異構(gòu)射頻同軸轉(zhuǎn)接器相位一致性控制方法研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 前言

過去設(shè)計生產(chǎn)過程中，一般會對電纜組件的相位有一致性要求[1][2]，對單個連接器或轉(zhuǎn)接器的相位不做單獨規(guī)定。一般同樣批次的連接器或轉(zhuǎn)接器產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)和材料相同，尺寸偏差也能夠控制在一定范圍內(nèi)，相位的一致性是能夠保證的。

由于組件間需要轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)接，同時由于兩端組件相位一致性已經(jīng)修正，為了保證整體系統(tǒng)的相位一致性，因此要求三家供應(yīng)商提供的三款射頻同軸連接器的相位都一致，相位差在±2°以內(nèi)，從而滿足產(chǎn)品互換性的要求。

由于產(chǎn)品外形尺寸已經(jīng)固定，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與參考樣品不一致，造成了相位的不同。因此本文的方案是通過計算來設(shè)計內(nèi)部的介質(zhì)體的尺寸，通過仿真驗證后再進(jìn)行試驗驗證，從而解決與參考產(chǎn)品相位不一致的問題。

2 問題背景

根據(jù)客戶要求，首先對參考樣品的主要性能進(jìn)行測量，與我公司的同型號產(chǎn)品進(jìn)行對比，考慮到不同測試儀器和夾具可能對測量結(jié)果的影響，分別采用18GHz矢量網(wǎng)絡(luò)黃銅測試夾具和不銹鋼測試夾具進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1、表2和表3。

表1 18G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(黃銅測試夾具)測試結(jié)果

表2 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(黃銅測試夾具)測試結(jié)果

表3 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(不銹鋼測試夾具)測試結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，我公司產(chǎn)品的相位差能夠滿足<±2°的相位一致性要求，目標(biāo)樣品的相位差同樣能滿足要求。但是我公司產(chǎn)品與的樣品對比，則相位差最大達(dá)到29.80°，這無法滿足客戶相位差<±2°的要求。因此需要更改產(chǎn)品設(shè)計，以滿足相位要求。

3 理論分析

3.1 相位一致性概念

相位一致性[3]：相位一致性分為絕對相位一致性和相對相位一致性，是指組件之間絕對相位的差值在一個規(guī)定的范圍內(nèi)。絕對相位一致性是指兩根或者更多組件的絕對相位與使用者的要求的絕對相位在允許的范圍內(nèi)相匹配。相對相位一致性是指在一組或一批組件中，以其中的一根為基準(zhǔn)，測其它組件與基準(zhǔn)的相位差必須在一個規(guī)定的范圍內(nèi)。相對相位一致性不同于絕對相位一致性，匹配不在相位的絕對值上，而僅僅是相互之間的匹配。相對相位一致性比絕對相位一致性更容易做到，但相對相位一致性要求越高，生產(chǎn)成本也越高。

3.2 影響相位的主要因素

(1)

式中，Le是電長度，d是機(jī)械長度，f是頻率，ε是絕緣介質(zhì)介電常數(shù)，c是光在真空中的速度。

從上述定義及公式可以看出：電長度其實就是傳輸媒介固有的屬性，與所傳輸波的頻率沒有關(guān)系。對同種傳輸媒介(即有效介電常數(shù)固定)，取物理長度相同的兩段介質(zhì)，那么它們的電氣長度也是相等的，如圖2所示。

理論上，影響相位的因素只有電長度一個，影響電氣長度的因素有機(jī)械長度，絕緣介電常數(shù)、環(huán)境溫度和電纜彎曲等，在理想的介質(zhì)狀態(tài)及相同的環(huán)境溫度及彎曲條件下若能保證產(chǎn)品的機(jī)械長度一致就能夠確保一致的電氣長度，但是產(chǎn)品在制造過程中存在不可避免的介質(zhì)不均勻性，這種不均勻性既有絕緣材料本身的因素，如含有雜質(zhì)氣孔等，又有電纜介質(zhì)結(jié)構(gòu)、制造工藝等因素。對于相對相位一致性和絕對相位一致性的電纜組件，一般通過修相位的方式以確保最終成品的相位一致性。

但是，對于連接器和轉(zhuǎn)接器，由于機(jī)械長度較短，介質(zhì)體不均勻性等因素對連接器影響較小，同樣結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品相位一致性較好。但是對于不同廠家的連接器，由于結(jié)構(gòu)不同，相位也不一致。因此需要采用其他方法修相。

圖2 電長度示意圖

3.3 樣機(jī)分析

根據(jù)客戶要求，需要我公司提供的產(chǎn)品相位與目標(biāo)樣品相位一致，首先對我公司現(xiàn)有產(chǎn)品樣機(jī)和目標(biāo)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行測量分析，以確定我公司產(chǎn)品與樣本的相位的具體差值和產(chǎn)生差值的原因，從而調(diào)整設(shè)計，滿足顧客需求。

目標(biāo)樣品與我公司產(chǎn)品在外形結(jié)構(gòu)和尺寸上是相似的，主要區(qū)別在于內(nèi)導(dǎo)體和介質(zhì)體，為了了解目標(biāo)樣品的內(nèi)部構(gòu)造，可以拍X光和切片。

圖3 目標(biāo)樣品X光圖

圖4 目標(biāo)樣品切片圖

由圖3樣品X光和圖4樣品切片圖可知，目標(biāo)樣品雙端接頭為四開槽設(shè)計，外導(dǎo)體中間開孔，介質(zhì)體分兩段插合在一起，介質(zhì)體通過臺階與外導(dǎo)體定位，通過倒刺固定，內(nèi)導(dǎo)體通過臺階實現(xiàn)定位，通過倒刺與介質(zhì)體固定，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。影響相位的主要因素是介質(zhì)體的材料和長度。根據(jù)測量得到介質(zhì)體內(nèi)外徑進(jìn)行計算，目標(biāo)樣品的介質(zhì)體的介電常數(shù)為2.08。因此，材料為聚四氟乙烯。

圖5 目標(biāo)樣品結(jié)構(gòu)示意圖

我公司產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖6所示，根據(jù)設(shè)計圖紙建立的仿真模型如圖7所示，仿真結(jié)果見圖8。根據(jù)測繪的目標(biāo)樣品的結(jié)構(gòu)建立仿真模型，如圖9所示，仿真結(jié)構(gòu)見圖10。

圖6 我公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖7 我公司產(chǎn)品仿真模型

圖8 我公司產(chǎn)品仿真結(jié)果(相位395.18°)

圖9 目標(biāo)樣品仿真模型

圖10 目標(biāo)樣品仿真結(jié)果(相位427.°3)

根據(jù)以上對比可知，我公司產(chǎn)品與目標(biāo)樣品外形尺寸相同，主要區(qū)別在于內(nèi)部介質(zhì)體的結(jié)構(gòu)不同，目標(biāo)樣品介質(zhì)體采用為兩段式対插，我公司的產(chǎn)品則采用分段式，介質(zhì)體分為三段，外導(dǎo)體不需要開孔，減少了射頻泄露。因此，調(diào)整相位時，考慮在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上更改。

由式(1)可知，電長度決定了相位，而電長度不僅與物理長度有關(guān)，還與絕緣介質(zhì)介電常數(shù)相關(guān)。由于我公司轉(zhuǎn)接器內(nèi)部介質(zhì)體采用聚四氟乙烯和PEEK(聚醚醚酮)，聚四氟乙烯的介電常數(shù)為2.03，PEEK(聚醚醚酮)的介電常數(shù)3.2(鉆孔后為2),而空氣的介電常數(shù)近似為1。因此，介質(zhì)體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的不同是我公司產(chǎn)品與目標(biāo)樣品相位不一致的關(guān)鍵。

如上所述，在機(jī)械長度相同的條件下，由式(1)只能更改介電常數(shù)。想要改變介電常數(shù)，一種方式是更換材料，這一方法相對復(fù)雜。另一種方式是改變介質(zhì)體的長度，根據(jù)我公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)先考慮改變兩端介質(zhì)體長度，更改方案如圖11所示。

圖11 更改方案示意圖

3.4 計算與分析

根據(jù)測量結(jié)果和仿真結(jié)果對比可知，我公司產(chǎn)品與目標(biāo)樣品的相位差約為30°，根據(jù)表1、表2和表3的測試結(jié)果，取我公司與目標(biāo)樣品兩次相位差的平均值28.955°進(jìn)行分析，計算介質(zhì)體長度的變化量。單位相位度數(shù)對應(yīng)的介質(zhì)體的長度計算公式：

(4)

介質(zhì)體端面向內(nèi)加長，相當(dāng)于將空氣置換為聚四氟乙烯。因此，首先計算單位長度的空氣介質(zhì)與聚四氟乙烯介質(zhì)的相位差。

由式(4)可得：

(5)

式中，L′表示介質(zhì)體變化的長度，x是相位度數(shù)。式(5)表示x度數(shù)下，介質(zhì)體長度的變化量。由此可得：

(6)

分別代入空氣和聚四氟乙烯介質(zhì)的頻率和介電常數(shù)，取L′為1mm，得到單位長度的空氣介質(zhì)相位為21.606°，單位長度聚四氟乙烯介質(zhì)的相位為30.775°。則單位長度空氣介質(zhì)與聚四氟乙烯介質(zhì)的相位差9.169°，進(jìn)行相位修正。

介質(zhì)體總長度改變3.25mm，則單邊介質(zhì)體長度變化1.625mm，取1.63mm。介質(zhì)體更改前后的尺寸如圖12。

更改前 更改后圖12 介質(zhì)體更改前后尺寸對比

4 仿真驗證

首先對上述方案進(jìn)行仿真驗證，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整介質(zhì)體的長度，修改仿真模型，得到如圖13的仿真模型。仿真得到的結(jié)果如圖14所示。

仿真結(jié)果顯示，更改后的相位與更改前的相位差距在29.77°左右，與計算結(jié)果差距在0.6°左右，考慮到計算過程取了近似值，且介質(zhì)體段的阻抗只是近似50Ω，結(jié)果必然存在一定的誤差，因此計算結(jié)果是正確的。

圖13 介質(zhì)體尺寸調(diào)整后的仿真模型

圖14 介質(zhì)體尺寸調(diào)整后的仿真結(jié)果(424.95°)

5 樣機(jī)驗證

為進(jìn)一步驗證計算結(jié)果，試制介質(zhì)體樣機(jī)(如圖15所示)，裝配后進(jìn)行測試，測出的結(jié)果見表4和表5。

圖15 更改前后的介質(zhì)體對比

根據(jù)測試結(jié)果可知，更改后的相位一致性最大為2.86°，滿足一致性≤±2°的要求。這證明了理論計算的正確性，因此可以驗證該相位一致性控制方法是可行的。

表4 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(黃銅測試夾具)測試結(jié)果

表5 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(不銹鋼測試夾具)測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過改變產(chǎn)品介質(zhì)長度來調(diào)整射頻同軸轉(zhuǎn)接器的相位，使不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接器相位保持一致，并通過理論計算、仿真驗證和試驗證明了該方法的有效性。

本文所采用的相位一致性控制方法也可以用于其他同類轉(zhuǎn)接器產(chǎn)品，以調(diào)整相位保證不同結(jié)構(gòu)連接器之間相位一致性滿足使用要求，這提高了轉(zhuǎn)接器的互換性。原位替換現(xiàn)有轉(zhuǎn)接器，還可以促進(jìn)同類產(chǎn)品的國產(chǎn)化，降低企業(yè)成本。