I. 引言
在當今時代，微波電纜組件的應用環(huán)境越來越富于挑戰(zhàn)性，比如暴露在極端的溫度變化下;接觸化學物品;經常受到磨擦和彎曲。還有一些其它的挑戰(zhàn)，比如要求電纜組件不但小巧輕便，還要經濟耐用。為了確保信號的完整性和產品的可靠性，我們必須對影響電纜全面性能的電氣、機械、環(huán)境和特定應用等限制條件等進行評估。這些變量對電纜絕緣體和電纜護套以及電纜構造均有直接的影響。同時，試驗和數據分析是鑒定這些電纜在特定環(huán)境下是否仍然可靠的關鍵。
II. 評估限制因素
環(huán)境因素對微波/射頻電纜組件有很大的影響。電氣性能可能是首要和最主要的考慮因素，還有很多其他因素也是影響信號完整性的潛在因素，例如：內部和外部的電磁干擾(EMI)、電壓駐波比(VSWR)和插損。如果沒有其他環(huán)境因素影響的話，電氣性能一般是非常可靠的; 但是在受機械性能、環(huán)境因素或者特定應用壓力的影響下，維持可靠的電氣性能則具有很大的挑戰(zhàn)性。
對電纜施加的不同動作均會產生機械應力。彎曲能使電纜里面產生動能，如果沒有妥善處理，會導致嚴重損壞。當電纜屬于人工操作設備的一部分時，最容易對電纜造成機械應力。操作人員踩住或翻轉電纜時均有可能扭折、壓折或壓壞電纜。因此，電纜的抗擠壓和抗拉伸強度對于克服機械應力至關重要。同時，便攜設備的電纜跟鋒利的表面接觸時會被割傷或磨損。受重力和振動等復雜因素的影響，機械應力對裝備的穩(wěn)定性存在極大的危害并造成電纜過早損壞。
環(huán)境壓力來自電纜的物理使用環(huán)境。極端的溫度和壓力對電纜的材料會產生一定影響。低溫會讓電纜變硬，而高溫則使電纜變得非常軟。真空環(huán)境使電纜產生溢油和添加劑的泄漏會對無塵生產工藝造成污染，同時液體靜壓力會導致氣體或液體滲透電纜護套。不同等級和形式的輻射也會對絕緣和護套材料造成不同程度的損害。電纜移動所產生的摩擦力會破壞電纜護套。而泥土等污垢、化學物品或金屬碎片則會對金屬護套造成損害， 環(huán)境壓力對絕緣和護套材料存在嚴重危害，因此在設計這些電纜組件時，首先應對這些因素進行充分的考慮。
特定應用的壓力來自電纜應用的特殊環(huán)境所受到的限制。在航空航天應用中，為了減輕起飛時承載的重量，對電纜的要求是盡可能的小而輕。如果電纜由技術人員和其他人員操作使用，就需要對易燃性、電壓和鹵素使用等安全因素多加考慮。
造成電纜組件設計比較復雜的原因之一是電氣性能、機械性能和環(huán)境性能等因素相互交織在一起。每個因素都會直接影響其他因素;因此必須在特定應用的環(huán)境下對組件設計方面進行全面測試。III. 選擇正確的材料
如要確保高質量的穩(wěn)定信號，須對電纜的絕緣和護套材料特性進行評估，因為這些屬性對于電纜能否適應嚴格要求起著決定性的作用。信號電纜所采用的電介質材料不但影響到信號的完整性，而且也影響到電纜的耐用性。外護套所采用的材料影響到電纜的耐壓性和耐磨性。護套材料應能抵抗所有外在的影響因素(比如：溫度、摩擦、液體和氣體)，才能保護電纜里面的導體。有很多材料都可用于制作電纜的絕緣體和護套，其中很多材料均有各自的特定用途。因為每種材料有著各自的屬性，其中有些材料更適用于設計微波電纜，以滿足特定環(huán)境要求。
A. 硅膠
硅膠(表I)主要用于電纜護套，在低溫環(huán)境下仍能保持高柔韌性。但是，它易斷，而且其粘性表面會產生比較高的摩擦力，所以不適合潔凈室環(huán)境。硅膠的抗拉伸強度和抗撕裂強度比較低，因此使用此種材料制作的護套比其他材質更厚。可以通過某些表面處理的方法降低摩擦系數，但是隨著時間的推移，這些處理會被漸漸磨損掉。硅膠具有極好的耐輻射性，但是可用于制作電纜護套的硅膠等級已眾所周知，因為在真空應用中，比如熱真空艙的應用中，會產生硅油泄漏。如果還需要考慮重量因素，那么硅膠就不是最佳選擇。如果重點在于其柔韌性而不在于重量，則硅膠是一個理想選擇。但是，處理硅膠電纜內的導體需要更多人工，從而導致更高的終端接頭裝配成本。
B. 聚氨酯
聚氨酯(表II)是一種很好的護套材料，但是由于耐電壓性能比其他材料低，而不用作絕緣。有無鹵素等級可供選擇。機械性上，聚氨酯柔性好，它非常抗擊穿、抗磨損。對阻燃性的處理不會降低它的柔性，但是，柔性更好的等級往往有粘性或發(fā)粘，從而導致更高的摩擦系數。環(huán)境方面，聚氨酯抗溶劑、紫外線、輻射和霉菌。聚氨酯的溫度范圍不寬，在-40℃左右變得易碎，其溫度上限為100℃左右。而且聚氨酯不抗化學清洗劑。
C. 聚乙烯
聚乙烯(表III)最適用于導體絕緣，由于聚乙烯護套比較硬，對電纜的柔韌性有影響。聚乙烯和泡沫材料一起使用時，具有很好的介電屬性。從機械力學角度來說，高分子重量的聚乙烯具有耐磨損和低摩擦的特點，但相對于其他材料來說，它還是顯得比較硬。與聚氨酯一樣，聚乙烯的應用溫度范圍也很小，很難將防化材料和聚乙烯材質的電纜護套相結合。聚乙烯的機械屬性在阻燃處理后會降低。
氟化乙丙烯 (FEP)、過氟烷氧基 (PFA) 和聚四氟乙烯 (PTFE) 等含氟聚合物均是很好的護套材料(表 IV)，尤其適用于失效成本很高的應用環(huán)境。在所有絕緣材料中，含氟聚合物材料的耐壓性最高。含氟聚合物可以承受極端的溫度，但是每種材料有自己的應用溫度范圍：氟化乙丙烯(FEP) 可以耐受從 -250°C 到150°C的溫差變化，而過氟烷氧基 (PFA) 則可以耐受從 -250°C 到 200°C的溫差變化。聚四氟乙烯(PTFE) 在從低溫到260°C的情況下也不會喪失其柔韌性 。含氟聚合物耐化學物品、酸和腐蝕性物品，同時它們均為不可燃物品。聚四氟乙烯和其聚合物還具有低脫氣的優(yōu)點，這對超高真空 (UHV) 環(huán)境尤為重要。多數含氟聚合物都是柔韌的，但是和耐溫性能一樣，其柔韌度會依據不同材料變化而有所差異。過氟烷氧基最硬，其次是氟化乙丙烯和聚四氟乙烯。同時，采用聚四氟乙烯制成的護套的柔韌度最好。在電介質、護套、導體和遮蔽線中添加任何成分將會導致真空脫氣。當這些材料脫氣時，微粒物質會凝固在制冷器表面，這也是在應用領域中最常見的。在人造衛(wèi)星上，從電纜中釋放的硅油或其他潤滑劑可使光學器件變得模糊不清。聚四氟乙烯具有化學惰性，不含有添加劑、油、潤滑油或增塑劑，因此在真空環(huán)境下是最佳材料。
E. 工程含氟聚合物
含氟聚合物的缺點之一是抗磨損和抗擊穿能力不強。某些含氟聚合物可通過工程處理來改良其物理、化學和電磁屬性，從而提高它在微波應用中應對特殊要求的能力。 四氟乙烯 (ETFE) 可通過輻照來改善其機械屬性和耐化學性，但輻照可以使其硬度增強，從而可以大大降低其柔韌性。聚四氟乙烯的自然屬性是耐熱和具有化學惰性，為此在改良它的電氣或者機械性能的時候，其溫度和化學屬性基本不會改變
現(xiàn)已開發(fā)了專門技術對聚四氟乙烯進行工程處理，使其更能應對環(huán)境和化學等方面的挑戰(zhàn)(表V)。用于絕緣導體的電介質材料對插損、電纜尺寸和柔韌性均有重要影響。電介質耗損越小，電纜所表現(xiàn)出的插損就越小。標準含氟聚合物的介電耗損為 2.1。為了減小電纜的尺寸，聚四氟乙烯的介電常數可以被設計為1.3。與聚四氟乙烯的標準結構相比，把電介質耐電壓提高2.5倍時，在頻率為10 GHz 時的耗損因素為 0.00015。按照這種屬性，用1/2000 英寸(50微米)厚的聚四氟乙烯層進行絕緣的導體就能承載1000 伏的電壓。另外一種經過工程處理的聚四氟乙烯可具有半導體的電氣特性，并可以用于提高電纜屏蔽效能。在耐磨損和抗擊穿性能方面，經過工程處理的聚四氟乙烯的抗拉伸強度比常規(guī)聚四氟乙烯強50倍，而且能夠承受從低溫到300°C的變化。
IV. 設計驗證
有些行業(yè)制定了電纜的安全、環(huán)境、性能方面的相關標準，但是對應用于很多惡劣環(huán)境下的微波電纜的要求往往高于這些標準。在這種情況下，制造商可能需要在模擬實際應用中的機械和環(huán)境壓力的同時，要開發(fā)附加測試來評估電纜的電氣特性。在所有的測試過程中必須監(jiān)測電氣性能和信號的完整性，至于該采用哪種測試方法，取決于應用的環(huán)境限制條件。
相位陣列應用要求利用同類型和長度的多種組件進行密切相位追蹤，以將系統(tǒng)性錯誤降低到最低。這些錯誤會影響系統(tǒng)范圍，出現(xiàn)混亂和干擾，同時也影響普遍的準確率。相位追蹤中的常見問題，有的是因為電纜組裝制造過程中的不良材料和工藝控制，有的是因為將不同制造商裝配的組件結合在一起。所以，應根據其使用的環(huán)境對相位追蹤和穩(wěn)定性進行全面測試。
機械力學方面的檢測主要驗證電纜在被擠壓、磨損、潛在擊穿、極度彎折、持續(xù)彎曲，沖擊和震動等環(huán)境中運行時的電氣性能。微波/射頻電纜的應用通常要求良好的相位穩(wěn)定性，而相位穩(wěn)定性在安裝、日常維護以及實際應用時會受彎曲和撓曲的影響。使用手持式測試儀器時，常常會將電纜任意彎曲，因為在移動測試儀器時，經常需要電纜組件纏繞在儀器上。在系統(tǒng)設計中應考慮到這些移動對系統(tǒng)運行的影響。在實驗室環(huán)境下，技術人員有可能將椅子的滾輪從電纜上滾過，這意味著需要將擠壓強度也考慮進去。在測試實驗室，很難模擬隨意彎曲動作，但是可以通過tic-toc測試，重復將電纜彎曲180°或者更大角度，以模擬最糟糕的情況。然后用拉伸試驗就可以模擬將電纜當作系繩的情形。在測試過程中，應該評估插損和VSWR。
在模擬電纜的應用環(huán)境條件時，比如溫度、海拔、極端的壓強;震動和加速;暴露在液體和氣體環(huán)境;或者濕度時，也需要測量電纜電氣特性。在進行海拔變化、機械沖擊和振動的測試時，監(jiān)測阻抗的變化也很重要。振動和撞擊可以導致機械和電氣故障，因為會出現(xiàn)金屬疲勞和焊接裂縫。溫度變化直接影響相位長度。如果溫度達到一個極端，電氣長度就會發(fā)生變化，如果溫度恢復正常后，電氣長度的變化和溫度變化的比例不一致(稱為遲滯現(xiàn)象)，那就很難應用信號的糾錯技術。在溫度循環(huán)試驗時，施加鎖模力可以監(jiān)測電纜絕緣體的耐壓性能，以觀察護套和導體的變化。
對電纜進行大量的機械和環(huán)境測試后，制造商應該按照應用要求，重新驗證電纜的電氣特性、絕緣體、護套材料是否仍然穩(wěn)定。
對于嚴格環(huán)境下應用的電纜，其失效造成的后果將會很嚴重。因此，確保電纜在使用壽命內的電氣和機械性能完整性至關重要。要做好這點，首先要理解危害電纜性能的因素;針對這些因素選擇正確的材料;并且通過電氣、機械和環(huán)境方面的測試來驗證電纜的可靠性。
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