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CN107851486A - 具有低应力外部导体的同轴电缆 - Google Patents

具有低应力外部导体的同轴电缆 Download PDF

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Abstract

一种同轴电缆，其包括：内部导体；电介质层，其包围内部导体；和外部导体，其具有多个波纹。每个波纹具有通过过渡部段连接的根部和峰部。根部具有第一曲率半径，峰部具有第二曲率半径，并且第一曲率半径与第二曲率半径之比大于等于1。

Description

具有低应力外部导体的同轴电缆
相关申请
本申请要求2016年9月2日提交的美国临时专利申请No.62/213,367的优先权和权益，特此，该公开的全部内容被引入本文。
技术领域
本发明概括来说涉及同轴电缆，并且更特别地涉及用于同轴电缆的外部导体。
背景技术
同轴电缆典型地包括内部导体、外部导体、分隔内部导体和外部导体的电介质层以及包围外部导体的护套。外部导体可具有许多形式，包括平的、编织的和带波纹的。
典型的带波纹的电缆外部导体通过由扁平铜带焊接出薄壁圆柱管来制造。该管随后通过使用若干可用的形成方法中之一被成形为带有特定形状的带波纹的外部导体。带波纹的电缆的外部导体的典型形状显示于图1中。
如在图1中可见，外部导体10的波纹的外径/主要直径或峰部12具有相对温和的曲率(即曲率半径RC相对较大)，而波纹的内径/次要直径或根部14具有相对尖锐的曲率(即曲率半径RR相对较小)。该形状使用在波纹的根部14处操作的形成工具形成。
因为铜是昂贵的并且因为外部导体的功能主要为用于屏蔽，薄铜(0.002英寸厚)将足够完成电屏蔽的功能。然而，由于制造限制和机械限制(特别是对于接缝的可靠焊接)，外部导体10的厚度典型地大于0.006英寸。
尽管示出的波纹形状提供了具有足够的弯曲性能的电缆，但可能期望进一步改进设计并且进一步减少电缆的铜含量而不进一步减少铜的厚度，并且也不牺牲电缆弯曲性能。
发明内容
作为第一方面，本发明的实施例涉及一种同轴电缆，包括：内部导体；包围内部导体的电介质层；以及具有多个波纹的外部导体。每个波纹具有由过渡部段连接的根部和峰部。根部具有第一曲率半径，峰部具有第二曲率半径，并且第一曲率半径和第二曲率半径之比大于等于1。
作为第二方面，本发明的实施例涉及一种同轴电缆，包括：内部导体；包围内部导体的电介质层；以及具有多个波纹的外部导体。每个波纹具有由过渡部段连接的根部和峰部。过渡部段内凹。
作为第三方面，本发明的实施例涉及一种同轴电缆，包括：内部导体；包围内部导体的电介质层；以及具有多个波纹的外部导体。每个波纹具有由过渡部段连接的根部和峰部。过渡部段基本是直的。
附图说明
图1为传统同轴电缆的带波纹的外部导体的一部分的侧视图。
图2为根据本发明的实施例的用于同轴电缆的带波纹的外部导体的一部分的侧视图。
图2A为图2的外部导体的波纹的一部分的放大的侧视图。
图3为根据本发明的替代性实施例的用于同轴电缆的带波纹的外部导体的一部分的侧视图。
图3A为图3的外部导体的波纹的一部分的放大的侧视图。
图4为根据本发明的进一步的实施例的用于同轴电缆的带波纹的外部导体的一部分的侧剖视图。
图5为图4的外部导体的波纹的一部分的放大的侧剖视图。
图6为根据本发明的又进一步实施例的用于同轴电缆的带波纹的外部导体的一部分的侧剖视图。
图7为根据本发明的再进一步实施例的用于同轴电缆的带波纹的外部导体的一部分的侧剖视图。
图8为根据本发明的进一步实施例的带波纹的外部导体的侧剖视图和放大的部分侧剖视图。
图9为由图8的外部导体的模拟弯曲引起的应力的三维图。
具体实施方式
本发明参考附图描述，附图中显示了本发明的某些实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实施并且不应被理解为限制于此处图示和描述的实施例；相反，这些实施例是被提供用来使得本公开详尽和完整，并且将完全地将本发明的范围传达给那些本领域的技术人员。也将理解，此处公开的实施例可以以任何方式和/或组合来组合，以提供许多附加的实施例。
除非另有限定，所有在本公开中使用的技术术语和科学术语具有如同在本发明所属的领域中的一个普通的技术人员通常理解的那样的相同的含义。在上文描述中使用的术语的目的仅仅在于描述特别的实施例并且不意在于限制本发明。如在此公开中使用的那样，除非上下文以其他方式清楚地指示，单数形式的“一”、“一个”和“该”意在于也包括复数形式。也将理解，当元件(例如，装置、电路等等)被称为“连接”或“联接”至另一个元件时，该元件可以直接地被连接或联接至另一个元件或可存在居间元件。相对地，当元件被称为“直接地连接”或“直接地联接”至另一个元件，则不存在居间元件。
如上文所讨论的那样，外部导体的材料厚度主要基于制造需求而被决定。当设计电缆时，外部导体的波纹的内径和外径可以被设置成不同的值，该值将对电缆的电气性能和机械性能具有影响。然而，给定的波纹主要直径和次要直径(所述主要直径和次要直径之差为波纹的“深度”)、节距(即每个波纹之间的长度)、铜厚度、以及波纹的形状可有利地对同轴电缆的机械性能和成本产生影响。作为示例，用于1/2英寸电缆的典型波纹深度在约0.044和0.066英寸之间，并且典型的波纹节距在约0.110和0.200英寸之间。
如上文所讨论的那样，在截面中，典型的环形波纹设计具有根部14中的较小的U形弧RR——其限定次要直径，紧接着是在峰部12处形成主要直径的较大弧RC。这是便利的形状(见图1)，因为该形状使得制造工具的形状和设计能相对简单。
现在参考图2，示出了外部导体110，该外部导体用在根部114和峰部112之间的过渡部段116中更多地利用直线波纹的设计替代了峰部12的大弧形形状。该改动能够减少外部导体110的重量(在LDF-4电缆的情况下，可从North Carolina州Hickory市的CommScope公司获得，重量的减少为大约3.8％)，同时保留现有波纹的深度与节距之比。
图3示出了意在于减少铜使用量的外部导体210的又一个实施例。具有重量优化形状的壳体的母线(其以一定角度连接两个点)不为直线，而为具有较长的二维路径长度的稍微弯曲的线，该线产生了在峰部212和根部214之间的稍微内凹的表面。通过在过渡部段216使用这种类型的弯曲的内凹路径，可进一步减少设计重量。
图2的导体110和图3的导体210之间的不同之处相应地被示出于图2A和图3A的放大的视图中。图3A中示出的过渡部段216的内凹(深度为大约0.005英寸)使得在x-y平面中的二维路径长度(即在峰部212和根部214之间)较长，也使得具有同样的主要直径、次要直径和节距的外部导体210的净重量减少0.4％。
对具有类似于图1所示设计的带波纹的电缆的故障检查表明电缆性能的关键限制为反复弯曲性能，并且金属疲劳失效发生于波纹根部。典型地，电缆设计者在面对电缆设计中往复弯曲性能不足时，将会通过增加波纹的深度、同时保持节距恒定或者也减少节距来减少波纹根部中经受的旋转应变水平，由此提高电缆的往复弯曲性能。该改动将增加该设计的外部导体中的铜的量(并且因此增加该设计的成本)。
在根部直径RR相对小并且峰部直径RC相对大的波纹(诸如图1的导体10)中，与小根部直径RR相关联的应力集中系数恰当地预测在电缆弯曲期间在根部14中具有更高的应力，而与峰部12中的缓和、更大的弧RC相关联的较低的应力集中系数表明：在相同的总体电缆弯曲曲率水平下，峰部12中产生的应力较低。由于峰部12处的较大的直径，在峰部12中的每单位电缆长度的铜的体积远远多于在根部14中的每单位电缆长度的铜的体积。因此，根部区域中可用于承受疲劳损伤的铜要少于峰部区域中可用于承受疲劳损伤的铜。通过重新设计波纹的形状，可以减少根部处的应力并且有意地将更多变形和应力转移至峰部；在峰部，所述更多变形和应力能被该处更大量的可用材料更好地承受。
图4和图5示出了根据附加实施例的外部导体310的波纹，其峰部312的半径RC和根部314的半径RR相等。外部导体310也具有诸如上文中示于图2中的直的、较低成本的过渡部段316，但是应该理解的是该区域可以通过按照图3和图3A中所显示的较低成本的内凹形状来设计以改变。图4和图5的设计具有较大的根部半径和较小的峰部半径，在相同的波纹和深度下将会比如图1中显示的典型形状重量更小并且在疲劳中表现更好。这是由于在该设计的根部处使用更大的半径，业已发现当使用相同的深度和节距时这将导致在根部处的更低的应力。由于在过渡部段中的更高的重量效率，该设计中的铜的使用量低于图1设计的铜使用量。在这样的实施例中，RR和RC可在约0.020英寸和0.100英寸之间。
图6示出了类似于上文的导体310的外部导体410，但是该导体的根部414的半径RR要比峰部412的半径RC大，即RR和RC之比大于1。典型的RR的尺寸可在约0.030英寸和0.038英寸之间，并且RC的尺寸可在约0.022英寸和0.026英寸之间。对于给定的波纹节距和深度，该设计将几乎必然使得外部导体的疲劳性能更佳。在疲劳性能以这种方式提高以后，外部导体410的波纹深度可被减小，由此减小外部导体中铜的量。
图7示出了具有更复杂的形状的外部导体510，该形状在弯曲期间可使结构中的应力均匀得多地分布并且能提供更有利的形状以提高与下方的电介质泡沫结构的粘结性能。该设计具有根部514，该根部具有比之前根部更平坦的底部(正如根部514的中心处RR2比朝向根部514的侧部的RR1大所展示的那样)。尽管该设计的有效电气直径可在某种程度上被减小(由于波纹根部增加的长度)，在稍微调节总体直径来维持衰减之后，除了在根部514处减小应力，成本可由于深度与节距之比减小而变低。
本发明的实施例在以下的非限制性示例中进一步地示出。
图8示出了由0.007英寸厚的铜形成的理论上的波纹外部导体610，该导体具有0.032英寸的根部半径和0.0245英寸的峰部半径(根部半径和峰部半径是相对于导体厚度的中心来测量的)。波纹的波峰与波峰之间为0.125英寸。当导体610被放置于模拟的弯矩下时，产生的应力图显示于图9中。如从图9中可见，根部和峰部中的应力近乎相等，致使相比于根部半径小于峰部半径的现有设计来说，根部区域处的总体应力减小。因此，该构造能解决现有的外部导体中存在的根部处的现有弯曲疲劳失效。
前述是本发明的示例性说明并且不应被理解为限制本发明。尽管本发明的示例性实施例被描述，那些本领域的技术人员将容易地理解在示例性实施例中可以有很多修改，而不实质地偏离本发明的新颖教导和优点。相应地，所有这样的修改意在于被包含于如在权利要求中限定的本发明的范围中。本发明由以下权利要求和将要被包括于所述权利要求中的等同物限定。

Claims (14)

1.一种同轴电缆，其包括：
内部导体；
电介质层，其包围所述内部导体；和
外部导体，其具有多个波纹；
其中每个所述波纹具有通过过渡部段连接的根部和峰部，并且其中所述根部具有第一曲率半径，所述峰部具有第二曲率半径，并且所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之比大于等于1。
2.如权利要求1所述的所述同轴电缆，其中所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之比大于1。
3.如权利要求1所述的所述同轴电缆，其中所述过渡部段基本上是直的。
4.如权利要求1所述的所述同轴电缆，其中所述过渡部段是内凹的。
5.如权利要求1所述的所述同轴电缆，其中所述根部大体上是平坦的。
6.如权利要求1所述的所述同轴电缆，其中所述第一曲率半径在约0.030英寸和0.038英寸之间，并且所述第二曲率半径在约0.022英寸和0.026英寸之间。
7.一种同轴电缆，其包括：
内部导体；
电介质层，其包围所述内部导体；和
外部导体，其具有多个波纹；
其中每个所述波纹具有通过过渡部段连接的根部和峰部，并且其中所述过渡部段是内凹的。
8.如权利要求7所述的所述同轴电缆，其中所述根部具有第一曲率半径，所述峰部具有第二曲率半径，并且所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之比大于1。
9.如权利要求7所述的所述同轴电缆，其中所述波纹的根部大体上是平坦的。
10.如权利要求8所述的所述同轴电缆，其中所述第一曲率半径在约0.030英寸和0.038英寸之间，并且所述第二曲率半径在约0.022英寸和0.026英寸之间。
11.一种同轴电缆，其包括：
外部导体；
电介质层，其包围所述内部导体；和
外部导体，其具有多个波纹；
其中每个波纹具有通过过渡部段连接的根部和峰部，并且其中所述过渡部段基本上是直的。
12.如权利要求11所述的所述同轴电缆，其中所述根部具有第一曲率半径，所述峰部具有第二曲率半径，并且所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之比大于1。
13.如权利要求11所述的所述同轴电缆，其中所述波纹的根部大体上是平坦的。
14.如权利要求12所述的所述同轴电缆，其中所述第一曲率半径在约0.030英寸和0.038英寸之间，并且所述第二曲率半径在约0.022英寸和0.026英寸之间。
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