shadow png

Фазовая стабильность кабельных сборок СВЧ с диэлектриком ПТФЭ

Возросший интерес разработчиков радиоэлектронной аппаратуры к фазовой стабильности кабельных сборок СВЧ диапазона обусловлен, прежде всего, расширением диапазона рабочих частот и необходимостью улучшения эксплуатационных характеристик активных фазированных антенных решёток (АФАР). Жесткие требования к фазовым характеристикам кабельных сборок предъявляют также современные радары, системы связи, многопортовые измерительные системы.

Данная статья посвящена рассмотрению фазовой стабильности кабельных сборок СВЧ c изоляцией из политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласт-4).

Введение

Радары с механическим перемещением антенны, применявшиеся более 70 лет для военных и коммерческих целей, в настоящее время уже не отвечают современным требованиям к скорости сканирования и к конструктивным параметрам. Поэтому в современных высокоскоростных летающих объектах применяют АФАР, не имеющие указанных недостатков. Современные АФАР разнообразной формы и компактной конструкции, не использующие узлы механического перемещения, обеспечивают надежное обнаружение и идентификацию цели [1].

В конструкцию АФАР входят фазостабильные кабельные сборки СВЧ диапазона, от параметров которых во многом зависят выходные характеристики АФАР. Изолятором сердечника кабеля в таких сборках в подавляющем большинстве случаев является монолитный или пористый ПТФЭ.

В зарубежных и отечественных источниках используется термин «фазостабильная кабельная сборка». Фазостабильная кабельная сборка имеет нормированную, заданную стабильность электрической длины кабеля в условиях определённых внешних воздействий и, как следствие этого, стабильность вносимого фазового сдвига. Нормативные документы предусматривают контроль фазовой стабильности кабельных сборок только при двух видах внешних воздействий: при изгибе и при изменении температуры.

Определение фазового сдвига кабельной сборки

Как правило, допустимое изменение фазового сдвига при изгибе Ψизг. приводится в электрических градусах в зависимости от частоты f, в виде расширяющейся зоны, ограниченной двумя прямыми линиями (рис. 1) [2].

Типовая зона допустимого фазового сдвига при изгибе измерительной кабельной сборки компании W.L.Gore&Association

Рис. 1. Типовая зона допустимого фазового сдвига при изгибе измерительной кабельной сборки компании W.L.Gore&Association

Под ΔΨизг. следует понимать разность Ψ(T0) — Ψизг.(T0), где Ψ(T0) — фаза до проведения изгиба, Ψизг.(T0) — фаза, измеренная при изгибе (изгибах) по конкретной методике, T0 — опорная, базовая температура, принятая разными компаниями равной 20 или 25 °С.

Фазовый сдвиг в зависимости от температуры большинство зарубежных компаний представляет в виде графика в относительных безразмерных единицах ppm (part pro million — миллионные доли):

ΔΨ [ppm] = [Ψ(T) — Ψ(T0)]∙106 / Ψ(T0), где Ψ(T) и Ψ(T0) — фазовые сдвиги при заданной Т и опорной T0 температурах.

Зная фазовый сдвиг на опорной температуре Ψ(T0), можно определить фазовый сдвиг на конкретной температуре: Ψ(T) = Ψ(T0) + ppm ∙ Ψ(T0) / 106.

Температурная зависимость фазового сдвига для всех кабелей с изоляцией из ПТФЭ имеет нелинейный характер. В качестве примера на рис.2 приведены типовые температурные зависимости фазового сдвига кабельных сборок с изоляцией из монолитного и пористого ПТФЭ, имеющих разную скорость распространения сигнала Vp [3].

Некоторые зарубежные компании обозначают фазовый сдвиг в размерности °/ГГц/м (deg/GHz/m). В этом случае для определения фазового сдвига, вносимого кабельной сборкой на конкретной температуре, следует умножить приведенное компанией значение на этой температуре на частоту измерения в ГГц и на физическую длину кабельной сборки в метрах.

В обоих принятых обозначениях фазового сдвига допущены два предположения:

Типовые температурные зависимости фазового сдвига кабельных сборок с разными скоростями распространения сигнала

Рис. 2. Типовые температурные зависимости фазового сдвига кабельных сборок с разными скоростями распространения сигнала Vp

  1. Фазовый сдвиг прямо пропорционален физической длине кабельной сборки, что не вызывает сомнения.
  2. Фазовый сдвиг прямо пропорционален частоте сигнала, на которой проводится измерение. Это предположение требует более детального рассмотрения.

Вносимый кабельной сборкой фазовый сдвиг, строго говоря, нелинейно зависит от частоты измерения, особенно вблизи верхней частоты применения кабельной сборки. Верхняя частота применения зависит от предельных частот кабеля и соединителей и ограничена меньшей предельной частотой одного из них [4]. На практике фазочастотные характеристики соединителей и кабелей не являются линейными. Поэтому второе предположение имеет достаточную для практики точность, если измерения фазы проведены на правильно выбранной верхней частоте применения кабельной сборки. Только при этом условии результаты измерений могут быть пропорционально пересчитаны для более низких частот. Если же измерения проводились на частоте, существенно меньшей, чем верхняя частота применения, некорректно считать фазовый сдвиг пропорциональным частоте сигнала на более высоких частотах.

Фазоидентичные кабельные сборки

При изменении температуры и при изгибах кабеля возможно нарушение повторяемости фазы у идентичных кабельных сборок, изготовленных одним и тем же производителем из кабеля одной марки. Поэтому целесообразно ввести понятие «фазоидентичные кабельные сборки» с указанием допустимого отличия фазы для группы кабельных сборок. Степень фазовой идентичности кабельных сборок показывают поля допусков зависимостей сдвига фазы от температуры и изгиба, приводимые компаниями. Например, в ТУ на кабельные сборки из кабеля UFA210B компания Micro-Сoax [5] указано: «Кабельные сборки равной длины и соединители, полученные из одной и той же производственной партии, должны обеспечивать повторяемость фазы в пределах 200 миллионных долей относительно номинального значения».

Причинами фазовой неидентичности кабельных сборок являются:

  • непостоянство волнового сопротивления кабеля по длине;
  • различие в качестве монтажа соединителей;
  • несовершенство технологии изготовления и способа хранения кабеля.

Для определения постоянства волнового сопротивления кабеля используют временной рефлектометр. При обнаружении области недопустимой неоднородности отбраковывают отрезки кабеля с повышенной неоднородностью. Компания Micro-Сoax вводит еще и дополнительную проверку. Конкретный пример: волновое сопротивление кабеля UFA210B не должно изменяться более чем на 0,5 Ом при обмотке кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 0,5 дюйма ( 12,7 мм) [5].

Некачественный монтаж соединителей также определяют с помощью временного рефлектометра, а при его отсутствии — при помощи автоматического анализатора цепей.

Несовершенство технологии изготовления и способа хранения кабеля можно определить при его изгибе разными способами. Компания Micro-Coax проверяет кабельные сборки, определяя зависимость изменения фазы от изгиба кабеля согласно рекомендациям стандарта MIL-C-17. Так, для кабеля UFA210B измеряют сдвиг фазы при его намотке в один виток (на 360°) вокруг 3-дюймовой оправки [5].

Другие производители фазостабильных кабелей используют рекомендации стандарта IEC 60966-1 (секция 8.4, метод изгиба 2). Схема проверки кабеля этим методом показана на рис. 3.

Испытание кабельной сборки на изгиб согласно IEC 60966-1

Рис. 3. Испытание кабельной сборки на изгиб согласно IEC 60966-1

По этому методу выпрямленная кабельная сборка (рис. 3а) замыкается накоротко на одном конце и подсоединяется к анализатору цепей другим концом (рис. 3б). В процессе считывания фазы отражённого сигнала кабель сначала изгибают по часовой стрелке вокруг оправки на 180º, разгибают в исходное положение, затем изгибают против часовой стрелки вокруг оправки на тот же угол (рис. 3в) и после этого снова возвращают в исходное положение. Радиус оправки обычно выбирается равным минимальному радиусу изгиба испытуемого кабеля.

Указанные отличия методик проверки затрудняют сравнение фазовой идентичности кабельных сборок различных производителей и приводят к необходимости проведения дополнительной экспериментальной проверки сборок потребителем.

По мнению А.В. Безбородова (компания «Планар», г. Челябинск), который предоставил в распоряжение авторам данной статьи результаты своих исследований измерительных кабельных сборок, целесообразно введение дополнительного термина — «анизотропность кабельных сборок при изгибах». Под этим термином следует понимать различия вносимого фазового сдвига при изменении плоскости изгиба кабеля. Подобные различия были установлены при экспериментальных исследованиях измерительных кабельных сборок 5-ти зарубежных компаний. Измерения выполнены на частоте 18 ГГц при следующей последовательности действий — рис.4:

Схема изгиба кабеля в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях

Рис.4. Схема изгиба кабеля в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях. Исходное положение показано ранее на рис. 3а
а) намотка кабеля на горизонтально расположенную оправку и возврат в исходное положение — рис. 4а;
б) намотка кабеля на вертикально расположенную оправку — рис. 4б. Направление намотки при этом не изменялось.

В результате измерений было установлено:

  • Анизотропность обнаружена у кабельных сборок 4-х компаний; у 3-х производителей она не превышала 3,1°, у одного — была более 8,3°, и только в сборках одной компании анизотропность не была обнаружена.
  • У сборок 3-х производителей наблюдался практически идеальный возврат фазы к исходной величине при выпрямлениях кабеля, в то время как у 2-х остальных был обнаружен остаточный сдвиг фазы от 1,2° до 2,4°.
  • Уход фазы на 3,3° при продольном усилии, не превышающем допустимое значение, обнаружен у кабельной сборки одного из производителей.

Результаты этих экспериментов позволяют сделать следующие выводы:

  1. Для ответственных применений кабельных сборок, позиционируемых производителями как фазостабильные, целесообразна их дополнительная проверка на анизотропность при изгибах. Для этого необходима разработка единой методики проверки на анизотропность и ее включение в отечественный нормативный документ.
  2. Для обеспечения механической развязки центрального проводника соединителя и центрального проводника кабеля при вытягивающих усилиях целесообразно обеспечить механическое крепление кабеля к корпусу соединителя с помощью хвостовой цанги соединителя или же использовать пайку внешнего проводника непосредственно к корпусу.

Каждый кабель в процессе производства наматывается на технологические бобины, на которых он хранится и транспортируется. Как отмечено в работе [6], диэлектрик ПТФЭ обладает «памятью» (elastic memory) к своему первоначальному положению, что, вероятно, связано с хладотекучестью ПТФЭ. В результате этого у многих кабелей, особенно с монолитным диэлектриком сердечника, «запоминается» направление первоначального изгиба. Как правило, при изгибе кабеля по направлению первоначального изгиба фазовая стабильность лучше, чем при изгибе против первоначального изгиба. Частично или полностью избавиться от этого эффекта, по-видимому, можно путем термоциклирования кабеля [7], а также использованием многократной перемотки кабеля во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Актуальность применения фазостабильных кабельных сборок

Сочетание системного и схемного анализа и современных технологий микроэлектроники создало условия для продвижения АФАР в область частот W-диапазона вплоть до 110 ГГц. Управление одним или несколькими лучами АФАР обеспечивается электронным управлением фазы СВЧ-сигналов многочисленных приёмо-передающих модулей АФАР, при этом важную роль играют фазовые характеристики кабельных сборок, объединяющих указанные модули в систему.

Фазостабильные кабели и кабельные сборки приобретают все большее значение для современных радиочастотных систем, чувствительных к изменениям фазы [3-5]. В работе [3] показано, что применение кабельных сборок с малой величиной изменения фазы при внешних воздействиях способствует повышению усиления АФАР и улучшению помехозащищённости систем с АФАР.

В беспроводных системах связи, использующих адаптивный массив антенной системы и коммутируемый радиолуч, появляется возможность существенно увеличить зону обслуживания и обеспечить более эффективное использование предоставленного частотного диапазона.

К изменению фазы сигнала в кабельной сборке, возникающему при колебании температуры и при изгибе кабеля, чувствительны векторные анализаторы цепей и сигналов. Кабельные сборки для соединения измерительной аппаратуры с измеряемыми объектами выделяют в отдельный класс — «измерительные кабельные сборки». Измерительные кабельные сборки с высокой фазовой стабильностью способствуют увеличению интервала времени между последующими калибровками и уменьшают величину дрейфа температурно-зависимых систематических ошибок. Это даёт возможность проведения измерений без дополнительной калибровки в ангарах или на открытом воздухе, где неизбежно изменение температуры [3]. К измерительным сборкам предъявляется также дополнительное требование прочности при разнообразных механических воздействиях (изгибы, скручивание, сдавливание, вытягивание, трение).

Причины изменения фазы в зависимости от температуры

На протяжении многих лет усилия создателей радиочастотных кабелей были направлены на поиск диэлектрика с максимально постоянной и наименьшей по величине диэлектрической проницаемостью в рабочем диапазоне частот и температур. Наибольшее распространение для высокотемпературных кабелей и многих СВЧ компонентов приобрёл фторопласт PTFE [6]. он имеет отличные диэлектрические свойства в диапазоне СВЧ: диэлектрическую проницаемость
2 ± 0,1, тангенс угла диэлектрических потерь (2...2,5).10-4, в сочетании с высокой температурой применения — до 260 °С. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ПТФЭ практически постоянны в диапазоне частот (0...1011) Гц и в диапазоне температур от минус 60 до 250 °С. У ПТФЭ нет явно выраженной температуры плавления, и только при температуре 300 °С он начинает терять механическую прочность. При снижении температуры он становится более твердым, но не хрупок даже при температуре жидкого азота.

Основными недостатками ПТФЭ являются хладотекучесть (склонность к деформациям под механической нагрузкой при постоянной температуре), а также значительное объемное расширение при воздействии высокой температуры, например, при пайке соединителей на кабель. Кроме того этот материал имеет невысокую радиационную стойкость [4].

Главным же недостатком ПТФЭ, который многие годы создаёт проблемы для проектировщиков АФАР и прецизионной измерительной аппаратуры, является нелинейность фазовой характеристики кабеля — её резкое изменение вблизи температуры 19 °С, называемое в зарубежной литературе «тефлоновым коленом» [8-13]. Причина появления «тефлонового колена» — температурное изменение диэлектрической проницаемости ПТФЭ. В диапазоне температур (15...25) °С у ПТФЭ происходит скачкообразное изменение коэффициента линейного температурного расширения (ТКЛР) — рис. 5 [6].

Усредненные значения ТКЛР ПТФЭ при различных температурах

Рис. 5. Усредненные значения ТКЛР ПТФЭ при различных температурах

Скачкообразное изменение ТКЛР обусловлено перестройкой кристаллической структуры ПТФЭ при температуре около 19,6° С, сложный механизм которой рассмотрен в работах [3, 6]. Объем монолитного ПТФЭ в диапазоне температур (20...25) °С увеличивается на (1,0...1,8)% в зависимости от степени кристалличности материала [6]. При увеличении объема плотность ПТФЭ уменьшается, и, вследствие этого, уменьшается диэлектрическая проницаемость ε материала.

При уменьшении ε электрическая длина кабеля, казалось бы, должна уменьшиться в √ε раз, и поэтому также должна уменьшиться фаза сигнала на выходе кабеля. Однако, вследствие того, что изоляция в кабельной сборке зажата между внешним проводником и соединителями (особенно в случае полужёсткого кабеля, со сплошным металлическим внешним проводником), изоляция не может свободно расширяться. Происходит ее уплотнение, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости ε. В результате, электрическая длина кабеля возрастает в √ε раз, и соответственно увеличивается фаза сигнала на выходе кабеля.

Существует и другая, хотя и менее значимая, причина нелинейности температурно-фазовой характеристики кабелей [3]. При изменении температуры окружающей среды изменяются линейные размеры металлических проводников кабеля. Внутренний проводник кабеля изготавливают из посеребренных медных, сталемедных или алюмомедных проволок. ТКЛР медного проводника равен 17∙10-6 1/°C, алюминиевого проводника — 24∙10-6 1/°C. При изменении температуры на 1 °C геометрическая длина кабеля с центральным проводником из меди увеличивается на 17 ppm, а с алюминиевым проводником еще больше — на 24 ppm. Пропорционально изменению геометрической длины кабеля изменяется и его электрическая длина. Например, в кабеле с изоляцией из пористого ПТФЭ замена материала внутреннего проводника с меди на алюминий приводит к ухудшению фазовой стабильности кабеля рис.6 [3].

Изменение фазы в кабеле с медным (а) и алюминиевым (б) внутренним проводниками

Рис. 6. Изменение фазы в кабеле с медным (а) и алюминиевым (б) внутренним проводниками
1 — суммарный эффект диэлектрика и проводника
2 —только диэлектрика
3 — только проводника

По этой причине для изготовления внутренних проводников кабеля целесообразно применять металлы с минимальным значением ТКЛР.

Сложнее обстоит дело с оплеткой из тонких металлических проволок. При изменении температуры проводники также удлиняются и укорачиваются, но не изменяют физическую длину кабеля, а при охлаждении передают усилие сжатия на изоляцию сердечника [3]. В результате этого увеличиваются плотность диэлектрика и его диэлектрическая проницаемость. Однако главную роль играют температурные эффекты в изоляции сердечника кабеля.

Пористый ПТФЭ

В 1970 году было обнаружено, что при растяжении нагретого стержня из монолитного ПТФЭ происходит образование пористости в структуре материала, в результате чего снижается его диэлектрическая проницаемость. Благодаря этой находке был создан фторопласт низкой плотности, с малыми потерями — пористый ПТФЭ. Разработанный материал разные компании обозначают различными терминами: Low density PTFE, microporous PTFE, expanded PTFE (e-PTFE). В данной статье он обозначен как «пористый ПТФЭ». Диэлектрическая проницаемость пористого ПТФЭ достигает значений 1,3...1,8, тангенс угла диэлектрических потерь — (1...2)∙10-4 [4]. Улучшение диэлектрических свойств удалось обеспечить благодаря разработке новых методов изготовления пористого ПТФЭ в виде монолитного сердечника с помощью плунжерного прессования [14], а также применением пористых лент.

В сложной разветвленной структуре пористого ПТФЭ содержится большой процент воздуха. Разработан ряд оригинальных технологий получения пористой структуры ПТФЭ. В качестве примера на рис. 7 показаны полученные разными способами структуры пористого ПТФЭ, состоящие из пересекающихся волокон (фибрилл) и пустот (пор) между ними [15].

Электронно-микроскопические снимки структуры пористого ПТФЭ

Рис.7. Электронно-микроскопические снимки структуры пористого ПТФЭ, увеличение 10000х

Пористый ПТФЭ в качестве материала изоляции кабеля стали широко использовать с 1970-х годов, когда низкие потери радиочастотных кабельных сборок стали приоритетными. Данный материал применяют при изготовлении кабелей с улучшенной фазовой стабильностью, так как он обеспечивает уменьшение высоты «тефлонового колена».

В настоящее время используются две технологии изготовления пористой, полувоздушной изоляции коаксиальных радиочастотных кабелей. Первая широко используемая технология — обмотка внутреннего проводника пористыми лентами из ПТФЭ. Ленты, имеющие определённую толщину и ширину, накладываются на внутренний проводник послойно методом спиральной намотки. Необходимый диаметр изоляции обеспечивается подбором соответствующего количества накладываемых слоёв. Метод универсален, но обладает одним принципиальным недостатком, обусловленным периодичностью структуры изоляции, образуемой спиральной обмоткой. Как следствие, всегда существует вероятность возникновения пиков отражения (см. ниже рис. 10б) передаваемых сигналов с длинами волн, кратными шагу обмотки.

Второй способ получения полувоздушной изоляции из ПТФЭ — технология плунжерного прессования для нанесения на внутренний проводник специальной пасты, приготовленной с использованием порошка из ПТФЭ, с последующим запеканием изоляционного слоя при соответствующей температуре.

Радиочастотный кабель с пористой структурой изоляции из ПТФЭ выпускают ограниченное число производителей, используя запатентованную ими технологию. Технология представляется перспективной, но пока еще существуют трудности ее применения для изготовления кабелей с диаметром изоляции более 3 мм.

Рис. 8 иллюстрирует различие температурно-фазовых характеристик кабелей с изоляцией из пористого и сплошного, монолитного ПТФЭ [2].

Температурно-фазовые характеристики кабелей с диэлектриком из пористого и монолитного ПТФЭ

Рис.8. Температурно-фазовые характеристики кабелей с диэлектриком из пористого и монолитного ПТФЭ

Скорость распространения сигнала (Vp) в кабелях с изоляцией из пористого ПТФЭ приблизительно на 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из сплошного ПТФЭ. Например, в кабеле 090-36 компании Gore с диэлектриком из пористого ПТФЭ (30% ПТФЭ, 70% воздуха, диэлектрическая проницаемость 1,38) скорость распространения сигнала равна 85%. [2].

Пористый ПТФЭ широко применяют для изоляции высокотемпературных радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне температур (-60...250) °С. Снижение диэлектрической проницаемости изоляции позволяет увеличить диаметр внутреннего проводника при сохранении номинального значения волнового сопротивления и, благодаря этому, дополнительно уменьшить потери в кабеле.

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает кабели с пористой ленточной изоляцией из ПТФЭ, однако по уровню параметров они уступают зарубежным аналогам. Параметры некоторых зарубежных кабелей с предельной частотой 40 ГГц с изоляцией из пористого фторопласта приведены в таблице 1.

Оболочки всех кабелей, приведенных в таблице 1, за исключением кабелей SHF3М и DXM141, выполнены из диэлектрика ФЭП. Для повышения радиационной стойкости в кабеле SHF3М оболочка изготовлена из ПФА (отечественный аналог Ф-50), а в кабеле DXM141 — из ETFE (Tefzel), отечественный аналог Ф-40.

Таблица 1. Параметры некоторых зарубежных кабелей с предельной частотой 40 ГГц с сердечником из пористого ПТФЭ

№ п/п Компания-производитель,
государство,
сайт
Марка кабеляДиэлектрик сердечникаДиаметр
по оболочке,
мм
Vp, %tзад., нс/мС, пФ/мΔψ(Т),
ppm;
°/ГГц/м
(при ΔТ, °С)
Δψ, º при изгибе
(º изгиба;
Ø мм; f)
α, дБ/м;
f = 40 ГГц
ΔТраб., °СКол-во
перегибов
Типε
1AtlanTecRF,
Великобритания
www.atlantecrf.com
ACO-CA40экструзия1,74,3774,35861300 ppm;
2
(—40...80)
±4 (18 ГГц)2,48-55...1351·106
2GIGA LANE, Южная Корея
www.gigalane.com
GL140sэкструзия1,74,2774,35861400 ppm;
2,1
(—40...80)
±4 (360°;
Ø20,3;
18 ГГц)
2,51-55...135
LL1503,81843,93


2,5-65...135

3

Micro-Coax, США
www.microcoax.com
UFB 142Aэкструзия1,43,61834,0880,41000 ppm;
(—60...100)
±11
(Ø76,2;
40 ГГц)
2,23-65...1655 000
4AXON’ Cable & Interconnect,
Франция
www.axon-cable.com
Axowave
C40SK (4H)
Celloflon®,
экструзия
1,64,1784,27851400 ppm;
2,25
(—55...125)
±2,3
(Ø50; 1 ГГц)
2,50-55...125500
5W.L.Gore & Associates,
США; серия Phaseflex
www.gore.com
OKэкструзия1,46,1
(с доп. защитой)
854,0792,65-55...12550 000
6Radiall, Франция
www.radiall.com
SHF3M
TestPro3
обмотка лентами1,4ПФА/3,5834,0801000 ppm;
3
(—60...125)
±14
(360°;
40 ГГц)
3,11-70...200>1 000
7Dynawave, США,
www.dynawave.com
DXM141экструзия1,6ETFE/3,94784,285,3<1300 ppm; (—65...95)±6
(360°; Ø12;
40 ГГц)
3,10-65...135>1 000

Приняты следующие обозначения:

  1. ε — диэлектрическая проницаемость;
  2. Vp — скорость распространения сигнала;
  3. tзад. — время задержки сигнала;
  4. С — электрическая ёмкость единицы длины кабеля;
  5. Δψ(Т) — изменение фазы при изменении температуры;
  6. α — коэффициент затухания;
  7. Δψ — изменение фазы при изгибе (на оправке диаметра Ø, частота измерения f);
  8. ΔТраб. — диапазон рабочих температур. Celloflon — пористый ПТФЭ, запатентован компанией AXON’ Cable & Interconnect.

Сравнение кабелей разных компаний по температурной фазовой стабильности несколько затрудняет то, что она приведена в разных единицах измерения: ppm и °/ГГц/м. Хотя, очевидно, что графические температурные зависимости изменения фазы, построенные в каждой из этих единиц, имеют одинаковый характер [16].

В сердечниках кабелей компании Dynawave использована плунжерная изоляция из пористого ПТФЭ (технология Dyna Core) — рис. 9 [17]. По сравнению с кабелем с ленточной намоткой кабель с плунжерной изоляцией выдерживает без изменения формы бóльшие усилия сжатия и изгиба.

Кабели с ленточной (а) и плунжерной (б) изоляцией, разделка кабелей перед установкой соединителя (в)

Рис. 9. Кабели с ленточной (а) и плунжерной (б) изоляцией, разделка кабелей перед установкой соединителя (в). Стрелками показано качество разделки кабелей

Кабели серии Dyna Core имеют более стабильную частотную зависимость КСВн по сравнению с кабелями с ленточной изоляцией — рис. 10.

КСВн кабелей с плунжерной (а) и ленточной изоляцией (б)

Рис.10. КСВн кабелей с плунжерной (а) и ленточной изоляцией (б)

Наивысший уровень параметров кабелей с изоляцией из пористого ПТФЭ, по нашему мнению, достигнут компанией W.L.Gore & Associates, создавшей кабели серии СХ с предельной частотой 110 ГГц [2]. Уникальные параметры кабельной сборки на основе кабеля серии СХ и соединителей 1.0-mm приведены в таблице 2 и на рис. 11.

Таблица 2. Параметры кабельной сборки длиной 16 см из кабеля CX компании W.L.Gore & Associates

ПараметрЗначение

Электрические параметры

Предельная частота, ГГц110
КСВн (рис. 11)1,2 макс.
Вносимые потери, дБ (рис. 11)2,14 макс.
Стабильность фазы при изгибе на 90° на оправке Æ 25,4 мм, °± 1,0
диэлектрическая проницаемость изоляции1,4
Скорость распространения сигнала, %85
Время задержки сигнала, нс/м4
Эффективность экранирования, дБ (до 18 ГГц)>100

Механические и эксплуатационные параметры

Центральный проводникОднопроволочный
Внешний диаметр, мм4,2
Номинальная масса, г/м55,8
Минимальный радиус изгиба, мм10,2
Диапазон рабочих температур, °С—55...125
Сопротивление раздавливанию, кгс/см44,6
Внешний вид кабельной сборки из кабеля СХ Электрические характеристики кабельной сборки из кабеля СХ

Рис. 11. Внешний вид и электрические характеристики кабельной сборки из кабеля СХ

Заключение

Применение ПТФЭ позволило значительно улучшить технические характеристики кабелей и кабельных сборок диапазона СВЧ. Кабели с изоляцией из пористого ПТФЭ достигли предельной частоты 110 ГГц, скорости распространения сигнала 88 %.

Существенным недостатком кабелей, в которых применён как монолитный, так и пористый ПТФЭ, является нелинейность температурно-фазовой характеристики с так называемым «тефлоновым коленом». Единственным способом устранения этого недостатка является замена ПТФЭ на другие полимерные или минеральные диэлектрики.

Разработку кабелей и кабельных сборок СВЧ диапазона с улучшенной фазовой стабильностью в течение многих лет осуществляют ведущие зарубежные компании. К сожалению, в нашей стране этой проблеме до настоящего времени не уделяется должное внимание. Для создания фазостабильных кабельных сборок с высоким уровнем параметров необходимо проведение исследований и разработка более совершенных отечественных диэлектриков, внедрение новых технологий получения пористых диэлектриков и их нанесения по перспективной плунжерной технологии. Необходимо разработать отечественную методику измерения температурно-фазовых характеристик кабельных сборок, подобную методике, приведенной в работе [8], c определением требований к измерительным кабелям с линейной температурно-фазовой характеристикой. Наконец, давно назрела необходимость создания соответствующей нормативной базы, взамен устаревшей.

Литература

  1. В.С. Филиппов, Л.И. Пономарёв, А.Ю. Гринёв Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. Под ред. Д.И. Воскресенского. — М.: «Радио и связь», 1994, 592 с.
  2. www.gore.com
  3. MPD Microwave Product Digest. Current innovations in phase stable coaxial cable design by Times Microwave System (www.timesmicrowave.com).
  4. А. Прокимов, К. Джуринский, Р. Кузнецов. Кабельные сборки СВЧ-диапазона. Назначение, классификация, особенности применения. Компоненты и технология. 2015, № 5, с.28-32.
  5. Micro-Сoax Specification Cable Assemblies, UFA210B Low Loss 26,5 GHz. 2004 (www.microcoax.com).
  6. Properties Handbook компании Du Pont. Teflon PTFE fluoropolymer resin.
  7. ECSS-Q-ST-70- 18C Space product assurance. Preparation, assembly and mounting of RF coaxial cables.
  8. K. Czuba and D. Sikora. Temperature Stability of Coaxial Cables. Acta Physica Polonica A. Vol. 119 (2011), № 4, р. 553-557.
  9. Jack Brown. Checking Cables For Test Systems. Microwaves & RF, Jan.19, 2011.
  10. Ефимов И. Е. и Останькович Г. А. Радиочастотные линии передачи. Радиочастотные кабели. Изд. 2-е. М., «Связь», 1977.
  11. Understanding Phase Versus Temperature Behavior «The Teflon™ Knee». Application note, Micro Coax. November 12, 2009 (www.microwavejournal.com).
  12. Satish K. Ghawan, Understanding Effect of Teflon Room Temperature Phase Transition on Coax Cable Delay in Order to Improve the Measurement of TE Signals of Deuterated Polarized Targets, J.W. Gibbs Laboratory, Yale University, New Haven, CT, 06511.
  13. Michael Brewster. Phase Track® Cable — TF4™ Dielectric: The Knee Replacement. Times Microwave Systems, March 2014.
  14. Д.Н. Дикерман, В.С. Кунегин. Провода и кабели с фторопластовой изоляцией.- М.: Энергоиздат, 1982,-144 с.
  15. US Patent 5912278, 1999.
  16. Microwave & RF Coaxial Cable Assemblies Giga Lane. Edition 2014(S) (www.gigalane.com).
  17. Bob Thiele and Stan Hardin. Choosing the Optimal High Frequency Coaxial Cable (www.dynawave.com).

Авторы выражают благодарность Некипелову Н.А. за помощь в подготовке иллюстративного материала для данной статьи.

Данный материал опубликован в журнале «Компоненты и технологии» № 6, 2015