Первые отечественные фазостабильные СВЧ кабельные сборки повышенной теплостойкости

Введение

Возрастающий 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 решеток (АФАР). Дополнительные требования к фазовым характеристикам кабельных сборок предъявляют также многопортовые измерительные системы, системы связи, установки для физических и медицинских применений [1].

Снижение изменения фазы кабельных сборок за счёт внешних воздействий в беспроводных системах с АФАР приводит к снижению остаточных ошибок и неопределенностей. В результате обеспечивается возможность увеличения зоны обслуживания систем и реализуется более эффективное использование предоставленного частотного диапазона.

До недавних пор отечественная промышленность не выпускала коаксиальные кабели, отвечающие определению ГОСТ Р 58416-2019 [2]: «Фазостабильный кабель (phase stable cable) ‒ коаксиальный кабель с нормированным температурным коэффициентом фазы по условиям эксплуатации и/или значением изменения фазы при изгибах». Соответственно, фазостабильной следует считать кабельную сборку, имеющую нормированную стабильность электрической длины в условиях определенных внешних воздействий и, как следствие, гарантированную стабильность вносимого фазового сдвига.

В правительственную программу импортозамещения включена задача разработки и выпуска отечественных радиочастотных фазостабильных кабельных сборок (ФКС). К выполнению этой задачи в процессе конкурсного отбора было привлечено научно-производственное предприятие «Спецкабель».

В процессе анализа значительного объёма публикаций зарубежных компаний, выпускающих ФКС, сформулированы основные положения, подлежащие решению в процессе выполнения работ по ОКР «Источник И5» ‒ «Разработка и освоение серийного производства на отечественном предприятии серии коаксиальных радиочастотных кабелей на температуру до 165 ºС» и ОКР «Источник 21» ‒ «Разработка и освоение серийного производства серии фазостабильных радиочастотных кабельных сборок»:

1. Для реализации повышенной теплостойкости ФКС в качестве материала изолятора кабелей использовать фторполимер Ф-4 (PTFE), оболочку кабелей выполнить из фторполимера Ф-4МБ (FEP) и опорные изоляторы центральных проводников соединителей выполнить из высокотемпературного экструдируемого диэлектрика PЕЕК (PolyEtherEtherKetone).

2. Для снижения коэффициента затухания кабелей на частотах до 40 ГГц изоляторы кабелей выполнить в виде наложенных спирально на центральные проводники кабелей полувоздушных лент из ПТФЭ.

3. С целью повышения затухания экранирования кабелей использовать двухслойное экранирование изолятора кабелей в виде спирально наложенных лент из медной фольги, покрытой серебром, и экрана в виде традиционной оплётки из серебрёных медных проволок.

4. При контроле фазовой стабильности большинство производителей ФКС отдают предпочтение измерению вариаций фазы в зависимости от частоты при изгибе КС вокруг оправок соответствующего диаметра [1, 2, 3], при этом единая стандартизованная методика изгибов отсутствует.

Для улучшения фазовой стабильности ФКС стандарт МЭК [4] рекомендует проводить предварительное кондиционирование вновь изготовленных кабелей, используя процедуру термоциклирования. Считаем целесообразным выполнение дополнительных исследовательских работ по термоциклированию вновь изготовленных фазостабильных кабелей по методике стандарта [4] с последующим анализом результатов исследований.

5. Для повышения качественных характеристик и расширения областей использования ФКС ввести приёмку ВП МО РФ на разрабатываемые фазостабильные кабельные сборки, а также на разрабатываемые для них марки кабелей и соединители.

1. Мероприятия по выпуску отечественных фазостабильных кабельных сборок повышенной теплостойкости

НПП «Спецкабель» с момента своего основания и по сей день уделяет значительное внимание вопросам импортозамещения ‒ замены зарубежной кабельной продукции аналогичными отечественными изделиями. В процессе подготовки к разработке и выпуску фазостабильных радиочастотных кабелей и соединителей в феврале 2017 года вышла в свет статья [5]. Начиная с 2016 года проведены успешные работы по выбору и приобретению нового технологического оборудования, а также материалов и комплектующих для изготовления фазостабильных кабельных сборок.

В течение 2016-2017 гг. предприятие приобрело и ввело в эксплуатацию горизонтальную лентообмоточную линию фирмы Lukas.

В 2017-2018 гг. введена в эксплуатацию экструзионная линия наложения изоляции из вспененных фторполимеров и ошлангованияфирмы Maillefer. Линия предназначена для переработки фторополимеров FEP, PFA, ETFE, PVDF и др. [5].

1.1 Фазостабильные кабели повышенной теплостойкости

В рамках ОКР «Источник И5» было разработано и освоено серийное производство семейства кабелей с выпуском технических условий ФЖТК.685671.089 ТУ и ДКЮГ.358800.030 ТУ (см. Таблицу 1.1). Зарубежными аналогами разработанных кабелей являются кабели для гибких кабельных сборок СВЧ семейства UTiFLEX® компании Carlisle Interconnect Technologies (www.carlisleit.com).

Рис. 1.1 Конструкция кабелей, разработанных по ОКР «Источник И5»

Таблица 1.1 – параметры коаксиальных фазостабильных радиочастотных кабелей повышенной теплостойкости (по данным ФЖТК.685671.089 ТУ и ДКЮГ.358800.030 ТУ)

1.2 Соединители для фазостабильных кабелей

В рамках ОКР «Источник 21» разработан комплект документации, в том числе ФЖТК.685671.097 ТУ, и налажен выпуск кабельных сборок из вновь изготовленных фазостабильных радиочастотных кабелей со специально разработанными соединителями для каждой новой марки кабелей.

Соисполнителем ОКР «Источник 21» выбрано предприятие «Соединитель» (г. Миасс, Челябинская обл.), сотрудники которого выпустили комплект конструкторской и текстовой документации, в частности АГСП.430421.009 ТУ, и освоили серийное производство семейства радиочастотных соединителей
СР 50, предназначенных для использования в составе кабельных сборок на основе рассмотренных выше фазостабильных кабелей.

Соединители изготавливают с габаритно-присоединительными размерами 2,92 мм по МЭК 61169-35; 3,5 мм, IX вар.3, N, SMA по ГОСТ РВ 51914; III, IX по ГОСТ 20265, а также ВР – врубного типа.

На рис.1.2 в качестве примера показаны установленные на кабели вилки кабельные СР 50-13-292 с присоединительным размером 2,92 мм и СР 50-13-35 с присоединительным размером 3,5 мм.

Рис.1.2 Соединители СР 50-13-292-2-42 и СР 50-13-35-4-420, установленные на тестируемые кабели РК 50-2-42-С и РК 50-4-420-С соответственно

На рис. 1.3 приведено изображение типового соединителя с входящими конструктивными узлами. В условном обозначении соединителя
СР 50-13-IX-2-42 содержится следующая информация:

«Соединитель радиочастотный с волновым сопротивлением 50 Ом (СР 50), вилка кабельная (1) с цангой под крепление внутреннего проводника и пайку внешнего проводника кабеля (3), тип соединения IX по ГОСТ 20265, для коаксиального кабеля РК 50-2-42-С».

Рис. 1.3 Соединитель СР 50-13-IX-2-42 с входящими конструктивными узлами

Основные преимущества типового соединителя семейства СР 50:

1. Впервые в отечественной практике центральный проводник соединителя входит в состав неразборного конструктивного узла 2
   (см. рис.1.3), изготовленного с использованием литья диэлектрика под давлением в групповую литьевую пресс-форму;
2. Опорная изоляционная шайба элемента 2 рассчитанной конфигурации впервые в России выполнена из сверхпрочного, высокотемпературного, радиационно-стойкого диэлектрика РЕЕК [5];
3. Обеспечивается более высокая точность реализации геометрических размеров узла 2, в том числе соосности центрального проводника и контактного кольца, что улучшает повторяемость электрических параметров соединителей от образца к образцу и их ремонтопригодность;
4. Конструктивные узлы корпуса соединителя 1, 3 и 5 выполнены из нержавеющей стали, что, согласно АГСП.430421.009 ТУ, увеличивает гарантийный срок соединителя до 25 лет при допустимом числе сочленений-расчленений 500 в пределах этого срока.

2 Термоциклирование вновь изготовленных фазостабильных кабелей

По мнению авторов [4] «на соотношение фазы и температуры новых кабелей оказывают влияние необратимые отклонения фазовой постоянной; эти отклонения можно уменьшить циклическим воздействием температуры».

Описанный в [4] метод рекомендует для снижения отклонений фазы кабелей за счёт изгибов выполнить процедуру их предварительного кондиционирования (preconditioning), температурная циклограмма которой представлена на рисунке:

где

t₀ – температура воздуха в лаборатории;
t_max – максимальная рабочая температура и
t_min – минимальная температура, указанные в ТУ на КС.

Для подтверждения возможности улучшения температурно-фазовых характеристик вновь изготовленных кабелей в испытательном центре НПП «Спецкабель» в период с декабря 2020 г. по февраль 2021 г. выполнены исследовательские испытания с использованием рекомендаций международного стандарта [4], результаты которых приведены ниже.

2.1 Объекты и задачи испытаний

Объектами испытаний являются радиочастотные кабельные сборки (КС) из изготовленных вновь кабелей (см. раздел 1.2) со специально разработанными соединителями, описанными в разделе 1.2.

Таблица 2.1 – Конструктивные параметры тестируемых кабельных сборок

КС изготовлены по техническим условиям ФЖТК.685671.097 ТУ. В состав сборок входят кабели, изготовленные по техническим условиям ДКЮГ.358800.030 ТУ и ФЖТК.358800.089 ТУ, и соединители, изготовленные по техническим условиям АГСП.430421.009 ТУ.

Измеренные до термоциклирования электрические параметры КС приведены в Таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Электрические параметры тестируемых кабельных сборок, измеренные при нормальной температуре до термоциклирования

Параметры тестируемых КС ‒ реальная физическая длина из Таблицы 2.1, затухание на частоте 18 ГГц и диэлектрическая проницаемость ε из Таблицы 2.2 ‒ использовались в программном обеспечении установки УГКИ.

В задачи испытаний входит:

• предварительные механические воздействия на КС – U-изгиб и изгиб со скручиванием, с измерениями и записью результатов;
• проведение одновременного термоциклирования 4-х тестируемых КС с использованием установки УГКИ с записью результатов измерений в процессе термоциклирования;
• повторение механических воздействий на КС после термоциклирования с измерениями и записью результатов;
• анализ полученных результатов испытаний.

2.2 Рабочее место для выполнения термоциклирования

Термоциклирование тестируемых КС проводились на установке для групповых климатических испытаний УГКИ СБЕД.440124.001. Установка запатентована [6] и предназначена, прежде всего, для выполнения исследовательских работ. Программное обеспечение (ПО), установленное в компьютер УГКИ, обеспечивает проведение температурных испытаний по предварительно введённому в ПО заданию, без привлечения оператора в процессе испытаний.

Установка выполняет измерения вносимой фазовой задержки от температуры – φ(t) и затухания от температуры – а(t) для четырёх коаксиальных кабельных сборок, одновременно размещаемых в климатической камере и коммутируемых последовательно.

За счёт автоматизации задаваемого цикла климатических испытаний установка обеспечивает:

а) сокращение трудоёмкости и общего времени испытаний за счёт установленного программно времени выдержки КС на каждой из температур и автоматического перехода от предыдущей температуры к последующей;

б) возможность одновременной количественной оценки температурных характеристик до четырёх КС;

в) повышение достоверности и точности полученных результатов измерений за счёт минимизации влияния человеческого фактора;

г) автоматическое формирование протоколов испытаний каждой КС.

На установку УГКИ выпущен полный комплект эксплуатационной документации, в том числе руководство по эксплуатации СБЕД.440124.001 РЭ. Установка предназначена для работы в нормальных климатических условиях и размещается в помещении лаборатории комплексных испытаний НПП «Спецкабель».

2.3 Методы механических воздействий на тестируемые КС

Процедура тестирования четырёх КС на два вида изгиба произведена дважды – до проведения термоциклирования и после термоциклирования, с сохранением результатов измерений в Таблицах 2.3.1 и 2.3.2.

В качестве примера на рис.2.3.1 приведены графики изменения фазы кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С от частоты, полученные на экране векторного анализатора цепей (ВАЦ) ZVB 20 при тестировании на U-изгиб в нормальных климатических условиях.

Графики с обозначением «diff_a_b» соответствуют изменению фазы (длины в электрических градусах) при первом изгибе КС (вверх), с обозначением «diff_a_с» ‒ при втором изгибе (вниз) (см. раздел 2.4). Графики с обозначением А) соответствуют измерениям до термоциклирования, с обозначением Б) ‒ после термоциклирования.

А)

Б)

Рис.2.3.1 Изменение фазы кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С при тестировании на U-изгиб

В строки Таблиц 2.3.1 и 2.3.2 с подзаголовками «Тестирование на U-изгиб» и «Тестирование на скручивание» внесены значения изменения фазы на частотах 10 ГГц и 18 ГГц, которым соответствуют маркеры М1 и М2.

Полученные при этих и последующих измерениях данные с обозначениями а-b (°) и а-c (°) сведены в Таблицы 2.3.1 и 2.3.2. Наличие в этих обозначениях дополнительного индекса «-U» соответствует U-изгибу, а индекса «-tw» ‒ изгибу на скручивание.

Здесь и далее обозначение (°) соответствует градусам электрической длины.

Таблица 2.3.1 – Электрическая длина кабельных сборок при двух видах тестирования до проведения термоциклирования

Тестирование на скручивание проводилось непосредственно после тестирования на изгиб, с использованием в этих случаях и в дальнейшем цилиндрической оправки диаметром 50 мм.

Перед выполнением каждого тестирования проводилось измерение электрической длины каждой КС.

После двукратного U-изгиба КС – вверх и вниз на 180° вокруг оправки – наблюдалось уменьшение электрической длины каждой КС на величину
Δφ₁= φ₁ – φ₂ (см. нижнюю строку Таблицы 2.3).

Таблица 2.3.2 –Электрическая длина кабельных сборок при двух видах тестирования после проведения термоциклирования

В нижней строке Таблицы 2.4 приведены значения уменьшения электрической длины после выполнения процедуры U-изгиба КС, прошедших термоциклирование: Δφ₃ = φ₃ – φ₄ .

Сравнение численных значений Δφ₃  и Δφ₁  в Таблице 2.3 показывает, что изменение фазы тестируемых сборок после термоциклирования при U-изгибах существенно уменьшилось.

2.4 Результаты тестирования на U-изгиб

Операции по тестированию КС на U-изгиб выполнены в соответствии с рекомендациями МЭК [4], что проиллюстрировано на рис.2.4.1.

Рис. 2.4.1 Тестирование на U-изгиб

Для удобства дальнейшего анализа данные Таблиц 2.3.1 и 2.3.2 использованы для построения гистограмм рис. 2.4.2….2.4.5, на которых изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U на частоте 18 ГГц до термоциклирования представлены голубым и фиолетовым цветом, а после термоциклирования – зелёным и коричневым цветом.

Рис.2.4.2 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С

Рис.2.4.3 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №2 РК 50-2-42-С

Рис.2.4.4 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №1 РК 50-4-420-С

Рис.2.4.5 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №2 РК 50-4-420-С

2.5 Результаты тестирования на скручивание

Действия при тестировании КС на скручивание выполнены в соответствии с рекомендациями стандарта [4], что иллюстрирует рис.2.5.1.

Рис.2.5.1 Тестирование на скручивание

На рисунках 2.5.2…2.5.5 приведены гистограммы, построенные по данным Таблиц 2.3.1 и 2.3.2, показывающие изменение электрической длины а-b (°)-tw и
а-с (°)-tw четырёх кабельных сборок на частоте 18 ГГц при тестировании на скручивание.

Изменения с обозначением «a-b» соответствуют изменению фазы при вращении оправки на минус 180° (против часовой стрелки), а с обозначением
«a-с» ‒ при вращении оправки на 180° (по часовой стрелке).

Рис.2.5.2 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С

Рис.2.5.3 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №2 РК 50-2-42-С

Рис.2.5.4 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №1 РК 50-4-420-С

Рис.2.5.5 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №2 РК 50-4-420-С

2.6 Изменение электрической длины φ и затухания а тестируемых кабельных сборок в процессе термоциклирования

Термоциклирование (температурное кондиционирование) выполнено одновременно для 4-х тестируемых КС, параметры которых приведены в Таблицах 2.1 и 2.2.

Измерения проводились векторным анализатором цепей ZVB 20 компании Rohde & Schwarz в диапазоне частот (10…20 000) МГц при полосе пропускания 1 кГц. Необходимая информация о тестируемых кабельных сборках и о климатической камере SE-600-6-6 компании Thermotron (США) вносилась в ПО установки УГКИ, после чего была реализована температурная циклограмма, изображённая на рис.2.6.1.

Рис.2.6.1 Температурная циклограмма кондиционирования 4-х кабельных сборок на установке УГКИ

После выполнения 6 циклов термоциклирования получены формируемые программно Протоколы измерения температурных параметров четырёх тестируемых КС. Каждый Протокол содержит таблицы с данными измерений φ(Т) и а(Т), выполненных в конце каждого циклического температурного воздействия (см. обозначения в эллипсах на рис.2.6.1).

На рис.2.6.2 представлены графики, построенные по измеренным φ(Т) ‒ электрической длины каждой из четырёх тестируемых КС в относительных единицах PPM, измеренные на частоте 18 ГГц.

Увеличение φ на 26 и 19%	Увеличение φ на 27 и 18%
Увеличение φ на 3 и 6%	Увеличение φ на 3 и 4%

Рис.2.6.2 Зависимость электрической длины φ четырёх КС при циклическом изменении температур

2.7 Анализ результатов исследований

Анализ результатов исследований кабельных сборок из первых отечественных фазостабильных кабелей СВЧ по рекомендациям стандарта [4] позволяет сделать следующие ВЫВОДЫ:

2.7.1 После термоциклирования кабельные сборки приобрели более прогнозируемые характеристики:

• при U-изгибе все КС имеют положительное отклонение фазы (см. гистограммы на рис. 2.4.2….2.4.5);
• при скручивании все КС имеют разнонаправленное отклонение фазы, а модуль отклонений существенно снижен относительно значений до термоциклирования (см. гистограммы на рис. 2.5.2…2.5.5);
• фазовая стабильность КС после термоциклирования улучшается: разница между значениями электрической длины КС до и после U-изгиба существенно меньше после термоциклирования (сравните значения Δφ₁ и Δφ₃ в Таблицах 2.3.1 и 2.3.2);
• прирост фазы с каждым циклом термоциклирования становится меньше (см. графики на рис. 2.6.2), наблюдается тенденция к «насыщению»; данный эффект более ярко выражен у КС на основе кабелей РК 50-2-42-С, так как они обладают меньшей теплоемкостью по сравнению с кабелями РК 50-4-420-С.

2.7.2 После термоциклирования измеренные значения затухания тестируемых КС на частоте 18 ГГц незначительно изменились: у сборок РК 50-2-42-С №1 и №2 затухание а увеличилось на 0,1 %, в то время как у сборок РК 50-4-420-С №1 и №2 увеличение затухания составило 0,3 %.

2.7.3 Полученные результаты подтверждают целесообразность проведения термоциклирования вновь изготовленных отечественных фазостабильных кабелых сборокСВЧ, предназначенных для ответственных применений.

2.7.4 Дополнительные возможности улучшения фазовой стабильности может обеспечить проведение исследований вновь изготовленных фазостабильных кабельных сборок на «анизатропность» [1] ‒ определение различия вносимого фазового сдвига при изменении плоскости изгиба кабеля. Эти исследования позволят определить наличие эффекта «памяти» (elastic memory) кабеля [1] и разработать рекомендации по уменьшению или исключению эффекта «памяти» с помощью многократной перемотки кабеля во взаимно перпендикулярных плоскостях до или после термоциклирования.

2.7.5 Описанные в статье исследования проводились по личной инициативе авторов статьи, потребовав значительных временных и материальных затрат.

В случае заинтересованности потенциальных заказчиков в гарантированном улучшении фазовой стабильности описанных в статье кабельных сборок необходимо согласование детальной Программы с указанием объёма и последовательности дополнительных работ, с согласованием размера и источников дополнительного финансирования.

Авторы выражают благодарность М.И. Шалыгину за помощь в подготовке иллюстративных материалов для данной статьи.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Прокимов, А. Лобанов. К. Джуринский, Р. Кузнецов. Фазовая стабильность кабельных сборок СВЧ с диэлектриком ПТФЭ // Компоненты и технолоии. 2015. №6. с. 122-127.
2. ГОСТ Р 58416-2019. Кабели радиочастотные. Общие технические условия. Издание официальное. // Москва. Стандартинформ. 2019. 3/44.
3. More than Just a Phase: Understanding Phase Stability in RF Test Cables. AN46-004 // www.minicircuits.com.
4. IEC 61196-1-111. Edition 2.0 2014-06. International Standard. Coaxial communication cables – Part 1-111: Electrical test methods – Stability of phase test methods // International Electrotechnical Comission.
5. А. Прокимов, К. Джуринский, Ю.Смирнова. Перспективные изоляционные материалы для радиочастотных кабелей и соединителей // Компоненты и технологии. 2017. №2. с.105-113.
6. Патент на изобретение № 2683254. RU 2 683 254 C1; H04B 3/46 (2015.01). Прокимов А.А., Лобанов А.В., Пермяков Б.В., Мельников А.А. Способ измерения параметров коаксиальных кабельных сборок в диапазоне температур и устройство для его осуществления. Заявка № 2018113544, приоритет 16.04.2019.

Статья опубликована в журнале КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ. № 6 за 2021