一種雙聯(lián)波導(dǎo)同軸電纜組件的創(chuàng)新設(shè)計

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(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

同軸線和矩形波導(dǎo)因各有其鮮明的特點，在微波系統(tǒng)中被廣泛采用。由于其結(jié)構(gòu)的不同，其中傳輸?shù)男盘柲Ｊ胶蛨鼋Y(jié)構(gòu)完全不同。在復(fù)雜的微波系統(tǒng)中通常需要在兩種傳輸結(jié)構(gòu)間多次轉(zhuǎn)換。因此，同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器成為各種雷達系統(tǒng)、精密制導(dǎo)系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)以及測試設(shè)備中不可缺少的一種無源轉(zhuǎn)換器件。

近年來隨著導(dǎo)彈型號的快速發(fā)展，體積要求越來越小，精度等級越來越高，對各個元器件的要求逐漸提高。波導(dǎo)同軸電纜組件作為彈上必須使用的器件，應(yīng)用范圍廣，生命力強，而波導(dǎo)同軸電纜組件目前國內(nèi)設(shè)計的產(chǎn)品體積太大，性能不高，因此進行高性能高可靠波導(dǎo)同軸電纜組件的自主研制勢在必行。

2 產(chǎn)品研制

2.1 產(chǎn)品組成

雙聯(lián)波導(dǎo)電纜組件由雙聯(lián)波導(dǎo)、四聯(lián)模塊和低損穩(wěn)相電纜組成。

2.2 產(chǎn)品功能及技術(shù)特點

a)采用介質(zhì)波導(dǎo)界面和固定尺寸設(shè)計，體積小，調(diào)試使用方便，可靠性高；

b)采用模塊化設(shè)計，四聯(lián)模塊固定安裝，單個SMP獨立浮動；

c)同軸電纜彎曲后再進行焊接，提高了產(chǎn)品電氣性能和可靠性。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 波導(dǎo)同軸電纜組件外形尺寸

波導(dǎo)：長×寬×高：17.95mm × 18.5 mm × 13.85 mm。

2.3.2 電氣性能

介質(zhì)耐電壓：500V(海平面)；

絕緣電阻：≥1000MΩ(常態(tài))；

電壓駐波比：≤1.8(16GHz～18GHz)；

插入損耗：≤1.3dB(16GHz～18GHz)。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4.1 波導(dǎo)接口選擇和設(shè)計

本產(chǎn)品采用的波導(dǎo)界面BJ140為介質(zhì)波導(dǎo)界面，波導(dǎo)內(nèi)腔裝入聚四氟乙烯介質(zhì)體，與空氣填充標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口相比尺寸小很多，精度要求更高，容易保證同軸度和電氣性能，更利于小型化設(shè)計。如圖1矩形波導(dǎo)界面尺寸 和表1矩形波導(dǎo)界面尺寸對比表。

表1 矩形波導(dǎo)界面尺寸對比表

圖1 矩形波導(dǎo)界面尺寸

2.4.2 同軸探針的最佳安裝位置設(shè)計

工作于TEM模的同軸線與工作于TE10模的矩形波導(dǎo)之間的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換如圖2所示，基本原理是利用同軸探針將微波能量激勵到波導(dǎo)腔體。在矩形波導(dǎo)內(nèi)，同軸探針從波導(dǎo)的寬面伸入，形成一個小天線，它把微波能量輻射到波導(dǎo)的有限空間中，探針的兩端激勵起電磁波，為在波導(dǎo)中建立起單方向傳輸?shù)碾姶挪ǎ瑒t在波導(dǎo)的一端用短路活塞把這一方向的波反射到需要的方向上去。調(diào)節(jié)短路活塞的位置可使同軸線與波導(dǎo)之間獲得良好的匹配。若波導(dǎo)滿足單模傳輸TE10模的條件，則可在其中激勵起TE10傳輸波。但由于激勵源的不均勻性，探針除激勵起TE10模外，還會在探針附近激起其他模式。對于單模波導(dǎo)，除TE10模外所有高次模式都是截止的，在距離探針稍遠(yuǎn)的波導(dǎo)中，高次模的截止場都被衰減而消失，只剩下傳輸模式TE10模。在探針附近高次模的場具有儲能特性，它們同工作模式TE10進行能量耦合，這相當(dāng)于在探針位置處給矩形波導(dǎo)引入了一個電抗(或電納)分量，從而導(dǎo)致同軸線中TEM模的反射，使電磁波能量不能全部進入矩形波導(dǎo)。為使電磁能量能全部進入波導(dǎo)，可通過適當(dāng)調(diào)整探針的插入深度及改變短路活塞的位置以消除反射波來實現(xiàn)。在探針位于寬邊中央位置時，D=λ/4時可以得到最大的激勵，但在一些寬頻帶的情況下為了得到較好的匹配是會有變化的。

一般波導(dǎo)與同軸之間轉(zhuǎn)換從原理上講有兩種。一種是電容性轉(zhuǎn)換，如圖3的(1)至(5)所示；另一種是電感性轉(zhuǎn)換，如圖3的(6)所示。

圖2 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換原理示意圖

圖3 波導(dǎo)與同軸之間的轉(zhuǎn)換模式

為確保所設(shè)計的產(chǎn)品在頻率范圍內(nèi)符合各電氣性能，通常在設(shè)計仿真階段需適當(dāng)增加帶寬，并留出足夠的設(shè)計余量。在優(yōu)化參數(shù)時同步進行誤差分析，確定各個目標(biāo)參數(shù)對技術(shù)性能的敏感性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計提供信息。另外在進行設(shè)計和仿真計算時兼顧結(jié)構(gòu)和工藝性。波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的饋入方式分正交型、端饋型二種，傳輸過渡分切比雪夫過渡、電抗和阻抗匹配二種。本產(chǎn)品擬采用正交型饋電方式，通過同軸電纜的芯線伸入波導(dǎo)腔中實現(xiàn)TE10模的激勵，通過調(diào)節(jié)短路面的距離和探針的伸入長度來提高性能，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

正交激勵方式是指同軸探針垂直于波導(dǎo)寬面伸入到波導(dǎo)腔體內(nèi)，實現(xiàn)電磁波在同軸的TEM模和波導(dǎo)的TE10模之間轉(zhuǎn)換。在實現(xiàn)波導(dǎo)-同軸過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，同軸探針模型結(jié)構(gòu)如圖5所示，同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑為2R1，外導(dǎo)體內(nèi)直徑為2R2。內(nèi)導(dǎo)體經(jīng)波導(dǎo)寬壁垂直插入波導(dǎo)腔里，深度為h，形成一個激勵探針，沿x軸坐標(biāo)為xp.波導(dǎo)端路，目的是使功率向一個方向傳輸，短路面與探針距離為l。

圖5 同軸探針結(jié)構(gòu)示意圖

要使電磁波同軸與波導(dǎo)之間有效轉(zhuǎn)換，應(yīng)使探針位于電場E最強，且方向與其平行的位置。根據(jù)分析可知，探針應(yīng)安置在距封閉端1/4(或3/4,5/4)波長的位置，且垂直于并位于寬邊中央。在產(chǎn)品的實現(xiàn)過程中，采用現(xiàn)代精密加工技術(shù)和仿真技術(shù)，避免了調(diào)諧螺釘?shù)氖褂茫@著降低了調(diào)試的難度，保證產(chǎn)品在各種惡劣環(huán)境中的正常使用。

選用電磁場仿真軟件HFSS進行波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的仿真優(yōu)化設(shè)計。在軟件中建立參數(shù)化的仿真模型，短路面初始尺寸按λ/4、探針深度初始尺寸按波導(dǎo)的b/2。分別將短路面、探針深度、同軸容抗匹配臺階等作為優(yōu)化參數(shù)進行優(yōu)化。

正交激勵波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換模型如圖6所示，對波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 正交激勵波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器模型圖

圖7 波導(dǎo)同軸仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知在16GHz～18GHz時駐波值為1.135。滿足駐波≤1.8的要求，且留有足夠余量。

2.4.3 截止頻率計算

空氣填充的同軸線的工作頻率，上限由TE11模截止頻率決定，也就是說一般同軸傳輸線總是工作在TEM波。當(dāng)出現(xiàn)第一階次高模時，同軸線就不能再使用了，TE11模截止頻率的近似式為：

通過上述公式可以近似計算出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所能達到的工作頻率上限，其中，

f為工作頻率單位GHz，ε為傳輸介質(zhì)介電常數(shù)，D為外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。波導(dǎo)同軸電纜組件非金屬絕緣子部分，可供選擇的材料有PTFE，PEEK，PPO，PI，PEI。PTFE介電常數(shù)較低，價格便宜，因此選用PTFE材料。由公式可知，同樣的尺寸結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)越低，工作頻率就越高，將SMP系列的參數(shù)代入公式可知，截止頻率為45.6GHz，滿足波導(dǎo)的頻率范圍要求。

矩形波導(dǎo)的主模是TE10模，截止頻率由kc2=ω2με決定，其截止波長最長，等于2a。波導(dǎo)中不同模式的截止波長是不同的，而當(dāng)波導(dǎo)尺寸和信號頻率一定時，只有滿足λ<λc的模才能傳播。

習(xí)慣上矩形波導(dǎo)寬邊a 大于窄邊b，故在矩形波導(dǎo)中，TE10模的截止波長最長，是最低傳播模式。當(dāng)波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ǖ墓ぷ黝l率低于TE10模的截止頻率時，電磁波將很快衰減，不能在波導(dǎo)中傳播。欲使波導(dǎo)中單獨存在最低模式TE10模，需保證高次模式不能出現(xiàn)。當(dāng)較低次的高次模截止時，較高的高次模必然截止。

TE10模單模存在的頻率范圍就是矩形波導(dǎo)的工作帶寬：

根據(jù)GB11450.2-89中執(zhí)行，矩形波導(dǎo)的截止頻率f=149.9/a(GHz)，矩形波導(dǎo)的起始頻率為1.25fc(GHz)=187.375/a(GHz)，矩形波導(dǎo)終止頻率為1.9fc(GHz)=284.84/a(GHz)，波導(dǎo)截止頻率見表2。

表2 波導(dǎo)口頻率表

2.4.4 電纜彎曲結(jié)構(gòu)設(shè)計

本產(chǎn)品因尺寸的限制，電纜高度不得超出法蘭的外形，因此電纜彎曲結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為本產(chǎn)品設(shè)計的難點和關(guān)鍵點。正常設(shè)計一般有二種方案，方案一是直接設(shè)計成彎曲的連接器，從側(cè)面出線和焊接，該方案的優(yōu)點是高度可以控制到法蘭內(nèi)，但出線處長度過長，很容易折到電纜，被排除；方案二是垂直插入焊接后，再進行彎折，在這個過程中可以采用阻焊劑控制爬錫高度，理論上該方案可行，如圖8。

圖8 電纜彎曲結(jié)構(gòu)示意圖

圖中尺寸4.8和尺寸2.8對于波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的電性能影響特別大，這兩個尺寸為關(guān)鍵點，而在方案二中，由于電纜需要再次彎曲，電纜彎曲的伸縮率不一樣，且電纜彎折半徑比較小，導(dǎo)致這兩個尺寸難以控制。因此設(shè)計方案三，使用定型工裝先根據(jù)圖紙要求對電纜進行預(yù)彎曲，同時對電纜進行搪錫，然后使用定位工裝定位相關(guān)位置，最后再進行焊接，電纜焊接后屏蔽層會有焊錫爬高現(xiàn)象，需要對焊錫爬高進行控制。此處為關(guān)鍵控制點，在工藝文件和質(zhì)量要求里需要重點關(guān)注。

方案三的優(yōu)勢非常明顯，但工序能力要求高，工藝控制難度大，批量生產(chǎn)效率低，由此推出了只對芯線進行彎折的結(jié)構(gòu)，見圖9，方案四結(jié)構(gòu)示意圖。波導(dǎo)腔體中使用介質(zhì)進行填充，電纜進行剝線，對芯線進行彎折，然后焊接電纜屏蔽層，焊接后的外導(dǎo)體通過螺釘安裝在波導(dǎo)上，電纜與波導(dǎo)軸線的角度通過波導(dǎo)上螺釘孔加工位置來確定相應(yīng)的角度，見圖10。方案四的雙聯(lián)波導(dǎo)3D示意圖見圖11，高度明顯減少，安裝更方便。

圖9 方案四結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 外導(dǎo)體安裝示意圖

圖11 方案四的雙聯(lián)波導(dǎo)3D示意圖

方案四一經(jīng)推出，立即進行產(chǎn)品性能仿真，由于出現(xiàn)了高低阻抗的變化，需要對結(jié)構(gòu)進行補償，經(jīng)過大量的優(yōu)化仿真，也沒有得到和方案三一樣的優(yōu)化結(jié)果，在考慮到時間周期緊和產(chǎn)品性能要求高的前期下，暫時沒有采用方案四。

2.4.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述分析，結(jié)合產(chǎn)品的外形要求，二路雙聯(lián)波導(dǎo)同軸電纜組件的設(shè)計思路如下：波導(dǎo)腔體中使用介質(zhì)進行填充，電纜芯線插入介質(zhì)體中，低損穩(wěn)相電纜90°彎折出線，屏蔽層焊接在波導(dǎo)外導(dǎo)體上，另一端焊接SMP連接器，外形如圖12所示。4路SMP連接器通過卡圈與四聯(lián)模塊相連，保證界面尺寸的一致性，雙聯(lián)波導(dǎo)同軸電纜組件的外形示意圖及波導(dǎo)處3D模型見圖13。

圖12 波導(dǎo)和SMP焊接后示意圖

圖13 外形示意圖及波導(dǎo)處3D模型

3 實物測試

產(chǎn)品設(shè)計完成后，對各零件進行加工，對產(chǎn)品進行駐波和插入損耗調(diào)試，完成組裝后產(chǎn)品如圖14所示。對產(chǎn)品進行相關(guān)性能測試，插入損耗≤1.2,電壓駐波比≤1.6,滿足測試要求。

圖14 產(chǎn)品實物圖

4 結(jié)論

本文介紹的產(chǎn)品采用聚四氟乙烯作為介質(zhì)支撐，即減小了波導(dǎo)口尺寸，又容易保證同軸度和電氣性能。在波導(dǎo)設(shè)計方面采用現(xiàn)代精密加工技術(shù)和仿真技術(shù)，避免了調(diào)諧螺釘?shù)氖褂茫@著降低了調(diào)試的難度。在同軸電纜的彎曲部位，為保證傳輸性能要求和安裝高度要求，直接使用電纜彎曲的方式，大大提高產(chǎn)品的性能和可靠性。采用四聯(lián)模塊的設(shè)計方式，將適配的同軸連接器端都集成到一個安裝支架上，大大減少了單個同軸連接器使用帶來的各種風(fēng)險。

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