 047SC-2901 0,29; SPC 0,92 1,42 112 5,51 8,56 Рис. 2 в Рис. 2 е

Примечание. SPC — Silver Plated Cupper, медь, покрытая серебром; f пред. — теоретическая предельная частота кабеля; α — коэффициент затухания; Δ ψ — изменение фазы.

Кабели Temp-Flex Low Loss Microwave Coax всех марок имеют волновое сопротивление (50±1) Ом, скорость распространения сигнала Vp = 70%, время задержки сигнала tзад = 4,76 нс/м, электрическую ёмкость С = 95 пФ/м и диапазон рабочих температур Δ Траб.= (—65...150) °С.

Кроме того разработаны миниатюрные кабели Temp-Flex Low Loss Microwave Coax марок 034SC-3201, 032SC-3301 и 020SC-3701. Центральные проводники кабелей 034SC-3201 и 020SC-3701 с диаметром 0,20 и 0,11 мм изготовлены из стали, плакированной медью, покрытой серебром (SPCcS — Silver Plated Cupper clad Steel), с диаметром 0,18 мм, кабеля 032SC-3301 — из SPC. Изолятор кабелей и оболочка выполнены из материала ФЭП. Диаметры изолятора соответственно равны 0,66; 0,58 и 0,37 мм, оболочки — 1,1; 1,0 и 0,71 мм. Кабели 034SC-3201 и 020SC-3701 имеют волновое сопротивление (50±2) Ом, 032SC-3301 — (50±1) Ом.

На рис.2 приведены зависимости изменения фазы при изгибе и от температуры для кабелей 141SC-1901, 086SC-2401 и 047SC-2901.

Кабель 141SC-1901 - зависимости изменения фазы при изгибе

а) Кабель 141SC-1901

Кабель 086SC-2401 - зависимости изменения фазы при изгибе

б) Кабель 086SC-2401

Кабель 047SC-2901 - зависимости изменения фазы при изгибе

в) Кабель 047SC-2901

Кабель 141SC-1901 - зависимости изменения фазы от температуры

г) Кабель 141SC-1901

Кабель 086SC-2401 - зависимости изменения фазы от температуры

д) Кабель 086SC-2401

Кабель 047SC-2901 - зависимости изменения фазы от температуры

е) Кабель 047SC-2901

Рис.2. Зависимости изменения фазы при изгибе (а-в) и от температуры (г-е) для кабелей 141SC-1901, 086SC-2401, 047SC-2901

Отличительной особенностью кабеля 047SC-2901 является рекордно низкое изменение фазы при изгибе — рис.2в. Более тонкие кабели, по-видимому, имеют аналогичные характеристики изменения фазы при изгибе.

Сравнительные характеристики кабеля 141SC-1901 и аналогичного по конструкции кабеля MULTIFLEX_141 компании HUBER+SUHNER (Швейцария) приведены в таблице 2.

Характеристики кабелей 141SC-1901 и MULTIFLEX_141

Таблица 2

Марка кабеля, компания Диаметр, мм; материал t зад., нс/м Vp , % С, пФ/м f пред., ГГц α, дБ/м на f=18 ГГц α, дБ/м на f=33 ГГц Δ Траб, °С Δ Ψ, ppm (Δ Т, °С)
Внутренний проводник Изолятор Оболочка; ФЭП
141SC-1901, MOLEX 0,91; SPC 2,97; ФЭП 3,99 4,76 70 95 35 2,13 3,14 —65...150 3750 (—60...95)
MULTIFLEX_141, HUBER+SUHNER 0,92; SPC 2,93; ПТФЭ 4,14 4,70 70,6 95 33 2,09 3,06 —65...165 4200 (—60...95)

При прочих равных характеристиках основным преимуществом кабеля 141SC-1901 является практически линейная температурно-фазовая характеристика (рис. 2 г). У кабеля MULTIFLEX_141 фаза в рабочем диапазоне температур изменяется более нелинейно, в основном из-за «тефлонового колена» изолятора сердечника из ПТФЭ [6]. Незначительные отличия величины коэффициента затухания α, обусловлены, по-видимому, различием величин tg δ сплошных диэлектриков сердечника.

Для снижения α компания Molex приступила к работам по созданию серии кабелей с изолятором (поз. 2 на рис. 1) из пористого ФЭП. По скорости передачи данных и другим технологическим параметрам данная серия будет обладать промежуточными характеристиками между сериями Temp-Flex Low Loss и Temp-Flex Ultra Low Loss.

Компанией Molex проведены работы по замене сплошного изолятора сердечника из ФЭП на ПФА. Параметры кабелей с изолятором из сплошного ПФА приведены в таблице 3.

Параметры кабелей Temp-Flex с изолятором из сплошного ПФА

Таблица 3

№ п/п Марка кабеля Диаметр, мм; материал t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м Δ Траб, °С
Внутренний проводник Изолятор; ПФА Оболочка; ФЭП
1 100067-1086 0,51,SPC 1,65 2,57 4,76 70 95 —65...150
2 100067-1047 0,29,SPC 0,92 1,42

Хотя приведённые в табл. 3 параметры этих кабелей не отличаются от параметров аналогичных кабелей 086SC-2401 и 047SC-2901 (табл. 1), однако преимущества кабелей с изолятором ПФА очевидны: более высокие допустимая температура нагрева сердечника (250°С) и электрическая прочность (35 — 40) кВ/мм [4,5].

Оригинальным техническим решением компания Molex является создание серии кабелей Temp-Flex Ultra Low Loss Microwave Coax, конструкция которых показана на рис. 3 (патент US 6.812.401 B2, 2004 г. «Ultra-small high spead coaxial cable with dual filament insulator»).

Конструкция кабелей Temp-Flex Ultra Low Loss Microwave Coax

Рис. 3. Конструкция кабелей Temp-Flex Ultra Low Loss Microwave Coax
1 — внутренний проводник, SPC
2 — две скрученные между собой нити из PFA
3 — трубка из FEP
4 — внутренний экран из ленты SPC
5 — внешний экран в виде оплётки из проволок SPC
6 — оболочка из ФЭП

На внутренний проводник из посеребренной меди (SPC) навиты по спирали две скрученные между собой нити из высокочистого ПФА. Изменяя шаг навивки спирали из скрученных нитей ПФА, можно регулировать диэлектрическую проницаемость изоляции сердечника и, следовательно, передаточные параметры кабеля.

На спираль наложена прозрачная трубка из высокочистого ФЭП. В патенте US 7.795.536 B2, 2010 г. «Ultra high-speed coaxial cable» в качестве материала для изготовления трубки рекомендован диэлектрик ФЭП высокой чистоты Daikin Neoflon® FEP NP-1101 с тангенсом угла диэлектрических потерь менее 5·10-4 на частоте 2,45 ГГц. По сравнению с ФЭП обычной чистоты это обеспечивает существенное снижение потерь в кабелях. На трубку навит по спирали внутренний экран из посеребренной медной ленты, поверх которого наложена оплетка плотностью более 90% из посеребренной медной проволоки диаметром до 0,08 мм. Кабель защищен оболочкой из ФЭП обычной чистоты.

Параметры кабелей серии Temp-Flex Ultra Low Loss Microwave Coax приведены в таблице 4, а зависимости изменения фазы при изгибе и от температуры показаны на рис.4.

Параметры кабелей серии Temp-Flex Ultra Low Loss Microwave Coax

Таблица 4

№ п/п Марка кабеля Диаметр, мм; материал t зад., нс/м Vp , % С, пФ/м f пред., ГГц α, дБ/м, на f=18 ГГц α, дБ/м, на f=40 ГГц Δ Траб, °С Δ Ψ, ° при изгибе (f, ГГц) Δ Ψ, ppm (Δ Т, °С)
Внутренний проводник Сердечник; ПФА+ФЭП Оболочка; ФЭП
1 141-1701 1,15 2,97 4,01 3,82 87 76,4 41 1,41 2,46 —65...150 Рис. 4а Рис. 4д
2 086-2201 0,64 1,66 2,57 3,85 86 77,5 72 2,68 4,25 Рис. 4б Рис. 4е
3 063-2501 0,46 1,16 1,90 3,82 87 75,5 105 3,35 5,12 Рис. 4в Рис. 4ж
4 047-2801 0,32 0,82 1,42 3,92 87 76,4 143 4,69 7,22 Рис. 4г Рис. 4з
141-1701 - зависимости изменения фазы при изгибе

а) Кабель 141-1701

086-2201 - зависимости изменения фазы при изгибе

б) Кабель 086-2201

063-2501 - зависимости изменения фазы при изгибе

в) Кабель 063-2501

047-2801 - зависимости изменения фазы при изгибе

г) Кабель 047-2801

141-1701 - зависимости от температуры

д) Кабель 141-1701

141-1701 - зависимости от температуры

е) Кабель 086-2201

063-2501 - зависимости от температуры

ж) Кабель 063-2501

047-2801 - зависимости от температуры

з) Кабель 047-2801

Рис.4. Зависимости изменения фазы при изгибе (а, б, в, г) и от температуры (д, е, ж, з) кабелей серии Temp-Flex Ultra Low Loss Microwave Coax: а, д) 141-1701; б, е) 086-2201; в, ж) 063-2501; г, з) 047-2801

Наряду с кабелями с однопроволочными внутренними проводниками компания Molex сообщает о выпуске кабеля 50HCX24 Ultra Low Loss с многопроволочным внутренним проводником.

Применение ФЭП вместо ПТФЭ в сочетании с запатентованной конструкцией кордельно-трубчатой изоляции с высоким содержанием воздуха позволило практически устранить эффект «тефлонового колена». Однако на температурно-фазовых характеристиках кабелей наблюдается излом при температурах (35...55) °С, который обусловлен, вероятно, особенностями кордельной конструкцией сердечника.

Продолжая совершенствовать фазостабильные кабели, компания Molex разработала кабели, аналогичные по конструкции кабелям серии Ultra Low Loss, в которых оба элемента изолятора — кордельная спираль и удерживающая её трубка — выполнены из ПФА. Параметры этих кабелей приведены в таблице 5.

Параметры кабелей Temp-Flex с изоляцией из ПФА

Таблица 5

№ п/п Марка кабеля Диаметр, мм; материал t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м α, дБ/м на f=18 ГГц α, дБ/м на f=40 ГГц
Внутренний
проводник;
SPC
Изолятор; ПФА Оболочка; ФЭП
1 100054-0008 1,15 2,97 4,0 3,82 87 76,4 1,48 2,43
2 100054-0007 0,32 0,82 1,42 3,82 75,5 4,69 7,22

Сравнительные характеристики кабеля 141-1701 и аналогичного кабеля UFB142A компании Micro-Coax (США) с изолятором из пористого ПТФЭ приведены в таблице 6.

Параметры кабелей 141-1701 и UFB142A

Таблица 6

Марка кабеля, компания Диаметр (мм), материал t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц α, дБ/м на f=18 ГГц α, дБ/м на f=40 ГГц Δ Траб, °С Δ Ψ, ppm (Δ Т, °С)
Внутренний
проводник
Сердечник Оболочка, ФЭП
141-1701, Molex 1,15, SPC 2,97, ПФА+ФЭП 4,01 3,822 87 76,4 41 1,41 2,46 —65...150 800 (—60...95)
UFB142A, Micro-Coax 1,023, SPC 2.74, пористый ПТФЭ 3,607 4,08 83 80,4 40 1,74 2,64 —65...100 1000 (—60...95)

Данные табл.6 показывают, что кабель 141-1701 типа Ultra Low Loss имеет меньший коэффициент затухания и более монотонную температурно-фазовую характеристику.

Компанией Molex разработаны также субминиатюрные кабели повышенной гибкости за счёт использования многопроволочного внутреннего проводника. Внутренний проводник состоит из 7 скрученных медных проволок, покрытых серебром, изолятор и оболочка изготовлены из ФЭП, проволочная оплетка — из медных проволок, покрытых серебром. Параметры этих кабелей приведены в таблице 7.

Параметры кабелей Temp-Flex повышенной гибкости

Таблица 7

№ п/п Марка кабеля Диаметр, мм Волновое сопротивление, Ом С, пФ/м Vp, %
Внутренний
проводник
Сердечник Оплётка из проволок; плотность Оболочка
1 50CX-42 0,405 1,35 0,102; >95% 2,54 50±2 98,4 70
2 50CX-41 0,255 0,84 0,079; >95% 1,8 98,4
3 50CX-11 0,202 0,67 0,051; >90% 1,12 95,12

Следует отметить перспективность использования субминиатюрных кабелей компании Molex для межблочных соединений в современной аппаратуре СВЧ с высокой плотностью компоновки, в том числе для соединений с подвижными блоками аппаратуры — антеннами приёмо-передающих устройств и с датчиками медицинской аппаратуры.

Заслуживает внимания сообщение компании Molex о том, что все кабели серии Temp-Flex и кабельные сборки с их использованием могут быть выполнены из немагнитных материалов, что важно, например, для уменьшения интермодуляционных искажений.

Радиочастотные кабели с изоляцией из двуокиси кремния

Поиски материала изоляции для радиочастотных кабелей специального применения привели к неорганическому диэлектрику SiO2 (диоксиду кремния) повышенной чистоты. В 1957 году в США было разработано и запатентовано уникальное решение коаксиального кабеля с изолятором из SiO2. В 1999 году компания Meggit Safety System США [7] стала первым производителем серийных коаксиальных SiO2 -кабелей и кабельных сборок для большинства критических применений.

Кроме этого в настоящее время такие кабели и сборки выпускают компании США Times Microwave Systems [8] и Measure Tech [9], а также французская компания Thermocoax [10].

Кабели с изолятором из сверхчистого SiO2 отличаются крайне высокими значениями рабочей температуры (от минус 270 до 1000 °С) и радиационной стойкости (более 200 Мрад), а также имеют близкую к линейной температурно-фазовую характеристику. Высокая надёжность, электрическая стабильность и жёсткость конструкции SiO2 — кабелей компании Meggit Safety System обеспечивают среднюю наработку на отказ 1 миллион часов. Этот полужёсткий кабель на 30% легче, чем эквивалентный кабель с изолятором ПТФЭ. Радиус его изгиба в 1,5 раза меньше, чем у гибких кабелей того же диаметра.

SiO2 -коаксиальные кабели применяют в прецизионных линиях задержки, в фазированных антенных решётках, в технике высоких энергий и ядерной энергетике, в криогенных установках, в измерительном оборудовании, а также в космических и военных системах. Конструкция кабеля с диэлектриком SiO2 показана на рис.5 [7].

Конструкция кабеля с диэлектриком SiO

Рис.5. Конструкция кабеля с диэлектриком SiO2

Для изготовления внутреннего проводника кабеля применена бескислородная медь, наружного проводника (оболочки) ‒ трубка из нержавеющей стали, плакированная внутри медью, диэлектриком является сверхчистый диоксид кремния SiO2 (99,985%). Мелкодисперсный диоксид кремния смешивают с контролируемым количеством деионизованной воды для образования экструзионной пастообразной смеси, которую наносят на внутренний проводник методом плунжерного прессования. После сушки воздухом полученный сердечник вставляют внутрь сталемедной оболочки и нагревают в вакуумной печи для удаления остаточных загрязнений. Затем полученный сердечник уплотняют обжатием наружной оболочки до такого диаметра, который обеспечивает импеданс 50 Ом и требуемую электрическую прочность. Непосредственно после изготовления кабеля требуемой длины на него с помощью лазерной сварки устанавливают герметичные соединители, получая в результате этого герметичную кабельную сборку. Для идентификации сборки на оболочку из нержавеющей стали наносят маркировку методом травления.

Эффективная диэлектрическая проницаемость образовавшегося полувоздушного диэлектрика с микрочастицами SiO2 равна 1,56 ‒ 1,60. Для сравнения — диэлектрическая проницаемость аморфного кварцевого стела равна 3,75 — 3,80.

Кабельные сборки из кабелей с диоксидом кремния имеют ряд особенностей по сравнению с кабельными сборками других типов:

  1. Рекордно широкий диапазон рабочих температур. Кабель с диэлектриком SiO2 может работать в диапазоне температур (—270...1000) ºС. Однако в кабельных сборках с таким кабелем предельная температура нагрева ограничена допустимой рабочей температурой серийных соединителей (‒273...200)ºС. Разработаны также высокотемпературные соединители с диапазоном рабочих температур (‒270...600) ºС, в которых используется изолятор из керамического композитного стекла в сочетании с корпусами из никелевых сплавов inconel 625, Х750 или 718.
  2. Необходимость использования для кабельных сборок соединителей, герметизированных металлостеклянным спаем. Герметичность сборки, определяемая скоростью натекания гелия, равна 1,3·10- 9 м3 Па/с. Установку соединителя на кабель осуществляют лазерной сваркой — рис.6.

    Конструкция кабеля с диэлектриком SiO

    Рис.6. Герметичный соединитель SMA (а), установка соединителя на кабель лазерной сваркой (б)

  3. Важнейшее достоинство кабеля с диэлектриком SiO2 — значительно более высокая температурно-фазовая стабильность по сравнению с кабелями c диэлектриком из пористого ПТФЭ — рис. 7 [7].
Температурная зависимость фазы в кабелях с диэлектриками ПТФЭ и SiO

Рис.7. Температурная зависимость фазы в кабелях с диэлектриками ПТФЭ и SiO2

Недостатком кабелей с диэлектриком SiO2 является бóльший коэффициент затухания, чем у кабелей с пористым ПТФЭ.

Характеристики кабелей компании Meggitt Safety Systems с диэлектриком SiO2 приведены в таблице 8 и рис.8. Все кабели имеют волновое сопротивление 50 Ом. Эффективная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля 1,56. сопротивление изоляции 3,3·1014 Ом∙м при 20 ºС и 3,3.107 Ом∙м при 760 ºС, затухание экранирования — не менее 120 дБ.

Характеристики кабелей Meggitt Safety Systems

Таблица 8

№ п/п Марка кабеля Диаметр, мм Минимальный радиус изгиба, мм t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц Δ Ψ, ppm (Т, °С) α, дБ/фут (f, ГГц) Пропускаемая мощность, кВт Напряжение пробоя, кВ Масса, г/м
Внутренний проводник Оболочка
1 0,090 0,56 2,29 7,62 4,13 80 82 71,4 Рис.7 Рис. 8 0,4 0,4 7,71
2 0,125 0,85 3,18 12,7 60,7 1,0 1,0 10,83
3 0,142 0,99 3,61 12,7 40,7 1,6 1,46 15,58
4 0,200 1,53 5,08 15,24 26,1 2,6 2,6 21,83
5 0,275 2,21 6,99 17,8 18,1 3,4 3,4 35,38
6 0,296 2,44 7,52 17,8 16,6 3,4 3,4 40,82
7 0,532 4,5 13,51 38,1 8,9 7,0 7,0 95,26

Примечание. Компания разработала еще более миниатюрные кабели типов 0,047″ и 0,069″ с наружным диаметром соответственно 1,19 и 1,75 мм.

Зависимость коэффициента затухания кабелей Meggitt Safety Systems от частоты

Рис. 8. зависимость коэффициента затухания кабелей Meggitt Safety Systems от частоты при 20 ºС. 1 дБ/фут =3,281 дБ/м

Кабели предназначены для применения в сборках с соединителями SMP, 2.4 mm, 3.5 mm, SMA, TNC, N, HN, SSMA, SC и других типов.

Компания Times Microwave Systems выпускает кабели 4-х типов с диэлектриком SiO2 с гарантированным затуханием экранирования (‒110...‒120) дБ. Предлагаются кабельные сборки с стандартными и с высокотемпературными соединителями. Характеристики выпускаемых кабелей приведены в таблице 9. Величина коэффициента затухания в зависимости от частоты такая же, как на рис.8.

Характеристики кабелей компании Times Microwave Systems

Таблица 9

№ п/п Марка кабеля Диаметр оболочки, мм Минимальный радиус изгиба, мм t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц Δ Ψ, ppm (Т, °С) Напряжение пробоя, кВ
1 SiO2 —0,090 2,29 7,6 4,1 80 73,2 65 600 (—60...100 °С) 0,9
2 SiO2 —0,141 3,58 11,4 38 1,6
3 SiO2 —0,200 5,08 17,8 25 2,4
4 SiO2 —0,270 7,11 25,4 19 3,3

Компания ThermoCoax разработала серию кабелей с диэлектриком SiO2 (SiO2 insulated signal transmission cables) для работы при температуре до 1000 ºС в условиях агрессивных сред [10]. Кабели соответствуют стандарту MIL-T81492. Характеристики кабелей компании приведены в таблице 10.

Характеристики кабелей компании Thermocoax

Таблица 10

Марка кабеля 1CCAc10Si 1CCAc15Si 1CCAc20Si 1CCAc30Si 1CCAc36Si 1CCAc40Si

Конструкционные материалы и размеры, мм

Внутренний проводник Медь
Диаметр 0,18 0,25 0,31 0,44 0,6 0,8
Внешний проводник Медь
Оболочка Нержавеющая сталь 304L или Inconel 600 (ХН78Т, ХН60ВТ)
Диаметр 1 1,5 2 3 3,6 4

Электрические параметры

Волновое сопротивление, Ом 50
f пред., ГГц 20
Сопротивление изоляции, Ом∙м, (при температуре) ≥1013 (20 °С) ≥1012 (20 °С)
≥107 (350 °С), ≥103 (600 °С)
С, пФ/м при 20 °С 100 120
α, дБ/м на f = 100 МГц 0,08
Напряжение пробоя, кВ 0,3 0,5 0,8 1 1,5 1,5
Масса, г/м 15 40 70 170 230 290
Длина, м 10...80 10...60 20...60 до 50

Эксплуатационные параметры

Диапазон рабочих температур, °С —273...1000
Вибрация 20 g, 2000 Гц
Ускорение, м/сек2 50 g
Одиночный удар 7000 g, 10 кГц

Характеристики кабелей с изолятором SiO2 ведущих компаний: Meggitt Safety Systems, Times Microwave Systems и Thermocoax близки. Однако первые две компании ориентированы на применение кабелей в АФАР и измерительной технике и поэтому стремятся обеспечить высокую фазовую стабильность кабелей. Компания Thermocoax разрабатывает кабели для применения в технике высоких энергий, и поэтому основное внимание уделяет способности кабелей работать при высоких температурах.

Компания Measure Tech [9] выпускает одну марку кабеля — SiO2 —0,142 (наружный диаметр 3,6 мм), основные параметры которого совпадают с параметрами аналогичных кабелей других компаний.

Радиочастотные кабели Phase Track

Компания Times Microwave Systems (США) достигла улучшения температурно-фазовой стабильности, применив в радиочастотных кабелях оригинальные фторуглеродные пористые диэлектрики TF4 и TF5 собственной разработки. Благодаря этому удалось полностью устранить эффект «тефлоновое колено», присущий кабелям с ПТФЭ. В 2004 году были созданы кабели PT210 и PF402, в которых был впервые применен диэлектрик TF4.

На основе так называемой «TF4 технологии» компания Times Microwave Systems создала несколько серий фазостабильных радиочастотных кабелей.

Phase Track — гибкие фазостабильные кабели. Конструкция кабелей показана на рис.9. Основные параметры кабелей приведены в таблице11 и на рис.10.

Зависимость коэффициента затухания кабелей Meggitt Safety Systems от частоты

Рис.9. Конструкция кабелей Phase Track
1 — внутренний проводник из меди или плакированной медью стали, покрытый серебром
2 — пористый диэлектрик TF4
3 — экран из медных серебрёных лент
4 — металлизированная полиимидная плёнка
5 — оплётка из медных проволок, покрытых серебром
6 — оболочка из ФЭП

Основные параметры кабелей Phase Track

Таблица 11

№ п/п Марка кабеля Диаметр оболочки, мм; ФЭП Минимальный радиус изгиба, мм t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц Δ Ψ, ppm (Т, °С) α, дБ/м на f=18 ГГц Δ Траб, °С
1 PT110 2,74 14 4,04 82,5 81 80 Рис. 14 4,0 —55...+150
2 PT150 3,68 19 4,04 82,5 81 52,4 2,3
3 PT180 4,57 25,4 4,04 83,0 80,7 38,7 1,9
4 PT210 5,33 28,6 4,04 83,5 80,0 29,0 1,6
5 PT318 8,07 44,5 4,0 83,5 78,7 18,9 1,1
Температурно-фазовая характеристика кабеля PТ210

Рис. 10. Температурно-фазовая характеристика кабеля PТ210

PhaseTrackSR — полужесткие фазостабильные кабели. Конструкция кабелей показана на рис.11, а их основные параметры приведены в таблице 12 и на рис. 12.

Конструкция кабелей PhaseTrackSR

Рис. 11. Конструкция кабелей PhaseTrackSR
1 — внутренний проводник из меди или плакированной медью стали, покрытый серебром
2 — пористый диэлектрик TF4
3 — медная трубка оболочки

Основные параметры полужестких кабелей PhaseTrackSR

Таблица 12

№ п/п Марка кабеля Диаметр оболочки, мм, медь Минимальный радиус изгиба, мм t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц Δ Ψ, ppm (Т, °С) α, дБ/м на f=18 ГГц Δ Траб, °С
1 PTSRB047 2,74 3,81 4,04 82,5 80,7 138,5 Рис.12 5,7 —55...+125
2 PTSRB085 3,68 6,35 80,2 3,4
3 PTSRB141 4,57 10,8 38,4 1,8
Температурно-фазовая характеристика кабеля PТSRB141

Рис. 12. Температурно-фазовая характеристика кабеля PТSRB141

PhaseTrack PFlex — гибкие фазостабильные кабели. Конструкция кабеля показана на рис.13. Основные параметры кабелей приведены в таблице 13 и на рис. 14.

Конструкция кабелей PhaseTrack PFlex

Рис. 13. Конструкция кабелей PhaseTrack PFlex
1 — внутренний проводник из меди или плакированной медью стали, покрытый серебром
2 — пористый диэлектрик TF4
3 — ленточный экран из посеребренной меди
4 — оплётка из медных проволок, покрытых серебром
5 — оболочка из ФЭП

Основные параметры кабелей PhaseTrack PFlex

Таблица 13

№ п/п Марка кабеля Диаметр оболочки, мм Минимальный радиус изгиба, мм t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц Δ Ψ, ppm (Т, °С) α, дБ/м
на f=18 ГГц
Δ Траб, °С
1 PF047 1,6 6,35

4,04

82,5 80 142,3 Рис.14 6,1 —55...+125
2 PF405 2,4 12,7 79,9 3,6
3 PF130 3,3 15,9 52,3 2,4
4 PF402 4,1 19,1 38,7 1,9
Температурно-фазовая характеристика кабеля PF402

Рис. 14. Температурно-фазовая характеристика кабеля PF402

PhaseTrack LS — не распространяющие горение, с низким дымовыделением (low smoke, LS) гибкие кабели, в которых применен оригинальный пористый диэлектрик TF5.

Конструкция кабелей PhaseTrack LS представлена на рис. 15. Для снижения массы внутренний проводник выполнен из алюминия, плакированного медью. Основные параметры гибких кабелей PhaseTrack LS приведены в таблице 14 и на рис.16.

Конструкция кабелей Phase Track LS

Рис.15. Конструкция кабелей Phase Track LS
1 — внутренний проводник из плакированной медью алюминия
2 — пористый диэлектрик TF5
3 — экран из медных серебрёных лент
4 — металлизированная композитная лента
5 — оплётка из медных проволок, покрытых серебром
6 — оболочка из полиэтилена, не распространяющего горение

Основные параметры кабелей PhaseTrack LS

Таблица 14

№ п/п Марка кабеля Диаметр оболочки, мм Минимальный радиус изгиба, мм Масса, г/м t зад., нс/м Vp, % С, пФ/м f пред., ГГц Δ Ψ, ppm (Т, °С) α, дБ/м
на f=10 ГГц
Δ Траб, °С
1 PTLS400 10,16 102 149 3,97 84 76,8 16,2 Рис.16 0,58 —40...+85
2 PTLS600 15,24 152 238 10,0 0,37
Температурно-фазовая характеристика кабеля PTLS600

Рис. 16. Температурно-фазовая характеристика кабеля PTLS600

По температурно-фазовой стабильности кабели PhaseTrack значительно превосходят кабели с пористым ПТФЭ.

Радиочастотные кабели SuсoPearl

Для уменьшения эффекта «тефлоновое колено» компания Huber+Suhner, Швейцария (www.hubersuhner.com) в рамках сотрудничества с Европейским космическим агентством (ESA) разработала оригинальную конструкцию кабелей с диэлектриком Suсopearl PTFE [11]. Разработанные кабели имеют следующие конструктивные особенности:

  • Изоляция кабеля выполнена в виде набора полых «бусинок» (pearls) из ПТФЭ с поверхностью сферической формы, нанизанных вплотную друг к другу на внутренний проводник, подобно жемчужинам в ожерелье.
  • Для фиксации взаимного расположения «бусинок» использована трубка из особочистого ФЭП (FEP). В итоге создается сердечник с высоким содержанием воздуха, что в сочетании с использованием термоусаживаемой трубки из ФЭП призвано снизить нежелательный эффект «тефлоновое колено».
  • Для уменьшения температурного изменения длины внутреннего проводника его изготавливают из сплава Invar (железо-никелевый сплав, отечественный аналог ‒ сплав 36Н) с серебряным покрытием, имеющего очень малый ТКЛР ‒ 1,5∙10-6 1/°C в диапазоне температур (‒ 80...100) °С.
  • Внешний проводник выполнен из спиральной обмотки посеребренной медной лентой, поверх которой наложена оплетка из посеребрённой алюминиевой проволоки.
  • Оболочка изготовлена ФЭП.

Конструкция кабеля с диэлектриком SuсoРearl PTFE показана на рис.17.

Температурно-фазовая характеристика кабеля PTLS600

Рис.17. Конструкция кабеля с диэлектриком Suсopearl PTFE
1 — внутренний проводник
2 — бусинки из ПТФЭ
3 — трубка из ФЭП
4 — внутренний ленточный проводник
5 — внешняя проволочная оплетка
6 — оболочка из ФЭП

Результаты компьютерного моделирования температурного изменения фазы при разных частотах приведены на рис.18 [11]. Графики на рис. 18а показывают, что предложенная конструкция сердечника с «бусинками» из ПТФЭ хотя и позволяет уменьшить эффект «тефлоновое колено», но полностью его не устраняет.

Теоретический анализ, проведённый разработчиками, показал, что если изготовить «бусинки» из диэлектрика ПФА [4], у которого отсутствует эффект «тефлоновое колено», температурно-фазовая характеристика кабеля станет практически линейной — рис.18б.

Температурно-фазовая характеристика кабеля PTLS600

Рис.18. Расчётные температурные зависимости фазы для кабелей Suсopearl PTFE (а) и Suсopearl PFA (б)

Параметры разработанных кабелей SP304_FEP и SP306_FEP с диэлектриком Suсopearl PTFE приведены в таблице 15.

Параметры кабелей SP304_FEP и SP306_FEP

Таблица 15

Параметры Значение параметра Примечание

Электрические параметры

Верхняя частота применения, ГГц SP306_FEP —19,5
SP304_FEP — 28,3
Максимальный КСВн 1,15 (кабель), 1,25 (кабельная сборка)
Коэффициент затухания, дБ/м ≤ 1,1, цель — <0,65 На частоте 18 ГГц
Затухание экранирования, дБ <—90 До частоты 18 ГГц
Стабильность фазы при изгибе, °/ГГц < ±0,4 2-хкратная накрутка на оправку радиусом 85 мм
Максимальная пропускаемая мощность, Вт 50 На частоте 18 ГГц при температуре 40 °С
Максимальное напряжение, кВ 2,5 Мультипакторный разряд
Сопротивление изоляции, МОм∙м > 10

Механические и эксплуатационные параметры

Масса, г/м ≤100
Наружный диаметр кабеля, мм SP306_FEP ‒ 7,55
SP304_FEP ‒ 5,38
Минимальный радиус изгиба, мм 85
Диапазон рабочих температур, °С ‒65...185

Справедливости ради заметим, что конструкция кабеля Suсopearl аналогична конструкции отечественного кабеля, описанной в [12], где в качестве примыкающих друг к другу изолирующих элементов использовались керамические колпачки, частично входящие друг в друга. Однако использование современных полимерных материалов в конструкции Suсopearl способно существенно улучшить параметры кабеля.

Технология изготовления кабелей сложна, что, очевидно, ограничит строительную длину и приведёт к достаточно высокой стоимости кабеля. Метод обладает принципиальным недостатком, обусловленным периодичностью структуры изоляции. Вследствие этого, существует вероятность возникновения пиков отражения передаваемых сигналов с длинами волн, кратными линейным размерам бусин. Описанные кабели до настоящего времени серийно не выпускаются.

Заключение

В конструкциях зарубежных кабелей применены новые органические материалы. Из всех кабелей с органической изоляцией наиболее перспективны кордельные кабели компании Molex, не имеющие периодической структуры изоляции, и кабели компании Times Microwave Systems с изоляцией TF4 и TF5.

В нашей стране также разработаны перспективные материалы, прежде всего, Ф-4МБ и Ф-50. Поэтому необходимы работы по созданию отечественных фазостабильных кабелей с изоляцией из этих пористых материалов. Так как применение пористых спирально накручиваемых лент изоляции не представляется перспективным, целесообразна разработка технологии получения сплошных пористых изоляторов сердечника, совмещённой с методами экструзии или плунжерного прессования.

Для высокотемпературных применений перспективны фазостабильные кабели с диэлектриком SiO2.

Отечественным производителям необходимо изучить и использовать зарубежный опыт для создания фазостабильных радиочастотных кабелей с параметрами, не уступающими параметрам лучших зарубежных аналогов.

Авторы благодарят Р.Г. Кузнецова за предоставленные материалы и полезные критические замечания и М.И. Шалыгина за помощь в подготовке иллюстративного материала.

Литература

  1. А. Прокимов, К. Джуринский, Р. Кузнецов. Кабельные сборки СВЧ-диапазона. Назначение, классификация, особенности применения. Компоненты и технология. 2015, № 5, с.28-32.
  2. А. Прокимов, А. Лобанов, К. Джуринский, Р. Кузнецов. Фазовая стабильность кабельных сборок СВЧ с диэлектриком ПТФЭ. Компоненты и технология. 2015, № 6, с.58-63.
  3. В. Ретнюк. Решения кабельных сборок СВЧ диапазона. Компоненты и технология. 2014, № 7, с. 63-84.
  4. Teflon® PFA Resin and Film (www2.dupont.com).
  5. Фторопласт-50 (www.plastpolymer.org).
  6. Test+Measurement. Edition 2013 (www.hubersuhner.com).
  7. Meggitt Safety Systems. SiO2 cable systems (www.stablecable.com).
  8. Times Microwave Systems. SiO2 coaxial cable assemdlies (www.timesmicrowave.com).
  9. Measure Tech.Inc. Silicon Dioxide Cable Assembly (www.measure-tech.com).
  10. ThermoСoax. SiO2 insulated signal transmission cables (www.thermocoax.com).
  11. H. Karstensen, I. Koufogiannis, E. Sorolla, G. Kress, M. Mattes, M. Rupflin, J. Fuchs, K. Wettstein. Phase stable RF cable for space applications Space Passive Component Days, 1st International Symposium 24-26 September 2013.
  12. Ефимов И. Е. и Останькович Г. А. Радиочастотные линии передачи. Радиочастотные кабели. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Связь», 1977.

Данный материал авторов К. Джуринского (НПП «Исток»), А.Прокимова (НПП «Спецкабель») и А.Фомченко(«Molex») опубликован в журнале «Компоненты и технологии» № 8, 2015.