BESCHREIBUNG

HOCHFREQUENZBAUTEIL SOWIE EIN VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES SOLCHEN BAUTEILS

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochfrequenztechnik. Sie betrifft ein Hochfrequenzbauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.

STAND DER TECHNIK

Bei Koaxialkabeln wird in den meisten Fällen zwischen dem Innenleiter und dem den Innenleiter koaxial umgebenden Aussenleiter ein festes Dielektrikum angeordnet, dessen physikalische Eigenschaften wie relative

Dielektrizitätskonstante ε _r und Verlustwinkel tan δ massgeblich für die übertragungseigenschaften des Kabels sind. Als festes Dielektrikum kommen

verschiedene Kunststoffe in Betracht, von denen die gebräuchlichsten mit ihren wesentlichsten Eigenschaften im Vergleich zur Luft als Dielektrikum in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet sind.

Dabei bedeutet:

PE Polyethylen

SPE geschäumtes Polyethylen

XLPE vernetztes Polyethylen

FEP Fluorethylen-Propylen

PFA Perfluoralkoxy-Copolymer

PTFE ges Polytetrafluorethylen (gesintert)

PTFEu _n g _e s Polytetrafluorethylen (ungesintert) PP Polypropylen PEEK Polyetheretherketon

Für die Herstellung von Koaxialkabeln mit festem Dielektrikum gibt es im Stand der Technik im wesentlichen zwei Verfahren, nämlich (1) die Extrusion und (2) die Bandier-/Wickeltechnik. Die Extrusion wird weiter unterteilt in (1a) Schmelzextrusion und (1 b) Pastenextrusion.

Die Schmelzextrusion ist nur mit schmelzfähigen thermoplastischen Kunststoffen möglich. Bei der Schmelzextrusion wird Kunststoffgranulat über Trichter einem Schneckenextruder zugeführt. Das Granulat wird aufgeschmolzen und vermischt und im Extrusionskopf wird die Kunststoffmasse um den Innenleiter gespritzt. Beim Verlassen des Extruders wird die Form und Dimension des Dielektrikums durch die Ausgestaltung des Extrusionskopfes und die Abzugsgeschwindigkeit bestimmt.

Die Pastenextrusion kommt vor allem bei Verwendung von PTFE zur Anwendung. Ausgangsmaterial ist ein PTFE-Pulver, das in sehr reiner Form vorliegen und unter ganz bestimmten klimatischen Bedingungen gelagert werden muss. Das PTFE-Pulver wird mit einem Schmiermittel versetzt, z.B. einem speziellen Benzin. Hierbei ist ebenfalls auf die richtige Temperatur und ausreichend Lüftung zu achten (Explosionsgefahr, Umweltbelastung). Das PTFE-Schmiermittel-Gemisch wird in einen Druckzylinder gebracht und dann mit hohem Druck auf den Innenleiter des Kabels gespritzt. Die Dimension des Dielektrikums wird dabei durch die Form des Extrusionskopfes und die Abzugsgeschwindigkeit des Innenleiterdrahtes definiert. Das PTFE-Pulver bildet so ein faserförmiges weiches Dielektrikum um den Innenleiter. Das Schmiermittel (Benzin) muss dann in einem speziellen Ofen kontrolliert aus dem Dielektrikum verdampft werden

(Explosionsgefahr, Umweltbelastung). Dabei ist zu beachten, dass kleinste Rückstände des Schmiermittels die HF-Eigenschaften des Kabels verschlechtern. Darüber hinaus bergen im Prozess eingesetzte Umlenkrollen die Gefahr der Deformation des noch weichen Dielektrikums. In einem sogenannten „Sinter-Ofen" kann das Dielektrikum schliesslich zu einer kompakten festen Masse „verbacken" werden.

Für Mikrowellenkabel mit den besten übertragungseigenschaften für den Frequenzbereich bis über 110 GHz wird bevorzugt PTFE als Dielektrikumsmaterial eingesetzt. PTFE wird sowohl wegen der niedrigen Dielektrizitätskonstante ε _r als auch wegen des tiefen Verlustwinkels tan δ gewählt (vgl. die o.g. Tabelle). Neben den guten elektrischen Eigenschaften verfügt PTFE aber auch über

ausgezeichnete Eigenschaften gegenüber mechanischen wie auch Temperaturbelastungen, d.h. es ist hochtemperaturbeständig, chemikalienbeständig, UV-stabil, hat gute Gleiteigenschaften und ist anti-adhäsiv.

Leider kann man PTFE nicht in einem Schmelzextrusionsverfahren verarbeiten, weil geschmolzenes PTFE eine zu hohe Viskosität hat, sondern muss es entweder mittels Pastenextrusion oder Bandwickeltechnik aufbringen (siehe oben). Beide Verfahren haben einen deutlichen Nachteil gegenüber der herkömmlichen Schmelzextrusion: Die Prozesse sind nicht kontinuierlich. Es kann nur eine bestimmte Länge hergestellt werden; anschliessend muss der Druckzylinder neu geladen bzw. die Bandierung neu gestartet werden. Insgesamt ist der Verarbeitungsprozess schwierig und das PTFE muss hochrein verarbeitet werden. Bei beiden Verfahren kann die Dielektrizitätskonstante weiter reduziert werden, indem entweder das durch Pastenextrusion aufgebrachte PTFE nicht gesintert, bzw. für die Bandierung verstrecktes PTFE verwendet wird.

Um das PTFE verarbeitbar via Schmelzextrusion zu machen, ist es bereits bekannt, dass ihm in etwa 4% von einem Co-Monomer beigegeben werden. Es entsteht dann PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer). PFA ist in seinen Eigenschaften sehr ähnlich wie gesintertes PTFE (siehe die obige Tabelle), hat aber preisliche (ca. 4mal teurer) und hochfrequenztechnische Nachteile (grosserer Verlustwinkel).

Wichtig für gute elektrische Eigenschaften eines Koaxialkabels mit festem Dielektrikum sind mechanisch genau kontrollierte Dimensionen, so dass die Impedanz des Kabels konstant bleibt, eine genaue Kontrolle des verwendeten Dielektrikumsmaterials in Bezug auf Zusammensetzung und Verunreinigung und eine Vermeidung allfälliger Deformationen. Das Dielektrikum sollte dabei mit möglichst geringer Dielektrizitätskonstante und kleinem Verlustfaktor behaftet sein.

Wie die Daten aus der o.g. Tabelle zeigen, kann, wenn PTFE in einer nichtgesinterten Form oder gereckt/bandiert weiter verarbeitet wird, die Dielektrizitätskonstante nochmals gesenkt werden; insbesondere kann die

Dielektrizitätskonstante weiter gesenkt werden, wenn das kompakte Material durch geschäumtes Material ersetzt wird: PTFE gesintert: 2,05

PTFE ungesintert: 1 ,4-1 ,7 PTFE gereckt/bandiert: 1 ,5-1 ,6 Zum Vergleich PE: ca. 2,3

PE geschäumt (SPE): ca. 1 ,3

Es ist bereits vorgeschlagen worden (US-A-4,304,713), in einem Koaxialkabel geschäumtes FEP als Dielektrikum einzusetzen, um die elektrischen

Eigenschaften des Kabels zu verbessern. Es ist in jüngerer Zeit aber auch vorgeschlagen worden, einen porösen PTFE-Schaum durch Extrusion für Kabel dadurch herzustellen, dass ein nicht schmelzverarbeitbares PTFE mit einem als Platzhalter wirkenden Schaummittel vermischt extrudiert wird, und anschliessend der Platzhalter entfernt wird (US-B2-6,683,255).

Wenn nun ein geeignetes thermoplastisch verarbeitbares PTFE (TP-PTFE) vorhanden wäre, müsste dieses nicht nur an sich bereits Vorteile bei der Herstellung von Koaxialkabeln haben, sondern zusätzlich auch noch geschäumt werden können, um für ein koaxiales Hochfrequenzkabel im GHz-Bereich ein besonders geeignetes extrudierbares Dielektrikum bereitzustellen. Es sollte dann eine relative Dielektrizitätskonstante von 1 ,1 - 1 ,5 erreicht werden können. Die Vorteile eines solchen geschäumten TP-PTFE wären:

• Tiefere HF-Verluste gegenüber allen bekannten Materialien • Bessere Phasenstabilität bzgl. Temperatur

• Passt in bereits vorhandene Prozessketten der thermoplastischen Extrusion bei der Kabelherstellung

• Kann im Endlosprozess hergestellt werden

• Keine Umweltbelastung durch Benzin (wie bei der Pastenextrusion) • Kein Trocknen/Sintern nötig

• Einfacheres Handling des Rohmaterials

• Einfacherer Verarbeitungsprozess, weniger Teilschritte

Die meisten dieser Vorteile wären nicht nur für Hochfrequenz-Koaxialkabel, sondern auch andere HF-Anwendungen wie Antennen, Verbinder oder dgl. gegeben, in denen das TP-PTFE als Dielektrikum Anwendung findet.

In verschiedenen Druckschriften (US-BI-6,531 ,559; US-B2-6,548,612 und US-B1- 6,737,165) ist nun bereits ein schmelzverarbeitbares thermoplastisches PTFE vorgeschlagen worden, das in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden soll (siehe z.B. Claim 20 der US-B1 -6,531 ,559, Spalte 8, Zeilen 47-65 der US-B2-6,548,612, oder Claim 21 der US-B1 -6,737,165), u.a. auch in einem Kabel. HF-Anwendungen und deren Vorteile werden jedoch nicht genannt. Die vorliegende Erfindung geht von der in diesen Druckschriften vorliegenden Offenbarung aus.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Hochfrequenzbauteil anzugeben, welches ein im Betrieb den herrschenden HF-Feldern ausgesetztes Dielektrikum aufweist, und welches sich durch vereinfachte Herstellbarkeit und verbesserte

Hochfrequenzeigenschaften auszeichnet, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, ein neu entwickeltes schmelzverarbeitbares thermoplastisches PTFE als Dielektrikum in Hochfrequenzbauteilen einzusetzen, um die guten Hochfrequenzeigenschaften des Materials bei gleichzeitig vereinfachter Verarbeitbarkeit auszunutzen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das

Hochfrequenzbauteil wenigstens zwei Leiter umfasst, und dass das Dielektrikum zwischen den Leitern angeordnet ist.

Insbesondere können die Leiter als Innenleiter und Aussenleiter ausgebildet sein, wobei der Aussenleiter den Innenleiter koaxial umgibt. Vorzugsweise ist das Hochfrequenzbauteil ein konzentrisches Koaxialbauteil, insbesondere ein Koaxialkabel.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzbauteil für eine Betriebsfrequenz im GHz-Bereich vorgesehen ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das thermoplastische PTFE-Material des Dielektrikums ein PTFE-Polymer mit einem Co-Monomer umfasst, wobei das Co-Monomer mit weniger als 1 Gew.-% und weniger als 0,5 Mol-% vorhanden ist und aus der Gruppe bestehend aus Hexafluoropropylen, Perfluoralkylvinyläther, Perfluormethylvinyläther, Perfluorpropylvinyläther und Perfluor(2,2-dimethyl-1 ,3-dioxol) ausgewählt ist.

Der Melt-Flow-Index (MFI) des thermoplastischen PTFE-Materials liegt dabei vorzugsweise zwischen 0,25 und 50 g/10 min, und die Bruchdehnung beträgt wenigstens 10%.

Die dielektrischen Eigenschaften werden dadurch verbessert, dass das Dielektrikum ganz oder teilweise aufgeschäumt ist.

Es ist aber auch denkbar, durch eine geeignete Profilierung und/oder Strukturierung des Dielektrikums grossere Bereiche (z.B. Hohlräume oder

Zwischenräume) innerhalb des Dielektrikums zu schaffen, die beispielsweise mit Luft gefüllt sind und so die Dielektrizitätskonstante der gesamten Anordnung günstig beeinflussen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzverarbeitbare, thermoplastische PTFE-Material für das Dielektrikum beim Extrudieren aufgeschäumt wird, dass zum Extrudieren

ein mit einer Förderschnecke ausgerüsteter Extruder verwendet wird, und dass zum Aufschäumen Gas im Bereich der Förderschnecke in den Extruder eingeführt wird. Als Gas wird dabei insbesondere Stickstoff oder CO ₂ verwendet.

KURZE ERLäUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in teilweiser Schnittdarstellung ein beispielhaftes Koaxialkabel, in welchem erfindungsgemäss das schmelzverarbeitbare thermoplastische PTFE als Dielektrikum eingesetzt werden kann; und

Fig. 2 in einem vereinfachten Anlagenschema eine Extrusionsanlage zur

Herstellung von Kabeln mit dem PTFE-Dielektrikum gemäss der

Erfindung.

WEGE ZUR AUSFüHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in teilweiser Schnittdarstellung ein beispielhaftes Koaxialkabel dargestellt, in welchem erfindungsgemäss das aus den eingangs genannten Druckschriften US-B1 -6,531 ,559; US-B2-6,548,612 und US-B1 -6,737,165 bekannte, schmelzverarbeitbare thermoplastische PTFE als Dielektrikum eingesetzt werden kann.

Das Koaxialkabel 10 der Fig. 1 umfasst einen zentralen Innenleiter 11 , der konzentrisch von einem Aussenleiter 13 umschlossen ist. Innenleiter 11 und Aussenleiter 13 können aus den üblichen, für HF-Anwendungen geeigneten Materialien bestehen und ggf. oberflächenbeschichtet sein. Der Zwischenraum

zwischen dem Innenleiter 11 und dem Aussenleiter 13 ist mit einem extrudierten Dielektrikum 12 ausgefüllt, das aus einem schmelzverarbeitbaren thermoplastischen PTFE besteht und zur weiteren Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften vorzugsweise aufgeschäumt ist. Aussen kann das Koaxialkabel 10 von einem schützenden und isolierenden Kabelmantel 14 umschlossen sein.

Zur kontinuierlichen Extrusion des PTFE-Dielektrikums um den Innenleiter 11 herum kann eine Extrusionsanlage eingesetzt werden, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Die Extrusionsanlage 16 der Fig. 2 umfasst als zentrale Einheit einen Extruder 23 mit einer vertikal angeordneten Förderschnecke 25, der oben durch einen Trichter 24 kontinuierlich Extrusionsmaterial (PTFE-Granulat) zugeführt wird, und die das zugeführte Material nach unten zu einem Extruder- Spritzkopf 28 transportiert, wo es im geschmolzenen Zustand um den horizontal durch den Extruder-Spritzkopf 28 hindurchgeführten Innenleiter 11 herum extrudiert wird.

Der Innenleiter 11 wird dazu mit einem Abwickler 17 von einer Vorratsrolle abgewickelt und zum Ausgleich von Schwankungen über einen Tänzer 18 geführt. Nach Passieren einer Doppelscheibe 19 wird der Innenleiter 11 mittels einer Vorheizung 20 vorgewärmt, bevor er in den Extruder-Spritzkopf 28 eintritt. Beim Austritt aus dem Extruder-Spritzkopf 28 ist der Innenleiter 11 dann von dem noch heissen PTFE-Dielektrikum 12 umgeben, das in einem nachfolgenden Kühlbad 26 wieder abgekühlt wird. Am Ausgang des Kühlbades 26 wird mittels eines Durchmesser-Messgerätes 27 dann der Durchmesser des ummantelten Innenleiters 11 , 12 gemessen und kontrolliert.

Um die Eigenschaften des Dielektrikums 12 im Hinblick auf den Hochfrequenzeinsatz des Koaxialkabels 10 weiter zu verbessern, wird das Dielektrikum 12 beim Extrudieren aufgeschäumt, was aufgrund der

Schmelzverarbeitbarkeit des verwendeten PTFE-Materials möglich ist. Dazu wird vorzugsweise aus einem Gasbehälter 21 Stickstoff unter Druck über eine

Injektionsleitung in das im Bereich der Förderschnecke 25 befindliche geschmolzene Material eingedüst und im Material gelöst und während des weiteren Fördervorgangs homogenisiert. Am Ausgang des Extruder-Spritzkopfes 28 expandiert das geschmolzene Material unter Druckabbau, wobei das gelöste Gas ausperlt und zum Aufschäumen des Materials führt. Der gebildete Schaum verfestigt sich.dann im Kühlbad 26.

Es ist aber auch denkbar, anstelle des Aufschäumens oder zusätzlich zum Aufschäumen durch eine geeignete Profilierung und/oder Strukturierung des Dielektrikums grossere Bereiche (z.B. Hohlräume oder Zwischenräume) innerhalb des Dielektrikums zu schaffen, die eine noch stärker reduzierte Dielektrizitätskonstante aufweisen, weil sie beispielsweise mit Luft gefüllt sind, und so die Dielektrizitätskonstante der gesamten Anordnung günstig beeinflussen.

Als PTFE-Material für das Dielektrikum 12 wird vorzugsweise ein PTFE-Polymer mit einem Co-Monomer genommen, wobei das Co-Monomer mit weniger als 1 Gew.-% und weniger als 0,5 Mol-% im Material vorhanden ist und aus der Gruppe bestehend aus Hexafluoropropylen, Perfluoralkylvinyläther, Perfluormethylvinyläther, Perfluorpropylvinyläther und Perfluor(2,2-dimethyl-1 ,3- dioxol) ausgewählt ist. Der Melt-Flow-Index (MFI) des thermoplastischen PTFE- Materials liegt insbesondere zwischen 0,25 und 50 g/10 min, und die Bruchdehnung beträgt wenigstens 10%.

Das beschriebene Koaxialkabel 10 ist nur ein Beispiel für ein Hochfrequenzbauteil, bei welchem das schmelzverarbeitbare, thermoplastische PTFE-Material als Dielektrikum eingesetzt werden kann. Andere Hochfrequenzbauteile mit einem solchen Dielektrikum können im Rahmen der Erfindung z.B. EMP-Ableiter sein, wie sie in der WO-A1 -9943052 beschrieben sind, oder koaxiale Steckverbinder, wie in der EP-B1-1 222 717, oder Mobilfunk-Antennen, wie in der EP-A1-0 502 818.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Koaxialkabel

11 Innenleiter 12 Dielektrikum

13 Aussenleiter

14 Kabelmantel

15 Längsachse

16 Extrusionsanlage 17 Abwickler

18 Tänzer

19 Doppelscheibe

20 Vorheizung

21 Gasbehälter 22 Injektionsleitung

23 Extruder

24 Trichter

25 Förderschnecke

26 Kühlbad 27 Durchmesser-Messgerät

28 Extruder-Spritzkopf