eng
Выпуск #5/2020
К. Джуринский, А. Андросов
СВЧ СОЕДИНИТЕЛИ ММ-ДИАПАЗОНА. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОПОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ШАЙБ
СВЧ СОЕДИНИТЕЛИ ММ-ДИАПАЗОНА. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОПОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ШАЙБ
Просмотры: 2425
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.196.5.100.111
Проанализированы особенности конструкции соединителей мм-диапазона длин волн и требования к материалам для изготовления опорных диэлектрических шайб. Приведены статистические данные применения полимеров в мм-соединителях более 30 компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии. Рассмотрены возможности применения отечественных полимеров в соединителях мм-диапазона.
Проанализированы особенности конструкции соединителей мм-диапазона длин волн и требования к материалам для изготовления опорных диэлектрических шайб. Приведены статистические данные применения полимеров в мм-соединителях более 30 компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии. Рассмотрены возможности применения отечественных полимеров в соединителях мм-диапазона.
Теги: amorphous and semi-crystalline polymers dielectric bearing disk direct losses radiation resistance vswr level аморфные и полукристаллические полимеры опорная диэлектрическая шайба прямые потери радиационная стойкость уровень ксвн
СВЧ-соединители мм-диапазона. Материалы для опорных диэлектрических шайб
К. Джуринский, к. т. н., А. Андросов
Проанализированы особенности конструкции соединителей мм-диапазона длин волн и требования к материалам для изготовления опорных диэлектрических шайб этих соединителей. Приведены технические характеристики полимеров, из которых изготавливают опорные шайбы, и статистические данные применения полимеров восьми марок в мм-соединителях более 30 компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии. Рассмотрены также возможности применения отечественных полимеров в соединителях мм-диапазона.
Опорная диэлектрическая шайба как важнейший элемент мм-соединителей
Создание соединителей миллиметрового диапазона длин волн (далее – мм-соединители) началось в середине 1970-х годов и продолжается и сейчас. Для повышения предельной частоты необходимо было уменьшить размеры коаксиальной линии соединителей и перейти с линии, заполненной твердым диэлектриком, на воздушную линию [1]. Но с переходом на воздушную линию возникла проблема закрепления внутреннего проводника соединителя.
Для ее решения были созданы опорные диэлектрические шайбы. В опорной шайбе закрепляют внутренний проводник концентрично относительно наружного проводника, а саму шайбу надежно фиксируют в корпусе соединителя.
Однако опорная шайба является неоднородностью и вносит рассогласование в коаксиальную линию соединителя, так как снижает возможность распространения в ней основной T‑волны без отражения и потерь. В результате этого ухудшаются параметры линии и снижается предельная частота соединителя. Поэтому необходимо компенсировать изменение геометрии коаксиальной линии и эффективную диэлектрическую проницаемость опорной шайбы. Оптимально сконструировать диэлектрическую шайбу можно в программах 3D‑моделирования и расчета СВЧ‑структур, таких как ANSYS® HFSS™ [2] или CST Microwave Studio®.
Соединители мм-диапазона
К соединителям мм-диапазона относятся соединители, верхняя частота применения которых более 30 ГГц: 3.5 mm (33 ГГц), 2.92 mm (40 ГГц), 2.4 mm (50 ГГц), 1.85 mm (65 ГГц), 1.0 mm (110 ГГц) [1]. В последние годы компания Anritsu разработала соединители 0.8 mm с рабочим диапазоном частот 0–145 ГГц [3]. Наряду с соединителями общего применения существуют прецизионные соединители мм-диапазона, в том числе инструментальные и метрологические, без которых невозможно создание радиоизмерительной аппаратуры.
Так как с ростом частоты соединители становятся все более миниатюрными, то возрастают потери и КСВН. Поэтому усилия разработчиков направлены на повышение точности изготовления и чистоты поверхности проводников коаксиальной линии, применение более совершенных покрытий, а также на выбор материалов и разработку технологии изготовления диэлектрической опорной шайбы оптимальной конструкции.
Требования к материалу
диэлектрической шайбы
Эти требования определяются техническими характеристиками соединителей, для которых они предназначены:
Материал опорной шайбы должен быть формоустойчивым и обеспечивать длительную стабильность ее размеров.
Обеспечение стабильного низкого уровня КСВН и прямых потерь соединителя.
Для этого материал опорной шайбы должен иметь как можно более низкие величины эффективной диэлектрической проницаемости (εэфф) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) в широком диапазоне температур и частот.
Рабочий диапазон температур соединителя.
Температурный диапазон применения материала опорной шайбы должен быть больше, чем у соединителя, в который она будет установлена. Для многих ответственных применений соединители должны работать в диапазоне температур от –60 до 120 °C.
Радиационная стойкость соединителя.
Радиационная стойкость соединителя (специального назначения) определяется радиационной стойкостью материала его опорной шайбы.
Полимеры, применяемые для изготовления опорных диэлектрических шайб
Аморфные и полукристаллические полимеры
Для изготовления опорных диэлектрических шайб соединителей мм-диапазона применяют аморфные и полукристаллические термопластичные полимеры. Эти полимеры характеризуются следующими параметрами: температурой стеклования и температурой плавления.
Стеклование – это процесс, происходящий в аморфных полимерах, цепи которых не выстроены в упорядоченные кристаллы, а расположены произвольным образом. При охлаждении полимера ниже температуры стеклования (Tg) он становится твердым и хрупким, как стекло. При превышении температуры Tg аморфные полимеры переходят из жестко-упругого и хрупкого состояния в гибкое и эластичное. При этом изменяются их свойства, резко снижаются механическая прочность и формоустойчивость [4].
Плавление происходит в кристаллических полимерах, при этом цепочки полимера выпадают из соответствующих кристаллических структур и становятся неупорядоченной жидкостью. При достижении температуры плавления полимер переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое и теряет свою кристаллическую структуру. Так как в кристаллических полимерах содержится некоторая доля вещества в аморфном состоянии, их называют полукристаллическими. Полукристаллические полимеры имеют как температуру стеклования, так и температуру плавления. Но важно понимать, что аморфная часть полимера претерпевает только стеклование, а его кристаллическая часть претерпевает только плавление [4].
Полукристаллические полимеры после достижения температуры Tg все еще продолжают сохранять определенную механическую прочность в связи с наличием в их структуре кристаллических областей. Поэтому полукристаллические полимеры хорошо подходят для изготовления деталей, подвергающихся механическим нагрузкам.
Температуры стеклования и плавления определяются жесткостью цепей и прочностью межмолекулярного взаимодействия полимеров. При выборе полимера желательно, чтобы его температура стеклования лежала вне рабочего диапазона температур соединителя.
Зарубежные полимеры для изготовления опорных диэлектрических шайб соединителей мм-диапазона представлены в табл. 1.
Технические характеристики полимеров
Основные механические, тепловые, электрические, а также диэлектрические (на частоте 1 МГц) характеристики полимеров приведены в табл. 2.
Ultem 1000. Полиэфиримидные материалы (PEI) серии Ultem были разработаны в начале 1980-х годов компанией General Electric, ныне входящей в состав компании Sabic Corporation (Саудовская Аравия) [7, 8]. Одним из лучших материалов этой серии является Ultem 1000.
Ultem 1000 – неармированный аморфный термопластичный полупрозрачный полимер янтарно-желтого цвета, имеющий высокие механическую прочность (близкую к прочности металлов и керамических материалов), термостойкость, химическую и радиационную стойкости. Материал негорючий и нетоксичный. Он сохраняет свои механические свойства при температурах до 170 °C. Детали, изготовленные из Ultem 1000, отличаются длительной стабильностью размеров.
Диэлектрические свойства Ultem 1000 лишь незначительно изменяются в широком диапазоне температур от –65 до 200 °С и частот от 1 до 1010 Гц (рис. 2) [8].
Ultem 1000 отвечает большинству требований к материалам опорных диэлектрических шайб, и поэтому его наиболее широко применяют в мм-соединителях.
В нашей стране в мм-соединителях компаний «Микран» и «Таир» для изготовления опорных шайб также используется Ultem 1000 [9].
Noryl EN265 – зарегистрированная торговая марка компании Sabic аморфного термопластичного полимера, состоящего из полифениленоксида (PPO) и полистерена (PS). Добавление полистирола позволило снизить температуру стеклования PPO c 210 до 120–130 °C. Noryl EN265 – химически стойкий, легкий полимер черного цвета.
Материал характеризуется высокой прочностью, стойкостью к ударным нагрузкам, формоустойчивостью, высоким сопротивлением ползучести, имеет небольшое влагопоглощение и невысокий коэффициент термического расширения. Для изготовления деталей из Noryl EN265 применяют технологии литья под давлением и экструзии, а также все виды механической обработки [10].
Rexolite 1422 – полупрозрачный полукристаллический полимер полистерен, разработанный компанией C-Lec Plastics для применения в СВЧ‑технике [11]. Диэлектрические свойства Rexolite 1422 стабильны в диапазоне температур от ‒270 до 176 °C и в широком диапазоне частот от 1 МГц до более 50 ГГц. У него отсутствует остаточная деформация и пластическое течение при температуре 100 °C. Этот материал отличается высокой радиационной стойкостью: после воздействия дозы 1 000 Мрад диэлектрические потери и другие свойства не претерпевают существенных изменений.
Kel-F81 (торговая марка компании 3М) – полукристаллический гомополимер из серии фторполимеров PCTFE. Компания Daikin производит его под торговой маркой Neoflon™ PCTFE [5]. Степень кристалличности этого полимера (40–80%) зависит от скорости охлаждения в процессе его производства. От других фторполимеров Kel-F81 отличается низкой хладотекучестью, высокой стабильностью размеров и исключительно высокой влагостойкостью (см. табл. 2) [12]. Однако большая величина тангенса угла диэлектрических потерь ограничивает применение этого полимера случаями, когда потери СВЧ-соединителя не являются критической величиной.
Детали из Kel-F81, как и из всех других полимеров серии PCTFE, изготавливают литьем под давлением и экструзией с последующей механической обработкой, а также механической обработкой всех видов. В настоящее время этот полимер выпускают зарубежные компании в виде лент, листов, трубок и стержней. Стоимость Kel-F81 приблизительно в шесть раз больше стоимости широко применяемого полимера PTFE («Фторопласт-4»).
PEEK – термопластичный полимер серого цвета с частично кристаллической структурой (~40%), в котором удачно сочетаются малый вес, высокие механические свойства, приближающиеся к свойствам металлов, химическая и радиационная стойкости, стабильность размеров и приемлемые диэлектрические свойства при температурах до 260 °C [13]. PEEK имеет наилучшие среди всех термопластичных полимеров стабильность размеров и радиационную стойкость к гамма- и рентгеновскому излучениям. Коэффициент линейного термического расширения PEEK приблизительно в два раза меньше, чем у PTFE.
Изделия из PEEK изготавливают механической обработкой, плавлением в пресс-формах, экструзией, а также 3D‑печатью. Этот полимер выпускают в виде порошка, гранул, стержней, листов, лент и трубок многие зарубежные компании, в том числе такие крупные, как Victrex, SABIC, Solvay.
PTFE, Teflon (торговая марка компании DuPont) – полукристаллический термопластичный политетрафторполимер, имеющий уникальные свойства [5, 13]. У него наименьшие величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в широком диапазоне частот, высокие химическая стойкость и огнестойкость, широкий диапазон рабочих температур. Полимер PTFE является самым распространенным изоляционным материалом в конструкциях кабелей и соединителей сантиметрового диапазона длин волн.
Однако длительный опыт применения PTFE позволил выявить его некоторые серьезные недостатки:
нестабильность геометрических размеров деталей из этого материала даже при отсутствии механической нагрузки из-за низкой твердости и высокой хладотекучести (склонности к деформации при постоянной температуре);
при нагревании PTFE не переходит в вязко-текучее состояние, что исключает его обработку термопластическими способами;
при температуре около 20 °C происходит структурная перестройка PTFE, приводящая к резкому увеличению коэффициента термического расширения;
самая низкая из всех высокотемпературных полимеров радиационная стойкость. При дозе 0,5 Мрад он утрачивает до 44% своей прочности, а при дозе 5 Мрад становится хрупким и ломается при изгибе;
значительное, порой необратимое, объемное расширение при воздействии высокой температуры, например, при пайке соединителей на кабель с изоляцией из PTFE.
Казалось бы, что из-за указанных недостатков PTFE не должен применяться в качестве материала опорных диэлектрических шайб мм-соединителей. Однако зарубежные компании применяют его для этой цели достаточно часто.
Анализ применения разных полимеров в зарубежных мм-соединителях
Результаты анализа применяемых материалов опорной диэлектрической шайбы мм-соединителей ведущих компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии представлены в табл. 3.
Наиболее широко для изготовления опорных шайб мм-соединителей применяют Ultem 1000 [6]. Список компаний, применяющих Ultem 1000, в табл. 3 неполный и отражает лишь часть компаний. Основной недостаток этого материала – высокая диэлектрическая проницаемость, равная 3,15. Чтобы снизить влияние диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, удаляют часть материала опорной шайбы, делая в ней отверстия и углубления. Этот материал имеет очень высокие твердость и прочность, и потому опорную шайбу приходится выполнять из двух половинок, которые вставляют в проточку центрального проводника, и затем сборку помещают в центрующую втулку – рис. 3 [5].
В серийном производстве сборку можно получать литьем под давлением, установив центральный проводник по оси литьевой пресс-формы.
Многие компании применяют в качестве материала опорных шайб Noryl EN265. Этот полимер можно использовать при изготовлении соединителей по технологии литья под давлением. Noryl EN265 имеет лучшие диэлектрические параметры по сравнению с Ultem 1000, но у него низкая радиационная стойкость.
Rexolite 1422 также входит в число традиционных материалов опорных шайб мм-соединителей и применяется многими компаниями. Однако недостаточно широкий рабочий диапазон температур ограничивает область его применения в соединителях военного назначения. Но для инструментальных мм-соединителей Rexolite 1422 является одним из лучших изоляционных материалов.
Фторполимер Kel-F8, несмотря на большую величину тангенса угла диэлектрических потерь и невысокую радиационную стойкость, применяют в мм-соединителях так же часто, как и Ultem 1000. Дело в том, что потери СВЧ‑соединителя зависят не только от диэлектрических параметров материала опорной шайбы (εэфф и tg δ), но и от ее размеров.
Так как шайбы миниатюрны, и с ростом частоты становятся все меньше, то это сглаживает возрастание потерь, если конструкция шайбы выбрана оптимальной.
Полимер PEEK благодаря удачному сочетанию физических и технологических свойств оказался востребованным в мм-соединителях компании Rosenberger и некоторых других компаний.
Несколько неожиданно казалось применение для опорных шайб фторполимера PTFE, имеющего невысокие твердость и прочность, нестабильность размеров и низкую радиационную стойкость. Однако это применение можно оправдать тем, что опорные шайбы имеют малые размеры и они закреплены во втулках. К тому же упрощается технология установки внутреннего проводника в шайбу: шайбу можно вставить в углубление на центральном проводнике, разрезав ее только по радиусу. Низкая радиационная стойкость PTFE также не является препятствием, так как шайба в соединенном состоянии вилки и розетки полностью окружена металлом. При хранении аппаратуры с соединителями, в которых применен PTFE, когда шайба открыта, достаточно надеть на соединитель вместо пластмассового или резинового колпачка защитный металлический.
Кроме вышеперечисленных полимеров, ограниченное применение имеют Kapton и Delrin. Kapton – полукристаллический полимер класса полиимидов. Из ленточного полимера Kapton изготовлена опорная шайба оригинальной конструкции для одного из соединителей 2.92 mm компании Radiall [5]. Delrin – полукристаллический гомополимер полиоксиметилен (полиацеталь) повышенной прочности, имеющий невысокий уровень диэлектрических параметров, диапазон рабочих частот: –60…100 °C и радиационную стойкость всего 1 Мрад. Delrin применила компания San-Tron (www.santron.com) в соединителях 2.92 mm.
Возможности применения
отечественных материалов
Решение задачи импортозамещения требует применения отечественных полимеров в конструкции выпускаемых в нашей стране мм-соединителей. В настоящее время в нашей стране самые разнообразные полимеры производят 60 заводов. Выпускаются некоторые полимеры, аналогичные зарубежным. Так, например, полимер PTFE под маркой «Фторопласт‑4» был создан в 1947 году в ОАО «Пластполимер». Промышленное производство этого полимера на предприятии в г. Кирово-Чепецке осуществляется с 1956 года [5]. «Фторопласт-4» по своему качеству практически не уступает зарубежным аналогам.
Необходимо также отметить, что в нашей стране специалистами ПО «Родонит» (www.rodonit.chepetsk.ru) совместно с ООО «АР-ПРО» (ar-pro.org) создан и выпускается радиационно-модифицированный фторполимерный материал «Арфлон», марки AR100 и AR200. «Арфлон» является аналогом PTFE, но превосходит его по таким важным свойствам, как отсутствие хладотекучести и более высокая (в 500 раз) радиационная стойкость [5].
Отечественными аналогами полимера Kel-F81 являются фторопласты Ф‑3, ГОСТ 13744-87 и Ф‑3М, ТУ 6-05-1812-87. «Фторопласт-3» перерабатывается в изделия обычными для термопластов методами горячего прессования, экструзии, литья под давлением.
Механическая обработка позволяет получить из него детали с точными размерами.
Полиацеталь ПОМ-С является отечественным аналогом полиоксиметилена Derlin и серийно выпускается для применения в автомобильной и электротехнической промышленности [14]. Однако его широкое применение в мм-соединителях вряд ли целесообразно.
Сдерживает производство в нашей стране мм-соединителей, не зависящих от импорта, отсутствие отечественного аналога Ultem 1000. Организация производства этого полимера осложняется тем, что требуемое количество этого материала невелико, учитывая малые размеры опорных шайб и небольшой объем выпуска мм-соединителей. Поэтому такое производство невыгодно с экономической точки зрения.
* * *
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что для серийного изготовления опорных диэлектрических шайб соединителей мм-диапазона общего применения наиболее применяемым полимером является Ultem 1000.
Предсказать применение полимера определенной марки в мм-соединителе конкретного типа невозможно. Данные табл. 3 показывают, что разные компании в соединителе одного и того же типа применяют различные полимеры для изготовления опорной шайбы. Более того, одна и та же компания для изготовления соединителя конкретного типа применяет полимеры разных марок. По-видимому, всё определяется назначением соединителя, особенностями его конструкции и технологическими возможностями компании.
Отечественные полимеры фторопласты: Ф4 и Ф3, а также «Арфлон» также могут быть применены при создании мм-соединителей.
Литература
Джуринский К. Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры / Под ред. д. т. н. Борисова А. А. – СПб: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2014. 426 с.
Clupper T., Blair C., Broomall J. Cut-off frequency Prediction for MMW Coaxial Interconnects. 2019. – www.edicononline.com.
Джуринский К., Криворучко В. Радиочастотные коаксиальные соединители с предельной частотой 145 ГГц. Конец эволюции соединителей? // Современная электроника. 2019. № 7. С. 42–45.
Пластики для аэрокосмических технологий. – www.polimer1.ru
Джуринский К., Прокимов А., Смирнова Ю. Перспективные изоляционные материалы для радиочастотных кабелей и соединителей // Компоненты и технологии. 2017. № 2. С. 105–113.
Fuks R. New Dielectric Bead for Millimeter-wave Coaxial Components. Introduction to a bead used for the dielectric structure for mechanical support of coaxial microwave components // Microwave Journal. 2001. № 5.
ULTEM™ Resin – Sabic. – www.sabic.com.
GE Plastics. PEI Resin ULTEM. GE Engineering Thermoplastics, Product Guide. docplayer.net.
Джуринский К., Павлов С., Морозов О. Отечественные радиочастотные соединители мм-диапазона длин волн // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 3. С. 154–168.
NORYL™ Resin – Sabic. – www.sabic.com.
Rexolite®. C-Lec Plastics Inc. 2015. – www.rexolite.com.
Neoflon™ PCTFE Molding Powder. – www.daikinchem.
Polyetheretherketone (PEEK): A Complete Guide on High-Heat Engineering Plastic.
Характеристики, производство и применение полиацеталя. – www.kp.ru/guide/poliatsetal.html.
К. Джуринский, к. т. н., А. Андросов
Проанализированы особенности конструкции соединителей мм-диапазона длин волн и требования к материалам для изготовления опорных диэлектрических шайб этих соединителей. Приведены технические характеристики полимеров, из которых изготавливают опорные шайбы, и статистические данные применения полимеров восьми марок в мм-соединителях более 30 компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии. Рассмотрены также возможности применения отечественных полимеров в соединителях мм-диапазона.
Опорная диэлектрическая шайба как важнейший элемент мм-соединителей
Создание соединителей миллиметрового диапазона длин волн (далее – мм-соединители) началось в середине 1970-х годов и продолжается и сейчас. Для повышения предельной частоты необходимо было уменьшить размеры коаксиальной линии соединителей и перейти с линии, заполненной твердым диэлектриком, на воздушную линию [1]. Но с переходом на воздушную линию возникла проблема закрепления внутреннего проводника соединителя.
Для ее решения были созданы опорные диэлектрические шайбы. В опорной шайбе закрепляют внутренний проводник концентрично относительно наружного проводника, а саму шайбу надежно фиксируют в корпусе соединителя.
Однако опорная шайба является неоднородностью и вносит рассогласование в коаксиальную линию соединителя, так как снижает возможность распространения в ней основной T‑волны без отражения и потерь. В результате этого ухудшаются параметры линии и снижается предельная частота соединителя. Поэтому необходимо компенсировать изменение геометрии коаксиальной линии и эффективную диэлектрическую проницаемость опорной шайбы. Оптимально сконструировать диэлектрическую шайбу можно в программах 3D‑моделирования и расчета СВЧ‑структур, таких как ANSYS® HFSS™ [2] или CST Microwave Studio®.
Соединители мм-диапазона
К соединителям мм-диапазона относятся соединители, верхняя частота применения которых более 30 ГГц: 3.5 mm (33 ГГц), 2.92 mm (40 ГГц), 2.4 mm (50 ГГц), 1.85 mm (65 ГГц), 1.0 mm (110 ГГц) [1]. В последние годы компания Anritsu разработала соединители 0.8 mm с рабочим диапазоном частот 0–145 ГГц [3]. Наряду с соединителями общего применения существуют прецизионные соединители мм-диапазона, в том числе инструментальные и метрологические, без которых невозможно создание радиоизмерительной аппаратуры.
Так как с ростом частоты соединители становятся все более миниатюрными, то возрастают потери и КСВН. Поэтому усилия разработчиков направлены на повышение точности изготовления и чистоты поверхности проводников коаксиальной линии, применение более совершенных покрытий, а также на выбор материалов и разработку технологии изготовления диэлектрической опорной шайбы оптимальной конструкции.
Требования к материалу
диэлектрической шайбы
Эти требования определяются техническими характеристиками соединителей, для которых они предназначены:
- Предельная частота соединителя.
Материал опорной шайбы должен быть формоустойчивым и обеспечивать длительную стабильность ее размеров.
- Технологические проблемы.
Обеспечение стабильного низкого уровня КСВН и прямых потерь соединителя.
Для этого материал опорной шайбы должен иметь как можно более низкие величины эффективной диэлектрической проницаемости (εэфф) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) в широком диапазоне температур и частот.
Рабочий диапазон температур соединителя.
Температурный диапазон применения материала опорной шайбы должен быть больше, чем у соединителя, в который она будет установлена. Для многих ответственных применений соединители должны работать в диапазоне температур от –60 до 120 °C.
Радиационная стойкость соединителя.
Радиационная стойкость соединителя (специального назначения) определяется радиационной стойкостью материала его опорной шайбы.
Полимеры, применяемые для изготовления опорных диэлектрических шайб
Аморфные и полукристаллические полимеры
Для изготовления опорных диэлектрических шайб соединителей мм-диапазона применяют аморфные и полукристаллические термопластичные полимеры. Эти полимеры характеризуются следующими параметрами: температурой стеклования и температурой плавления.
Стеклование – это процесс, происходящий в аморфных полимерах, цепи которых не выстроены в упорядоченные кристаллы, а расположены произвольным образом. При охлаждении полимера ниже температуры стеклования (Tg) он становится твердым и хрупким, как стекло. При превышении температуры Tg аморфные полимеры переходят из жестко-упругого и хрупкого состояния в гибкое и эластичное. При этом изменяются их свойства, резко снижаются механическая прочность и формоустойчивость [4].
Плавление происходит в кристаллических полимерах, при этом цепочки полимера выпадают из соответствующих кристаллических структур и становятся неупорядоченной жидкостью. При достижении температуры плавления полимер переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое и теряет свою кристаллическую структуру. Так как в кристаллических полимерах содержится некоторая доля вещества в аморфном состоянии, их называют полукристаллическими. Полукристаллические полимеры имеют как температуру стеклования, так и температуру плавления. Но важно понимать, что аморфная часть полимера претерпевает только стеклование, а его кристаллическая часть претерпевает только плавление [4].
Полукристаллические полимеры после достижения температуры Tg все еще продолжают сохранять определенную механическую прочность в связи с наличием в их структуре кристаллических областей. Поэтому полукристаллические полимеры хорошо подходят для изготовления деталей, подвергающихся механическим нагрузкам.
Температуры стеклования и плавления определяются жесткостью цепей и прочностью межмолекулярного взаимодействия полимеров. При выборе полимера желательно, чтобы его температура стеклования лежала вне рабочего диапазона температур соединителя.
Зарубежные полимеры для изготовления опорных диэлектрических шайб соединителей мм-диапазона представлены в табл. 1.
Технические характеристики полимеров
Основные механические, тепловые, электрические, а также диэлектрические (на частоте 1 МГц) характеристики полимеров приведены в табл. 2.
Ultem 1000. Полиэфиримидные материалы (PEI) серии Ultem были разработаны в начале 1980-х годов компанией General Electric, ныне входящей в состав компании Sabic Corporation (Саудовская Аравия) [7, 8]. Одним из лучших материалов этой серии является Ultem 1000.
Ultem 1000 – неармированный аморфный термопластичный полупрозрачный полимер янтарно-желтого цвета, имеющий высокие механическую прочность (близкую к прочности металлов и керамических материалов), термостойкость, химическую и радиационную стойкости. Материал негорючий и нетоксичный. Он сохраняет свои механические свойства при температурах до 170 °C. Детали, изготовленные из Ultem 1000, отличаются длительной стабильностью размеров.
Диэлектрические свойства Ultem 1000 лишь незначительно изменяются в широком диапазоне температур от –65 до 200 °С и частот от 1 до 1010 Гц (рис. 2) [8].
Ultem 1000 отвечает большинству требований к материалам опорных диэлектрических шайб, и поэтому его наиболее широко применяют в мм-соединителях.
В нашей стране в мм-соединителях компаний «Микран» и «Таир» для изготовления опорных шайб также используется Ultem 1000 [9].
Noryl EN265 – зарегистрированная торговая марка компании Sabic аморфного термопластичного полимера, состоящего из полифениленоксида (PPO) и полистерена (PS). Добавление полистирола позволило снизить температуру стеклования PPO c 210 до 120–130 °C. Noryl EN265 – химически стойкий, легкий полимер черного цвета.
Материал характеризуется высокой прочностью, стойкостью к ударным нагрузкам, формоустойчивостью, высоким сопротивлением ползучести, имеет небольшое влагопоглощение и невысокий коэффициент термического расширения. Для изготовления деталей из Noryl EN265 применяют технологии литья под давлением и экструзии, а также все виды механической обработки [10].
Rexolite 1422 – полупрозрачный полукристаллический полимер полистерен, разработанный компанией C-Lec Plastics для применения в СВЧ‑технике [11]. Диэлектрические свойства Rexolite 1422 стабильны в диапазоне температур от ‒270 до 176 °C и в широком диапазоне частот от 1 МГц до более 50 ГГц. У него отсутствует остаточная деформация и пластическое течение при температуре 100 °C. Этот материал отличается высокой радиационной стойкостью: после воздействия дозы 1 000 Мрад диэлектрические потери и другие свойства не претерпевают существенных изменений.
Kel-F81 (торговая марка компании 3М) – полукристаллический гомополимер из серии фторполимеров PCTFE. Компания Daikin производит его под торговой маркой Neoflon™ PCTFE [5]. Степень кристалличности этого полимера (40–80%) зависит от скорости охлаждения в процессе его производства. От других фторполимеров Kel-F81 отличается низкой хладотекучестью, высокой стабильностью размеров и исключительно высокой влагостойкостью (см. табл. 2) [12]. Однако большая величина тангенса угла диэлектрических потерь ограничивает применение этого полимера случаями, когда потери СВЧ-соединителя не являются критической величиной.
Детали из Kel-F81, как и из всех других полимеров серии PCTFE, изготавливают литьем под давлением и экструзией с последующей механической обработкой, а также механической обработкой всех видов. В настоящее время этот полимер выпускают зарубежные компании в виде лент, листов, трубок и стержней. Стоимость Kel-F81 приблизительно в шесть раз больше стоимости широко применяемого полимера PTFE («Фторопласт-4»).
PEEK – термопластичный полимер серого цвета с частично кристаллической структурой (~40%), в котором удачно сочетаются малый вес, высокие механические свойства, приближающиеся к свойствам металлов, химическая и радиационная стойкости, стабильность размеров и приемлемые диэлектрические свойства при температурах до 260 °C [13]. PEEK имеет наилучшие среди всех термопластичных полимеров стабильность размеров и радиационную стойкость к гамма- и рентгеновскому излучениям. Коэффициент линейного термического расширения PEEK приблизительно в два раза меньше, чем у PTFE.
Изделия из PEEK изготавливают механической обработкой, плавлением в пресс-формах, экструзией, а также 3D‑печатью. Этот полимер выпускают в виде порошка, гранул, стержней, листов, лент и трубок многие зарубежные компании, в том числе такие крупные, как Victrex, SABIC, Solvay.
PTFE, Teflon (торговая марка компании DuPont) – полукристаллический термопластичный политетрафторполимер, имеющий уникальные свойства [5, 13]. У него наименьшие величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в широком диапазоне частот, высокие химическая стойкость и огнестойкость, широкий диапазон рабочих температур. Полимер PTFE является самым распространенным изоляционным материалом в конструкциях кабелей и соединителей сантиметрового диапазона длин волн.
Однако длительный опыт применения PTFE позволил выявить его некоторые серьезные недостатки:
нестабильность геометрических размеров деталей из этого материала даже при отсутствии механической нагрузки из-за низкой твердости и высокой хладотекучести (склонности к деформации при постоянной температуре);
при нагревании PTFE не переходит в вязко-текучее состояние, что исключает его обработку термопластическими способами;
при температуре около 20 °C происходит структурная перестройка PTFE, приводящая к резкому увеличению коэффициента термического расширения;
самая низкая из всех высокотемпературных полимеров радиационная стойкость. При дозе 0,5 Мрад он утрачивает до 44% своей прочности, а при дозе 5 Мрад становится хрупким и ломается при изгибе;
значительное, порой необратимое, объемное расширение при воздействии высокой температуры, например, при пайке соединителей на кабель с изоляцией из PTFE.
Казалось бы, что из-за указанных недостатков PTFE не должен применяться в качестве материала опорных диэлектрических шайб мм-соединителей. Однако зарубежные компании применяют его для этой цели достаточно часто.
Анализ применения разных полимеров в зарубежных мм-соединителях
Результаты анализа применяемых материалов опорной диэлектрической шайбы мм-соединителей ведущих компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии представлены в табл. 3.
Наиболее широко для изготовления опорных шайб мм-соединителей применяют Ultem 1000 [6]. Список компаний, применяющих Ultem 1000, в табл. 3 неполный и отражает лишь часть компаний. Основной недостаток этого материала – высокая диэлектрическая проницаемость, равная 3,15. Чтобы снизить влияние диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, удаляют часть материала опорной шайбы, делая в ней отверстия и углубления. Этот материал имеет очень высокие твердость и прочность, и потому опорную шайбу приходится выполнять из двух половинок, которые вставляют в проточку центрального проводника, и затем сборку помещают в центрующую втулку – рис. 3 [5].
В серийном производстве сборку можно получать литьем под давлением, установив центральный проводник по оси литьевой пресс-формы.
Многие компании применяют в качестве материала опорных шайб Noryl EN265. Этот полимер можно использовать при изготовлении соединителей по технологии литья под давлением. Noryl EN265 имеет лучшие диэлектрические параметры по сравнению с Ultem 1000, но у него низкая радиационная стойкость.
Rexolite 1422 также входит в число традиционных материалов опорных шайб мм-соединителей и применяется многими компаниями. Однако недостаточно широкий рабочий диапазон температур ограничивает область его применения в соединителях военного назначения. Но для инструментальных мм-соединителей Rexolite 1422 является одним из лучших изоляционных материалов.
Фторполимер Kel-F8, несмотря на большую величину тангенса угла диэлектрических потерь и невысокую радиационную стойкость, применяют в мм-соединителях так же часто, как и Ultem 1000. Дело в том, что потери СВЧ‑соединителя зависят не только от диэлектрических параметров материала опорной шайбы (εэфф и tg δ), но и от ее размеров.
Так как шайбы миниатюрны, и с ростом частоты становятся все меньше, то это сглаживает возрастание потерь, если конструкция шайбы выбрана оптимальной.
Полимер PEEK благодаря удачному сочетанию физических и технологических свойств оказался востребованным в мм-соединителях компании Rosenberger и некоторых других компаний.
Несколько неожиданно казалось применение для опорных шайб фторполимера PTFE, имеющего невысокие твердость и прочность, нестабильность размеров и низкую радиационную стойкость. Однако это применение можно оправдать тем, что опорные шайбы имеют малые размеры и они закреплены во втулках. К тому же упрощается технология установки внутреннего проводника в шайбу: шайбу можно вставить в углубление на центральном проводнике, разрезав ее только по радиусу. Низкая радиационная стойкость PTFE также не является препятствием, так как шайба в соединенном состоянии вилки и розетки полностью окружена металлом. При хранении аппаратуры с соединителями, в которых применен PTFE, когда шайба открыта, достаточно надеть на соединитель вместо пластмассового или резинового колпачка защитный металлический.
Кроме вышеперечисленных полимеров, ограниченное применение имеют Kapton и Delrin. Kapton – полукристаллический полимер класса полиимидов. Из ленточного полимера Kapton изготовлена опорная шайба оригинальной конструкции для одного из соединителей 2.92 mm компании Radiall [5]. Delrin – полукристаллический гомополимер полиоксиметилен (полиацеталь) повышенной прочности, имеющий невысокий уровень диэлектрических параметров, диапазон рабочих частот: –60…100 °C и радиационную стойкость всего 1 Мрад. Delrin применила компания San-Tron (www.santron.com) в соединителях 2.92 mm.
Возможности применения
отечественных материалов
Решение задачи импортозамещения требует применения отечественных полимеров в конструкции выпускаемых в нашей стране мм-соединителей. В настоящее время в нашей стране самые разнообразные полимеры производят 60 заводов. Выпускаются некоторые полимеры, аналогичные зарубежным. Так, например, полимер PTFE под маркой «Фторопласт‑4» был создан в 1947 году в ОАО «Пластполимер». Промышленное производство этого полимера на предприятии в г. Кирово-Чепецке осуществляется с 1956 года [5]. «Фторопласт-4» по своему качеству практически не уступает зарубежным аналогам.
Необходимо также отметить, что в нашей стране специалистами ПО «Родонит» (www.rodonit.chepetsk.ru) совместно с ООО «АР-ПРО» (ar-pro.org) создан и выпускается радиационно-модифицированный фторполимерный материал «Арфлон», марки AR100 и AR200. «Арфлон» является аналогом PTFE, но превосходит его по таким важным свойствам, как отсутствие хладотекучести и более высокая (в 500 раз) радиационная стойкость [5].
Отечественными аналогами полимера Kel-F81 являются фторопласты Ф‑3, ГОСТ 13744-87 и Ф‑3М, ТУ 6-05-1812-87. «Фторопласт-3» перерабатывается в изделия обычными для термопластов методами горячего прессования, экструзии, литья под давлением.
Механическая обработка позволяет получить из него детали с точными размерами.
Полиацеталь ПОМ-С является отечественным аналогом полиоксиметилена Derlin и серийно выпускается для применения в автомобильной и электротехнической промышленности [14]. Однако его широкое применение в мм-соединителях вряд ли целесообразно.
Сдерживает производство в нашей стране мм-соединителей, не зависящих от импорта, отсутствие отечественного аналога Ultem 1000. Организация производства этого полимера осложняется тем, что требуемое количество этого материала невелико, учитывая малые размеры опорных шайб и небольшой объем выпуска мм-соединителей. Поэтому такое производство невыгодно с экономической точки зрения.
* * *
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что для серийного изготовления опорных диэлектрических шайб соединителей мм-диапазона общего применения наиболее применяемым полимером является Ultem 1000.
Предсказать применение полимера определенной марки в мм-соединителе конкретного типа невозможно. Данные табл. 3 показывают, что разные компании в соединителе одного и того же типа применяют различные полимеры для изготовления опорной шайбы. Более того, одна и та же компания для изготовления соединителя конкретного типа применяет полимеры разных марок. По-видимому, всё определяется назначением соединителя, особенностями его конструкции и технологическими возможностями компании.
Отечественные полимеры фторопласты: Ф4 и Ф3, а также «Арфлон» также могут быть применены при создании мм-соединителей.
Литература
Джуринский К. Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры / Под ред. д. т. н. Борисова А. А. – СПб: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2014. 426 с.
Clupper T., Blair C., Broomall J. Cut-off frequency Prediction for MMW Coaxial Interconnects. 2019. – www.edicononline.com.
Джуринский К., Криворучко В. Радиочастотные коаксиальные соединители с предельной частотой 145 ГГц. Конец эволюции соединителей? // Современная электроника. 2019. № 7. С. 42–45.
Пластики для аэрокосмических технологий. – www.polimer1.ru
Джуринский К., Прокимов А., Смирнова Ю. Перспективные изоляционные материалы для радиочастотных кабелей и соединителей // Компоненты и технологии. 2017. № 2. С. 105–113.
Fuks R. New Dielectric Bead for Millimeter-wave Coaxial Components. Introduction to a bead used for the dielectric structure for mechanical support of coaxial microwave components // Microwave Journal. 2001. № 5.
ULTEM™ Resin – Sabic. – www.sabic.com.
GE Plastics. PEI Resin ULTEM. GE Engineering Thermoplastics, Product Guide. docplayer.net.
Джуринский К., Павлов С., Морозов О. Отечественные радиочастотные соединители мм-диапазона длин волн // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 3. С. 154–168.
NORYL™ Resin – Sabic. – www.sabic.com.
Rexolite®. C-Lec Plastics Inc. 2015. – www.rexolite.com.
Neoflon™ PCTFE Molding Powder. – www.daikinchem.
Polyetheretherketone (PEEK): A Complete Guide on High-Heat Engineering Plastic.
Характеристики, производство и применение полиацеталя. – www.kp.ru/guide/poliatsetal.html.
Отзывы читателей
