皱纹外导体制造对同轴射频电缆驻波的影响分析

贾金平
(江苏亨鑫科技有限公司. 江苏宜兴. 214222)

1、引言

当前,随着无线通信的飞速发展,物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体同轴射频电缆正在被广泛应用，主要用在无线移动通信、蜂窝电话、微波传输、雷达、导航、广播通信等系统的有线传输部分,具有低电压驻波比、低衰减、结构稳定等特点。

2、外导体的制造

同轴射频电缆的外导体起着回路和屏蔽双重作用，其生产设备如铜带成形生产线简图如图1所示：其制造过程主要由放线、放带、管状成型、焊接、牵引、轧纹和收线构成，目前主要采用轮式工装通过逐渐减小铜带弯曲时的曲率半径来完成管状成型，其焊接和轧纹质量控制的好坏关系到电缆产品的电气性能及弯曲性能。外导体的轧纹由高速旋转的轧纹刀片或齿轮完成，轧纹时通过有效控制生产线各部分张力的大小和轧纹设备运转的稳定性来保证轧纹的结构尺寸和尺寸的均匀性，以便使外导体形成设计要求的波峰、波谷和节距。

图1 外导体生产线简图

将一定厚度的铜带在绝缘线芯轴向上对焊成密封铜管,并用齿轮或螺旋形轧纹刀片机轧成单个环形皱纹,它与泡沫绝缘体一起形成封闭环形区域,使得潮气、水分等不能侵入, 见图2。 外导体环形的轧制使得内导体、泡沫绝缘层和波纹外导体三者位置固定,形成较稳定的结构,并使电缆在弯曲或温度变化时机械尺寸变化极小,使得传输相位等电气性能十分稳定。螺旋形皱纹铜管用作电缆导体后,电缆弯曲性能优于环形皱纹导体电缆, 用于一些超柔电缆外导体和大尺寸同轴射频电缆内导体的生产。螺旋形皱纹管是在轧纹头上安装一把环形轧纹刀,使轧纹刀偏转一个与所形成螺旋纹的螺旋升角一致的角度,通过垂直于电缆焊接铜管表面进刀(即与电缆轴心偏心,此偏心亦即进刀量),在轧纹头转速与铜管牵引线速合理配比的条件下,在焊接的铜管上形成连续的螺旋纹，见图3。

图2　齿轮轧制环纹示意图

D-模片齿孔内径　d-光铜管直径　L-节距
图3　环纹轧制刀片及原理示意图

3、外导体的焊接和轧纹生产控制

氩弧焊的电极通常采用钍钨材料制成,焊针必须采用高纯度的钍钨棒（高纯钨加3%左右的钍），其优越性主要表现在：1）耐用；2）许用电流大；3）引弧及稳弧性能好。焊接时使产生的电弧集中,避免电弧漂移,以利于焊缝变小,焊接牢固,且能连续焊接。钨极直径和端部形状确定了钨极氩弧的电流使用范围及电弧形态，因而对焊缝形成及过程有很大的影响。当铜带采用小电流焊接时，应尽可能采用小直径、小锥角和小平顶直径，以利于电弧引燃和稳定工作。电流增大时，锥角应随钨极直径增大而增加，平顶直径也要增加，以控制端电流密度避免异常烧损，同时防止因斑点上爬而造成弧柱扩散。铜管外导体焊接用保护气体(氩气)的纯度应控制在99.995%以上。气体的纯度和气压的稳定将直接影响到焊接的质量，其保护效果可依焊缝表面颜色加以区别。焊接电流的大小主要取决于铜带的厚度和质量以及成型工装的稳定性，一般焊流选取在65A—180A之间。

4、电缆VSWR的控制

驻波是因为电磁波在电缆中传输时因反射而形成的，其主要原因是因为阻抗的不均匀性造成的。对于理想的同轴电缆,在整个长度方向上电缆的特性阻抗是不变的,然而事实上阻抗完全均匀的电缆是不存在的,因而在长度方向上电缆特性阻抗总会存在一些细微的变化。在同轴电缆长度方向上阻抗的任何细小变化,均会导致在电缆内传输的一部分信号能量被反射回去,就如同在不同介质的媒质中传播时在两媒质的界面会发生反射和折射一样。信号的反射不仅会造成传输信号的能量损失,而且反射回去的信号会对信号源产生干扰,轻者会导致信号线性失真,严重的将导致电缆根本无法使用。同轴电缆VSWR性能是电缆结构均匀性、稳定性在电气上的反映。VSWR的定义如下：

式中,ρ为反射系数;Z 、Z 为反射界面两侧电缆的阻抗。

从式(1)可以看出,当|ρ|越大(即信号反射界面两侧的阻抗差值越大，或同轴电缆阻抗在电缆长度方向越不均匀。)，VSWR也越大；当|ρ|→1时，VSWR→∞。因此要改善电缆的VSWR性能就必须尽可能降低|ρ|，也就是要尽可能减小电缆阻抗在长度方向上的不均匀性,这是改善同轴电缆VSWR质量水平的理论依据。

电缆的VSWR是电缆设计和制造水平的综合反映。使用的导体材料在长度方向上的均匀性、绝缘外径的均匀性、泡孔的均匀性、外导体各部分尺寸的一致性等任何影响电缆长度方向上均匀一致性的因素都可能导致电缆长度方向的阻抗变化，从而使传输信号发生畸变。控制电缆的VSWR主要有以下几个方面：

(1)由于外导体生产线线速度(其主要由牵引设备的机械、电气稳定性和牵引是否打滑决定)、轧纹机转速和生产线张力的波动等,均会导致电缆外导体及绝缘线芯结构尺寸的不均匀变化,因此外导体生产线是影响电缆VSWR的重要因素。

(2)生产工艺参数设置(特别是轧纹参数如:轧纹模具结构、焊接模和定径模位置和导向模孔径、轧纹转速等)如不合适将导致轧纹外导体和绝缘线芯结构尺寸的不均匀,电缆的外径和节距不合格，甚至会导致椭圆、轧纹变形和轧纹卡死等现象，从而影响电缆的VSWR性能。小规格电缆生产时上述生产工艺参数对电缆VSWR性能的影响特别明显。

(3)外导体加工设备或装置如存在机械故障将严重影响电缆的VSWR性能。通常旋转设备或部件如存在机械损伤,如：精切刀受损、牵引夹块不匹配、轴承旋转不灵活等将会导致外导体上产生周期性缺陷,从而在基频和倍频处导致明显的VSWR峰值。

(4)由于设备或其它装置出现故障、铜带在运输过程中被包装等硬物件挤压碰伤以及操作不当导致铜带发生周期性的变形(如弯曲、损伤等缺陷)也会影响电缆的VSWR性能。

(5)外导体铜带厚度不均匀或铜带表面被氧化将导致铜带的电导率及电缆结构产生不均匀变化,从而会影响电缆的VSWR性能。若铜带厚度沿长度呈现周期性变化，则所有这一系列的周期不均匀性的反射信号相差2nπ，叠加成非常有害的结构反射损耗。

(6)在同轴电缆制造过程中由于外导体放线张力不稳定性将可能导致外导体结构尺寸及电性能在长度方向上发生不均匀变化,因此外导体放线张力及其稳定性是影响电缆VSWR的重要因素之一。

(7)中心绝缘缆芯与外导体铜管的占空比是影响电缆电压驻波比的一个不可忽视的因数。对外导体铜管来说,相对较大的绝缘缆芯,有利于电压驻波比的改善，即占空比越小，驻波指标越好。

(8)由于外导体收排线或其它原因导致的外导体发生周期性或非周期性的弯曲将造成电缆结构的局部畸变,严重的还会造成变形、绝缘线芯电容发生突变,因此也是影响同轴电缆VSWR的重要因素。

另外,由于偶然原因导致同轴电缆内渗入水、皂化液或其它媒质时,特别是螺旋纹同轴电缆更应重视，同轴电缆局部或整体的导体损耗、介质损耗将发生突变,因而会导致电缆VSWR性能劣化,此时在电缆VSWR频域波形上表现为整体水平较差。

周期性不均匀是由像收、放线轮转速的波动，双轮牵引张力的不稳定，鼓轮的波动，成形轮等圆形部件，外导体中芯线不够平直等引起；设备问题如直流电机转速、马达、开关、齿轮转速等都可能引起周期性故障点，进而产生周期性的驻波峰值。在实际运用中,通常利用同轴电缆周期性波动长度H的特点,采用式(1)找出引起波动的设备或原材料,并进行针对性改进;或将VSWR峰值频率移动截止频率。同轴电缆的截止频率fc按式(2)计算。

式中 为信号传输速率;N为序数,1,2,3,4,…;f为VSWR峰值频率(MHz)。

式中D、d分别为外导体平均内径和内导体平均外径(mm)；
为内外导体间介质的等效介电常数。

5、改善同轴电缆电压驻波比的途径

通过对导致电缆VSWR性能劣化的生产条件的分析,在同轴射频电缆外导体的生产过程中可以通过以下途径来改善电缆的VSWR性能：
(1) 选用机械加工精度及电气控制精度合适的生产设备及控制软件。生产设备足够精密，以减小对对电缆结构尺寸均匀性的影响。
(2) 对设备机械部分定期进行检修、维护,及时发现和消除设备故障,对设备电气控制软件定期进行优化，以减小制造的不均匀性，绝缘均匀无大泡孔，无竹节等现象，外导体结构尺寸要均匀一致（节距和波纹外径稳定，波纹无变形等）。
(3) 选用质量优良、性能稳定的原材料，使得外导体金属带的结构尺寸在长度方向上无周期性不均匀。
(4) 根据设备情况及周围环境变化对生产工艺参数进行优化。
(5) 提高操作人员的操作技能及熟练程度。

6、结束语

该种电缆的调试过程中遇到的问题较多,相对比较困难。选用结构尺寸均匀的外导体材料,生产过程中严格控制张力、轧纹转速、选用合理的模具以及设置合理的参数,可获得令人满意的低VSWR比。本文提供的工艺控制方法以在生产中加以验证,但已使我们有足够的信心制造满足移动通信要求的电缆。有理由相信,这种具有低损耗、低驻波、良好阻抗稳定性等优良性能的电缆能满足移动通信要求,并可用于广播、微波、陆地移动无线电、军用等领域。

[参考文献]

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殷树言、张九海等编.气体保护焊工艺.哈尔滨工业大学出版社.1993
李保安.新型无线移动通信用物理发泡绝缘同轴射频电缆. 电线电缆. 2002年
江　成. 物理发泡同轴电缆电压驻波比的性能分析. 电线电缆. 2003年2月
彭开华、肖志军. 射频同轴电缆皱纹铜导体偏心式轧纹原理分析. 电线电缆. 2004年12月

贾金平. 男，助理工程师，毕业于哈尔滨理工大学电线电缆专业，现在江苏亨鑫科技有限公司技术部从事电线电缆的技术管理、工艺改进和新品研发等工作。