同轴射频物理发泡电缆制造工艺分析

姜春艳

（江苏广播电视大学，南京 210017 ）

0 引言

随着社会信息化的不断深入，通信事业迅速发展，集电视、通信、广播和数字传输于一体的多功能双向系统，在发达国家已经广泛使用；而我国正朝这个方向不断发展[1]。

同轴射频物理发泡电缆因其回波损耗小，衰减小，接收频道宽，能在1GHz的高频下正常使用，目前是被广泛应用的传输媒介，尽管越来越多的人们开始青睐光纤光缆，但由于目前光缆的分支分配技术难度比较大以及经济上的原因，光纤光缆多用于长距离传输，分配网络仍以同轴电缆为主。

在目前的移动通信领域内，射频同轴电缆仍然是不可替代的传输媒介；但是随着移动通信的不断快速发展，特别是现在第二代和第三代移动通信技术的推广、传播和应用，对于射频同轴电缆，就提出了更高的要求[2～4]。

基于上述原因和出发点，本文介绍了同轴射频电缆的传输模型、物理发泡绝缘缆芯的结构以及物理发泡绝缘工序对于参数的影响，从工艺的角度阐述了物理发泡电缆制造应该注意的事项和问题。

1 同轴射频电缆参数

电磁波如果在理想的同轴电缆中传输时，由于内导体和外导体电磁场的互作用，会使同轴电缆外面的电磁场等于零。在集肤效应和邻近效应共同作用的影响下，同轴电缆回路中的电流分布主要集中在外导体的内表面和内导体的外表面，并且频率越高，电流分布集中的情况就越严重[2,3,5]。

根据电磁场理论，射频同轴电缆在实际应用中涉及的主要参数有特性阻抗、衰减常数、等效介电常数、电容和电压驻波比等[2,3]。

1.1 特性阻抗

特性阻抗是射频同轴电缆的主要参数，电缆在使用时线路阻抗的匹配与否对于传输质量的影响很大；当线路阻抗不匹配时，传输效率差，而当线路阻抗比较匹配时，由于没有能量反射，因而具有最好的传输效率[2～4]。

在生产中，为保证电缆的特性阻抗值，介质的介电常数及发泡度是通过控制单位长度的额定电容来实现的[4]，为使传输损耗尽可能低，系统中使用射频同轴电缆的特性阻抗为50Ω[2,3]。

1.2 等效介电常数

等效介电常数包括混合绝缘料的等效介电常数εθ、发泡聚乙烯等效介电常数εr、绝缘料发泡态等效介电常数ε发泡[2,3]。

1）混合绝缘料的等效介电常数εθ（采用体积加权计算）

其中：εi– 绝缘料介电常数 (实心态 )， vi– 绝缘料混合体积

2）发泡绝缘料等效介电常数εr

其中：P—发泡度。

3）绝缘料发泡态等效介电常数ε发泡

1.3 衰减常数

衰减常数是同轴射频电缆的主要电气性能方面的参数，它主要是反映电磁波能量沿着电缆传输时的损耗大小，是产品质量的重要考察指标之一，通常来说，为了使得损耗减小，就必须要求电缆有尽可能小的衰减常数[2～4]。

射频同轴电缆的衰减常数由导体衰减和介质衰减两部分构成[2,3]。

1.4 电容

电容C在电缆制造和工程应用中是一个重要的参考数据，其计算公式如下[3]：

1.5 等效介质损耗角正切

等效介质损耗角正切值包括绝缘料混合等效介质损耗角正切、绝缘料发泡等效介质损耗角正切、绝缘料发泡态等效介质损耗角正切[2,3]。

1)绝缘料混合等效介质损耗角正切tanδr：(采用体积加权计算)

其中：tanδr—绝缘料介质损耗角正切，Vi—绝缘料混合体积。

2)绝缘料发泡等效介质损耗角正切tanδθ：

1.6 电压驻波比（VSWR）

电压驻波比作为考察物理发泡聚己烯绝缘射频同轴电缆的主要参数之一，其数值的高低直接决定了产品的质量[6]。

反射系数：

回波损耗：

电压驻波比：

由于同轴电缆导体、绝缘体等存在偏差，在线路上每一点的阻抗也就存在偏差，从而引起输入到线路中的信号发生折射与反射，如果存在着周期性不均匀性现象，会使反射信号增加，严重影响传输性能和影响性能[3]。

2 物理发泡绝缘缆芯的结构

绝缘缆芯的结构采用“内皮层（也称为内薄层）—发泡层—外皮层（也称为外薄层）”三层结构，其中中间发泡层可以达到80 %以上的发泡度，在保持外径不变的情况下，如果适当地增加内导体的直径，可以降低导体衰减，使电缆具有低衰减、大功率。

一般采用铜包铝、铜管或者皱纹铜管来制备绝缘缆芯的内导体，而且所采用的铜导体应该是高电导率的无氧退火铜材，并要应保证其表面的清洁，这样可以减少金属导体衰减，保证传输的质量。

内皮层、发泡层和外皮层在整个结构中具有其各自的特殊功能：对于内皮层来说，其功能主要是用来黏连发泡层和内导体，保证缆芯的使用寿命，保证发泡层与内导体的紧密结合，从而使电缆的纵向密封防潮能力增强；而外皮层是用来提高发泡层的强度和光洁度，同时应具有较好的防潮防水性能；发泡层采用先进的气体发泡工艺，将氮气高压注入熔融状态的聚乙烯料中充分混合，制得具有泡孔细小、分布均匀且相互隔离的发泡绝缘层，使得电缆具有优异的电气性能和防潮密封性能[2,3,5]。

另外，考虑到电缆必须要达到一定的机械强度，因此发泡层的聚乙烯材料采用高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）加成核剂按一定的比例组成，其介电常数为三种材料的混合。在发泡过程中高密度聚乙烯和低密度聚乙烯所起到的作用不同：高密度聚乙烯发泡时，气孔大刚度好，但成型较困难，而且气孔大影响了绝缘的一致性；低密度聚乙烯发泡时，气孔小，柔软性好，容易成型，绝缘的一致性好，但是其强度和刚度较差。由于介质衰减与绝缘缆芯的等效介质损耗角正切值有关，并且成核剂所占的比例很小，所以可以近似地只考虑高密度聚乙烯和低密度聚乙烯两种混合料的介质衰减与绝缘缆芯的等效介质损耗角正切值。因此从该正切值对衰减的影响来看，为了取得较好的衰减，在高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的配备比例上，应该减小高密度聚乙烯所占的比例[2,3]。

3 制造工艺分析

所谓物理发泡，就是采用高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和成核剂三种物质按照一定的配比混合，将合适压力下的氮气或二氧化碳溶解于具有适当压力的处于熔融状态的聚乙烯绝缘料的混合物中，形成细微、均匀的泡孔结构，通过挤塑设备挤出均匀稳定的泡沫绝缘层[7]。

3.1 挤出机工艺控制方面

均匀的泡孔结构是制备物理发泡绝缘材料的前提和基础[8]；因此挤出机各个区间的温度、注气压力、绝缘外径参数控制和挤出机模具的设计尺寸等等会成为影响绝缘缆芯质量的关键因素，也是物理发泡绝缘工艺的控制难点和技术难点。

3.1.1 温度控制

一般来说，挤出机熔融段的温度设置相对较高，通常在160℃～200℃之间，以确保进入挤出机的绝缘料充分熔融，但是在注入高压气体之后则要设置较低的温度，通常在150℃～160℃左右，其目的是使熔化后的绝缘料与气体充分混合并形成稳定、细密的泡沫结构。熔融段温度如果过高，黏度下降，弹性增大，泡孔成长容易，但泡孔生长过度又会产生泡孔合并现象，从而产生大泡孔；而如果熔融段温度过低，则气泡生长的临界压力值升高，不利于达到高发泡度[2,3]。

3.1.2 注气压力

注气处熔融体的压力与注气压力的大小会直接影响发泡度的大小，并且注气压力必须大于熔融体压力[2,3]。

发泡气体一般采用高压氮气（N2）或二氧化碳（CO2）。熔体对N2和CO2具有较高的溶解度，可以保证电缆满足电气性能所需要的发泡度[8]；而目前一般使用CO2作为发泡气体，因为它能更好的溶解于熔融绝缘体中，气孔的结构也更均匀细密，达到比N2更高的发泡度[2,3]。

3.1.3 绝缘外径参数

绝缘电缆的直径可以通过调节螺杆和齿轮泵的转速、牵引张力等方式来间接调节。射频同轴电缆缆芯对同心度的要求较高，因此挤出机采用三层共挤或两层共挤十字机头，同时机头发泡模具的设计也非常重要，一般采用挤压式模具或挤管式模具。

3.1.4 模具设计尺寸

模芯的内径要与内导体存在一定的间隙，保证覆盖在内导体表面的内皮层能够顺利通过模芯，但是间隙也不能过大，过大的话容易导致偏心，同心度降低。而模芯与模套的间隙应较大，以使发泡绝缘体与内皮层紧密黏连。

3.2 内导体工艺控制方面

在射频同轴电缆的制造过程中，一般内导体采取主动放线的方式来制造，主要是通过设定内导体合适的张力来控制内导体结构、尺寸以及电气性能在长度方向上的均匀性；同时应避免由于排线、设备或其他装置导致内导体周期性弯曲或非周期性的弯曲、变形和损伤等。

通过矫直后，内导体进入拉丝、清洗流程，主要目的是除去内导体表面的毛刺、氧化层等，内导体表面的氧化层会增大导体衰减，影响电压驻波比。

内导体进入挤出机前，应进入合适的预热；温度过低，会导致绝缘层缩大，内导体与内皮黏接不好，纵向密封性差、温度过高会使绝缘层内不产生大泡孔。

3.3 冷却工艺控制方面

由于绝缘泡沫导热性低，冷却固化方式也很重要。对于大规格泡沫绝缘，反复冷却非常重要。过快的冷却可能导致内导体周围出现大的泡孔甚至通孔[8]。

另外，冷却水槽应保证电缆芯要先经过热水槽后经过冷水槽，分段冷却缆芯。避免电缆芯因冷却水槽温度不合适，而造成缆芯椭圆、偏心、表面粗糙、收缩过度变形等。一般绝缘缆芯外径大，对水槽温度很敏感，特别是在室温较低时，各段水槽的温度应逐渐降低[2,3]。

4 结束语

本文就无线通信用射频同轴电缆的物理发泡绝缘缆芯对电缆参数的影响进行分析，通过建立相关的电气模型，在理论上指导工艺生产。在物理发泡绝缘缆芯的工艺控制过程中，将理论分析与具体的设备以及实际使用的原材料的特性结合，最终制定出合适的工艺方案。在生产过程中，影响物理发泡绝缘缆芯性能参数的因素很多，可先解决主要影响因素，再对次要因素进行调整。

[1] 孙素文.物理发泡射频同轴电缆[J].电线电缆, 1992.6:11-14.

[2] 李西林.同轴射频物理发泡电缆制造工艺分析[J].科学之友, 2010.6: 20-21.

[3] 贺光武, 张晓勇.射频同轴电缆的物理发泡工艺研究[J].网络电信, 2006.8(10): 49-51.

[4] 王顺虎.挤压式铝管外导体物理发泡射频同轴电缆的设计制造及铝管缺陷分析[J].有线电视技术, 2002.9(1), 95-98.

[5] 麻银谦.采用新导体材料的物理发泡射频同轴电缆[J].电线电缆, 1997.2: 26-28.

[6] 余强.影响物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆电压驻波比的因素分析[J].现代有线传输, 2004.1: 18-20.

[7] 窦月梅.大规格射频同轴电缆的物理发泡绝缘二次挤塑[J].现代传输, 2009.4: 55-58.

[8] 李保安.新型无线移动通信用物理发泡绝缘同轴射频电缆[J].光纤与电缆及其应用技术, 2002.2: 20-27.