在同轴电缆中尽可能减小温度引起的相位变化

Minimizing Temperature Induced Phase Errors in Coaxial Cables

David Slack，Times Microwave Systems, Wallingford, Conn.

PTFE(杜邦特氟龙)作为传输电缆的介质材料已经有几十年的历史。在室温条件下，PTFE会发生状态改变，使其体积产生阶跃突变以及相对介电常数发生变化，并呈现电长度变化的“滞后”效应。这些电长度的变化很难通过系统软件或其它途径进行可靠预测和计量，从而导致系统性能的衰减。有机和无机介质材料的发展为一些基本性能指标带来巨大改进。本文将比较几个同轴电缆技术：温度变化导致的相位变化关系；多组电缆间电长度的跟踪性能和温度变化之间的关系；多组电缆间在环境温度改变时的电长度跟踪性能；多次温度循环后电长度的重复性能。此外，机械振动和导体与介质材料之间相互作用产生的寄生相位噪声及相关的电长度参数也将在文中讨论。

Oliver Heaviside注意到，将一根电话线用绝缘体包裹，会提高信号质量及有效通信距离。1880年他申请了世界上第一根同轴电缆的专利。1929年美国电话电报公司贝尔电话实验室的工程师申请了第一根现代同轴电缆的专利。以今天的标准来看，它由两根同轴金属管构成，以空气做隔离，显得比较粗糙。

1930年代杜仲橡胶 (一种天然橡胶)是早期柔性同轴电缆的主要介质选择。第二次世界大战期间，聚乙烯成为主要的绝缘介质材料。1950年代开发出“发泡”工艺，减少了电缆电容及损耗。

60年代固体全密度聚四氟乙烯（PTFE）或Teflon被广泛使用。其拥有更高的温度范围、更低的损耗因数、更低的介电常数及在更宽的温度和频率范围下的性能一致性，成为理想的同轴电缆介质。70年代与80年代，制造商开始使用拉伸扩展型的低密度版本的PTFE，进一步达到了较理想的性能指标。90年代对电长度稳定性需求的增加，使制造商开始使用超低密度PTFE介质。这些产品的确有了显著的改善，但仍有一些内在局限性。其中最主要的限制是相位对温度的“拐点”问题：由于PTFE分子的基本材料特性而导致的电长度阶跃变化。这种效应可以最小化，但不可能消除。

2004年同轴电缆产品使用TF4技术以解决该问题。2015年进一步优化和改进工艺，发展了更新的TF4技术，对比PTFE介电材料，其在相位敏感的应用中拥有非常明显的优势。

性能指标

理想的微波电缆组件应具有零损耗、零能量反射及零电长度变化。这些理想的属性应在系统部件所处的任何环境下保持不变。在实际应用中我们要努力实现这些理想的属性。但实际上同轴电缆组件电长度的变化确实与其所在的环境温度变化有关。

相位变化和温度变化之间的关系

众所周知，用于构成同轴电缆组件的金属具有正向的扩张温度系数。电长度与物理长度是直接相关的。很明显，温度升高，物理长度会增加，电长度也会随之增加。

相反，大多数微波电缆组件的电长度具有负向的温度系数。图1说明了温度对一根理想电缆组件电长度的影响。中心导体的轴向长度随温度升高而增加。外导体也同样随温度而增长并直接影响外导体直径的变化。这会导致介质密度的细微变化从而改变相对介电常数。该相互作用对介电常数产生了影响，使电长度的变化与金属的膨胀-收缩作用成反比。这一现象至关重要，使理论上平衡两者以达到温度相位零变化成为可能。

 图1

实际上使用PTFE作为传播媒介的电缆组件，在室温下介电常数总会有一个阶跃变化，导致电长度发生相应改变。图2说明了PTFE介质的同轴电缆，温度对相位的影响。

 图2

相位跟踪和温度的关系

实际上，相位匹配的电缆组件不会随着温度的变化而保持相对匹配。相位跟踪是指保持电缆组件之间初始相位值不变的性能。图3说明了两根原本在室温下已经相位匹配的电缆组件，随着温度的改变其相位跟踪发生变化的情况。

 图3

众多因素决定良好的相位跟踪性能。最关键的是电缆在单位长度上各方面的一致性。包括电容、阻抗及导体机械性能的一致性，这些都对相位跟踪性能的好坏起关键作用。任何温度下的相位匹配值，是初始匹配值与相位跟踪的变化值相加得到。图4说明了相位跟踪也与电缆在室温匹配时的初始相位差有关。

 图4

室温下的相位匹配

对于相位敏感应用的电缆组件，我们期望每个组件的相位是匹配的，环境温度导致的相位变化与最初的电长度成一定比例，具有相同电长度的组件在相同温度下保持相位一致。

相位重复性与温度的关系

几乎所有的系统应用都会经历几十或几百次温度循环。计量在每次特定温度循环下是非常重要的。半刚电缆表现出最好的一致性。一根制作良好的柔性电缆也有较好的重复性，但同时它又存在内在变化性，这是由扩张/收缩的介质和外导体结构之间的相互作用引起的。图5显示了相位匹配、温度和重复性对几组电缆组件的实际相位跟踪性能造成的叠加影响。

 图5

相位滞后与温度的关系

图6显示了PTFE材料由于其滞后特性使电缆相位温度特性进一步复杂化。PTFE的一系列特性使之成为最佳的电缆介质材料。但它有一个明显的缺点：在18-20摄氏度之间会经历分子相位变化。这个相位变化导致了1.5%的体积变化与对应的介电常数变化，从而导致了电长度的突然改变。这种影响可以通过使用低密度PTFE介质而减少，但是不能消除。此外，这种相位突变在温度上升和温度下降时开始变化的温度点是不一样的。这种滞后效应大大降低了相位跟踪性能。

 图6

典型微波电缆的性能

目前及未来相当一段时期内，PTFE是最常见的用于微波和毫米波电缆的电介质材料。它有两个基本大类，全密度(ε_r=2.01)和低密度(ε_r=1.73)。另外还有超低密度PTFE(ε_r=1.42)，其被优化用于构成相位稳定的电缆。这些电缆由于超低密度结构提供极少的机械支持，极易受到机械损坏。

总而言之，单位长度低密度PTFE电介质密度一致性的差异，会直接导致相位跟踪性能的差异，这在达到电缆额定温度时尤其明显。图7叠加显示了一些高性能同轴电缆的相位随温度变化的“足迹”。

图7

刚性核心、全密度PTFE电缆非常坚固，其相位温度斜率为最大，分子相位变化效应也最为明显。

低密度微孔PTFE介质核心可以用不同的方法制成，这些方法都有着类似的工艺。把固体PTFE材料置于可控的拉力拉伸并逐渐升高温度。接着在保持张力的情况下冷却，就会产生一个“拉伸的”PTFE材料，可用于构成电缆的绝缘体。大多数相位敏感微波应用的电缆都会用到这些低密度PTFE。在相位随着温度变化时，低密度材料会使相位温度斜率最小，同时使电缆电长度的“阶梯跃变”变小。

PTFE的替代品

目前已经开发出了几款能替代PTFE同轴电缆的产品，并且在系统级性能上面有了显著的改善。由于改进了导体和介质对相位影响的平衡性，从而提高了电缆的相位温度性能，所有这些替代品已经消除了相位温度拐点。

二氧化硅半刚性电缆组件

二氧化硅被用作电缆的绝缘介质材料已经有许多年。二氧化硅材料非常易吸湿。因此它必须用于完全气密的电缆组件中(泄漏率小于5 x 10^-8 Atm-cc/sec He)。这种电缆组件在结构上属于半刚电缆，外护套是铜包钢，并且直接和不锈钢连接器外壳进行焊接。由于电缆结构的一致性和绝缘介质的无机性，该电缆表现出极优异的温度相位重复性和跟踪性(图8)。基于这些材料的使用，便能做出非常牢固的电缆组件。除此之外，由于介质有类似于压紧的沙子的特性，所以能在电缆受到挤压时对外导体提供很好的机械支持。不锈钢和二氧化硅材料都具有极优异的抗辐射和抗腐蚀性能。可以在绝对零度到超过600摄氏度的范围内使用。它们在航空航天应用中是系出名门，当之无愧的。

 图8

TF4半刚电缆组件

时代微波系统最新开发出一款基于氟聚合物的介质材料TF4™。该材料有与PTFE类似的温度等级并且消除了介电常数的突变效应。因为其制作工艺是熔化挤出，所以可以得到比一般低密度PTFE在单位长度上更均匀一致的结构，从而提供了更优秀的相位跟踪和重复性能。此外，半刚结构和二氧化硅组件一样都是均匀的管状结构，所以该结构可以提供匹敌二氧化硅组件的重复性能且无需使用不锈钢导体及特殊设计的连接器。TF4半刚电缆组件可以采用通常有现货的连接器来生产，事实上，它可以使用任何用在普通PTFE介质的半刚电缆组件的连接器。

该材料的另一个优点是其具有“微孔”的介质结构。为了平衡电缆导体和介质对相位的影响，介质材料需要降低密度，但是这样会同时降低机械强度。使用超低密度(速度因子Vf=84%)的TF4介质有着和标准密度(Vf=76%)拉伸型PTFE带同样的硬度测量值。这样就能够做出足够机械强度的电缆且不再需要沉重而昂贵的结构来保证机械强度。图9显示了用TF4材料制造的半刚电缆的相位性能。

 图9

TF4柔性电缆组件

正如TF4介质可以直接替代PTFE介质的半刚电缆，对柔性电缆来说其介质也是可以直接被TF4所替代的。TF4柔性电缆和PTFE介质的电缆在尺寸上很接近，另外它们的外观和使用起来的感觉也与PTFE介质的电缆几乎相同。TF4柔性电缆的优越性来自显著改进的相位、相位跟踪和重复性随温度变化的性能。

图10和11比较了柔性PTFE和TF4电缆组件的温度相位特性。每种电缆包括了10根完全相位匹配的组件，既表现出了相位温度特性同时又表现出了跟踪特性。

 图10

 图11

稳相性能比较

相位变化与温度的关系

图7中的五种电缆技术在相位温度曲线中的表现有很明显的差异。刚性PTFE介质的电缆在温度相位曲线图上明显表现出一条很陡的斜率曲线，尤其在室温区间内更为陡峭。在15℃至25℃的室温区间内其相位温度斜率大概是-130PPM/℃。这样的电长度变化率比低于15℃时的变化率快了超过4倍。低于室温时的电长度温度系数是-30PPM/℃。

这种相位温度大斜率的变化会发生在所有以PTFE为介质的电缆中。斜率的大小可以通过降低介质的密度来得到改善，但是由于PTFE材料的性质，这种斜率突变是无法从根本上消除的。图10显示了经过合理优化改进的“微孔”PTFE的斜率。介质的影响经过这样的改善平衡了金属涨缩的影响，在室温范围内其相位温度曲线会低于一般PTFE材料的曲线。其相位温度曲线斜率在室温范围外也会相对平坦。虽然有所减少，但是在15℃至25℃的范围内仍旧表现出一个非常明显的相位温度曲线斜率：大约-85PPM/℃。

一些厂商已经可以提供“超”低密度的PTFE介质，其传播速度因子可以超过85%，这样就更进一步改进了室温时的相位温度变化。这些产品通过过度补偿介质导体间的相位平衡使之形成稍许偏正向的相位温度斜率，斜率线会位于原PTFE“拐点”曲线的上方和下方，并进一步减少材料位于相变温度带时的电长度斜率。这些产品的特性并没有在本文中加以阐述，因为它们的绝缘介质已经变得很脆弱，在很多场合是不适用的，除非用在一些不需施加（或极小的）机械应力的应用中。由于介质只能提供如此微弱的机械支持，这些电缆往往表现出机械性能的退化和结构引起的回损及稳定性问题。

用二氧化硅和TF4作为电缆介质能解决这些问题且不用增加电缆尺寸或重量。它们经过合理优化导体和介质之间的相位平衡使之在运行温度范围内消除了斜率的突变，并且在机械强度和可操作性上达到或优于低密度微孔PTFE产品。

相位追踪和温度的关系

另一个同轴互联产品所需具备的重要特性是在整个系统运行温度范围内多组信号通路间保持相对电长度的稳定，这个多组电缆组件间相位保持“跟踪”的特性在一些不能够进行校验的硬件体系结构应用中尤为关键。总的来说，同轴电缆组件关系到相位跟踪这一关键特性是由电缆单位长度上的一致性决定的。这个一致性是指电缆单位长度上的介质密度、导体单位长度、材料特性、导体几何尺寸和加工工艺这些因素上都要做到一致性。

再回到图7，便可以得到一些合理且清晰的经验推论。这五种介质的样品，每一种都是10根完全一致的电缆组件，并在室温环境下进行相位匹配。可以看出，刚性介质的跟踪性能要优于密度较低的介质，半刚电缆的跟踪性能要优于柔性结构的电缆（又一个证明超低密度PTFE技术不切实际的例子）。

比较图10和图11可以看出改进跟踪性能的TF4材料和微孔PTFE材料之间的差异。两幅图形所展示的数据都是由结构完全相同的电缆得出，唯一区别就是介质的不同。且这两种电缆都是标准的柔性电缆。PTFE这一组电缆的跟踪性能是±200PPM，而结构完全相同的TF4电缆可以达到±100PPM。

如果把外导体从柔性电缆常用的编织结构变成刚性管结构，跟踪性能可以进一步达到±50PPM。由于其刚性几何结构、无机介质材料和全焊接结构，二氧化硅产品可以提供极优异的跟踪性能，可以达到±25PPM。

相位重复性和温度的关系

另一个相似但略有不同的温度相位属性是相位重复性。它用于表征电缆在多次往返经过一个给定的温度范围能恢复到给定电长度的特性。该特性与相位跟踪密切相关。事实上，跟踪性能很好但重复性能却不好的情况是不太可能存在的。

图12比较了超低密度PTFE电缆和采用相同电缆结构但使用TF4介质的相位重复性能。该图绘出了在-60至+100摄氏度范围内这两种电缆的电长度的变化。红色点是PTFE电缆，绿色点是TF4电缆。可以看出，TF4的变动范围仅为PTFE的四分之一。这对电缆组件在相位跟踪温度性能方面的进步是贡献巨大的。

图12

相位跟踪性能和环境温度变化之间的关系

到目前为止所有的讨论都基于电缆组件处于完全相同温度下。实际上这是不可能达到的。通常电缆在设备中分布的区域会有稍许不同而这些区域的温度也会不同。只要电缆是完全匹配好的就会保持跟踪。但是一旦它们所处的环境温度有些许变化，跟踪性能会下降得很快。相位温度曲线斜率越大，相位跟踪性能就下降的越厉害。图13显示了两根刚性PTFE电缆在±2℃环境温度变化下的相位温度响应。假设系统经历了整个温度区间的变化，而系统硬件环境在两根电缆间产生了4℃的温度变化，这就会导致两根电缆间800PPM的电长度差异。对于低密度PTFE电缆这个数值会减少到大约500PPM。当然最大差异会发生在相位温度曲线斜率最陡的温度范围内。图14提供了所有种类电缆在4度温度变化下的相位跟踪性能的比较。

 图13

 图14

产品“混用”

有些情况，只允许有极小的绝对温度相位改变，而且绝对相位跟踪性能也十分重要。对于这些特殊的要求，一种称为“混用”的技术可以得到很好的结果。

TF4介质表现出来的相位温度特性曲线有极小的负向斜率，而二氧化硅介质有极小正向斜率。当同时使用这两种组件：一端用TF4半刚电缆，另一端用二氧化硅半刚电缆并用转接器连接起来，其结果就是相位斜率的相互抵消。这两者的影响和它们所占电缆长度的比率有关。通过调整两者的电长度，可以完全平衡并有效消除相位温度曲线的斜率。从图15可以看出，负向斜率的TF4介质半刚电缆若和正向斜率的二氧化硅介质半刚电缆连接，则在-40℃至60℃的温度区间内相位温度响应曲线是完全水平的。

 图15

总结

对于相控阵天线和其它系统结构，优秀的相位温度性能是不可或缺的。而且对于实验室环境的应用更为重要，因为实验室的环境温度范围往往就是PTFE拐点产生的温度范围。而且从一个较冷的房间去到较暖的房间过程中，之间的温度差异对相位敏感的测试来说会有极大的影响。不管在何种应用中，只要用到相位敏感的设备，一定要考虑哪怕是最基本的元器件对整体性能的影响。目前虽然还没有技术能提供一个“完美”的互联，但是总能找到一些可操作的方法去接近它。