HF-Technik

Was man über Koaxial-Kabel und PTFE wissen sollte (Teil 2)

28.10.16 | Autor / Redakteur: Stefan Burger * / Kristin Rinortner

Koaxial-Kabel: PTFE ist das Isolationsmaterial der Wahl im HF-Bereich
Koaxial-Kabel: PTFE ist das Isolationsmaterial der Wahl im HF-Bereich (Bilder: Elspec)

Die Zusammenhänge zwischen Material, Temperatur, Druck und Messgenauigkeit bei PTFE sind oftmals unbekannt. Wir geben einen Überblick zum Stand der Technik und den Anwendungen.

Im zweiten Teil unserer kleinen Reihe über das meist genutzte Isolationsmaterial PTFE vergleichen wir auf der Basis eigener Berechnungen das Verhalten der Dielektrizitätskonstante und der damit einhergehenden Längenänderung. Die elektrische Länge einer Leitung ergibt nach Gleichung 1 und 2.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

(Gl. 2)
(Gl. 2)

Wie aus den Bildern 1 und 2 zu sehen ist, expandiert PTFE mit zunehmender Temperatur, jedoch nimmt die Dielektrizitätskonstante ab. Dies hat zwar einen kompensierenden Effekt, er hebt sich aber nicht gegenseitig auf.

Berücksichtigen wir jetzt die Änderungen über der Temperatur rein mathematisch bei einer Koaxial-Leitung nach Gleichung 2, ergibt sich folgendes Bild: Unterhalb von 0 °C bleibt die elektrische Länge weitgehend konstant, wohingegen sie bei Temperaturen darüber bis 100 °C um ca. 10 mm absinkt.

(Gl. 3)
(Gl. 3)

Im Temperaturbereich von 10 bis 40 °C sind es ca. 5 mm, was einer Phasenänderung von 6° bei 1 GHz und 60° bei 10 GHz entspricht. Dieses Ergebnis ist jedoch mit Vorsicht zu betrachten, da die Materialwerte aus verschiedenen Publikationen stammen und somit auch von verschiedenen Proben.

Die kristalline Phasenänderung ist auch vom Druck abhängig. Aus [13] wurden die Werte in Bild 3 entnommen. Wie daraus zu sehen ist, erhöht sich die Dielektrizitätskonstante mit zunehmenden Druck. Da sich das PTFE stärker ausdehnt als der Schirm aus Kupfer und bei manchen Kabeln der zweite Schirm aus Edelstahl besteht, baut sich ein Druck auf, der dem Absinken der Dielektrizitätskonstante entgegenwirkt und somit der Längenänderung.

Um eine Abschätzung des sich ergebenden Drucks zu erhalten, kann für ein röhrenförmiges Objekt die Kesselformel verwendet werden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das Material nur in seinem elastischen Bereich belastet wird. D.h., die Belastung muss unterhalb der Steckgrenze bleiben. Für Kupfer liegt der Wert zwischen 120 bis 320 N/mm2 .

(Gl. 4)
(Gl. 4)

Bei einer Koaxialleitung mit einem Durchmesser von 1,19 mm ergibt sich anhand der Gleichung ein maximaler Druck von ca. 75 MPa. Aus Bild 3 ergibt sich eine bei 35°C ca. 1,5% höhere Dielektrizitätskonstante, als wenn kein Druck auf das PTFE ausgeübt würde. Wird dies mit im Design berücksichtigt, kann die sich ergebende Phasenänderung minimiert werden. Dafür ist jedoch eine FEM-Simulation notwendig, bei der das multi-physikalische Problem berechnet und optimiert wird. Es wird trotz allem aber nicht möglich sein, die Änderung vollständig zu kompensieren. Ein mehr oder weniger stark ausgeprägter Sprung im Bereich von 10 bis 40 °C wird weiterhin vorhanden sein.

Um den Einfluss weiter zu verringern, bietet es sich an, den Anteil des Dielektrikums zu reduzieren. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Innenleiter entweder in regelmäßigen Abständen von dielektrischen Stützen, durch eine Wendel oder andere Konstruktionen in der Mitte des Schirms gehalten wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anteil der Luft im Dielektrikum zu erhöhen. Ein PTFE-Schaum wäre eine gute Möglichkeit, jedoch scheint eine industrielle Herstellung bis jetzt nicht möglich zu sein.

Wird PTFE kalt gereckt, entstehen sehr kleine Poren im Material. Dieses Verfahren wird z.B. von der Firma Gore angewendet. Bei beiden Möglichkeiten wird die effektive Dielektrizitätskonstante verringert.

Dies ergibt eine geringere Phasenänderung sowie eine Verringerung der dielektrischen Verluste.

Was man über Koaxial-Kabel und PTFE wissen sollte

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Was man über Koaxial-Kabel und PTFE wissen sollte

31.03.15 - Die Zusammenhänge zwischen Material, Temperatur, Druck und Messgenauigkeit bei PTFE sind oftmals unbekannt. Wir geben einen Überblick zum Stand der Technik und den Anwendungen. lesen

Literatur

[1] Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluorethylen, abgerufen am 13.3.2015
[2] Blumm, J.; Lindenmann, A.; Meyer, M.; Strasse, C.: Characterization of PTFE using Advanced Thermal Analysis Techniques. Netzsch-Gerätebau GmbH
[3] Rae, P. J.; Dattelbaum, D. M.: The properties of polytetrafluoroethylene (PTFE) in compression. Polymer 45 (2004) 7615 – 7625
[4] Molecular Mobility, Phase Transitions, Transformation Plasticity and Memory Effect in Poly tetrafluoroethylene (PTFE). Journal de Physique III, Volume 6, dècembre 1996
[5] Weir, C. E.: Transitions and Phase of Polytetrafluoroethylene (Teflon). Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol. 50, No. 2, February 1953
[6] Kirby, R. K.: Thermal Expansion of Polytetrafluoroethylene (Teflon) from –190° to +300°C. Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol. 57, No. 2, August 1956
[7] Current Innovation in Phase Stable Coaxial Cable Design. Times Microwave Systems; Microwave Product Digist
[8] Dhawan, S. K.: Understandign Effect of Teflon Room Temperature Phase Transition on Coax Cable Delay in Order to Improve the Measurement of TE Signals of Deuterated Polarized Targets. IEEE Transactions on nuclear scenge, Vol. 39, No. 5, October 1992
[9] Czuba, K.; Sikora, D.: Phase Drift versus Temperature Measurmements of Coaxial Cables. Warsawa University of Technology, ISE, Warsawa, Poland
[10] Perepechko, I.: Low-Temperature Properties of Polymers. MIR Publishers, Moscow
[11] Kobayashi, Y.; Katho, M.: Microwave Measurement of Dielectric Properties of Low-Loss Materials by the Dielectric Rod Resonator Method. IEEE Transaction on microwave theory and techniques, Vol. MTT-33, No. 7, July 1985
[12] Physical Properties of Fluor unfilled and filled PTFE. Technical Service Note F12/13, AGC Chemicals 2002
[13] Sasabe, H.; Saito, S.: Effects of Temperature and Pressure on the Dielectric Constant in Non-Polar Polymers. Polymer Journal, Vol. 3, No. 6, 1972

* Stefan Burger ist Inhaber von Delta Gamma Consultant in Hampton, Australien sowie als Berater im Bereich HF- und Messtechnik für elspec, Geretsried, tätig.

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