一種穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件的研發(fā)

丁 晟，宋德柱

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

近年來隨著通信和微波領(lǐng)域的快速發(fā)展，測試電纜廣泛應(yīng)用于通信測試、實驗室測試、工業(yè)測試、儀器設(shè)備配套、軍事以及航天領(lǐng)域。大量的微波和射頻應(yīng)用場景都需要穩(wěn)定可靠且耐用的測試電纜組件來滿足使用要求。國內(nèi)測試電纜良莠不齊，測試精度不夠，可重復(fù)性差，抗彎曲能力差，長期可靠性差，基本上處于中低端測試領(lǐng)域，高端和高可靠性市場長期由國外廠家把持。根據(jù)公司詳細的市場和技術(shù)調(diào)查，各大軍工單位迫切需要優(yōu)質(zhì)且耐用的國產(chǎn)測試電纜組件。因此，一款能夠經(jīng)受真實環(huán)境考驗、性能穩(wěn)定、持久耐用的穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件應(yīng)運而生。

2 產(chǎn)品研制

2.1 產(chǎn)品組成

穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件由測試級連接器和穩(wěn)幅穩(wěn)相內(nèi)鎧裝微波測試電纜兩大部分組成。

2.2 產(chǎn)品功能及技術(shù)特點

1) 電氣性能穩(wěn)定，確保一致、可重復(fù)的測試結(jié)果，相位變化≤2°，插損變化±0.1dB；

2)使用頻率高達40GHz,電氣性能優(yōu)越；

3)鎧裝電纜結(jié)構(gòu)，具有堅固、耐壓、耐扭和耐彎曲等特點；

4)彎曲、抖動、溫度變化下的幅相穩(wěn)定性。

2.3 主要技術(shù)指標

表1 主要技術(shù)指標

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件由兩個2.92mm系列射頻同軸連接器以及鎧甲電纜組成。2.92mm連接器界面可兼容SMA、3.5mm連接器，相比后兩種連接器，2.92mm連接器外導(dǎo)體壁厚是SMA連接器的3.36倍，而插孔中心導(dǎo)體壁厚與SMA連接器相同。因此2.92mm連接器對相互插合時，外導(dǎo)體可承受更高的耐力矩，由于插孔壁厚減薄，插針與插孔之間相互磨損降低很多；而鎧甲電纜相對普通無鎧甲電纜增加了不銹鋼合金絲做抗壓層，可以有效緩解內(nèi)部張力，增強彎曲耐用性，本次采用的鎧甲電纜相對普通電纜內(nèi)部增加了穩(wěn)定膠層，確保電纜組件的機械相位穩(wěn)定性以及機械幅度穩(wěn)定性，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.2 電纜對比與選擇

穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件國外的結(jié)構(gòu)一般由中心導(dǎo)體、絕緣支撐、電氣屏蔽、內(nèi)編織層、內(nèi)護套、抗壓保護層、耐扭轉(zhuǎn)編織層、外扎帶和編織護套等九層組成。國內(nèi)的結(jié)構(gòu)一般由中心導(dǎo)體、電氣絕緣、電氣屏蔽、絕緣穩(wěn)定層、內(nèi)編織層、內(nèi)護套、抗壓保護層、耐扭轉(zhuǎn)編織層、穩(wěn)定膠層和編織護套等十層組成，國外電纜與國內(nèi)電纜結(jié)構(gòu)對比示意圖見圖2，左邊是國外電纜結(jié)構(gòu)示意圖。國內(nèi)電纜在電氣屏蔽層和內(nèi)護套之間增加了一個絕緣穩(wěn)定層，消除電氣屏蔽層疊層對相位變化的影響，大幅提高彎曲情況下相位的穩(wěn)定性。

根據(jù)本項目要求，選擇40GHz紫色鎧甲測試電纜進行研制。

圖2 國外電纜與國內(nèi)電纜結(jié)構(gòu)對比示意圖

2.4.3 連接器設(shè)計

微波/射頻電纜組件都會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)性，通常會被分為三類：接頭的線性傳輸，線纜的周期性不連續(xù)和線纜內(nèi)部的偶發(fā)性不連續(xù)。在使用高品質(zhì)電纜的情況下，連接器的性能將會是影響短電纜組件駐波比的主要因素。根據(jù)設(shè)計要求建立模型如圖6，通過設(shè)置仿真變量，對補償段進行優(yōu)化仿真，優(yōu)化仿真結(jié)果見圖7。全頻段范圍內(nèi)，駐波比小于1.2。

圖6 仿真分析模型

圖7 優(yōu)化仿真結(jié)果

3 實物試驗

產(chǎn)品設(shè)計完成后，對各零件進行精密加工和電鍍后，嚴格按照工藝總方案和工藝文件對測試電纜進行裝配，完成組裝后產(chǎn)品如圖8所示。為驗證產(chǎn)品性能，按照詳細規(guī)范規(guī)定的試驗項目對產(chǎn)品進行全性能試驗，結(jié)論合格。為驗證產(chǎn)品可靠性，增加了抖動、彎曲、相位溫度穩(wěn)定性和長期可靠性等試驗項目；為提供純凈的電磁測試環(huán)境，減小測試電纜對環(huán)境和測試器件性能的影響，增加了屏蔽效率試驗。

圖8 產(chǎn)品實物圖

3.1 抖動試驗

抖動考核的是測試電纜組件在抖動時，電纜組件的相位、插損、駐波的穩(wěn)定性能，見圖9。抖動的頻率為頻率1s抖動一次，連續(xù)抖動5次，幅度50mm?？梢钥闯觯瑴y試電纜組件在抖動時，相位浮動在2°以內(nèi)，插損浮動在±0.05dB以內(nèi)，性能相對穩(wěn)定。試驗結(jié)果見圖10。

圖9 抖動試驗圖

圖10 抖動試驗下相位和插損穩(wěn)定性

3.2 彎曲試驗

彎曲試驗是為考核測試電纜組件按最小彎曲半徑彎曲得情況下，電纜組件的相位及插損的穩(wěn)定性。根據(jù)詳細規(guī)范規(guī)定，本產(chǎn)品需在最小彎曲半徑為38mm的圓環(huán)彎曲下仍能保證信號微波參數(shù)的穩(wěn)定性。使用芯軸法，對產(chǎn)品進行彎曲試驗，具體見圖11，圖12為彎曲試驗下相位和插損的試驗結(jié)果。

圖11 產(chǎn)品彎曲試驗示意圖

圖12 彎曲試驗下相位和插損穩(wěn)定性

由圖12中可以看出我司產(chǎn)品在40GHz內(nèi)的相位浮動在2°以內(nèi)，插損浮動在±0.05dB以內(nèi)，說明測試線纜性能十分穩(wěn)定。

3.3 相位溫度穩(wěn)定性試驗

本試驗主要考核測試電纜組件的相位溫度穩(wěn)定性，為客戶在溫度變化的場合提供準確數(shù)據(jù)。具體試驗方法見GJB1215。

本產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)見表4，繪制相位溫度曲線見圖16。

圖16 相位溫度曲線

從上述試驗結(jié)果來看，測試電纜組件的相位溫度穩(wěn)定性在全溫范圍內(nèi)小于650PPM，大大優(yōu)化國內(nèi)同類電纜，接近業(yè)內(nèi)標桿GORE?PHASEFLEX?微波/射頻測試組件。

表4 相位溫度穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)表

3.3 屏蔽效率

為準確測試電纜組件的屏蔽效率，采用三同軸法。三同軸法是一種經(jīng)典測量轉(zhuǎn)移阻抗的方法，它把被測試線纜置于同軸的無鐵磁性的良導(dǎo)體管內(nèi)，構(gòu)成三同軸(同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體、同軸電纜外導(dǎo)體和同軸的良導(dǎo)體管)裝置。其裝置由互易原理分為兩種:一種由同軸電纜注入信號，在同軸套管遠端取出耦合信號；另一種由同軸套管注入信號，在同軸電纜遠端取出耦合信號。如圖19所示。三同軸法的優(yōu)點有：被測件樣本準備簡單快捷、高達125 dB的測試靈敏度、測試過程無電磁輻射、頻率范圍從10 kHz 到高達20GHz和測試重復(fù)性好等。測試結(jié)果為-110dB，完全滿足使用要求。

圖19 三同軸法測試框圖

圖20 屏蔽效率測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了一種穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件，其內(nèi)層提供優(yōu)異的電氣性能，外層提供機械保護，可確保測試組件能夠支持系統(tǒng)的整個有效使用期，減少電纜更換。該電纜組件能承受抖動、彎曲、耐壓以及暴露在惡劣環(huán)境中的影響，還能在需要精準、可重復(fù)測量的測試中具有非常好的損耗穩(wěn)定性、相位穩(wěn)定性，和優(yōu)異的電氣性能，確保優(yōu)異的信號完整性。該產(chǎn)品的研究成功，為微波測試領(lǐng)域提供了耐用、可靠性高和成本相位低的穩(wěn)幅穩(wěn)相鎧裝測試電纜組件，大大降低了系統(tǒng)的測試成本。