Koaxiales Hochfrequenzkabel

Abstract

 Bei einem koaxialen Hochfrequenzkabel mit einer den zentralen Leiter umgebenden mehrschichtigen Isolierung aus polymeren Werkstoffen und mit einer die Isolierung umschließenden elektrischen Abschirmung bestehen die einzelnen Schichten der Isolierung aus Fluorpolymeren, mit mindestens einer den zentralen Leiter (1) umschließenden ersten Schicht (2) aus einem aus der Schmelze verarbeitbaren Fluorpolymer und einer äußeren zweiten Schicht (3) aus einem aus der Schmelze nicht verarbeitbaren Fluorpolymer, wobei die zweite Schicht (3) porös und mit der umgebenden Abschirmung (4) kraftschlüssig verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein koaxiales Hochfrequenzkabel mit einer den zentralen Leiter umgebenden mehrschichtigen Isolierung aus polymeren Werkstoffen und mit einer die Isolierung umschließenden elektrischen Abschirmung, die von einer äußeren Umhüllung überdeckt ist.

[0002] Kabel der gattungsgemäßen Art sind hinlänglich bekannt, sie finden in der Hochfrequenz-Technik zur Übertragung analoger und digitaler Signale allgemeine Anwendung. Bei einem bekannten koaxialen Hochfrequenzkabel (US 5,817,981) besteht die den zentralen Leiter umgebende Isolierung aus zwei Schichten, die sich in der Dielektrizitätskonstanten unterscheiden. So ist die Dielektrizitätskonstante der zweiten Schicht größer als die der ersten Schicht, wobei die erste Schicht durch ein Polyethylen und die zweite Schicht durch ein Polyimid gebildet wird.

[0003] Mit zunehmender Miniaturisierung der technischen Einrichtungen jedoch werden an die benötigten Kabel immer höhere Anforderungen gestellt, die mit den bekannten Lösungen nicht mehr zu erfüllen sind So erfordert die moderne Übertragungstechnik z.B. Verbindungsleitungen extrem geringer äußerer Abmessungen bei geringem Gewicht, aber ausgezeichneten elektrischen Übertragungseigenschaften. Diese Übertragungseigenschaften müssen darüber hinaus von äußeren Umwelteinflüssen weitgehend unabhängig sein.
Um hier weiterzukommen wurde bereits vorgeschlagen (EP 0428 622 B1), die Isolierung eines koaxialen Hochfrequenzkabels aus Polytetrafluorethylen dadurch herzustellen, daß eine Anzahl von Litzen aus porösem expandiertem Polytetrafluorethylen über dem zentralen Leiter zu einer einheitlichen Isolierung kalibriert werden. Abgesehen von dem technisch aufwendigen Herstellungsverfahren stößt die weitere Miniaturisierung bis hin zu den sog. Micro-Koaxialkabeln mit einem Gesamtaußendurchmesser von weniger als 2 mm auf erhebliche Schwierigkeiten.

[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, trotz der geforderten geringen äußeren Abmessungen die Übertragungseigenschaften solcher Micro-Koaxialkabel weiter zu verbessern, insbesondere die Kapazität des Übertragungsweges auf ein Minimum zu reduzieren.

[0005] Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die einzelnen Schichten in der Isolierung aus Fluorpolymeren bestehen, mit mindestens einer den zentralen Leiter umschließenden ersten Schicht aus einem aus der Schmelze verarbeitbaren Fluorpolymer und einer äußeren zweiten Schicht aus einem aus der Schmelze nicht verarbeitbaren Fluorpolymer, wobei die zweite Schicht porös und mit der umgebenden Abschirmung kraftschlüssig verbunden ist Durch die Verwendung von zwei oder mehreren Fluorpolymer - Isolationsschichten für das Dielektrikum des erfindungsgemäßen Kabels ist es möglich, die Dielektrizitätskonstante der Isolierung den jeweiligen Anforderungen anzupassen, insbesondere niedrige Konstanten einzustellen, ohne auf eine geschäumte Isolierung insgesamt zurückzugreifen. Die äußeren Abmessungen des Kabels sind dabei extrem gering.

[0006] Aus der Schmelze värarbeitbare, d.h. extrudierbare, Fluarpolymere sind z.B. das Tetrafluorethylen(Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), das Tetrafluorethylen― Perfluoralkylvenylether-Copolymerisat (TFA/PFA) oder ein unter dem Handelsnamen HYFLON MFA vertriebenes Fluorpolymer. Diese erste Schicht kann kompakt ausgebildet, aber auch geschäumt sein. Die Wanddicken dieser ersten Schicht belaufen sich zweckmäßig zwischen 0,8 und 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,2 mm je nach Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Kabels.

[0007] Die an die erste anschließende zweite Isolierschicht ist porös ausgebildet, auch als mikroporöse Struktur bekannt (EP 0489 752 B1). Oie Wanddicke dieser Schicht liegt etwa zwischen 0,8 und 0,2 vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,3 mm. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht größer als die der zweiten Schicht ist. Ebenso kann es zur Kompaktierung der Isolierung sowie zur weiteren Erhöhung der Flexibilität des Kabels bei mindestens gleichbleibenden elektrischen Eigenschaften zweckmäßig sein, die beiden Schichten mit einander zu verkleben.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn nach der Erfindung bei einer zweischichtigen Isolierung die den zentralen Leiter umschließende erste Schicht aus einem aus der Schmelze verarbeitbaren Fluorpolymer und die äußere poröse zweite Schicht aus einem aus der Schmelze nicht verarbeitbaren Fluorpolymer besteht. Diese Materialkombination in Verbindung mit der kraftschlüssig mit der porösen Schicht verbundenen Abschirmung führt zu einem kapazitätsarmen Micro-Koaxialkabel mit geringer Toleranz des Wellenwiderstandes, zu einer niedrigen Leitungsdämpfung und zu geringen Koppltungswiderständen in diesem Übertragungsmittel.
Weitere Verbesserungen des erfindungsgemäßen Kabels ergeben sich dann, wenn die äußerste poröse Schicht bzw. bei einem zweischichtigen Aufbau der Isolierung, die äußere Schicht aus einer ein- oder mehrlagigen Bewicklung aus einem porösen Band besteht Der Begriff

Band" schließt im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung selbstverständlich auch den Begriff

Folie" ein. Solche Bänder oder Folien sind z.B. poröse, ggf. auch geschäumte Folien auf Polyesterbasis.
Bevorzugt eingesetzt werden jedoch Bänder (Folien) aus Polytetrafluorethylen, ein solches Band ist gereckt und gesintert, um den porösen Charakter des Bandes zu gewährleisten. Dabei kommt es auf die Mikroporosität des Bandmaterials an. Um die sicherzustellen, wird man das Band, hergestellt aus einem durch sog.
Pastenextrusion und anschließendes Walzen verarbeitetes Polytetrafluorethylen oder eines mit höchstens 2 Gew.-% Fluormonomeren modifizierten Polytetrafluorethylens, einem Reckvorgang mit einer Reckrate bis zu 2000 %, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 %, unterwerfen. Die Reckung erfolgt in der Regel in Bandrichtung, sie kann aber auch quer dazu vorgenommen werden, z.B. dann, wenn die Porosität des Bandes oder der Folie erhöht werden soll. Durch einen gleichzeitig mit dem Reckvorgang erfolgenden oder auch dem Reckvorgang nachgeschalteten Sintervorgang wird die mechanische Festigkeit des Band- oder Folienmaterials erhöht.

[0008] Die Dicke des gereckten und vorteilhaft auch gesinterten Bandes oder der entsprechenden Folie beträgt dann 15 bis 250 µm, vorzugsweise 30 bis 100 µm.

[0009] Im Falle einer Bewicklung kommt es für die Zwecke der Erfindung darauf an, daß mindestens deren äußerste Bandlage mit der ihr zugekehrten Oberfläche der elektrischen Abschirmung kraftschlüssig verbunden ist. Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch Verwendung eines auf die Bandbewicklung aufgebrachten, etwa aufgesprühten, Heißschmelzklebers zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen einer leitfähigen Kunststoff- oder Metallfolie, oder in Weiterführung der Erfindung dadurch, daß als elektrische Abschirmung eine kleberbeschichtete Metallfolie dient.

[0010] Als vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang eine mit Polyester beschichtete Aluminiumfolie erwiesen.

[0011] Die kraftschlüssige Verbindung zwischen der porösen äußersten Schicht der Isolierung und der leitfähigen Abschirmung erfolgt in der Regel beim Aufextrudieren der Außenmantel des Kabels durch dessen Wärmeinhalt. Das gilt insbesondere dann, wenn, wie nach der Erfindung auch vorgesehen, der Außenmantel aus einem Fluorpolymer mit entsprechend hoher Schmelz-/Extrusionstemperatur von z. B. 350 °C besteht. Solche Temperaturen im Außenbereich des Kabels führen zu einem Aufschmelzen der Kleberschicht zwischen poröser Isolierung und elektrischer Abschirmung, der Kleber durchsetzt dann die Poren z. B. mindestens der obersten Lage einer Bewicklung aus einer gereckten Folie, die als zweite Schicht der Kabelisolierung dient. Mit der Abkühlung des Außenmantels und des hierbei auftretenden Schrumpfeffektes, insbesondere bei Fluorpolymeren, ist die Abschirmung durch eine Vielzahl von Haftpunkten auf der Kabelisolierung fest verankert. Diese Verankerung ist dauerhaft, das gilt auch für hohe Temperaturschwankungen bzw. entsprechende Betriebstemperaturen, sowie unter mechanischer Belastung. Ein Knittern oder Aufwellen etwa einer dünnen Aluminiumfolie, was, zwangsläufig zu einer Verschlechterung der elektrischen Übertragungseigenschaften führen würde, ist so ausgeschlossen. Das gilt auch für die sog. Micro-Koaxialkabel zur Übertragung analoger und digitaler Signale mit entsprechend geringen äußeren Abmessungen

[0012] Reicht der Wärmeinhalt des extrudierten Außenmantels für eine sichere Verbindung zwischen poröser Isolierung und Abschirmung nicht aus, etwa wegen der zu geringen extrudierten Masse pro Längeneinheit oder der als Außenmantel verwendeten Polymermaterialien mit geringerer Schmelz- / Extrusionstemperatur, dann empfiehlt sich eine zusätzliche Wärmebehandlung im Anschluß an das Aufbringen der elektrischen Abschirmung. Denn ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Koaxialkabel ist der mechanisch feste allflächige Verbund zwischen z. B. einer Metallfolie und der äußersten porösen Isolierschicht des Kabels.

[0013] Die Abschirmung des Kabels ist mit Vorteil zweischichtig ausgebildet. Oberhalb der beschriebenen kleberbeschichteten Metallfolie oder auch einer metallisierten Kunststoff- Folie ist eine äußere Schicht in Form einer Metalldrahtlage oder eines Geflechtes aus einzelnen Metalldrähten vorgesehen. Darüber befindet sich dann der Außenmantel auf Basis Fluorpolymere oder halogenfreier, flammwidriger bzw. flammwidriger, antikorrosiver Polymermaterialien, wie z.B. Polyolefine, Elastomere oder thermoplastischer Kautschuk. Die zweischichtige Abschirmung hat den Vorteil einer verbesserten Schirmwirkung bei gleichzeitiger hoher Flexibilität des Kabels.

[0014] Die Erfindung sei an Hand des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels eines miniaturisierten koaxialen Hochfrequenzkabels mit einer zweischichtigen Isolierung näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt ein Beispiel des erfindungsgemäßen Kabels im Querschnitt, die Figur 2 das gleiche Kabel im Längsschnitt.

[0015] Als zentraler Leiter 1 ist ein massiver Kupferdraht vorgesehen, vorteilhaft verzinnt oder versilbert. Statt eines massiven Kupferdrahtes kann man selbstverständlich auch eine Litze aus blanken oder verzinnten Kupferdrähten einsetzen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betrage der Durchmesser des zentralen Leiters etwa 0,254 mm. Umschlossen ist der Zentrale Leiter 1 von der inneren oder ersten Schicht 2, hier aus einem aus der Schmelze verarbeitbaren d.h. extrudierten Fluorpolymer, z.B. aus einem Tetrafluorethylen / Hexafluorpropylen ― Copolymer (FEP). Diese erste Isolierschicht hat beispielsweise eine Wanddicke von 0,225 mm, sie Ist im Ausführungsbeispiel kompakt ausgebildet.

[0016] Der weitem Aufbau des Kabels zeigt die zweite und damit äußere Isolierschicht 3. Sie besteht aus einer Bewicklung in einer Dicke von z.B. 0,3 mm aus mehreren Lagen eines durch Pastenextrusion und anschließendes Walzen hergestellten Polytetrafluorethylenbandes, das nach dem Auswalzen gereckt und einer Temperaturbehandlung zum Zwecke des Sinterns unterworfen worden ist. Die durch den Reckprozeß erzeugten Poren im Band dienen in der Bewicklung als Luftkammern der Reduzierung der Dielektrizitätskonstanten und zur Verbesserung der elektrischen Übertragungseigenschaften, die in der äußersten Lage der Bandbewicklung befindlichen offenen Poren dienen der allflächigen Verankerung der mit Polyester oder einem anderen Kleber beschichteten Aluminiumfolie 4. Mit 5 ist die zweite Schicht der Abschirmung bezeichnet, es handelt sich hierbei um eine Lage / Geflecht aus verzinnten Kupferdrähten. Der Außenmantel 6, hier aus einem Tetrafluarethylen / Hexafluorpropylen ― Copolymer (FEP) umschließt die Schicht 5 der Abschirmung. Der Außendurchmesser dieses mehrschichtigen Hochfrequenz ― Koaxialkabels beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 2,00 mm, d.h. ein Koaxialkabel mit extrem geringen äußeren Abmessungen. Das Kabel ist hochflexibel bei hoher mechanischer Festigkeit und Beständigkeit der Übertragungseigenschaften auch bei wechselnder Temperaturbeanspruchung. Das erfindungsgemäße Kabel zeichnet sich im einzelnen unter anderem durch eine geringe Toleranz des Wellenwiderstandes sowie durch eine geringe Betriebskapazität aus. So hat z.B. ein 75 Ohm Kabel nach der Erfindung eine Betriebskapazität von <60 nF/km. Die Dämpfung liegt z.B. bei 1 MHZ bei 2,3 dB/100m, bei 100 MHZ bei 27,7 dB/100m und bei 500 MHZ bei 67,9 dB/100m.

Ansprüche

1. Koaxiales Hochfrequenzkabel mit einer den zentralen Leiter umgebenden mehrschichtigen Isolierung aus polymeren Werkstoffen und mit einer die Isolierung umschließenden elektrischen Abschirmung, die von einer äußeren Umhüllung überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten der Isolierung aus Fluorpolymeren bestehen, mit mindestens einer den zentralen Leiter (1) umschließenden ersten Schicht (2) aus einem aus der Schmelze verarbeitbaren Fluorpolymer und einer äußeren zweiten Schicht (3) aus einem aus der Schmelze nicht verarbeitbaren Fluorpolymer, wobei die zweite Schicht (3) porös und mit der umgebenden Abschirmung (4) kraftschlüssig verbunden ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der ernten Schicht (2) 0,8 bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,2 mm, beträgt.

3. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der zweiten Schicht (3) 0,8 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,3 mm, beträgt.

4. Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere zweite Schicht (3) aus einer ein- oder mehrlagigen Bewicklung aus einem porösen Band besteht.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Band ein gerecktes Polytetrafluorethylenband ist.

6. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gereckte Band gesintert ist.

7. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des gereckten Polytetrafluorethylenbandes 15 ― 250 µm, vorzugsweise 30 ― 100 µm, beträgt.

8. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die den zentralen Leiter (1) umschließende erste Schicht (2) aus einem geschäumten Fluorpolymer besteht.

9. Kabel nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die äußerste Bandlage der Bewicklung mit der ihr zugekehrten Oberfläche der elektrischen Abschirmung (4) kraftschlüssig verbunden ist.

10. Kabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung durch eine Verklebung erreicht ist.

11. Kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Abschirmung (4) eine kleberbeschichtete Metallfolie dient.

12. Kabel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Abschirmung (4) eine Aluminiumfolie mit einer Polyesterbeschichtung dient.

13. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Abschirmung zweischichtig aufgebaut ist, mit einer inneren Schicht aus einer kleberbeschichteten Metallfolie (4) und einer äußeren Schicht (5) in Form einer Metalldrahtlage oder eines Geflechtes aus einzelnen Metalldrähten.

14. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Abschirmung (4,5) von einer äußeren Umhüllung (6) aus einem Fluorpolymer umgeben ist.

15. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Abschirmung (4,5) von einer äußeren Umhüllung (6) aus einem halogenfreien, flammwidrigen oder flammwidrigen, antikorrosiven Polymermaterial umgeben ist.

16. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung der Abschirmung (4) mit der porösen Isolierschicht (3) durch den Wärmeinhalt der äußeren Umhüllung (6) beim Aufbringen derselben bewirkt wird.

17. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht (2) größer als die der zweiten Schicht (3) ist.

18. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten (2; 3) miteinander verklebt sind.

Zeichnung