极细同轴电缆技术及标准简介.docx

C巍膳上海酆波第二届高品质射频电缆及组件技术研讨会暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议极细同轴电缆技术及标准简介代康肖飚成都普天电缆股份有限公司摘要：本文介绍了极细同轴电缆的出现背景、技术特点及工艺流程，并以绝缘外径在l mill及以下的极细同 轴电缆及组件国家标准(报批稿)为依据，介绍了极细同轴电缆的主要性能要求。关键词：极细同轴电缆；标准；氟塑料；挤塑1引言 近年来，以手机、笔记本电脑为代表的消费类电子产品和通信、医疗、军事类电子产品微型化发展趋势加快，性能要求不断提高，这些产品内传输各种频率信号的带状电缆、柔性电路板 (FPC)等传统布线元件迅速被传输速率高、频带宽且抗电磁干扰强的极细同轴电缆取代。特别 是上世纪九十年代中期移动通信的普及，更是促进了极细同轴电缆的研发和规模生产。这类电缆 具有以下几个特点。a)电缆尺寸几乎达到了目前的加工极限，常见的单芯同轴电缆外径在O1514 mm之间， 已有直径为0009 6 mm的导体单丝；b)电缆使用频率在10-6 000 MHz之间，使用场合不同的电缆的传输特性各有侧重；c)电缆具备良好的机械物理性能，尤其是用于连接活动模块的电缆具有很强的抗弯曲和扭转能力；d) 电缆工作电压通常较低，但由于其绝缘很薄因此要求绝缘层应能耐受较高的击穿场强； e)多数情况下，电缆使用空间狭窄，散热条件较差，电缆应具备较高的耐温等级。 目前，全球生产极细同轴电缆及组件历史较长、制造能力最强的生产商是日本的住友电工、藤仓和日立电线，国内企业处于起步阶段，且基本停留在生产较低档次的产品上。由于产品没有 统一的行业标准，用户不得不以几家日本企业的产品规格书为订货依据。此种尴尬局面，和我国 电子产品制造大国的地位极不相称。2006年11月，成都普天电缆股份有限公司提出起草极细同轴电缆及其组件的通信行业标准 的建议，得到中国通信标准化协会(ccSA)的批准，随后还被确立为国家标准起草项目。此标准 已经于2009年完成了报批稿 。本文将围绕该报批稿，介绍产品的结构特点、性能要求和主要 制造工艺。幸总工程师40：；：要毒君善誊0嚣；焉&丧鼍荟嚣銎io”t*2电缆结构21电缠结构分类 极细同轴电缆可按芯数数萤多少分为单芯和多芯两太类，多芯电缆又可分为圆形电缆和带状电缆两类。构成多芯电缆的每一根同轴缆与单芯电缆具有相同结构。电缆典型结构如图1图3 所示。Ib日件i地腰 3悼4”围1缠绕型外导体单芯目轴电缆其构成的多甚电缆田2编织型极细同轴电缆图3带状多芯电缆22电缠型号规格 由于极细同轴电缆的应用面，团此性能要求差异也比较大，电缆的结构和所用的材料变化也比较多。为了能较准确地区分电缆的结构，标准“不得不采取了j童复杂的命名方法。电缆型号 由型式代号、规格代号两部分组成。型式代号及含义见表l，挑格代号应含义见表2。表l自缆型式代号&吉女分类绝缘护套标称特性阻抗 代号舍义代号音义代号旮叟代号古义宴。可焙性仝氟烷氧基町熔性全氟烷氧基J寨物共聚物绝缘 实。聚全氟E再烯聚仝氟E丙烯 扑#泡沫可焙性全氟烷氧摹E烯四氟L烯共聚物在l韭浆物mmU镀铜聚对苯一甲醴酵泡沫壤垒氟E丙烯下的酯薄膜轴泡蛛皮可熔性全氟烷觏聚对荤=酸一醇酯薄 电缆基接聚物膜泡沫业聚每氟L丙烯柔软型聚氯L烯氟塑料薄膜绕包烧结氟塑料薄膜绕包烧结注z 1、熔性仝氟烷氧基菸聚物简称为PFA聚氟L丙烯简称为FEP，聚对苯=酸E=醇酯简称为pET 烯明氟L烯菇聚物简称为ETFE；C弛上海觊波第i届高号辱黟磐电缆及组件技术研N会暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议2、带状电缆护套通常采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜粘贴形式；3、聚对苯二甲酸乙二醇酯用于护套时允许采用自粘型薄膜绕包形式；4、多芯圆形电缆护套材料的表述形式为“单芯电缆护套材料代号”+“外护套材料代号”，单芯电缆没 有护套时则直接给出外护套材料代号；5、标称特性阻抗除了上述值外，根据具体应用的不同可有其它值。表2 电缆规格代号及含义绝缘标称直径内导体材料及结构外导体材料及结构 电缆芯数及补充说明 代号含义代号含义代号含义代号含义镀银铜或镀银铜镀银铜或镀银铜1l合金绞线合金线单层缠绕省略单芯镀银铜或镀银铜镀银铜或镀银铜一2 2合金单线合金线双层缠绕镀锡铜或镀锡铜镀银铜或镀银铜N为芯数，圆形电33N合金绞线合金线单层编织缆绝缘直镀锡铜或镀锡铜镀银铜或镀银铜N为芯数，P表示-44径标称合金单线合金线双层编织带总屏蔽的多芯一 值，单位镀锡铜或镀锡铜圆形电缆为眦一5镀银铜包钢绞线5XNP合金线单层缠绕镀锡铜或镀锡铜6镀银铜包钢单线 6合金线双层缠绕镀锡铜或镀锡铜N为芯数，F表示7合金线单层编织带状电缆XNF镀锡铜或镀锡铜8合金线双层编织注：当外导体为镀层或金属箔绕(纵包)+金属丝编织或缠绕时，在上述外导体代号前加字母“P”。23内导体内导体材料通常使用镀银或镀锡铜(合金)线，在一些特殊使用场合还可能用到镀银铜包钢线。内导体多采用“1+6”的绞合结构。为了进一步提高电缆的柔软性，也可采用“1+6+12”的 绞合结构，但这增加了保证电缆阻抗均匀性的难度。构成绞合导体的单丝直径从0009 8 film至 0102 mm不等。外径细、使用中很少经历弯曲的电缆偶尔也采用实心导体结构。24绝缘通常情况下，绝缘材料多选用具有优异的机械物理性能、耐高低温性能、电气性能和阻燃性 能的氟颦料，如可熔性全氟烷氧基共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)。表3列出了适合于生产 极细同轴电缆的氟迥料技术指标。其中PFA主要用于柔软性要求高或绝缘外径小于03 mm的极 细同轴电缆，FEP主要用于柔软性要求低或绝缘外径大于03 rnlTl的极细同轴电缆。42茎；兽薯嚣雾掌窖鬻笼擞冬喜嚣銎轰Ou1：limill暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议表3适合于生产极细同轴电缆的氟塑料技术指标技术：瞎标；序号项爵单位FEPPFA介电常数100kHZ2022021 M201201600MHZ20120l11 GIz20l20l2 GHz2012015 GHz20l20l10GHz20l201介质损耗角JE切值100kHz7OlO巧70x 10一1 MHz70x 10。570x10。5600MHz4O1044010-42l GHZ4O1044010r42 GHz35x 10-435x 1045 GHz35x10435x10410GHz30x 10430x 10-43熔融指数(5 kg，372)glOmin204025704压缩强度MPa15兰175弯曲模量(23)MPa5206304906体积电阻率Qcm】01810js抗张强度(23)MPa20257热老化后抗张强度变化率15151515断裂伸长率(23)3003008热老化后断裂伸长率变化率。1515一15159密度g(cm321321821321810击穿场强(试样厚度025 mm)kVmm80801l熔点260 30512最高连续T作温度(20 000d、时)200 260注：1、老化条件PFA：(260士2)，7x24 h；FEP：(200a：2)，7x24h。2、熔融指数的选取应根据绝缘外径和生产速度来确定。绝缘型式多为实心结构。在医疗设备或工业机器人用电缆中，还会大量用到泡沫或泡沫皮绝 缘结构，以进一步减小电缆尺寸。一些尺寸相对较大的电缆，也采用氟塑料薄膜绕包，然后通过 高温烧结而形成绝缘层。尺寸较大的单芯同轴电缆，绝缘颜色通常为绝缘料本色，以尽可能减少颜料对传输性能的影 响。尺寸较小的单芯同轴电缆，由于加工组件时通常采用激光剥线，为了充分利用激光的热效应， 绝缘颜色宜采用浅灰色或浅蓝色。43罐蓼蕊上海鄂波第子届高品质射频电缆及组件技术研曙会”9暨中电元协光电线缆分会弟兀n次专家组会议25外导体电缆的外导体通常采用镀锡铜合金线或镀银铜合金线缠绕或编织。对于电磁屏蔽要求较高的电缆，还会在缠绕或编织层外绕包一层几微米厚的单面复合铜箔。26单芯电缆护套单芯电缆的护套形式有两种：a) 挤包一层塑料，常用的塑料为FEP、PFA、ETFE(乙烯一四氟乙烯共聚物)和PVC(聚 氯乙烯)；b)绕包一层自粘型聚酯(PET)薄膜。 根据实际需要，护套层的颜色可为白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕、灰等颜色。27多芯电缆根据实际使用需要，可将若干根单芯同轴电缆(多者可达300芯以上)采用同心式或单位式 绞合成缆：签，然后在缆芯外进行编织屏蔽，最后挤包一层塑料护套。常见的护套材料为PVC、橡 胶、氟颦料等。带状电缆则是将多根单芯同轴电缆并列地排列成一行并用PET薄膜或镀铜PET 薄膜粘结成带状。3性能要求31指标确定原则以当前电缆精细加工所能达到的水平，要制造出在传输性能、机械物理性能和环境性能各方 面均优异的极细同轴电缆还有较大难度；而由于电缆多加工为短段组件使用，对电缆传输性能提 出过高的要求是不必要的，属于“设计过剩”(over design)。应当根据电缆的实际使用要求，提 出恰当的性能要求。即使是相同结构尺寸的电缆，由于使用场合的不同，其性能的要求也不尽相 同。基于此原则，编制标准时对部分指标进行了分级或留待电缆制造商与用户协商确定。 32极细同轴电缆的检测项目321结构尺寸电缆结构尺寸测试项目主要有导体尺寸、绞合节距、编织或缠绕节距、绝缘最小厚度、护套 最小厚度、绝缘和护套的同心度、电缆外径等。由于电缆尺、j。较小，进行上述指标测试时通常采 用测量显微镜进行测量。322机械物理性能和环境陛能3221电缆拉断力 目前，极细同轴电缆在使用过程中受到外力拉伸时，通常内导体先断裂。据此，规定单芯电缆或多芯电缆中的每根单芯电缆在拉伸试验时，内导体断裂时的拉力即为电缆“拉断力”。考虑到 使用场合的多样性，此指标由电缆制造商与用户协商确定。3222弯折和扭转寿命用于某些场合(如翻盖或屏幕旋转手机)的电缆常常会受到弯折和扭转，这种机械运动可能会破坏电缆结构，最终导致电缆失效。考虑到不同的使用场合对电缆的弯折和扭转寿命要求各不一44：；：要掌雾掌0公：07臻鼍甍署善io如t*n相同，对此指标进行了分级处理。具体规定为单芯电缆或多芯电缆中的每根单芯电缆的弯折和扭转寿命达到以下水平：a)普通场合使用的电缆：l 000次咀上； b)频繁弯折场台使用的电缆：100000次以r； c)弯折和扭转时电缆上所承受的拉力应不小于电缆拉断力的10。试验方法如下： (1)弯折寿命试验将长约500 mm的试样如鹫4(a)所示垂直悬挂，在试样下端挂一砝码，其重量不小于屯缆 拉断力的10然后按-，一_的步骤对试样进行弯折，每个步骤弯折角度为90。，弯折 半径为12 7mm，以上4个步骤完成岳为一次循环。每分钟循环次数币少于15次。试验时应将指 示灯或蜂鸣器接在试样两端的内导体上以指示内导体的通断情况。当内导体出现断裂时终止试验，并记录此前己完成的循环次数。 (2)扭转寿命试验将长约600film的试样夹到工作原理如图4(b)所示的扭转机上夹且间隔300 nun，在试样 一端挂一砝码，其质量不小于电缆拉断力豹10。然后按一n1的步骤对试样进行扭转 每个步骤扭转角度为180。，完成以上四个步骤为个循环，每分钟循环次数不少于30次。试验 时应将指示灯或蜂鸣_；!接在试样两端的内导体上以指示内导体的通断情况。当内导体出现断裂时 终止试验，并记录此前已完成的循环次数。(a)可折寿命试验Ib扭转寿命试验 图4弯折寿命和扭转寿命试验32 2 3导体、绝缘和护套的机械物理性能文献 中没有直接规定导体、绝缘和护套强度和断裂伸长率。其主要原因是：曲电缆的拉断力、弯折和扭转寿命能问接地反映导体、绝缘和护套强度和断裂伸长率a拈上海酆波茎；雪薯毒雾拿篁誉喾警锶丧冬荟嚣墓袭b)由于极细同轴电缆尺寸较小，多数情况下难以从成品电缆上完好地将导体、绝缘和护套分离出来进行强度和断裂伸长率试验。3224绝缘收缩 从成品电缆上取下的绝缘芯线，应无明显的常温收缩现象，且热收缩率不超过3。绝缘热收缩按GBT 295113-2008中第10章的规定进行试验，试样长度L取40 mm。将制取的试样放在循环 通风烘箱中在255土2下保持l h，然后在室温下放置2 h后再进行测量。切割绝缘试样时引起的 收缩量应计入总收缩量中。3225环保性能 电缆的环保性能应满足SJT 1 1363规定。3226其它机械物理性能和环境性能 今后将考虑增加成品电缆热老化后的电缆拉断力、弯折和扭转寿命试验。33电气性能在制订标准时，应当综合考虑产品的通用要求和特殊性。文献u中提出的电气性能要求如下：a)内导体直流电阻20时铜及铜合金内导体直流电瞰(欧米)应满足公式(1)或公式(2)要求，铜包钢线最大电阻值为公式(1)或公式(2)计算值的22倍。实心内导体：R墨00274d?(1)绞合内导体：R000392d2(2)式中：函是单根导体直径，单位为mm，,7是绞合导体中单丝直径，单位为mnl。由19根单线绞合成的导体，其直流电阻由电缆制造商与用户协商确定。b)绝缘介电强度内导体直径在013 innl以下的电缆，在内外导体间施加交流200 V或直流300 V电压，施加电压3 s内不发生击穿。内导体直径在013 mill及以上的电缆，在内外导体间施加交流300 V或直流450 V电压，施加电压3 s内不发生击穿。c1绝缘电阻内外导体问绝缘电阻应大于1 000 Mr2m，测试电压为直流100 V，施加电压60 s后读数。 m特性阻抗在10 MHz频率下，标称特性阻抗在75 Q以下时，其波动范围为-4-2 Q。标称特性阻抗在75 Q及以上时，其波动范围为3 Q。 e1驻波比由电缆构成的组件用于传输高频信号且组件长度大于04 m时，驻波比应满足：5003 000MHz时，VSWR13；3 001-6 000 MHz时，VSWR15。 t3工作电容 常用电缆工程设计用工作电容参考值如表4所示。46茎；兽薯尝磐掌0鬻譬鼍名焉丧冬套嚣茎轰Ohi暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议I-Bmlt 表4常用电缆工程设计用工作电容参考值电缆型号，工作电容(pFm)UCFlFl一50012一l l110-a：6UCFlFl45018-1 l115士6UCFlFl5002015102士6UCFlFl-5002515102土6UCFlFl50O-321l105士6UCFlF2500401395士5UCF2F2500691 395土5UCF2F2500891395士5UCF2F 150O806395一5UCF2F 1750846365士4UCF2FI750666365j：4UCFlFlFl4201715x40120士6UCFlFlFl4201715x60120士6UCFlFIFl-4201715100120士6UCFlFlFl5002015x40105士6UCFlFlFl50O2015x60105士6UCFlFlFl50O2015x100105士6UCFlFlFl5002415x40105-6UCFlFlFl500241560105士6UCFlFlFl5002415x100105+6UCFlFlV50O121lXl96P115+6 UCFl F550025J l x20FUCFlF5-5002511 x30FUCFlF5500251 lx40F105士6 UCFIF5500251 lx50FUCFI F550025一11 x60F曲衰减常数 常用电缆衰减常数如表5所示。表5常用电缆衰减常数电缆型号频率瓜mz衰减常数(dBm)，20CMax，UCFlFl-500121lO01710UCFlFl-450181 1101501OO-393505250O55UCFlFl500201575O5910O631506947。lI-|上海部波第二届高品质射频电缆墨组件技术研讨会暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议20O72UCFlFl500251510060UCFlFl500321 l100140100088900278UCFIF250040132 0004703 0005809002091 5002731 90031l2 400351UCF2F2500691 33 0003944 0004535 0005125 8005626 0005931 000，152 000222 40026UCF2F250089133 000284 000345 000386 00043100O57900161UCF2FI50O80632 0002463 000310100052UCF2F17508463900162100055UCF2F175O666390019lUCFlFlFl4201715x401 00071UCFlFlFl42一O1715x601 00071UCFlFlFl4201715x100l 00071UCFlFlFl-5002015x40l 00060UCFlFlFl5002015x601 00060UCFlFlFl5002015x1001 0006OUCFlFlFl5002415x40l 00055UCFlFlFl-5002415x60l 00055UCFIFIFl-5002415x100l 0005548茎；兽要掌娄善窖Z黝冬甍嚣銎袁铂上海飘波暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议一一一一一一UCFlFlV50O121 lXl96PO01086 UCFlF550O25一11 x20FUCFIF550-025一llx30F10O5UCFlF550O25一ll x40F10017UCFlF550O251l xSOF1 00057UCFlF5500251lx60F4生产工艺流程电缆的生产工艺流程如图5图7所示。图5单芯电缆生产工艺流程图6多芯圆形电缆生产工艺流程图7带状电缆生产工艺流程5电缆关键制造技术51导体材料除了尺寸较大且对机械物理性能要求不高的极细同轴缆外，为了保证电缆具有良好的机械物 理性能和便于加工，绝大多数极细同轴缆的导体材料采用合金材料。常见导体材料的性能及主要 应用场合见表6。铜合金虽然具备较高的机械强度，但因其电阻率高而降低了电缆的传输性能。 铜材的微小缺陷或添加合金分散不均匀都会严重影响导体的机械物理性能。制备既有良好的机械49蕊上海酆波茎；兽薯尝要害窖装瑟冬焉丧冬套嚣蒌轰性能又有较高导电率的铜合金具有较大难度，国内研发和制造水平远落后于日本企业，只能生产 技术难度较低的锡铜合金。表6常用导体材料的性能及主要应用场合j，材料名称纯铜国产03锡铜合金进口银镁铜合金进口锡铟铜合金；抗拉强度MPa210600950850导电率IACS100708575弯折寿命差纯铜的10倍以下纯铜的10倍以上纯铜的lO倍以上 最小单丝f气径mm0050050009 8O016电缆弯折寿命要求低或绝缘外径在 电缆弯折寿命要求高或绝缘外径在04 主要应用场合04 Inln及以上的电缆内、外导体材mm及以下的电缆内、外导体材料料 注：最小单丝直径是指在目前的设备水平下，能用于电缆生产的最小单丝直径，不是指拉丝工序能拉 制的最小尺寸。52绝缘材料能用于薄肇绝缘高速挤塑的氟塑料，应当具有较高熔融指数和熔体延伸率。配用色母料应当 与绝缘料有良好的相容性，其中的颜料或染料的颗粒直径应细腻而分散均匀，否则将导致挤塑时 出模熔体锥有明显的“熔体坨”、且无法拉细到所要求的绝缘外径。53生产设备生产极细电缆涉及的设备主要有拉丝机、退火镀锡机、管绞机、氟塑料(发泡)绝缘生产线、 编织机、缠绕机、绕包烘烤机、护套生产线。这些设备的工作原理和结构与传统的设备基本相同， 主要的差异在于采用了高精度的微张力控制系统，并精心设计控制系统和传动系统的相关细节， 以减小张力对加工精度的影响。当前，生产极细同轴电缆的关键设备主要依靠进口。 54工艺技术要获得较高的生产效率，首先需要通过计算和试验等工作制订适当的工艺参数；其次需要保 证工艺参数稳定在电缆最终性能许可的范围内。现以几个重要的工艺参数的确定为例来说明极细同轴电缆的工艺技术。 拉丝工艺。应根据拉丝机的实际减缩率来分配各模具的尺寸，模具尺寸精度通常应保证 在士O000 2 mm左右。其次，针对不同的导体材料，模具的压缩区锥度、润滑液品牌及浓度应有所 差异。此外，还应严格控制润滑液的温度，以确保润滑效果和表面张力，确保拉丝不断线和良好 的质量。目前，成都普天电缆股份有限公司连续大长度拉制直径0012 mm导线的速度已达到900 mmin以上。退火镀锡工艺。首先根据导体材料、线径和伸率要求确定退火温度、生产速度和助焊剂 浓度。其次要调整好放线张力、生产过程中导体在各导线轮、压线杆等处的曲率半径。目前，成 都普天电缆股份有限公司的退火镀锡生产情况如表7所示。50茎；兽薯掌要害0鬻譬鼍丧冬套嚣蒌袭ol-|i-imlm暨中电元协光电线缆分会第九次专家组会议表7成都普天电缆股份有限公司退火镀锡情况铜线直径_mm生产速度Inmm1同时开机头数，台机器段Kkin，：00801029032 200050081003220O0300513024 15O016O0312012 100012O0169012 10 氟塑料挤出工艺。以FEP绝缘挤出工艺为例，宜先通过毛细管流变试验确定在预设加工 温度(主要指挤塑模定径段温度)下发生熔体破裂的临界剪切速率h哪。FEP的Ymz多在(10 1 10)s一，因此采用挤压式挤出将很容易造成熔体破裂，挤出表面不光滑。当采用挤管式挤出时， 需要根据预想的拉伸比(DDR)和平衡拉伸比(DRB)的范围，通过反复试算确定模具尺寸。DDR 和DRB计算如下：DDR=(DD2T)(DOD2-D00)(3)DRB=(DDDOD)(DTDOC)(4)式中：DD是模盖孔径，单位为mm；DT是模芯外径，单位为mm；DOC是前导体直径，单位为姗；DOD是挤包后外径，单位为mm。然后预设生产线速度，计算最高线速度下熔体在模具定径段(即模芯与模盖间隙最小处，熔体在此受到的剪切最为厉害)熔体受到的剪切速率尹，保证其不超过；若有超过，需要重新试算模具尺寸或降低生产线速度。可选择的DRB宜控制在100110之间，它反映了熔体出模后 流向熔体锥的内层或外层的趋势。应避免出现DRB小于100，因为这意味着内层熔体有脱离导体 的趋势，只不过当DRB小于但十分接近100时，机头抽真窄可在一定程度上弥补；DRB大于100 则反映外层熔体卷向内层，当DRB过高时，如果机头再抽真空将使挤塑稳定性更加恶化。不考虑 塑料在熔化和常温状态下密度的不同，模盖内壁熔体受到的剪切速率尹(sJ)可粗略计算如下：200(DOD2一DDC2)y，、。(+Dr)(DDD丁)2式中y为挤包时生产线速度(mmin)。 拉伸比宜在50120之间。可通过观察熔体锥的稳定来判断挤出稳定性。对于绝缘外径较大、厚度较高的绝缘芯线，产生熔体锥下坠、绝缘层不圆整现象与挤出温度过高、塑料(含色母料) 吸潮等引起熔体强度降低、机头未抽真空等因素有关；对于绝缘外径较小、绝缘层较薄的绝缘层， 熔体锥断裂(脱料)则可能和挤塑温度低造成熔体延伸率下降有关，也可能和挤管拉伸比过高、 而机头抽真空过于强烈造成熔体锥长度过短有关。熔体锥断裂还应重点检查熔体塑化质量或其中 是否有未熔化的杂质(如颗粒较大的颜料)。绝缘厚度越薄，对熔体塑化质量要求越高。此外，滤 网缝隙(边长)尺寸大致为(15 400滤网目数)(I幢rn)，该尺寸可能大于绝缘厚度，