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毫米波电缆:是否到了该重新审视的时候?
浏览次数:247     发布时间:2018-10-16    

转自:微波射频网

随着毫米波频率越来越普及,如何正确对待此类高频率下采用的纤弱电缆变得格外重要。


人们对微波电缆组件的使用常常随心所欲且不假思索,然而各种不正确的使用方式有可能导致此类电缆的性能下降及使用寿命缩短。在频率较低时,由于所使用的电缆及连接器尺寸较大,此类问题尚可容忍。然而,由于毫米波频率采用的电缆的尺寸较小,且通常更易损坏,因此其对电缆滥用的容忍度也更低。

过去一直在3GHz的频率下运行的蜂窝通信行业即将采用28~100GHz的频谱。此外,美国国防部(DoD)已经加大开支力度,以抵御更高毫米波波长下的电子战和雷达威胁。如此,由于涉及毫米波的活动将比以往更为广泛,因此如今是时候需要对此类关键器件的维护和对待进行重新审视。

由于上述频率下集成度较高,各种功能融合于同一封装体或电路板中,因此其所需的微波互连器件数量可能较少。但是,即使是小基站等设备,其各种子系统的连接仍然需要采用柔性、半柔性、半刚性及其他电缆。此外,运行于上述高频下的每种器件和系统在使用前都必须测试,因此之前尚未经历过毫米波测量这一难题的设计人员将马上面临这一挑战。

测试设备的对待方式

测试测量环境是少数几个需要始终将电缆、连接器及组件的细心使用和维护视为重要一点(虽然现实当中人们并不完全遵守)的领域之一。由于测量的不确定性是测量系统的顽疾,因此对细节的关注至关重要。此外,由于精密矢量网络分析仪(VNA)测试电缆非常昂贵,因此成本是促使人们必须小心谨慎对待此类电缆的另一原因。由于毫米波波长下使用的互连器件均为精密加工的易损器件,因此上述情形同样适用于所有此类互连器件。

举例而言,美国Pasternack公司的PE3TC1220系列110GHz测试电缆组件为VNA及半导体探针测试所使用的代表性电缆组件(图1)。此类电缆组件两端均设置1.0mm公头连接器;采用Nomex保护铠装;110GHz下的插入损耗为5.6dB以下;典型电压驻波比(VSWR)为1.5:1;一次弯折的最小弯曲半径为1英寸(2.54厘米);连接器由镀金铍铜制成,且配有钝化不锈钢联结螺母;有6英寸(15厘米)和12英寸(30厘米)两种长度可供选择。


1. 用于VNA及半导体探针测试的PE3TC1220系列110GHz测试电缆组件

在上述频率下,谨慎对待电缆及连接器的重要性无论如何强调,都不过分。器件尺寸与波长相关,用于毫米波频率的电缆(和连接器)尺寸极小。从外形尺寸的角度来看,这一点非常受欢迎,然而对于材料、制造及性能等所有其他方面而言,其反而造成了困扰。此类小尺寸器件要求所有使用者必须付出十二分的细心,即使是微小的灰尘、几乎无法察觉的划痕或其他损伤,都将有损其测量精度。

例如,60GHz的全波长约为5mm,该频率的半波长天线的测量精度约为2.5mm,使用2.92~1.0mm大小的毫米波连接器。此外,人们已开发出针对110GHz以上频率的0.8mm连接器。与此类连接器相比,HF~UHF频率所使用的连接器可谓巨大——100MHz的全波长为3m,1GHz的全波长为30cm。

由于损耗为毫米波频率的一个重要考虑因素,因此被测设备(DUT)与测量仪器及传输链中的所有其他部件之间的连接所使用的互连器件越少越好。通过这种方式,不但可以降低插入损耗,还能减少存在断连风险的连接点的数量,简化测试装置,以及限制灰尘的进入路径。

配接过程虽然基本但却至关重要

在将毫米波电缆或连接器与对应电缆或连接器配接时,一旦偏离正确的对准位置,则很容易造成电缆或连接器中心导体和介电层的损坏。两个待配接的连接器之间的对准位置即使发生微小偏差,也可能造成不良影响。正确的做法是,牢牢抓住连接器,使其不发生转动,从而防止对触点的表面处理层和镀层造成损伤,或向电缆组件传递扭矩。一旦连接器弄脏,疑似损坏,针脚不齐,过度扭转损坏,或联结螺母的螺纹损坏时,便无法继续使用。

虽然很少有工程师会承认,但联结螺母的固定并不总使用扭矩扳手,而且在某些敏感的测试测量环境中,有时甚至避免使用扭矩扳手。这是因为,新手和老手都希望锻炼出判断连接器何时已旋转到位的“手感”。然而,一旦连接器被过度扭转,则该连接器将会将其自己本身的误差传递给相应的连接器以及任何其他与其配接的连接器,从而使测量结果产生“整体系列误差”。

毫米波连接器所使用的扭矩扳手是一种精密工具。此间一例为美国Pasternack公司的PE5019-16折弯式扭矩扳手,该扳手用于1.0mm连接器。由于其预设至4英寸磅(0.45牛顿米),因此可防止施加过量的配接力(图2)。折弯式的优点在于,当达到预设扭矩时,折弯点将发生弯折,从而防止进一步的施力。该扳手的精度为±0.15英寸磅(0.017牛顿米),六角尺寸为6毫米。


2. 用于1.0mm连接器的PE5019-16扭矩扳手为一种折弯式扳手,可消除连接器发生过度扭转的可能性。

每种电缆组件均具有一个最大弯曲半径,一旦超出该弯曲半径,则首先会使得测量结果不准确,并最终使该电缆组件损坏。虽然在某些情况下,较大程度的弯曲可能似乎无可避免,但是由于一旦发生错误,便可导致整条毫米波电缆被损坏的恶果,因此即使在这种情况下,还是应该尽量避免。也就是说,无论什么情况下,都应该避免将电缆弯曲至最大弯曲半径。

除此之外,还应该避免电缆的扭曲,这是因为扭曲有可能同时导致电缆的损坏及组件完整性的破坏,有时还可能造成连接器的损坏。当发现电缆护套出现皱纹或其他应力迹象时,则说明电缆已发生严重的扭曲或已超出其弯曲半径额定值。

清洁度尤为重要

在毫米波部件等具有严格公差的情形下,所有接口必须保持洁净。虽然看起来有点极端,但显微镜检查不失为一种好的做法。清洁过程十分简单:找一块不起毛的布料(推荐聚酯布料);使用异丙醇将其打湿;利用打湿后的布料轻轻擦拭部件,使其清洁。此外,也可使用过滤后的压缩空气或氮气。但是,其中需要注意的是,加压罐经常加有用于深化渗透的氯化溶剂,其可能造成得不偿失的后果。

在上述清洁过程完成后,可使用放大镜进行表面检查。当需要确保去除所有金属颗粒或其他物质时,也可反复实施该检查过程。虽然放大镜随手可得,但其在接口检查方面效果可谓事半功倍。可能存在的电缆缺陷包括针脚弯曲,针脚缺失,介质层损坏,螺纹磨损或损坏,以及其他目视可见的损坏。一旦发现任何此类缺陷,必须更换电缆。

总体而言,航空领域中测量系统所用的电缆遭受的不正当使用最为严重。这是因为,该领域中只有部分测量人员了解电缆的正确对待方法,而其他人员并无这方面的意识。在该领域中,粗暴对待电缆的事例比比皆是,例如:通过电缆拖拽移动测量台;将电缆垫在其他物体下面;手捏、挤压、踩踏电缆;将电缆在锋利的边缘上拉拽;经常将电缆弯曲至超出其最大弯曲半径。

虽然上述情形难以根除,但是任何负责测量系统维护的人员都应该至少尽力确保所有投入使用的电缆均为未损坏的电缆。此外,在户外测量环境中,还应为电缆创造“水滴回路”。这是因为水滴可沿电缆流入连接器,从而最终使得电缆性能发生插入损耗增大等变化。

在航空条件下,电缆组件所处环境因油剂及其他液体以及气体的存在而较为恶劣。电缆不宜直接暴露于此类环境,但可能也仅电缆使用者才有这方面的意识。虽然测试测量应用中的电缆具有耐用设计,但并不一定具有能在所有恶劣环境中暴露的承受力。

微波电缆护套可采用各种材料,每种材料在恶劣环境下都有其自身的优缺点。例如,聚氨酯可抗溶剂、紫外线、辐射及真菌,但是不能抵抗清洁用化学品。氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基(PFA)及聚四氟乙烯(PTFE)等含氟聚合物非常适用于上述环境——其可承受高温以及在化学品、酸及侵入性溶剂中的暴露,并且为非易燃性物质。

湿气可使电缆外导体或屏蔽层氧化,从而使电缆损耗随时间的推移而增大,因此所有类型电缆都将湿气视为一种威胁。在射频功率下,介质层吸收的水分可被加热升温。水或水蒸气可通过以下几处进入电缆:护套材料内的孔(包括极微小的孔);电缆与连接器的连接点;连接器与对应连接器的配接点。

在电缆与连接器及连接器与连接器之间的接口处,可设置防水套管。即使如此,水蒸气仍可能经电缆护套中只有在光照良好的条件下通过放大镜才能观察到的微小磨损孔洞进入电缆。因此,定期花费一定时间对护套状况进行检查是一项必要之举,否则随着时间的推移,破损后的电缆将会发生性能下降或最终失效。此外,毋庸置疑的是,在船载或沿海环境中,当镀层损坏后,进入电缆的盐雾可使得电缆内、连接器部件上或连接器部件内的金属发生腐蚀。

结论

毫米波波长下的运行是一项难题,这就是为什么毫米波波段的开发仅只针对少数几种具有合适特性的用途的原因,而且这些用途鲜少涉及通信领域。

然而,随着蜂窝通信行业逐渐扩展至几乎所有可用带宽,上述情形将在未来十年内发生变化。这一发展势头连同防务领域的发展意味着,设计师必须采取比以往任何时候都要严格的预防措施,以确保其电缆组件不但能够实现目标性能,而且还能实现长期的无故障使用寿命。


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