基于多芯集成連接器的穩(wěn)相電纜組件裝配要點(diǎn)分析

符江鵬，王超群，李勝超，楊盼盼

(鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南省鄭州市，450001)

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，用于相控陣?yán)走_(dá)等集成設(shè)備上的高性能多芯集成電纜組件的廣泛應(yīng)用，傳輸系統(tǒng)對多芯集成電纜組件的相位一致性提出了要求。射頻信號通過同軸電纜傳輸，這樣，問題轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹄娎|組件相位一致性要求。影響電纜組件相位一致性的因素有溫度、電纜組件的電氣長度(與物理長度直接相關(guān))、介質(zhì)的介電常數(shù)、電纜組件物理彎曲情況等[1]。對于一組電纜組件來說，采用的工藝條件相同，應(yīng)用在同一環(huán)境下，周圍所處的溫度相同，影響相位一致性的因素主要取決于電纜組件的物理長度一致性。

2 射頻同軸信號相位

2.1 射頻同軸信號相位的計(jì)算

(1)

由式(1)分析可知，相同頻率的射頻信號在電纜組件中傳輸，電纜組件的長度與其相位成正比。同一批次的多根電纜組件，每根電纜組件在保證其電纜長度盡可能一致的情況下(由于誤差的不可消除性)，通過調(diào)節(jié)電纜組件物理長度的方法可以實(shí)現(xiàn)多根電纜組件的相位一致，由于環(huán)境影響和機(jī)械變化所引起的電纜組件電長度變化是不可避免的，因此，"穩(wěn)相"只是相對的，在一定的頻率和一定的電纜組件長度內(nèi)，滿足用戶相位要求即可。

2.2 1°相位在不同頻率下對應(yīng)的單位長度

由射頻同軸信號相位公式分析可知，同等條件下，保證同軸電纜的介電常數(shù)ε不變，相同頻率下，射頻信號的相位僅與信號在同軸電纜中傳播的距離有關(guān)。1°相位在不同頻率下對應(yīng)的單位長度:

(2)

當(dāng)ε=1，即空氣介質(zhì)時(shí)，對應(yīng)的單位長度與頻率的關(guān)系如表1所示。

表1 ε=1時(shí)，單位長度與頻率關(guān)系表

通常情況下，射頻同軸電纜絕緣介質(zhì)不會是空氣，介電常數(shù)大于1，即ε>1，則1°相位在不同頻率下對應(yīng)的單位長度會相應(yīng)減小。以聚四氟乙烯絕緣介質(zhì)為例，ε=2.02時(shí)，對應(yīng)的單位長度與頻率的關(guān)系如表2所示。

表2 ε=2.02時(shí)，單位長度與頻率關(guān)系表

由表2分析可知，隨著頻率的增大，1°相位對應(yīng)的單位長度隨之減小，減小趨勢也隨頻率的增大隨之減緩。當(dāng)超過3GHz時(shí)，單位長度以0.05mm以內(nèi)的變化量遞減；隨著頻率的不斷增大，單位長度減小趨勢緩慢；6GH時(shí)，若調(diào)節(jié)精度要求1°，則長度精度需要控制在0.1mm內(nèi)。

3 穩(wěn)相電纜組件裝配實(shí)例

3.1 技術(shù)指標(biāo)要求

產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 穩(wěn)相電纜組件結(jié)構(gòu)及工藝流程

根據(jù)指標(biāo)要求，該穩(wěn)相電纜組件為五芯集成，一端為圓形插頭，另一端為矩形插頭，同一線束內(nèi)五根電纜相位一致，總長度為10米。

在穩(wěn)相電纜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：10米長度內(nèi)對多芯電纜組件進(jìn)行配相，除了選取性能合適的同軸電纜之外，兩端的插頭進(jìn)行配相設(shè)計(jì)，尤其在多芯插頭內(nèi)部同軸接觸件設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮電纜配相功能。穩(wěn)相電纜組件結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。

圖1 穩(wěn)相電纜組件結(jié)構(gòu)外形圖

在穩(wěn)相電纜組件工藝流程方面：考慮多芯集成連接器及電纜組件依次裝配步驟，在同軸電纜前期預(yù)處理工藝之外，尤其是對左端圓形多芯連接器裝配工藝、右端矩形多芯集成連接器裝配工藝、電纜組件整體裝配時(shí)的配相工藝進(jìn)行合理步驟安排，確保整個(gè)穩(wěn)相電纜組件在裝配過程中，裝配工藝合理、步驟清晰、檢驗(yàn)明確、配相方便。圖2為該穩(wěn)相電纜組件工藝流程簡化圖。

圖2 穩(wěn)相電纜組件工藝流程圖

3.3 穩(wěn)相電纜組件裝配結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)相電纜組件結(jié)構(gòu)及裝配工藝流程，最終滿足技術(shù)指標(biāo)的多芯集成穩(wěn)相電纜組件如下圖所示。其中，圖3為多芯集成連接器實(shí)物圖，圖4為10米穩(wěn)相電纜組件相位調(diào)試完成后實(shí)物圖，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)分別為電纜組件指標(biāo)測試圖。

圖3 穩(wěn)相電纜組件裝配過程圖

圖4 相位調(diào)試完成后實(shí)物圖

圖5 (a) 駐波和插損測試圖

圖5 (b) 基準(zhǔn)電纜組件(1#)相位測試圖

圖5 (c) 電纜組件(2#)相位測試圖

圖5 (d) 電纜組件(3#)相位測試圖

圖5 (e) 電纜組件(4#)相位測試圖

圖5 (f) 電纜組件(5#)相位測試圖

對圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)進(jìn)行對比分析可知：

按照穩(wěn)相電纜組件裝配及調(diào)相工藝，多芯穩(wěn)相電纜組件滿足駐波和插損的要求。相位變化均控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，相位變化趨勢和理論計(jì)算的變化趨勢一致。隨著頻率的增大，相位變化幅度變大，相位變化有正值(極大值)和負(fù)值(極小值)。10米電纜組件相位控制范圍：3GHz內(nèi)，±2°；6GHz內(nèi)，±5°，滿足指標(biāo)要求。

4 穩(wěn)相電纜組件裝配要點(diǎn)分析

1)相位指標(biāo)計(jì)算及確認(rèn)：電纜組件相位的影響因素很多，關(guān)鍵的因素有電纜物理結(jié)構(gòu)、工作頻率、插損要求、電纜長度。在用戶單位提出相位穩(wěn)相要求時(shí)，需要根據(jù)用戶的工作頻率及插損指標(biāo)要求，綜合考慮電纜組件的經(jīng)濟(jì)成本，根據(jù)目前穩(wěn)相電纜穩(wěn)相性能，預(yù)估電纜組件在某工作頻率、插損指標(biāo)要求下，電纜相位誤差是否可以實(shí)現(xiàn)。比如，在9GHz頻率下，某穩(wěn)相電纜機(jī)械相位溫度性為9°，那么，電纜組件無論如何裝配，也達(dá)不到小于6°的指標(biāo)要求。

2)工作頻率和組件長度確認(rèn)：對于一定性能的穩(wěn)相電纜來說，組件裝配的穩(wěn)相難度與工作頻率和電纜長度直接相關(guān)，即，工作頻率越高、電纜長度越長，組件的穩(wěn)相指標(biāo)越難保證。根據(jù)裝配實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，3GHz以下、組件長度小于5米，穩(wěn)相電纜配相難度不大，一般配相工藝即可實(shí)現(xiàn)工藝要求；3GHz以上、組件長度大于5米，配相工藝需要嚴(yán)格細(xì)化，尤其是配相和調(diào)相工序。

3)穩(wěn)相電纜選線確認(rèn)：根據(jù)用戶傳輸信號頻率、電纜工作環(huán)境及穩(wěn)相要求，選擇適用電纜。主要包括電纜線徑、彎曲半徑、插損值、溫度范圍、機(jī)械相位溫度性、溫度相位穩(wěn)定性。其中，尤其注意溫度相位穩(wěn)定性指標(biāo)PPM(即電纜在溫度范圍內(nèi)相位最大漂移的百萬分率)。

4)電纜組件調(diào)相端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對于一批電纜組件而言，由于下線誤差的不可消除，必然導(dǎo)致電纜組件相位的不一致，需要對不一致的電纜組件進(jìn)行修正，即調(diào)相過程。如何設(shè)計(jì)電纜組件調(diào)相端的結(jié)構(gòu)，便于電纜組件的相位修正和調(diào)配是穩(wěn)相電纜組件裝配至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

5)電纜下線前處理：選用同一批次穩(wěn)相電纜，一套電纜盡可能采用一次加工成型的電纜部分。對于5米長度以上的穩(wěn)相電纜組件，下線時(shí)保持線纜的彎曲或拉伸狀態(tài)一致，下線過程使電纜保持自然狀態(tài)，不可使電纜過緊或過松。

6)電纜焊接狀態(tài)保持穩(wěn)定：一是電纜與內(nèi)接觸件焊接的間隙余量保持穩(wěn)定，二是電纜屏蔽與焊套焊接、內(nèi)導(dǎo)體與內(nèi)接觸件焊接時(shí)間保持穩(wěn)定。操作實(shí)踐證明，穩(wěn)相電纜焊接狀態(tài)的不穩(wěn)定將導(dǎo)致最終的電纜組件相位相差很大。