Оригинальные конструктивные решения фазостабильных кабелей СВЧ-диапазона

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 e = 1, однако требуется соосное крепление внутреннего проводника кабеля. Очевидным решением становится полувоздушная конструкция изоляции сердечника с минимальными эквивалентными значениями e 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 шести 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‑4 МБ) 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.

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

Примечание. SPC — Silver Plated Cupper, медь, покрытая серебром; f_пред — теоретическая предельная частота кабеля; α — коэффициент затухания; ΔΨ — изменение фазы.

Кабели Temp-Flex Low Loss Microwave Coax всех марок имеют волновое сопротивление (50 ±1) Ом, скорость распространения сигнала V_p = 70%, время задержки сигнала t_зад = 4,76 нс/м, электрическую емкость С = 95 пФ/м и диапазон рабочих температур ΔТ_раб = –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 0,2 и 0,11 мм изготовлены из стали, плакированной медью, покрытой серебром (SPCcS — Silver Plated Cupper clad Steel); центральный проводник кабеля 032SC‑3301 с диаметром 0,18 мм — 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 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.

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

Особенность кабеля 047SC‑2901 состоит в рекордно низком изменении 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.

При прочих равных характеристиках основным преимуществом кабеля 141SC‑1901 является практически линейная температурно-фазовая характеристика (рис. 2г). 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.

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

Оригинальным техническим решением компании 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 speed coaxial cable with dual filament insulator”).

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 оплетки 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.

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 конструкции 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 ее трубка — выполнены из ПФА. Пара-метры этих кабелей приведены в таблице 5.

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

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

Компанией Molex разработаны и субминиатюрные кабели повышенной гибкости за счет использования многопроволочного внутреннего проводника. Внутренний проводник состоит из семи 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.

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 приемопередающих 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 фирма ThermoCoax [10].

Кабели с изолятором из сверхчистого SiO₂ отличаются крайне высокими значениями рабочей температуры (от –270 до +1000 °С) и радиационной стойкости (более 200 Мрад), а также имеют близкую к линейной температурно-фазовую характеристику. Высокая надежность, электрическая стабильность и жесткость конструкции SiO₂‑кабелей компании Meggitt Safety Systems обеспечивают среднюю наработку на отказ 1 млн ч. Этот полужесткий 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 решетках, в технике высоких энергий и ядерной энергетике, в крио-генных установках, в измерительном оборудовании, а также в космических и военных системах. Конструкция кабеля с диэлектриком SiO₂ показана на рис. 5 [7].

Рис. 5. Конструкция кабеля с диэлектриком SiO2:
1 — медный внутренний проводник;
2 — оболочка меди;
3 — изолятор SiO2;
4 — оболочка из нержавеющей стали

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 необходимой длины на него с помощью лазерной сварки устанавливают герметичные соединители, получая в результате 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 1,56–1,6. Для сравнения: диэлектрическая проницаемость аморфного кварцевого стекла равна 3,75–3,8.

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 °С. Однако в кабельных сборках с таким кабелем предельная температура нагрева ограничена допустимой рабочей температурой серийных соединителей: –270…+200 °С. Разработаны также высокотемпературные соединители с диапазоном рабочих температур: –270…+600 °С, 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^–9м³ Па/с. Установку соединителя на кабель осуществляют лазерной сваркой (рис. 6).
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].

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

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 на 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 °С и 3,3×10⁷ Ом∙м при 760 °С, затухание экранирования — не менее 120 дБ.

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

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

Кабели предназначены для применения в сборках с соединителями SMP, 2,4 и 3,5 мм, SMA, TNC, N, HN, SSMA, SC и других типов.

Компания Times Microwave Systems выпускает кабели четырех типов с диэлектриком SiO₂ с гарантированным затуханием экранирования: –110…–120 дБ. Предлагаются кабельные сборки со 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.

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

Характеристики кабелей с изолятором SiO₂, изготовленных ведущими компаниями 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, а потому 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 устранить эффект «тефлоновое колено», присущий кабелям с ПТФЭ. В 2004 году были созданы кабели PT210 и PF402, в которых был впервые использован диэлектрик TF4.

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

PhaseTrack — гибкие фазостабильные кабели. Конструкция кабелей показана на рис. 9. Основные параметры кабелей приведены в таблице 11 и на рис. 10.

Рис. 9. Конструкция кабелей PhaseTrack:
1 — внутренний проводник из меди или плакированной медью стали, покрытый серебром;
2 — пористый диэлектрик TF4;
3 — экран из медных серебреных лент;
4 — металлизированная полиимидная пленка;
5 — оплетка из медных проволок, покрытых серебром; 6 — оболочка из ФЭП

Рис. 10. Температурно-фазовая характеристика кабеля PТ210

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

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

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.

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 — оплетка из медных проволок, покрытых серебром;
5 — оболочка из ФЭП

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.

Рис. 15. Конструкция кабелей PhaseTrack LS:
1 — внутренний проводник из плакированного медью алюминия;
2 — пористый диэлектрик TF5;
3 — экран из медных серебреных лент;
4 — металлизированная композитная лента;
5 — оплетка из медных проволок, покрытых серебром; 6 — оболочка из полиэтилена, не распространяющего горение

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) создала оригинальную конструкцию кабелей с диэлектриком SucoPearl 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 °C;
• внешний проводник выполнен из спиральной обмотки посеребренной медной лентой, поверх которой наложена оплетка из посеребренной алюминиевой проволоки;
• оболочка изготовлена из ФЭП.

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

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.

Рис. 18. Расчетные температурные зависимости фазы для кабелей:
а) SuсoPearl PTFE;
б) SuсoPearl PFA

Теоретический анализ, проведенный 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).

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

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 приведет 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. Поскольку применение пористых спирально накручиваемых лент изоляции не представляется перспективным, целесообразна разработка технологии получения сплошных пористых изоляторов сердечника, совмещенной 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.