Кабели с диэлектриком на основе фторопласта‑4 низкой и сверхнизкой плотности

Основные материалы, используемые в качестве диэлектрика

Диэлектрик коаксиального кабеля определяет его электрические характеристики — вносимые потери и максимальную рабочую мощность, а также является основным ограничением для диапазона рабочих температур изделия, так как обладает наименьшей теплостойкостью и часто становится хрупким при отрицательных температурах. В современных коаксиальных кабелях в качестве диэлектрика чаще всего применяют полиэтилен (PE) и политетрафторэтилен, или фторопласт‑4 (PTFE) (табл. 1) [2].

Кабели с полиэтиленовым диэлектриком характеризуются меньшей стоимостью и ограниченным диапазоном рабочих температур: от –40 до +85 °C. Полиэтиленовый диэлектрик коаксиального кабеля может быть изготовлен как из сплошного твердого полиэтилена, так и из вспененного. Кабели с диэлектриком на основе вспененного полиэтилена отличаются существенно меньшими вносимыми потерями по сравнению с изделиями на основе твердого материала. Существенным недостатком полиэтиленовых кабелей является их низкая теплостойкость, что ограничивает возможности монтажа на них соединителей с применением пайки или существенно усложняет такой монтаж. Кроме того, сужается температурный диапазон, при котором такие кабели могут работать.

Кабели на основе фторопласта‑4 являются более теплостойкими и более дорогостоящими по сравнению с изделиями на основе полиэтилена. С точки зрения ключевых электрических характеристик фторопластовые кабели при идентичных геометрических параметрах могут не только превосходить полиэтиленовые кабели, но и уступать им по вносимым потерям в зависимости от варианта конструктивной реализации ди-электрического заполнения. Однако фторопластовые кабели практически всегда превосходят полиэтиленовые по максимальной рабочей мощности.

Диэлектрическое заполнение на основе фторопласта‑4, как правило, может быть реализовано двумя различными способами: путем экструзии фторопласта‑4 или путем наматывания ленты. Процесс получения экструзионного диэлектрика на основе фторопласта‑4 более экономичен и стабилен, если соответствующим образом отлажен. Процесс получения намотанного диэлектрика является более сложным и дорогостоящим из-за меньшей стабильности, однако требует меньших первоначальных инвестиций. Кабели с намотанным диэлектриком обладают еще одним недостатком — низкой технологичностью при нарезке и разделке, поэтому, как правило, потребители отдают свое предпочтение кабелям с экструзионным диэлектриком.

Наиболее широко на мировом рынке представлены кабели на основе сплошного твердого фторопласта‑4, однако наиболее высококлассными изделиями сегодня являются изделия на основе фторопласта‑4 низкой плотности. Такие кабели применяются, в основном, в измерительной, авиационной, космической и другой специальной технике.

Сегодня компания Huber+Suhner производит коаксиальные кабели на основе твердого фторопласта‑4, фторопласта‑4 низкой и сверхнизкой плотности. Последний позволяет достичь рекордно низких потерь. В таблице 2 представлена диэлектрическая проницаемость материалов, применяемых в коаксиальных кабелях компании Huber+Suhner на основе фторопласта‑4 [3].

Особенности конструкции коаксиальных кабелей Sucoflex

Конструкция изделий серии Sucoflex представляет собой классический коаксиальный кабель с двойным экраном (рис. 1) [4].

Рис. 1. Конструкция коаксиального кабеля серии Sucoflex:
1 — центральный проводник;
2 — диэлектрик;
3–1 й экран;
4–2 й экран;
5 — оболочка

Центральный проводник коаксиального кабеля выполнен в виде сплошной жилы или плетеного проводника из меди, покрытой серебром. Кабели с плетеной центральной жилой обладают повышенной гибкостью и фазовой стабильностью при изгибе. К их наименованию добавлен индекс Р (например, SF104P). Кабели с цельной центральной жилой вносят меньшие потери в тракт. В задачах, где предполагаются регулярные изгибы кабельных сборок, рекомендуется применять кабели с плетеной центральной жилой. Для снижения веса кабелей авиационного и космического применения в качестве основы центрального проводника используют алюминий, который покрывают серебром (серия коаксиальных кабелей Sucoflex 300) [5].

В качестве диэлектрика в кабелях серии Sucoflex 100 (рис. 2а) и Sucoflex 300 (рис. 2б) применяется экструзионный фторопласт‑4 низкой плотности, а в кабелях Sucoflex 400 (рис. 2в) — экструзионный фторопласт‑4 сверхнизкой плотности.

Рис. 2. Кабельные сборки серии:
а) Sucoflex 100;
б) Sucoflex 300;
в) Sucoflex 400

Внешний проводник, или экран коаксиального кабеля, обеспечивает электрическую герметичность изделия и определяет гибкость. Наиболее типичны двойные экраны в виде двух оплеток либо сочетания фольги или ленты в качестве первого слоя экрана и оплетки в качестве второго. С ростом частоты потери на излучение коаксиальных кабелей возрастают, и эффективность экранирования кабеля имеет все более существенное значение. Кабели с одиночным плетеным экраном остаются эффективными (в зависимости от плотности плетения) до 1–3 ГГц максимум. Кабели с двойным плетеным экраном могут быть эффективными до 6 ГГц, изделия с продольной фольгой или лентой и с оплеткой могут применяться на частоте до 18–65 ГГц (в зависимости от конкретной конструкции и точности изготовления).

В представленных коаксиальных кабелях экран состоит из двух слоев:

• первый — медная или алюминиевая намотанная лента, покрытая серебром;
• второй — медная или алюминиевая оплетка, покрытая серебром.

Оболочка коаксиального кабеля является основной защитой элементов конструкции. Как правило, оболочки выполняются в виде сплошного слоя полимерного материала. Кабели серии Sucoflex производятся с оболочкой на основе фторэтиленпропилена (FEP) или полиуретана (PUR), в наименование таких изделий добавлен индекс E. Кабель в оболочке из полиуретана рекомендуется использовать, когда требуется максимальная гибкость или устойчивость к регулярному динамическому воздействию.

Отличительной чертой представленных серий кабельных сборок также является возможность исполнения с дополнительной защитой для различных условий применения.

Защитное покрытие типа А (рис. 3а) состоит из стальной спирали, оплетки и полиуретановой оболочки. Оно обеспечивает защиту от сжатия, растяжения, кручения, истирания и других механических воздействий при температуре до +85 °С. Этот тип защиты рекомендуется использовать в лабораторных условиях для измерений и испытаний.

Рис. 3. Типы защитных покрытий коаксиальных кабелей серий Sucoflex:
а) тип А;
б) тип В;
в) тип С;
г) тип D;
д) тип G;
е) тип M

Защитное покрытие типа B (рис. 3б) состоит из гибкого шланга из нержавеющей стали. Оно обеспечивает защиту от сжатия, истирания, механических воздействий и открытого огня при температуре до +165 °С. Этот тип защиты рекомендуется использовать в промышленных условиях.

Защитное покрытие типа С (рис. 3в) идентично типу А за исключением оболочки, которая выполнена из RADOX вместо полиуретана. RADOX является огнестойким материалом. (Диапазон рабочей температуры — до +125 °C.)

Защитное покрытие типа D (рис. 3г) состоит из арамидной оплетки, пропитанной лаком. Оно обеспечивает защиту кабеля от истирания и кратковременных высокотемпературных воздействий. Применяется в авиационной технике.

Защитное покрытие типа G (рис. 3д) состоит из гибкого двухслойного резинового шланга со слоем неопрена. Оно обеспечивает высокую стойкость к истиранию, кручению, химическим веществам и маслам. Кабельные вводы защищены. Подходит для наружного и морского применения при температуре до +100 °С.

Защитное покрытие типа M (рис. 3е) состоит из дополнительной ленты ферромагнетика, оплетки и оболочки, которая при горении выделяет мало дыма. Эта оболочка также не содержит веществ‑галогенов. Покрытие обеспечивает дополнительное экранирование на частоте до 1 ГГц (120 дБ) и, таким образом, защищает кабель от электромагнитных наводок цепи управления и питания. Применяется для измерений с повышенными требованиями к ЭМС, при температуре до +85 °С.

Для испытаний космических спутников и их частей требуется специальная тестовая и измерительная аппаратура, обладающая особыми характеристиками. Необходимо избегать загрязнения испытываемого оборудования и термовакуумной камеры частицами материалов, так как они могут вызывать коррозию и вывод оборудования из строя. Для этих целей компания Huber+Suhner предлагает специальную серию кабельных сборок Sucoflex TVAC (рис. 4), выполненных из материалов с пониженным уровнем выделения газа. Для этих сборок предназначены специальные вентилируемые соединители. С помощью соответствующих оптимизированных каналов в соединителях достигаются оптимальные параметры понижения и повышения давления, в результате чего адаптация к давлению происходит быстро и без ущерба для соединителей и кабеля.

Рис. 4. Кабельные сборки серии Sucoflex TVAC

Основные характеристики коаксиальных кабелей Sucoflex

Выбор конкретного типа коаксиального кабеля проводится на основе анализа требований к характеристикам изделия. Среди них можно выделить:

• волновое сопротивление;
• диапазон рабочих частот;
• затухание;
• мощность;
• эффективность экранирования;
• стабильность фазы от температуры и при изгибе;
• диапазон рабочих температур;
• гибкость.

Общими параметрами для всей серии Sucoflex являются:

• волновое сопротивление 50 Ом;
• эффективность экранирования не менее 90 дБ на 18 ГГц;
• диапазон рабочих температур от –55 до +125 °C.

Все кабели серии Sucoflex обладают высокой фазовой стабильностью в рабочем диапазоне температур, а кабели с плетеной центральной жилой также стабильны при изгибе, что позволяет обеспечить получение достоверных результатов при испытаниях. Для кабеля SF101P изменение фазы при изгибе равно 5° на 18 ГГц (метод тестирования IEC 60966-1, 8.6.2.1, диаметр цилиндра — 35 мм). Основные характеристики кабелей представлены в таблице 3.

Коаксиальные кабельные сборки серий Sucoflex доступны как с большинством стандартных типов соединителей, так и со специализированными (с подстройкой фазы, укороченной резьбой, усиленные интерфейсы для анализаторов цепей). Конфигурацию сборок, интерфейсы и длину кабеля определяет сам заказчик.

Коаксиальные кабельные сборки серий Sucoflex производятся только на заводах компании Huber+Suhner в Швейцарии и Польше, кабель и соединители как сырье недоступны, что позволяет гарантировать высокое качество выпускаемых кабельных сборок. Для подтверждения высокого уровня заявленных характеристик все сборки Sucoflex проходят тестирование и при поставке сопровождаются протоколом измерений.

Заключение

Гибкие СВЧ кабельные сборки серий Sucoflex отличаются высокими электрическими и механическими характеристиками и могут применяться как в статических, так и в динамических системах. Продукция серии Sucoflex предназначена для систем с рабочей частотой до 50 ГГц, где предъявляются высокие требования к электрическим параметрам, особенно относительно стабильности и уровня потерь. По устойчивости к механическим и климатическим воздействиям эта продукция превосходит стандартные гибкие кабели. Кабели Sucoflex подходят для использования в составе тестовой и измерительной аппаратуры и находят широкое применение в аэрокосмической и оборонной отрасли.