I. 引言

　　在當(dāng)今時代，微波電纜組件的應(yīng)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(xué)物品；經(jīng)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(jīng)濟(jì)耐用。為了確保信號的完整性和產(chǎn)品的可靠性，我們必須對影響電纜全面性能的電氣、機(jī)械、環(huán)境和特定應(yīng)用等限制條件等進(jìn)行評估。這些變量對電纜絕緣體和電纜護(hù)套以及電纜構(gòu)造均有直接的影響。同時，試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析是鑒定這些電纜在特定環(huán)境下是否仍然可靠的關(guān)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(nèi)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(jī)械性能、環(huán)境因素或者特定應(yīng)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(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。彎曲能使電纜里面產(chǎn)生動能，如果沒有妥善處理，會導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞。當(dāng)電纜屬于人工操作設(shè)備的一部分時，最容易對電纜造成機(jī)械應(yīng)力。操作人員踩住或翻轉(zhuǎn)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(qiáng)度對于克服機(jī)械應(yīng)力至關(guān)重要。同時，便攜設(shè)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(fù)雜因素的影響，機(jī)械應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生溢油和添加劑的泄漏會對無塵生產(chǎn)工藝造成污染，同時液體靜壓力會導(dǎo)致氣體或液體滲透電纜護(hù)套。不同等級和形式的輻射也會對絕緣和護(hù)套材料造成不同程度的損害。電纜移動所產(chǎn)生的摩擦力會破壞電纜護(hù)套。而泥土等污垢、化學(xué)物品或金屬碎片則會對金屬護(hù)套造成損害， 環(huán)境壓力對絕緣和護(hù)套材料存在嚴(yán)重危害，因此在設(shè)計這些電纜組件時，首先應(yīng)對這些因素進(jìn)行充分的考慮。

　　特定應(yīng)用的壓力來自電纜應(yīng)用的特殊環(huán)境所受到的限制。在航空航天應(yīng)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(shù)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(shè)計比較復(fù)雜的原因之一是電氣性能、機(jī)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(yīng)用的環(huán)境下對組件設(shè)計方面進(jìn)行全面測試。

III. 選擇正確的材料

　　如要確保高質(zhì)量的穩(wěn)定信號，須對電纜的絕緣和護(hù)套材料特性進(jìn)行評估，因?yàn)檫@些屬性對于電纜能否適應(yīng)嚴(yán)格要求起著決定性的作用。信號電纜所采用的電介質(zhì)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(hù)套所采用的材料影響到電纜的耐壓性和耐磨性。護(hù)套材料應(yīng)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(hù)電纜里面的導(dǎo)體。有很多材料都可用于制作電纜的絕緣體和護(hù)套，其中很多材料均有各自的特定用途。因?yàn)槊糠N材料有著各自的屬性，其中有些材料更適用于設(shè)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(hù)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(chǎn)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(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度比較低，因此使用此種材料制作的護(hù)套比其他材質(zhì)更厚?？梢酝ㄟ^某些表面處理的方法降低摩擦系數(shù)，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(hù)套的硅膠等級已眾所周知，因?yàn)樵谡婵諔?yīng)用中，比如熱真空艙的應(yīng)用中，會產(chǎn)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(diǎn)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(nèi)的導(dǎo)體需要更多人工，從而導(dǎo)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(hù)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(jī)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(dǎo)致更高的摩擦系數(shù)。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(xué)清洗劑。

　　C. 聚乙烯

　　聚乙烯（表III）最適用于導(dǎo)體絕緣，由于聚乙烯護(hù)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(jī)械力學(xué)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(diǎn)，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(yīng)用溫度范圍也很小，很難將防化材料和聚乙烯材質(zhì)的電纜護(hù)套相結(jié)合。聚乙烯的機(jī)械屬性在阻燃處理后會降低。

　　D. 含氟聚合物

　　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(hù)套材料（表 IV），尤其適用于失效成本很高的應(yīng)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(yīng)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(xué)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(diǎn)，這對超高真空 （UHV） 環(huán)境尤為重要。多數(shù)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(jù)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(hù)套的柔韌度最好。在電介質(zhì)、護(hù)套、導(dǎo)體和遮蔽線中添加任何成分將會導(dǎo)致真空脫氣。當(dāng)這些材料脫氣時，微粒物質(zhì)會凝固在制冷器表面，這也是在應(yīng)用領(lǐng)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(xué)器件變得模糊不清。聚四氟乙烯具有化學(xué)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(diǎn)之一是抗磨損和抗擊穿能力不強(qiáng)。某些含氟聚合物可通過工程處理來改良其物理、化學(xué)和電磁屬性，從而提高它在微波應(yīng)用中應(yīng)對特殊要求的能力。 四氟乙烯 （ETFE） 可通過輻照來改善其機(jī)械屬性和耐化學(xué)性，但輻照可以使其硬度增強(qiáng)，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(xué)惰性，為此在改良它的電氣或者機(jī)械性能的時候，其溫度和化學(xué)屬性基本不會改變

　　現(xiàn)已開發(fā)了專門技術(shù)對聚四氟乙烯進(jìn)行工程處理，使其更能應(yīng)對環(huán)境和化學(xué)等方面的挑戰(zhàn)（表V）。用于絕緣導(dǎo)體的電介質(zhì)材料對插損、電纜尺寸和柔韌性均有重要影響。電介質(zhì)耗損越小，電纜所表現(xiàn)出的插損就越小。標(biāo)準(zhǔn)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(shù)可以被設(shè)計為1.3。與聚四氟乙烯的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相比，把電介質(zhì)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(jìn)行絕緣的導(dǎo)體就能承載1000 伏的電壓。另外一種經(jīng)過工程處理的聚四氟乙烯可具有半導(dǎo)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(jīng)過工程處理的聚四氟乙烯的抗拉伸強(qiáng)度比常規(guī)聚四氟乙烯強(qiáng)50倍，而且能夠承受從低溫到300°C的變化。

　　IV. 設(shè)計驗(yàn)證

　　有些行業(yè)制定了電纜的安全、環(huán)境、性能方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，制造商可能需要在模擬實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)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(yīng)用的環(huán)境限制條件。

　　相位陣列應(yīng)用要求利用同類型和長度的多種組件進(jìn)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(zhǔn)確率。相位追蹤中的常見問題，有的是因?yàn)殡娎|組裝制造過程中的不良材料和工藝控制，有的是因?yàn)閷⒉煌圃焐萄b配的組件結(jié)合在一起。所以，應(yīng)根據(jù)其使用的環(huán)境對相位追蹤和穩(wěn)定性進(jìn)行全面測試。

　　機(jī)械力學(xué)方面的檢測主要驗(yàn)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(yùn)行時的電氣性能。微波/射頻電纜的應(yīng)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(hù)以及實(shí)際應(yīng)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?yàn)樵谝苿訙y試儀器時，經(jīng)常需要電纜組件纏繞在儀器上。在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮到這些移動對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，技術(shù)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(qiáng)度也考慮進(jìn)去。在測試實(shí)驗(yàn)室，很難模擬隨意彎曲動作，但是可以通過tic-toc測試，重復(fù)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(yàn)就可以模擬將電纜當(dāng)作系繩的情形。在測試過程中，應(yīng)該評估插損和VSWR。

　　在模擬電纜的應(yīng)用環(huán)境條件時，比如溫度、海拔、極端的壓強(qiáng)；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(jìn)行海拔變化、機(jī)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(dǎo)致機(jī)械和電氣故障，因?yàn)闀霈F(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(dá)到一個極端，電氣長度就會發(fā)生變化，如果溫度恢復(fù)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(yīng)用信號的糾錯技術(shù)。在溫度循環(huán)試驗(yàn)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(hù)套和導(dǎo)體的變化。

　　對電纜進(jìn)行大量的機(jī)械和環(huán)境測試后，制造商應(yīng)該按照應(yīng)用要求，重新驗(yàn)證電纜的電氣特性、絕緣體、護(hù)套材料是否仍然穩(wěn)定。

　　對于嚴(yán)格環(huán)境下應(yīng)用的電纜，其失效造成的后果將會很嚴(yán)重。因此，確保電纜在使用壽命內(nèi)的電氣和機(jī)械性能完整性至關(guān)重要。要做好這點(diǎn)，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(jī)械和環(huán)境方面的測試來驗(yàn)證電纜的可靠性。