Фізика втрат сигналу в ультратонких мікрокоаксіальних кабелях AWG 50

У постійному прагненні до мініатюризації в різних галузях — від високощільних медичних зондів до кабелів наступного покоління для AR/VR — інженери все більше покладаються на ультратонкі провідники, такі як мікроаксіальні кабелі AWG 50. Зовнішній діаметр цих кабелів становить приблизно 0,025 дюйма (0,635 мм), що дозволяє досягти вражаючого зменшення габаритів. Однак експлуатація таких кабелів на вищих частотах у такому малих розмірах створює унікальні фізичні труднощі, насамперед — втрати сигналу. Розуміння фізичних процесів, що спричиняють ці втрати, є критично важливим для ефективного використання таких кабелів у чутливих застосуваннях, наприклад, у кабелях для внутрішньочерепної електроенцефалографії (ICE), внутрішньосудинної ультрасонографії (IVUS) та оральної візуалізації.

Втрати в провіднику в мікроаксіальних кабелях AWG 50 на низьких частотах

Основним джерелом втрат у будь-якій коаксіальній кабельній лінії є втрати в провіднику, спричинені ефектом поверхневого шару. Із зростанням частоти сигналу струм концентрується в тонкому «поверхневому» шарі на поверхні провідника. Глибина проникнення струму (δ) обернено пропорційна квадратному кореню з частоти та магнітної проникності провідника. У кабелі AWG 50 невеликий поперечний переріз провідника створює серйозне обмеження: опір таких тонких провідників на високих частотах значно вищий, оскільки площа поверхні, доступна для проходження струму, дуже мала. Це призводить до суттєвих омічних (I²R) втрат, під час яких електрична енергія перетворюється на тепло. У застосуваннях, таких як компактні кабельні жгуті для дронів або навіть кабельні жгуті для роботів, де тривалість роботи кабелю може бути короткою, проте простір для розміщення дуже обмежений, контроль такого провідникового нагрівання є обов’язковим, щоб запобігти погіршенню робочих характеристик.

Діелектричні втрати в мікро-коаксіальних кабелях AWG 50 на високих частотах

Тоді як втрати в провіднику домінують на знижених частотах, діелектричні втрати стають поступово значними, коли частоти зростають до багатогігагерцевого діапазону. Ці втрати виникають у діелектричному ізоляційному матеріалі, що розділяє живильний провідник і екран. Під дією змінного електричного поля полярні молекули всередині діелектрика постійно переорієнтуються, що призводить до тертя та нагрівання; це й є коефіцієнт розсіювання (Df). Для надтонких кабелів потрібні надтонкі діелектрики, що часто означає компроміси щодо вибору матеріалу. Вибір діелектрика зі зниженим коефіцієнтом розсіювання (наприклад, розширений ПТФЕ) є обов’язковим для забезпечення стабільності сигналу в застосуваннях з високою пропускною здатністю, таких як кабельні збірки USB4 та кабельні збірки LVDS для медичних екранів з високою роздільною здатністю.

Структурні втрати повернення та розриви імпедансу в надтонких мікро-коаксіальних кабелях

Втрата сигналу пов'язана не лише з ослабленням, а й із відбиттям сигналу. Структурна відбивальна здатність (SRL) виникає через незначні дефекти геометрії кабелю, коливання діаметра діелектрика, ексцентричність центрального провідника або навіть невпорядкованість оплітки екрану. У кабелі AWG 50, де допуски визначаються в мікронах, будь-яке відхилення призводить до розриву імпедансу. Такі розриви спричиняють часткове відбиття сигналу назад до джерела, що ефективно зменшує потужність переданого сигналу, а також викликає помилки передачі даних або навіть артефакти на зображенні. Це особливо важливо для кабелів ультразвукових датчиків та ендоскопів, де цілісність аналогового ВЧ-сигналу безпосередньо впливає на чіткість зображення та надійність діагностики.

Зниження ризиків за рахунок точного інженерного проектування та матеріалознавства

Подолання цих фізичних обмежень вимагає альтернативного підходу до проектування:

Просунуті матеріали: Використання високочистих мідних провідників із срібним покриттям забезпечує максимальну поверхневу провідність. Використання діелектриків з низькою щільністю та низьким коефіцієнтом втрат (Df) зменшує втрати через поляризацію.

Виробництво точної продукції: Збереження допусків на рівні мікрометрів під час екструзії та кабельної скрутки гарантує геометричну однорідність, контролює опір і зменшує втрати через поверхневий розсіювальний резонанс (SRL). Ця точність є ключовою у виробництві наших коаксіальних RF-кабелів та мікро-коаксіальних кабельних зборок.

Оптимізований дизайн: Розуміння частотного діапазону застосування дозволяє створювати спеціалізовані рішення. Наприклад, кабельний жгут для карданного камера-пристрою може акцентувати увагу на гнучких діелектриках з низькими втратами для забезпечення багаторазових рухів, тоді як RF-кабель для абляції повинен забезпечувати баланс між мінімальними втратами сигналу та високою здатністю передавати потужність.

Для виробників обладнання (OEM), які прагнуть до меж інновацій, використання ультратонкого коаксіального кабелю є компромісом між фізичними обмеженнями та ефективністю. У компанії Hotten Electronic Wire Technology наша команда розробляє мікро-коаксіальні кабелі AWG 50 не просто для відповідності обмеженням щодо розмірів, а й з метою проактивного подолання фундаментальних труднощів, пов’язаних із втратами сигналу. Зрозумівши взаємодію геометрії провідника, діелектричних властивостей та структурної точності, наша команда пропонує кабелі, що забезпечують надійну й високоякісну передачу сигналів у найбільш просунутих клінічних, побутових та комерційних застосуваннях.