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2009/05/29
作者：杜柏林，李苏明
一、引言
射频同轴电缆是一种传统的通信电缆产品。近20年来，由于物理发泡绝聚乙烯绝缘射频同轴电缆具有优良的宽带传输特性和结构性能稳定性以及高发泡度节省原材料等特点，在有线电视传输领域的CATV系统中获得了广泛的应用。回波损耗是射频同轴电缆的一项重要传输特性指标，在物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆的生产过程中，如何提高产品的回波损耗特性参数值长期以来一直是业内共同关注的焦点问题，以往业内为此进行了大量的研究工作。，取得了良好的效果。本文不涉及讨论产品设计，仅围绕着射频同轴电缆的生产工艺，在以往业界的基础上提出来以下几个新的关于提高物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆回波损耗值的简单工艺方法。
二、新工艺方法的原理
射频同轴电缆的另一个主要参数是特性阻抗。传输线匹配的条件是线路终端负载阻抗正好等于该传输线的特性阻抗，以此阻抗完全匹配，没有任何能量反射损失，负载可获得最高的传输功率。然而这仅仅是一个端口的表观阻抗值，它是传输线分布阻抗的综合表现。我们认为射频同轴电缆由于电缆的结构尺寸、材料和绝缘介电特性等的沿电缆长轴方向的不完全一致因素而引起的沿电缆长轴方向的分布阻抗的一致性好坏是造成同轴电缆回波损耗特性优劣的根本原因。如果射频同轴电缆的分布阻抗完全均匀一致，此时电缆没有传输能量的反射，于是射频同轴电缆的回波损耗值将趋于极大。
1、改善内导体直流电阻均匀性
仅从影响产品回波损耗特性参数的角度出发，以往业内对内导体只要其外径尺寸均匀一致，材料无瑕疵，绝缘挤出时无偏心即可。因此在国产非串联绝缘挤出生产线上，一般采用恒张力放线，加定径模控制内导体线径和采用自定心模具等工艺方法来进行皮、泡绝缘层挤出。然而，内导体材料往往在拉丝后由于退火条件控制不好而产生内导体沿长轴方向上的材料金相结构不均匀，造成电阻率出现周期性的差值变化，即内导体直流电阻不均匀，从而出现电缆的分布阻抗不均匀，使电缆回波损耗特性值下降。另外，经过拉丝后的内导体，其表面残留有少量的拉丝油污，油污的介电常数和介损正切值远较聚乙烯绝缘材料成数量极地增大，因此油污的随机存在不仅严重影响了电缆分布阻抗的一致性，造成电缆回波损耗特性劣化，还会严重损害电缆的衰耗等性能。相对国产的非串联绝缘挤出生产线而言，采用拉丝、退火、绝缘挤出为一体的串连线生产出来的射频同轴电缆则基本上不存在上述问题。
针对国产非串连绝缘挤出生产线，我们在生产线保持以往通常采用的恒张力放线、定径模、自定心模具等工艺操作手段的基础上，提出了在拉丝退火工序中延长内导体退火保温时间，平缓内导体材料退火时的降温梯度等工艺改进方法。另外，在挤出绝缘被覆层线，我们还增加了内导体预加热辅助退火和表面油污清除工序，确保了内导体材料金相结构均匀和表面无油污。经实际生产操作证实，取得了内导体直流电阻均匀性良好的效果。
2、改善绝缘外径尺寸公差的控制
以往业内绝大多厂商应用绝缘挤出工序中，由于希望能直观地读出冷却后的绝缘层外径尺寸和安装方便等原因，绝缘外径测径仪都习惯地安装在冷却水槽后方的位置。其距离挤出机头较远，由于检测到的外径不是即时的绝缘层挤出外径，由于测径仪反馈给外径控制器的外径调控信号的时刻滞后，带来了外径控制周期被迫加长、单次调节量较大和外径波动大的弊病。另外，我们还发现少数厂商的挤出设备调控外经尺寸偏差不是采用调节牵引速度而是调节挤出机螺杆转数的快慢，增加或减少聚乙烯的出胶量来进行的。这样，尽管也能达到控制绝缘外经尺寸公差的目的，但因为直接不断周期性地变更聚乙烯绝缘材料的份额出胶量，从而影响了绝缘层的发泡度和绝缘层综合介电常数、介损正切值的均匀性，最终使得射频同轴电缆的回波损耗特性劣化。
我们采取了在冷却水槽前增加一测径仪，并以此测径仪与PID外径控制器、牵引电机形成闭环绝缘外经自动控制系统。保留原有测径仪，用作对比调整冷却前后的绝缘外径尺寸的差值。另外，我们还根据设备运转情况的许可，适度提高了挤出生产线的生产速度，在较高的绝缘层挤出生产速度下，绝缘外径尺寸的稳定控制得到了进一步的提升。
3、改善外导体编织层的结构圆整性
物理发泡绝缘芯线的绝缘层基本由低密度聚乙烯/高密度聚乙烯的混合料和闭口氮气泡组成。其弯曲性能良好，但机械强度较低，且柔软容易变形。在射频同轴电缆外导体编织工序中，为了降低成本，往往采用铝镁合金丝替代裸铜丝束线作为外导体编织材料。铝镁合金丝是扁线，在编织角度和张力的作用下难免有铝镁合金丝的侧面不时深深切入物理发泡绝缘层，因这是一随机过程，所以破坏了外导体编织层局部的圆整性和其与内导体绝缘芯线的同心度，造成电缆的分布阻抗不一致，从而使射频同轴电缆的回波损耗特性随之劣化。
我们对编织机进行了简单改造，在外导体编织束线与内导体绝缘芯线接触的编织伞部位增加了一个比内导体绝缘芯线外经大1毫米的不锈钢套管，套在内导体外围，用来保护内导体绝缘芯线，编制即在不锈钢管外侧进行。铝镁合金丝外导体编织层在不锈钢保护套管外形成，完全不伤害内导体绝缘芯线。由于编织机的半成品线收卷速度较编织速度为快，所以直径比内导体绝缘芯线外经大1毫米的外导体编织层会沿不锈钢保护套管下端的倒喇叭口自动径向收缩，吻口妥帖的包卷在内导体绝缘芯线的外围。
4、改善物理发泡绝缘层的发泡密度和均匀性
在射频同轴电缆的生产制造过程中，在确保物理发泡绝缘层保持良好的材料机械物理性能和高频介电特性的前提下，我们追求高发泡度、高发泡密度和发泡均匀性。高发泡密度和发泡均匀性的提高使我们能获取气泡致密细小且均匀的物理发泡绝缘层，有利于我们进一步获得均匀一致的绝缘层综合介电参数，从而提高射频同轴哦电缆的回波损耗特性。
物理发泡的动力来源于气体/聚合物容体体系在高温高压下的热力学不稳定性，利用气体溶解度对压力的敏感性，将体系快速释压，在压力释放的过程中，气体产生很大过饱和度而导致成核过程的发生。
属非均相成核的固液界面的非均相成体系，根据各材料自身物性，在其成核过程中，因受表面能、表面积、泡核体积等因素影响，成核所需的活化能、形成的临界泡核半径各不相同。成核速率与气体的浓度、气体的分子扩散能力以及成核剂、杂质及空穴的浓度成正比，随饱和压差的增大而急剧增大，而与体系的温度仅呈微弱依赖关系。
在释压过程中存在着成核与气泡长大的竞争现象，由于实际释压的实施需要一定的时间，在这一时间段内，先生成的原生泡核与后生产的次生泡核会竞争竞争长大或抑制新次生泡核的生成，如果释压时间短，再控制好原生泡核密度足够大，使泡核间距小，则体系内不会再有新的次生泡核生成，原生泡核也因得不到更多气体而不会过度长大，这样得到的泡孔结构为致密细小而均匀。
对于射频同轴电缆物理发泡绝缘的非均相成核关键在于采用合理的成核剂和表面活性剂，确保物理发泡过程中原生泡核点多，成核自由能低，减少次生泡核生产。并且要求成核剂和表面活性剂本身具有良好的介电特性，不对射频同轴电缆的高频传输性能产生任何不良影响。从而有效控制气泡生长大小程度的机理来看，在物理发泡绝缘挤出工艺过程中，合理地调整气体的纯度，熔体的粘弹性，气液界面的界面张力等物性参数和压力温度、剪切速度等工艺参数，即可获得发泡度高，气泡致密细小而均匀的物理发泡聚乙烯绝缘。
我们在螺杆直径为65mm的国产物理发泡剂出生产线上，采用事先经过精细研磨，颗粒大小在0.1um—0.3um，并且经表面活性剂包覆起来的无机成核剂，成核剂用量不大于1.5%，配合高HDPE配比的混合聚乙烯绝缘料，在较高挤出温度和较高的高唇氮气压力获得了发泡度为77%，泡孔直径为5—13um。泡孔密度为8.72*108个/cm3的物理发泡聚乙烯绝缘层，显著提高了物理发泡绝缘层的综合介电参数的均匀性。
三、结束语
对于上述改善射频同轴电缆回波损耗的一些新的简单工艺方法，我们在浙江天杰实业有限公司的国产物理发泡聚乙烯射频同轴电缆生产设备上进行了其中部分工艺方法的实施，经过约二年的生产运行，产品的回波损耗特性参数平均水准已从原来的5—2200MHz下的15db提高到了5—3000MHz下的20db，取得了显著改善效果。关于如何进一步提高射频同轴电缆的回波损耗特性，我们初步考虑今后将致力于如何进一步提高物理发泡聚乙烯绝缘层的发泡度、发泡均匀性和致密性，使物理发泡聚乙烯绝缘层的介电特性参数趋于理想中的均匀一致。目前物理发泡聚乙烯绝缘层还没有达到微孔发泡塑料的程度，要想获得适用于射频电路的如此泡孔致密细小且均匀的高发泡度的物理发泡聚乙烯绝缘层，高频介电性能良好的纳米级的成核剂和降低成核活化能的表面活性剂将是下一阶段研究开发的重点课题。
射频同轴电缆是一种传统的通信电缆产品。近20年来，由于物理发泡绝聚乙烯绝缘射频同轴电缆具有优良的宽带传输特性和结构性能稳定性以及高发泡度节省原材料等特点，在有线电视传输领域的CATV系统中获得了广泛的应用。回波损耗是射频同轴电缆的一项重要传输特性指标，在物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆的生产过程中，如何提高产品的回波损耗特性参数值长期以来一直是业内共同关注的焦点问题，以往业内为此进行了大量的研究工作。，取得了良好的效果。本文不涉及讨论产品设计，仅围绕着射频同轴电缆的生产工艺，在以往业界的基础上提出来以下几个新的关于提高物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆回波损耗值的简单工艺方法。
二、新工艺方法的原理
射频同轴电缆的另一个主要参数是特性阻抗。传输线匹配的条件是线路终端负载阻抗正好等于该传输线的特性阻抗，以此阻抗完全匹配，没有任何能量反射损失，负载可获得最高的传输功率。然而这仅仅是一个端口的表观阻抗值，它是传输线分布阻抗的综合表现。我们认为射频同轴电缆由于电缆的结构尺寸、材料和绝缘介电特性等的沿电缆长轴方向的不完全一致因素而引起的沿电缆长轴方向的分布阻抗的一致性好坏是造成同轴电缆回波损耗特性优劣的根本原因。如果射频同轴电缆的分布阻抗完全均匀一致，此时电缆没有传输能量的反射，于是射频同轴电缆的回波损耗值将趋于极大。
1、改善内导体直流电阻均匀性
仅从影响产品回波损耗特性参数的角度出发，以往业内对内导体只要其外径尺寸均匀一致，材料无瑕疵，绝缘挤出时无偏心即可。因此在国产非串联绝缘挤出生产线上，一般采用恒张力放线，加定径模控制内导体线径和采用自定心模具等工艺方法来进行皮、泡绝缘层挤出。然而，内导体材料往往在拉丝后由于退火条件控制不好而产生内导体沿长轴方向上的材料金相结构不均匀，造成电阻率出现周期性的差值变化，即内导体直流电阻不均匀，从而出现电缆的分布阻抗不均匀，使电缆回波损耗特性值下降。另外，经过拉丝后的内导体，其表面残留有少量的拉丝油污，油污的介电常数和介损正切值远较聚乙烯绝缘材料成数量极地增大，因此油污的随机存在不仅严重影响了电缆分布阻抗的一致性，造成电缆回波损耗特性劣化，还会严重损害电缆的衰耗等性能。相对国产的非串联绝缘挤出生产线而言，采用拉丝、退火、绝缘挤出为一体的串连线生产出来的射频同轴电缆则基本上不存在上述问题。
针对国产非串连绝缘挤出生产线，我们在生产线保持以往通常采用的恒张力放线、定径模、自定心模具等工艺操作手段的基础上，提出了在拉丝退火工序中延长内导体退火保温时间，平缓内导体材料退火时的降温梯度等工艺改进方法。另外，在挤出绝缘被覆层线，我们还增加了内导体预加热辅助退火和表面油污清除工序，确保了内导体材料金相结构均匀和表面无油污。经实际生产操作证实，取得了内导体直流电阻均匀性良好的效果。
2、改善绝缘外径尺寸公差的控制
以往业内绝大多厂商应用绝缘挤出工序中，由于希望能直观地读出冷却后的绝缘层外径尺寸和安装方便等原因，绝缘外径测径仪都习惯地安装在冷却水槽后方的位置。其距离挤出机头较远，由于检测到的外径不是即时的绝缘层挤出外径，由于测径仪反馈给外径控制器的外径调控信号的时刻滞后，带来了外径控制周期被迫加长、单次调节量较大和外径波动大的弊病。另外，我们还发现少数厂商的挤出设备调控外经尺寸偏差不是采用调节牵引速度而是调节挤出机螺杆转数的快慢，增加或减少聚乙烯的出胶量来进行的。这样，尽管也能达到控制绝缘外经尺寸公差的目的，但因为直接不断周期性地变更聚乙烯绝缘材料的份额出胶量，从而影响了绝缘层的发泡度和绝缘层综合介电常数、介损正切值的均匀性，最终使得射频同轴电缆的回波损耗特性劣化。
我们采取了在冷却水槽前增加一测径仪，并以此测径仪与PID外径控制器、牵引电机形成闭环绝缘外经自动控制系统。保留原有测径仪，用作对比调整冷却前后的绝缘外径尺寸的差值。另外，我们还根据设备运转情况的许可，适度提高了挤出生产线的生产速度，在较高的绝缘层挤出生产速度下，绝缘外径尺寸的稳定控制得到了进一步的提升。
3、改善外导体编织层的结构圆整性
物理发泡绝缘芯线的绝缘层基本由低密度聚乙烯/高密度聚乙烯的混合料和闭口氮气泡组成。其弯曲性能良好，但机械强度较低，且柔软容易变形。在射频同轴电缆外导体编织工序中，为了降低成本，往往采用铝镁合金丝替代裸铜丝束线作为外导体编织材料。铝镁合金丝是扁线，在编织角度和张力的作用下难免有铝镁合金丝的侧面不时深深切入物理发泡绝缘层，因这是一随机过程，所以破坏了外导体编织层局部的圆整性和其与内导体绝缘芯线的同心度，造成电缆的分布阻抗不一致，从而使射频同轴电缆的回波损耗特性随之劣化。
我们对编织机进行了简单改造，在外导体编织束线与内导体绝缘芯线接触的编织伞部位增加了一个比内导体绝缘芯线外经大1毫米的不锈钢套管，套在内导体外围，用来保护内导体绝缘芯线，编制即在不锈钢管外侧进行。铝镁合金丝外导体编织层在不锈钢保护套管外形成，完全不伤害内导体绝缘芯线。由于编织机的半成品线收卷速度较编织速度为快，所以直径比内导体绝缘芯线外经大1毫米的外导体编织层会沿不锈钢保护套管下端的倒喇叭口自动径向收缩，吻口妥帖的包卷在内导体绝缘芯线的外围。
4、改善物理发泡绝缘层的发泡密度和均匀性
在射频同轴电缆的生产制造过程中，在确保物理发泡绝缘层保持良好的材料机械物理性能和高频介电特性的前提下，我们追求高发泡度、高发泡密度和发泡均匀性。高发泡密度和发泡均匀性的提高使我们能获取气泡致密细小且均匀的物理发泡绝缘层，有利于我们进一步获得均匀一致的绝缘层综合介电参数，从而提高射频同轴哦电缆的回波损耗特性。
物理发泡的动力来源于气体/聚合物容体体系在高温高压下的热力学不稳定性，利用气体溶解度对压力的敏感性，将体系快速释压，在压力释放的过程中，气体产生很大过饱和度而导致成核过程的发生。
属非均相成核的固液界面的非均相成体系，根据各材料自身物性，在其成核过程中，因受表面能、表面积、泡核体积等因素影响，成核所需的活化能、形成的临界泡核半径各不相同。成核速率与气体的浓度、气体的分子扩散能力以及成核剂、杂质及空穴的浓度成正比，随饱和压差的增大而急剧增大，而与体系的温度仅呈微弱依赖关系。
在释压过程中存在着成核与气泡长大的竞争现象，由于实际释压的实施需要一定的时间，在这一时间段内，先生成的原生泡核与后生产的次生泡核会竞争竞争长大或抑制新次生泡核的生成，如果释压时间短，再控制好原生泡核密度足够大，使泡核间距小，则体系内不会再有新的次生泡核生成，原生泡核也因得不到更多气体而不会过度长大，这样得到的泡孔结构为致密细小而均匀。
对于射频同轴电缆物理发泡绝缘的非均相成核关键在于采用合理的成核剂和表面活性剂，确保物理发泡过程中原生泡核点多，成核自由能低，减少次生泡核生产。并且要求成核剂和表面活性剂本身具有良好的介电特性，不对射频同轴电缆的高频传输性能产生任何不良影响。从而有效控制气泡生长大小程度的机理来看，在物理发泡绝缘挤出工艺过程中，合理地调整气体的纯度，熔体的粘弹性，气液界面的界面张力等物性参数和压力温度、剪切速度等工艺参数，即可获得发泡度高，气泡致密细小而均匀的物理发泡聚乙烯绝缘。
我们在螺杆直径为65mm的国产物理发泡剂出生产线上，采用事先经过精细研磨，颗粒大小在0.1um—0.3um，并且经表面活性剂包覆起来的无机成核剂，成核剂用量不大于1.5%，配合高HDPE配比的混合聚乙烯绝缘料，在较高挤出温度和较高的高唇氮气压力获得了发泡度为77%，泡孔直径为5—13um。泡孔密度为8.72*108个/cm3的物理发泡聚乙烯绝缘层，显著提高了物理发泡绝缘层的综合介电参数的均匀性。
三、结束语
对于上述改善射频同轴电缆回波损耗的一些新的简单工艺方法，我们在浙江天杰实业有限公司的国产物理发泡聚乙烯射频同轴电缆生产设备上进行了其中部分工艺方法的实施，经过约二年的生产运行，产品的回波损耗特性参数平均水准已从原来的5—2200MHz下的15db提高到了5—3000MHz下的20db，取得了显著改善效果。关于如何进一步提高射频同轴电缆的回波损耗特性，我们初步考虑今后将致力于如何进一步提高物理发泡聚乙烯绝缘层的发泡度、发泡均匀性和致密性，使物理发泡聚乙烯绝缘层的介电特性参数趋于理想中的均匀一致。目前物理发泡聚乙烯绝缘层还没有达到微孔发泡塑料的程度，要想获得适用于射频电路的如此泡孔致密细小且均匀的高发泡度的物理发泡聚乙烯绝缘层，高频介电性能良好的纳米级的成核剂和降低成核活化能的表面活性剂将是下一阶段研究开发的重点课题。
