一種穩幅穩相鎧裝測試電纜組件的研發

丁 晟，宋德柱

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

近年來隨著通信和微波領域的快速發展，測試電纜廣泛應用于通信測試、實驗室測試、工業測試、儀器設備配套、軍事以及航天領域。大量的微波和射頻應用場景都需要穩定可靠且耐用的測試電纜組件來滿足使用要求。國內測試電纜良莠不齊，測試精度不夠，可重復性差，抗彎曲能力差，長期可靠性差，基本上處于中低端測試領域，高端和高可靠性市場長期由國外廠家把持。根據公司詳細的市場和技術調查，各大軍工單位迫切需要優質且耐用的國產測試電纜組件。因此，一款能夠經受真實環境考驗、性能穩定、持久耐用的穩幅穩相鎧裝測試電纜組件應運而生。

2 產品研制

2.1 產品組成

穩幅穩相鎧裝測試電纜組件由測試級連接器和穩幅穩相內鎧裝微波測試電纜兩大部分組成。

2.2 產品功能及技術特點

1) 電氣性能穩定，確保一致、可重復的測試結果，相位變化≤2°，插損變化±0.1dB；

2)使用頻率高達40GHz,電氣性能優越；

3)鎧裝電纜結構，具有堅固、耐壓、耐扭和耐彎曲等特點；

4)彎曲、抖動、溫度變化下的幅相穩定性。

2.3 主要技術指標

表1 主要技術指標

2.4 結構設計

2.4.1 產品結構

穩幅穩相鎧裝測試電纜組件由兩個2.92mm系列射頻同軸連接器以及鎧甲電纜組成。2.92mm連接器界面可兼容SMA、3.5mm連接器，相比后兩種連接器，2.92mm連接器外導體壁厚是SMA連接器的3.36倍，而插孔中心導體壁厚與SMA連接器相同。因此2.92mm連接器對相互插合時，外導體可承受更高的耐力矩，由于插孔壁厚減薄，插針與插孔之間相互磨損降低很多；而鎧甲電纜相對普通無鎧甲電纜增加了不銹鋼合金絲做抗壓層，可以有效緩解內部張力，增強彎曲耐用性，本次采用的鎧甲電纜相對普通電纜內部增加了穩定膠層，確保電纜組件的機械相位穩定性以及機械幅度穩定性，產品結構見圖1。

圖1 穩幅穩相鎧裝測試電纜組件結構示意圖

2.4.2 電纜對比與選擇

穩幅穩相鎧裝測試電纜組件國外的結構一般由中心導體、絕緣支撐、電氣屏蔽、內編織層、內護套、抗壓保護層、耐扭轉編織層、外扎帶和編織護套等九層組成。國內的結構一般由中心導體、電氣絕緣、電氣屏蔽、絕緣穩定層、內編織層、內護套、抗壓保護層、耐扭轉編織層、穩定膠層和編織護套等十層組成，國外電纜與國內電纜結構對比示意圖見圖2，左邊是國外電纜結構示意圖。國內電纜在電氣屏蔽層和內護套之間增加了一個絕緣穩定層，消除電氣屏蔽層疊層對相位變化的影響，大幅提高彎曲情況下相位的穩定性。

根據本項目要求，選擇40GHz紫色鎧甲測試電纜進行研制。

圖2 國外電纜與國內電纜結構對比示意圖

2.4.3 連接器設計

微波/射頻電纜組件都會出現阻抗不連續性，通常會被分為三類：接頭的線性傳輸，線纜的周期性不連續和線纜內部的偶發性不連續。在使用高品質電纜的情況下，連接器的性能將會是影響短電纜組件駐波比的主要因素。根據設計要求建立模型如圖6，通過設置仿真變量，對補償段進行優化仿真，優化仿真結果見圖7。全頻段范圍內，駐波比小于1.2。

圖6 仿真分析模型

圖7 優化仿真結果

3 實物試驗

產品設計完成后，對各零件進行精密加工和電鍍后，嚴格按照工藝總方案和工藝文件對測試電纜進行裝配，完成組裝后產品如圖8所示。為驗證產品性能，按照詳細規范規定的試驗項目對產品進行全性能試驗，結論合格。為驗證產品可靠性，增加了抖動、彎曲、相位溫度穩定性和長期可靠性等試驗項目；為提供純凈的電磁測試環境，減小測試電纜對環境和測試器件性能的影響，增加了屏蔽效率試驗。

圖8 產品實物圖

3.1 抖動試驗

抖動考核的是測試電纜組件在抖動時，電纜組件的相位、插損、駐波的穩定性能，見圖9。抖動的頻率為頻率1s抖動一次，連續抖動5次，幅度50mm。可以看出，測試電纜組件在抖動時，相位浮動在2°以內，插損浮動在±0.05dB以內，性能相對穩定。試驗結果見圖10。

圖9 抖動試驗圖

圖10 抖動試驗下相位和插損穩定性

3.2 彎曲試驗

彎曲試驗是為考核測試電纜組件按最小彎曲半徑彎曲得情況下，電纜組件的相位及插損的穩定性。根據詳細規范規定，本產品需在最小彎曲半徑為38mm的圓環彎曲下仍能保證信號微波參數的穩定性。使用芯軸法，對產品進行彎曲試驗，具體見圖11，圖12為彎曲試驗下相位和插損的試驗結果。

圖11 產品彎曲試驗示意圖

圖12 彎曲試驗下相位和插損穩定性

由圖12中可以看出我司產品在40GHz內的相位浮動在2°以內，插損浮動在±0.05dB以內，說明測試線纜性能十分穩定。

3.3 相位溫度穩定性試驗

本試驗主要考核測試電纜組件的相位溫度穩定性，為客戶在溫度變化的場合提供準確數據。具體試驗方法見GJB1215。

本產品具體數據見表4，繪制相位溫度曲線見圖16。

圖16 相位溫度曲線

從上述試驗結果來看，測試電纜組件的相位溫度穩定性在全溫范圍內小于650PPM，大大優化國內同類電纜，接近業內標桿GORE?PHASEFLEX?微波/射頻測試組件。

表4 相位溫度穩定性試驗數據表

3.3 屏蔽效率

為準確測試電纜組件的屏蔽效率，采用三同軸法。三同軸法是一種經典測量轉移阻抗的方法，它把被測試線纜置于同軸的無鐵磁性的良導體管內，構成三同軸(同軸電纜內導體、同軸電纜外導體和同軸的良導體管)裝置。其裝置由互易原理分為兩種:一種由同軸電纜注入信號，在同軸套管遠端取出耦合信號；另一種由同軸套管注入信號，在同軸電纜遠端取出耦合信號。如圖19所示。三同軸法的優點有：被測件樣本準備簡單快捷、高達125 dB的測試靈敏度、測試過程無電磁輻射、頻率范圍從10 kHz 到高達20GHz和測試重復性好等。測試結果為-110dB，完全滿足使用要求。

圖19 三同軸法測試框圖

圖20 屏蔽效率測試結果

4 結論

本文介紹了一種穩幅穩相鎧裝測試電纜組件，其內層提供優異的電氣性能，外層提供機械保護，可確保測試組件能夠支持系統的整個有效使用期，減少電纜更換。該電纜組件能承受抖動、彎曲、耐壓以及暴露在惡劣環境中的影響，還能在需要精準、可重復測量的測試中具有非常好的損耗穩定性、相位穩定性，和優異的電氣性能，確保優異的信號完整性。該產品的研究成功，為微波測試領域提供了耐用、可靠性高和成本相位低的穩幅穩相鎧裝測試電纜組件，大大降低了系統的測試成本。