Per garantire l'integrità del segnale e l'affidabilità del prodotto, è essenziale identificare i limiti elettrici, meccanici, ambientali e specifici dell'applicazione che possono influire sulle prestazioni complessive del cavo.Queste variabili hanno un impatto diretto sui materiali utilizzati per il dielettrico e la guaina del cavo, nonché sulla sua costruzione.
Inoltre, i test e l'analisi dei dati sono essenziali per garantire che il cavo funzioni in modo affidabile in un ambiente specifico.
Identificazione dei limiti:
le influenze ambientali hanno un impatto sempre maggiore sui cavi RF/microonde. Le prestazioni elettriche sono probabilmente la prima e più importante considerazione, e molti fattori possono compromettere l'integrità del segnale, come le interferenze elettromagnetiche (EMI) interne ed esterne, il VSWR e la perdita di inserzione. Le prestazioni elettriche sono generalmente molto affidabili in assenza di altri fattori ambientali; tuttavia, quando si aggiungono stress meccanici, ambientali o specifici dell'applicazione, mantenere prestazioni elettriche affidabili può risultare più difficile.
Lo stress meccanico si verifica quando i cavi sono sottoposti a vari tipi di movimento. La flessione crea energia cinetica nel cavo, che può causare gravi danni se non gestita correttamente. Una delle principali cause di stress meccanico nei cavi si verifica quando il cavo fa parte di un'apparecchiatura azionata da una persona. Un operatore può piegare, schiacciare o comprimere un cavo calpestandolo o avvolgendolo attorno ad esso.
Pertanto, la resistenza alla trazione e alla compressione è essenziale per superare le sollecitazioni meccaniche. Inoltre, i cavi utilizzati con apparecchiature portatili possono entrare in contatto con superfici taglienti che possono tagliarli o abraderli. Se si considera anche la complessità aggiuntiva di compensare le vibrazioni o la forza di gravità, le sollecitazioni meccaniche possono compromettere significativamente la stabilità e causare guasti prematuri al cavo.
Effetti dello stress ambientale nell'area fisica in cui vengono utilizzati i cavi:
- Temperature e pressioni estreme influiscono sui materiali dei cavi. Le basse temperature li rendono fragili, mentre le alte temperature li rendono molto delicati.
- Fuoriuscite o gocciolamenti di oli e additivi da un cavo possono contaminare una camera bianca durante un processo di produzione, mentre la pressione idrostatica può causare l'impregnazione della guaina del cavo da parte di gas o liquidi. Le radiazioni possono danneggiare i materiali dielettrici e la guaina del cavo a seconda del tipo e del livello di dose. L'attrito dovuto al movimento di un cavo può compromettere la guaina, causando la formazione di particelle, mentre contaminanti come fango, sostanze chimiche o particelle metalliche possono danneggiare il rivestimento del cavo. Lo stress ambientale può compromettere significativamente i materiali dielettrici e la guaina del cavo, pertanto questi aspetti devono essere considerati in fase di progettazione di un cavo assemblato.
Risultati delle sollecitazioni specifiche dell'applicazione dovute a limitazioni peculiari dell'applicazione in cui il cavo verrà utilizzato:
Nelle applicazioni aerospaziali, i cavi devono essere il più piccoli e leggeri possibile per ridurre al minimo la massa durante il decollo. Se i cavi vengono utilizzati da tecnici o altro personale, è necessario considerare aspetti di sicurezza quali infiammabilità, tensione e utilizzo di alogeni.
Una delle complessità della progettazione degli assemblaggi di cavi risiede nell'interrelazione tra le prestazioni elettriche, meccaniche e ambientali. Ciascuna di esse ha un impatto diretto sulle altre, pertanto il progetto deve essere testato a fondo nell'applicazione specifica.
Scelta dei materiali giusti:
garantire un segnale stabile e di alta qualità significa valutare i materiali dielettrici e di rivestimento in base alle caratteristiche che devono essere considerate in ambienti applicativi difficili. I materiali dielettrici utilizzati nei cavi di segnalazione influiscono sull'integrità del segnale e sulla robustezza del cavo. Il materiale utilizzato nella guaina esterna influisce sulla tensione massima e sulla resistenza all'abrasione. I materiali di rivestimento devono resistere alla maggior parte dei fattori esterni (ad esempio, temperatura, attrito, liquidi e gas) per proteggere i conduttori all'interno del cavo. L'elenco dei possibili materiali utilizzabili nei dielettrici e nei rivestimenti dei cavi è molto lungo e molti sono stati sviluppati per applicazioni specifiche. Poiché ogni materiale ha proprietà uniche, alcuni sono più adatti di altri per l'uso in cavi a microonde progettati per ambienti difficili.
Silicone.
Il silicone è utilizzato principalmente come rivestimento per cavi ed è molto flessibile anche a basse temperature (Tabella 1). Tuttavia, si taglia facilmente e la sua superficie appiccicosa presenta un elevato coefficiente di attrito, quindi non è adatto per ambienti a camera bianca.
Il silicone ha una bassa resistenza alla trazione e alla rottura, pertanto deve essere più spesso rispetto ad altri materiali di rivestimento. Esistono alcuni trattamenti superficiali per ridurre il coefficiente di attrito, ma questi tendono a consumarsi nel tempo. Il silicone ha un'ottima resistenza alle radiazioni, ma i tipi di silicone utilizzati per il rivestimento dei cavi sono noti per il degassamento di olio di silicone in applicazioni di colata come le camere a vuoto termico. Se il peso è un fattore critico, il silicone non è la scelta ottimale.
Se la flessibilità è importante e il peso non è un problema, il silicone è una buona opzione. Tuttavia, richiede maggiore impegno per accedere ai conduttori, il che si traduce in costi di terminazione più elevati.
Il poliuretano
è un buon materiale di rivestimento, ma non viene utilizzato come materiale dielettrico perché la sua rigidità dielettrica è bassa rispetto ad altri materiali (Tabella 2). Sono disponibili versioni prive di alogeni. Dal punto di vista meccanico, il poliuretano è flessibile e altamente resistente al taglio e all'abrasione. Il trattamento ignifugo non riduce la flessibilità; tuttavia, i tipi più flessibili tendono ad essere appiccicosi o viscosi, con conseguente aumento del coefficiente di attrito. Dal punto di vista ambientale, il poliuretano è resistente a solventi, raggi ultravioletti, radiazioni e funghi. Il poliuretano non ha un intervallo di temperatura molto ampio; diventa fragile intorno ai -40 °C e il suo limite di temperatura massimo è di circa 100 °C. Inoltre, non è resistente ai comuni detergenti chimici.
Il polietilene
è più adatto come dielettrico per i conduttori, poiché le guaine in polietilene tendono ad essere rigide, il che influisce sulla flessibilità dei cavi (Tabella 3). Il polietilene presenta buone e costanti proprietà dielettriche se utilizzato con la schiuma. Dal punto di vista meccanico, il polietilene ha un elevato peso molecolare, è resistente all'abrasione e ha un basso attrito, pur essendo robusto rispetto ad altri materiali. Come per il poliuretano, l'intervallo di temperatura del polietilene è piuttosto limitato ed è difficile incollare i tubi chimici alle guaine dei cavi in polietilene. In generale, le proprietà meccaniche del polietilene sono ridotte dai trattamenti ignifughi.
Fluoropolimeri
I fluoropolimeri come l'etilene propilene fluorurato (FEP), i perfluoroalcossialcani (PFA) e il politetrafluoroetilene (PTFE) sono materiali di rivestimento eccellenti, soprattutto in applicazioni in cui il costo di un guasto del sistema è elevato, Tabella 4.
La rigidità dielettrica dei fluoropolimeri è tra le più elevate di qualsiasi materiale dielettrico. I fluoropolimeri possono resistere a temperature estreme, ma ogni materiale ha il suo intervallo di temperatura: il FEP può operare a temperature da -250 °C a 150 °C, mentre il PFA da -250 °C a 200 °C.
Il PTFE è adatto a temperature criogeniche di 260 °C senza perdere flessibilità. I fluoropolimeri possono anche resistere all'esposizione a sostanze chimiche aggressive, acidi e solventi e sono intrinsecamente non infiammabili. Il PTFE e i suoi copolimeri offrono anche il vantaggio di basse emissioni di gas, aspetto fondamentale per gli ambienti ad altissima pressione (UHV). Molti fluoropolimeri sono flessibili, ma, come la resistenza alla temperatura, la flessibilità varia a seconda del materiale specifico. Il PFA è il più rigido, seguito da FEP e PTFE, con il PTFE trattato che risulta il più flessibile. Qualsiasi sostanza aggiunta alla guaina dielettrica, ai conduttori o ai conduttori schermati del cavo degassa sotto vuoto. Quando i materiali degassano, le particelle in sospensione si condensano sulle superfici più fredde, che in genere sono le superfici di lavoro nell'area di applicazione. In un satellite, le ottiche possono appannarsi a causa dell'olio di silicone o di altri lubrificanti di processo che degassano dal cavo. Il PTFE è chimicamente inerte e non contiene additivi di processo, oli, lubrificanti o plastificanti, il che lo rende il materiale migliore per gli ambienti sottovuoto.
Fluoropolimeri trattati:
Uno dei pochi svantaggi dei fluoropolimeri è la loro limitata resistenza all'abrasione e al taglio. Alcuni fluoropolimeri possono essere trattati per migliorarne le proprietà fisiche, chimiche ed elettromagnetiche, aumentando la capacità del cavo di resistere alle sfide specifiche di un'applicazione a microonde. L'etilene tetrafluoroetilene (ETFE) può essere irradiato per migliorarne le proprietà meccaniche e la resistenza chimica; tuttavia, l'irradiazione aumenta la rigidità, con conseguente significativa diminuzione della flessibilità. Il PTFE è resistente al calore e chimicamente inerte, quindi le sue proprietà termiche e chimiche rimangono invariate quando viene trattato per migliorarne le caratteristiche elettriche o meccaniche.
Sono state sviluppate tecnologie specializzate per trattare il PTFE in modo che possa resistere a un'ampia varietà di sollecitazioni ambientali e meccaniche (Tabella 5). Il materiale dielettrico utilizzato per isolare i conduttori può influenzare significativamente la perdita di inserzione, le dimensioni del cavo e la flessibilità. Minore è la perdita dielettrica, minore sarà la perdita di inserzione del cavo. I fluoropolimeri tipici hanno una perdita dielettrica di 2,1. Per ridurre le dimensioni del cavo, il PTFE può essere trattato in modo da avere una costante dielettrica di 1,3. Allo stesso tempo, la costante dielettrica può essere aumentata di un fattore 2,5, ottenendo una tangente di perdita molto bassa di 0,00015 a 10 GHz rispetto alla produzione standard di PTFE. Con queste caratteristiche, un conduttore isolato con uno strato di PTFE trattato di 1/2000 di pollice (50 micron) può essere classificato per l'uso a 1.000 V. Un'altra versione di PTFE trattato può essere resa semiconduttrice e utilizzata per aumentare l'efficacia della schermatura del cavo. Per risolvere problemi di resistenza all'abrasione o al taglio, il PTFE è stato progettato per raggiungere una resistenza alla trazione 50 volte superiore a quella del PTFE standard e per resistere a temperature criogeniche fino a 300 °C.
Verifica del progetto:
Alcuni settori hanno definito standard di sicurezza, ambientali e prestazionali per i cavi, ma molte applicazioni complesse che utilizzano cavi a microonde richiedono di andare oltre questi standard. In questi casi, il produttore potrebbe dover sviluppare test aggiuntivi che valutino le prestazioni elettriche del cavo simulando al contempo sollecitazioni meccaniche e ambientali simili a quelle dell'applicazione. È fondamentale monitorare le prestazioni elettriche e l'integrità del segnale durante tutti i test, e la tipologia specifica di test richiesto dipende dai vincoli ambientali dell'applicazione.
Le applicazioni multistadio richiedono un attento monitoraggio di ogni stadio su più assemblaggi dello stesso tipo e lunghezza per ridurre al minimo l'errore sistemico residuo. Questi errori, a lungo andare, influiscono sulla portata del sistema, sulla resistenza alle interferenze e ai disturbi e sulla precisione complessiva. I problemi di tracciamento in ogni stadio derivano spesso da una scarsa qualità dei materiali e da un controllo di processo inadeguato durante la produzione degli assemblaggi di cavi, oppure dalla combinazione di componenti di diversi produttori all'interno degli assemblaggi stessi. Pertanto, il tracciamento e la stabilità di ogni stadio devono essere testati con cura nell'ambiente in cui i cavi verranno utilizzati.
I test meccanici verificano le prestazioni elettriche del cavo durante il suo funzionamento in condizioni ambientali quali schiacciamento, abrasione, potenziale taglio, flessione elevata, flessione continua, urti e vibrazioni. L'utilizzo di cavi a microonde/RF generalmente implica che l'applicazione richieda un'eccellente stabilità di fase, che può essere compromessa da flessioni e piegamenti durante l'installazione, la manutenzione ordinaria o il normale utilizzo. La flessione accidentale è un problema frequente con gli strumenti di test portatili, poiché il cavo viene spesso avvolto attorno allo strumento per il trasporto. L'impatto di questi movimenti sulle prestazioni del sistema deve essere valutato in fase di progettazione. In un ambiente di laboratorio, un tecnico potrebbe avvolgere il cavo attorno a una sedia, il che significa che anche la forza d'urto rappresenta un problema. La flessione accidentale durante il movimento è difficile da riprodurre in un laboratorio di prova, ma lo scenario peggiore può essere simulato utilizzando un test tick-tock con flessioni ripetute di 180 gradi o più. È quindi possibile eseguire un test di trazione per simulare un cavo utilizzato come cinghia di contenimento. Durante questi test, è necessario valutare la perdita di inserzione e il ROE (Return on Equivalent).
Le prestazioni elettriche del cavo devono essere misurate simulando le condizioni ambientali in cui opererà, come temperature, altitudine e pressioni estreme; vibrazioni e accelerazioni; esposizione a liquidi o gas; e umidità. È importante monitorare l'impedenza durante le variazioni di altitudine, gli urti e le prove di vibrazione. Vibrazioni e urti possono causare guasti meccanici ed elettrici dovuti alla fatica del metallo o a crepe nelle saldature. Le variazioni di temperatura hanno un impatto diretto sulla lunghezza di fase. Quando la temperatura si avvicina a un valore estremo, la lunghezza elettrica cambia e, se non cambia alla stessa velocità della temperatura quando ritorna alla normalità (un fenomeno noto come isteresi), è molto difficile applicare tecniche di correzione degli errori al segnale. L'applicazione di una forza di serraggio durante una prova di cicli termici consente di monitorare la rigidità dielettrica del cavo per osservare come cambiano la guaina e il conduttore.
Dopo che il cavo è stato sottoposto a test meccanici e ambientali approfonditi, il produttore deve verificare nuovamente che le prestazioni elettriche e i materiali dielettrici e della guaina rimangano stabili entro i requisiti dell'applicazione.
Per i prodotti utilizzati negli ambienti più esigenti, le conseguenze di un guasto ai cavi sono generalmente gravi. Pertanto, garantire l'integrità elettrica e meccanica dei cavi è essenziale per la durata di vita dell'applicazione. Ciò implica la comprensione dei fattori che possono influenzare le prestazioni dei cavi, la selezione di materiali appropriati per resistere a tali fattori e la verifica dell'affidabilità dei cavi attraverso test elettrici, meccanici e ambientali.
Autore:
Paul Pino, ingegnere applicativo presso WL Gore&Associates, Inc.
