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皺紋外導體制造對同軸射頻電纜駐波的影響分析

2013-01-02 來源:互聯網 字號:

賈金平
(江蘇亨鑫科技有限公司. 江蘇宜興. 214222)

1、引言

當前,隨著無線通信的飛速發展,物理發泡聚乙烯絕緣皺紋銅管外導體同軸射頻電纜正在被廣泛應用,主要用在無線移動通信、蜂窩電話、微波傳輸、雷達、導航、廣播通信等系統的有線傳輸部分,具有低電壓駐波比、低衰減、結構穩定等特點。

2、外導體的制造

同軸射頻電纜的外導體起著回路和屏蔽雙重作用,其生產設備如銅帶成形生產線簡圖如圖1所示:其制造過程主要由放線、放帶、管狀成型、焊接、牽引、軋紋和收線構成,目前主要采用輪式工裝通過逐漸減小銅帶彎曲時的曲率半徑來完成管狀成型,其焊接和軋紋質量控制的好壞關系到電纜產品的電氣性能及彎曲性能。外導體的軋紋由高速旋轉的軋紋刀片或齒輪完成,軋紋時通過有效控制生產線各部分張力的大小和軋紋設備運轉的穩定性來保證軋紋的結構尺寸和尺寸的均勻性,以便使外導體形成設計要求的波峰、波谷和節距。

圖1 外導體生產線簡圖

將一定厚度的銅帶在絕緣線芯軸向上對焊成密封銅管,并用齒輪或螺旋形軋紋刀片機軋成單個環形皺紋,它與泡沫絕緣體一起形成封閉環形區域,使得潮氣、水分等不能侵入, 見圖2。 外導體環形的軋制使得內導體、泡沫絕緣層和波紋外導體三者位置固定,形成較穩定的結構,并使電纜在彎曲或溫度變化時機械尺寸變化極小,使得傳輸相位等電氣性能十分穩定。螺旋形皺紋銅管用作電纜導體后,電纜彎曲性能優于環形皺紋導體電纜, 用于一些超柔電纜外導體和大尺寸同軸射頻電纜內導體的生產。螺旋形皺紋管是在軋紋頭上安裝一把環形軋紋刀,使軋紋刀偏轉一個與所形成螺旋紋的螺旋升角一致的角度,通過垂直于電纜焊接銅管表面進刀(即與電纜軸心偏心,此偏心亦即進刀量),在軋紋頭轉速與銅管牽引線速合理配比的條件下,在焊接的銅管上形成連續的螺旋紋,見圖3。

圖2 齒輪軋制環紋示意圖

D-模片齒孔內徑 d-光銅管直徑 L-節距
圖3 環紋軋制刀片及原理示意圖

3、外導體的焊接和軋紋生產控制

氬弧焊的電極通常采用釷鎢材料制成,焊針必須采用高純度的釷鎢棒(高純鎢加3%左右的釷),其優越性主要表現在:1)耐用;2)許用電流大;3)引弧及穩弧性能好。焊接時使產生的電弧集中,避免電弧漂移,以利于焊縫變小,焊接牢固,且能連續焊接。鎢極直徑和端部形狀確定了鎢極氬弧的電流使用范圍及電弧形態,因而對焊縫形成及過程有很大的影響。當銅帶采用小電流焊接時,應盡可能采用小直徑、小錐角和小平頂直徑,以利于電弧引燃和穩定工作。電流增大時,錐角應隨鎢極直徑增大而增加,平頂直徑也要增加,以控制端電流密度避免異常燒損,同時防止因斑點上爬而造成弧柱擴散。銅管外導體焊接用保護氣體(氬氣)的純度應控制在99.995%以上。氣體的純度和氣壓的穩定將直接影響到焊接的質量,其保護效果可依焊縫表面顏色加以區別。焊接電流的大小主要取決于銅帶的厚度和質量以及成型工裝的穩定性,一般焊流選取在65A—180A之間。

 

張力、軋紋速比、軋紋角度、進刀量的控制。張力和軋紋轉速是控制電纜結構尺寸的關鍵參數?!…h形和螺旋皺紋管結構尺寸的控制結構尺寸主要包括螺紋的波峰、波谷、節距,而這幾個參數的控制主要是靠張力、軋紋轉速、軋紋角度、進刀量等參數保證的:[page]1)芯線張力越大,外徑越大,節距會減?。?/div>

2)在其它參數不變的條件下,軋紋速比越大,即同等的送管牽引線速,當軋紋頭轉速增加時,螺旋紋節距越小。
3)軋紋角度越大,通常軋出的環形紋和螺旋紋的節距就越大(對于偏心式軋紋而言);
4)在其它參數不變的情況下,進刀量越大,波谷外徑則越小,同時波峰外徑也會有一定的增加(對于采用刀片軋紋而言);
5)在其它條件不變時,齒輪越大,外徑越小,節距越大。

4、電纜VSWR的控制

駐波是因為電磁波在電纜中傳輸時因反射而形成的,其主要原因是因為阻抗的不均勻性造成的。對于理想的同軸電纜,在整個長度方向上電纜的特性阻抗是不變的,然而事實上阻抗完全均勻的電纜是不存在的,因而在長度方向上電纜特性阻抗總會存在一些細微的變化。在同軸電纜長度方向上阻抗的任何細小變化,均會導致在電纜內傳輸的一部分信號能量被反射回去,就如同在不同介質的媒質中傳播時在兩媒質的界面會發生反射和折射一樣。信號的反射不僅會造成傳輸信號的能量損失,而且反射回去的信號會對信號源產生干擾,輕者會導致信號線性失真,嚴重的將導致電纜根本無法使用。同軸電纜VSWR性能是電纜結構均勻性、穩定性在電氣上的反映。VSWR的定義如下:

式中,ρ為反射系數;Z 、Z 為反射界面兩側電纜的阻抗。

從式(1)可以看出,當|ρ|越大(即信號反射界面兩側的阻抗差值越大,或同軸電纜阻抗在電纜長度方向越不均勻。),VSWR也越大;當|ρ|→1時,VSWR→∞。因此要改善電纜的VSWR性能就必須盡可能降低|ρ|,也就是要盡可能減小電纜阻抗在長度方向上的不均勻性,這是改善同軸電纜VSWR質量水平的理論依據。

電纜的VSWR是電纜設計和制造水平的綜合反映。使用的導體材料在長度方向上的均勻性、絕緣外徑的均勻性、泡孔的均勻性、外導體各部分尺寸的一致性等任何影響電纜長度方向上均勻一致性的因素都可能導致電纜長度方向的阻抗變化,從而使傳輸信號發生畸變。控制電纜的VSWR主要有以下幾個方面:

(1)由于外導體生產線線速度(其主要由牽引設備的機械、電氣穩定性和牽引是否打滑決定)、軋紋機轉速和生產線張力的波動等,均會導致電纜外導體及絕緣線芯結構尺寸的不均勻變化,因此外導體生產線是影響電纜VSWR的重要因素。

(2)生產工藝參數設置(特別是軋紋參數如:軋紋模具結構、焊接模和定徑模位置和導向模孔徑、軋紋轉速等)如不合適將導致軋紋外導體和絕緣線芯結構尺寸的不均勻,電纜的外徑和節距不合格,甚至會導致橢圓、軋紋變形和軋紋卡死等現象,從而影響電纜的VSWR性能。小規格電纜生產時上述生產工藝參數對電纜VSWR性能的影響特別明顯。

(3)外導體加工設備或裝置如存在機械故障將嚴重影響電纜的VSWR性能。通常旋轉設備或部件如存在機械損傷,如:精切刀受損、牽引夾塊不匹配、軸承旋轉不靈活等將會導致外導體上產生周期性缺陷,從而在基頻和倍頻處導致明顯的VSWR峰值。

(4)由于設備或其它裝置出現故障、銅帶在運輸過程中被包裝等硬物件擠壓碰傷以及操作不當導致銅帶發生周期性的變形(如彎曲、損傷等缺陷)也會影響電纜的VSWR性能。

(5)外導體銅帶厚度不均勻或銅帶表面被氧化將導致銅帶的電導率及電纜結構產生不均勻變化,從而會影響電纜的VSWR性能。若銅帶厚度沿長度呈現周期性變化,則所有這一系列的周期不均勻性的反射信號相差2nπ,疊加成非常有害的結構反射損耗。

(6)在同軸電纜制造過程中由于外導體放線張力不穩定性將可能導致外導體結構尺寸及電性能在長度方向上發生不均勻變化,因此外導體放線張力及其穩定性是影響電纜VSWR的重要因素之一。

(7)中心絕緣纜芯與外導體銅管的占空比是影響電纜電壓駐波比的一個不可忽視的因數。對外導體銅管來說,相對較大的絕緣纜芯,有利于電壓駐波比的改善,即占空比越小,駐波指標越好。

(8)由于外導體收排線或其它原因導致的外導體發生周期性或非周期性的彎曲將造成電纜結構的局部畸變,嚴重的還會造成變形、絕緣線芯電容發生突變,因此也是影響同軸電纜VSWR的重要因素。

另外,由于偶然原因導致同軸電纜內滲入水、皂化液或其它媒質時,特別是螺旋紋同軸電纜更應重視,同軸電纜局部或整體的導體損耗、介質損耗將發生突變,因而會導致電纜VSWR性能劣化,此時在電纜VSWR頻域波形上表現為整體水平較差。

周期性不均勻是由像收、放線輪轉速的波動,雙輪牽引張力的不穩定,鼓輪的波動,成形輪等圓形部件,外導體中芯線不夠平直等引起;設備問題如直流電機轉速、馬達、開關、齒輪轉速等都可能引起周期性故障點,進而產生周期性的駐波峰值。在實際運用中,通常利用同軸電纜周期性波動長度H的特點,采用式(1)找出引起波動的設備或原材料,并進行針對性改進;或將VSWR峰值頻率移動截止頻率。同軸電纜的截止頻率fc按式(2)計算。

式中 為信號傳輸速率;N為序數,1,2,3,4,…;f為VSWR峰值頻率(MHz)。

式中D、d分別為外導體平均內徑和內導體平均外徑(mm);
為內外導體間介質的等效介電常數

5、改善同軸電纜電壓駐波比的途徑

通過對導致電纜VSWR性能劣化的生產條件的分析,在同軸射頻電纜外導體的生產過程中可以通過以下途徑來改善電纜的VSWR性能:
(1) 選用機械加工精度及電氣控制精度合適的生產設備及控制軟件。生產設備足夠精密,以減小對對電纜結構尺寸均勻性的影響。
(2) 對設備機械部分定期進行檢修、維護,及時發現和消除設備故障,對設備電氣控制軟件定期進行優化,以減小制造的不均勻性,絕緣均勻無大泡孔,無竹節等現象,外導體結構尺寸要均勻一致(節距和波紋外徑穩定,波紋無變形等)。
(3) 選用質量優良、性能穩定的原材料,使得外導體金屬帶的結構尺寸在長度方向上無周期性不均勻。
(4) 根據設備情況及周圍環境變化對生產工藝參數進行優化。
(5) 提高操作人員的操作技能及熟練程度。

6、結束語

該種電纜的調試過程中遇到的問題較多,相對比較困難。選用結構尺寸均勻的外導體材料,生產過程中嚴格控制張力、軋紋轉速、選用合理的模具以及設置合理的參數,可獲得令人滿意的低VSWR比。本文提供的工藝控制方法以在生產中加以驗證,但已使我們有足夠的信心制造滿足移動通信要求的電纜。有理由相信,這種具有低損耗、低駐波、良好阻抗穩定性等優良性能的電纜能滿足移動通信要求,并可用于廣播、微波、陸地移動無線電、軍用等領域。

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賈金平. 男,助理工程師,畢業于哈爾濱理工大學電線電纜專業,現在江蘇亨鑫科技有限公司技術部從事電線電纜的技術管理、工藝改進和新品研發等工作。

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