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同轴电缆组件随毫米波应用的兴起而变化
材料来源:《微波杂志》2018年5/6月号           录入时间:2018/5/28 9:24:48

同轴电缆组件随毫米波应用的兴起而变化

Coaxial Cable Assemblies Adapt to Emerging mmWave Applications

Dan Birch,Pasternack公司,美国加州Irvine市

过去数年中,毫米波频率一直用于小众化的军事、航空航天、卫星通信及科学研究。然而,随着工作于数十至数百GHz的新兴5G60GHz Wi-Fi、汽车雷达和高速数据应用越来越普及,这一现象已经发生改变。应用的多样性以及人们对更高频率测试系统的需求将同轴电缆组件的性能推升至新的高度。测试电缆的这些性能参数已超出实验室水平,并用于实现专门针对新应用的功能。从针对原始实验室条件的极严格公差要求到针对自动化测试设备的牢固可靠性要求,工作于毫米波频段的下一代精密同轴测试电缆面对着各种各样的“硬性”性能要求。

近年来,人们对6GHz以上射频频谱的使用有所增加(图1)。在此之前,毫米波频率的典型用途为军事、航空航天、卫星通信、气象及科学研究。这些用途通常使用波导互连器件,并且在必要时可支持高成本的小型化定制毫米波同轴电缆和连接器。如今,精密毫米波同轴组件广受各种市场和用途的青睐。当中的一些新型市场包括光子及毫米波集成电路、5G电信、60GHz Wi-Fi、汽车雷达、高速数据、军事雷达及毫米波成像。多种上述新用途,尤其是5G和卫星通信天线阵列的测试和运行需要大量的同轴组件,而且某些应用所要求的同轴组件工作条件对于通常指定为实验室设备的连接器件而言为极端条件。最新的需求正在逐步改变毫米波同轴电缆组件的性能和功能要求。

1:毫米波应用从近距离通信和高吞吐量设备间通信扩展至“最后一公里”家庭宽带互联网。来源:改编自dailywireless.org

新兴应用

5G60GHz Wi-Fi

一直以来,移动无线用户的数据消费量都在持续迅猛增加。最新一代的无线标准旨在满足人们对吞吐量、低延迟、大量连接以及适应新需求的灵活性的日益增长的需求。下一代无线通信的频率必将超出于现今已高度拥塞的6GHz以下频段之外,这使得美国联邦通信委员会(FCC)及其他政府为5G及60GHz Wi-Fi(IEEE 802.11ad)以及其他新兴应用留出大量的毫米波频谱。FCC定义的现有频段覆盖27.5~28.35、37~38.6、38.6~40及64~71GHz内的11GHz的频谱1。如果为毫米波通信网络的开发开放频谱,则可实现高吞吐量的设备到设备及基站到设备连接,甚至“最后一公里”家庭服务等。

在毫米波频谱中运行意味着消费者、工业、军事、航空航天及卫星通信技术将遭受更多的电磁干扰,其中,部分此类干扰是无意的,但是也有部分干扰可能是故意造成的恶意干扰。为了使设计的5G网络和60GHz Wi-Fi系统能够满足即将制定的标准所要求的严格公差,制造商、系统设计人员以及技术人员需要使用比现有电缆和连接器具有更多功能且更易获得的经济高效的精密毫米波同轴电缆和连接器。

汽车雷达及无线通信

未来的联网自动驾驶汽车将配备各种通信功能和传感器。其中最为重要的一项应用为用于车辆检测、驾驶控制及障碍物规避的雷达(图2)。汽车雷达所使用的所有频段均位于24GHz、77GHz及79GHz的毫米波频谱。对于制造商而言,雷达组件本身可能并不需要太多的毫米波同轴电缆和连接器,然而此类系统的设计、测试、安装及维护需要计量级的同轴电缆和连接器。

2:未来汽车将具有在毫米波频率上运行的汽车雷达系统。来源:Robert Heath 2

下一代汽车还将配备作为独立功能或将用户设备增强为5G热点的无线通信功能。5G机器间(M2M)通信将可能实现更强的自动车辆协调能力及车辆与道路通信设施(V2I)的通信。所有这些应用都需要在其模块内设置毫米波同轴电缆及连接器,以促进模块间的通信。

毫米波集成电路

上述应用及其他卫星通信、航空航天及军事应用均需要采用在毫米波频率上运行的MMIC。这些MMIC及其所在的复杂模块必须经过严格的测试、校准和验证之后才能用于关键性应用。这些应用当中的某一些(如毫米波成像、雷达及芯片间通信)可能在100GHz以上的频段具有良好的工作性能,且要求采用1mm或更小的同轴连接器。现有的0.8mm同轴电缆的最高工作频率为145GHz。

工作频率为数十GHz的测试系统可产生数百GHz的谐波。为了对功率放大器、接收机、收发器、混频器及调制设备进行测试,需要在基本频率的多种倍数下进行毫米波测试,才能实现性能表征。因此,未来所需的同轴电缆组件的工作频率可能远高于现有同轴电缆组件的工作频率。

自动测试

为了维持较低的成本,许多毫米波器件将在测试设备中使用自动测试,这些测试设备需要使用可靠耐用且性能一致的高性能互连器件。用于测量测试用途的传统毫米波同轴电缆和连接器一直以来均为精密电缆,然而这些电缆不但没有特殊的耐用性,而且在应力和应变条件下的性能也欠佳。自动测试系统通常会经受振动、冲击、反复弯曲及多次配接/断开,多数毫米波连接器无法承受这些条件而且在这些条件下无法保持一致的工作性能和校准性能。因此,高耐用性计量级同轴组件的需求量将获得极大增长,而且其价格和供货量也将使得其比现有产品更易获得。

高速数据

毫无疑问,为了满足新应用的需求和实现系统间通信,军事、政府和通信系统正在逐渐增大其数据传输速度。目前,高速互联网流量正在经历从40G向100G以太网的跃升,与此同时,400G和800G也正处于实验和验证阶段。促使通信信道发生这一吞吐能力剧增的原因在于人们对以更低的成本更快地发送更多数据的需求(图3)。

3:思科预测,2021年全球数据中心流量将超出20泽字节/3

此外,为了实现相控阵改善、大规模MIMO、复杂波束赋形、调制功能升级以及低截获概率雷达,传统纯射频系统还正在逐步增大其数字一体化程度。全数字波束赋形、软件定义无线电(SDR)及认知无线电等结构不但要求子系统和模块之间具有快得多的数字通信速度,而且还要满足可靠性和精度方面的军事标准。虽然光纤技术广泛用于以太网,但其在小量生产、设计/原型测试、安装和维护等方面也有一定程度的应用,这些应用需要使用毫米波同轴组件。

毫米波同轴电缆及连接器的供货

上述新兴应用要求本行业在不牺牲性能的同时以更低的成本提供远高于历史供货量的同轴电缆和连接器。为了缩短设计周期以及赢得具有竞争性的上市时间,必须缩短毫米波同轴电缆和连接器采购中的前置时间。毫米波同轴组件一直以来均为小众产品,许多制造商目前可能并不具有太大的存货量,但是鉴于其市场即将大幅增长,对于用户而言,毫米波同轴组件的快速供应将是一项非常具有吸引力的服务。

毫米波领域的考量因素

毫米波同轴电缆及连接器之所以比低频同轴系统更加昂贵且性能有所不同的原因在于其物理、结构和材料特性。以下的多个与频率相关的现象造成了此类限制:电导率和趋肤效应;同轴传输线的横向电磁模(TEM);介电常数;传播速度;及波长。同轴传输线的导体导电率及介电损耗随频率的变化体现为电阻性损耗(如插入损耗)与沿该传输线传播的信号频率之间的关系(图4)。

4:随着频率的增高,同轴传输线的衰减因导体电阻及介电损耗的增大而增大。图中示例为RG-8/URG-213/U 4

由于趋肤深度随频率的增大而减小,因此毫米波频率下的趋肤深度小于6GHz以下频率的损耗。在毫米波频率下,沿传输线传播的电磁能量分布于离导体表面1μm以内的范围内。举例而言,铜在6GHz下的趋肤深度为0.842μm,在60GHz下的趋肤深度为0.266μm 5,6。由于趋肤深度为电阻率、磁导率和频率的函数,因此金、银和铝等电阻率较高且磁导率较低的材料可更好地传输毫米波信号。由于这些材料为毫米波同轴组件的优选材料,因此此类组件的成本更高且制造和维修过程更加复杂。

此外,趋肤效应和TEM传输使得导体表面状况和传输线内的电介质分布成为高频条件下的重要因素。材料及表面一致性越差,损耗和反射/电压驻波比(VSWR)就越大(图5)。对于将经受反复移动、弯曲、振动、冲击和其他形式的应力的测试电缆和连接器而言,所用的材料和制造方法必须能够避免退化导致的性能大幅变化。

5:与平滑表面相比,不均匀的导体表面导致表面电导率的增大。

为了实现所需的同轴性能,毫米波同轴传输线的内层导体、外层导体及电介质层的尺寸和公差远远小于低频同轴传输线。更小的同轴尺寸意味着更小的导体表面积、更大的电阻性损耗以及负载条件下的热量累积。因此,毫米波同轴电缆的功率处理能力及峰值射频电压一般要小得多,从而限制了其可用长度。此外,导体和电介质性能取决于温度、湿度和其他环境因素,这进一步限制了毫米波同轴组件可采用的材料和制造技术。

由于毫米波连接器的公差极小,因此对于涉及大样本的毫米波测试而言,连接重复性是一项考量因素。在毫米波频率下,2.92mm、1.85mm、1mm和0.8mm同轴连接器的中心触针直径小于1mm。如此小的尺寸自不用说使得此类连接器比大尺寸连接器更为脆弱,此外其还使得这些连接器的性能更易在污染物、油脂及磨损的影响下发生变化。此外,由于即使小的机械变化也可能导致电气响应发生显著改变,因此为了保持相位稳定性,此类电缆和连接器的处理过程中必须多加小心。在这些因素的作用下,毫米波系统的现场测试和故障排除变得极为困难,并使得技术人员无法采用针对实验室用途设计的同轴电缆组件。

新功能

新兴毫米波应用及其伴随的同轴电缆方面的考量催生出下一代同轴组件的设计和制造当中的创新。部分此类创新涉及对卫星通信、航空航天及军事领域中的同轴电缆制造方法和技术的使用。此外,其他改进包括提高易用性,延长使用寿命,以及实现更为标准的解决方案,而非采用昂贵的定制设计。

举例而言,精密毫米波连接器的常用金属包括钝化不锈钢及镀有镍和金的铍铜,其中,先镀镍后镀金。铍铜可实现不同温度下的尺寸稳定性,镍层为实现镀金的必要镀层,表面的镀金层可在实现高表面质量及高导电性的同时,提供优于铜、铝或银的抗腐蚀性能。钝化不锈钢制连接螺母和外连接体可构成在配接/断开次数及耐腐蚀性方面具有更高性能的耐用连接器(图6)。

6:采用军用级制造和铠装技术的新型高性能毫米波同轴电缆组件可在下至实验室上至现场的各种使用情形中确保可靠性能。

用于毫米波矢量网络分析仪(VNA)测试电缆的电缆铠装技术为改造自军事和航空航天领域的一项新技术。工作频率设计为110GHz的同轴测试电缆的直径大约为0.25英寸(6.35毫米),且具有极薄的导体和电介质层。由于此类电缆的同轴结构即使在小心搬拿及实验室条件下也可能轻易损坏,因此需要通过电缆铠装提高其耐用性。现有铠装方法包括:额外金属箔层加编织金属层;以及由Nomex®等耐用合成材料、防压扁构件、外部加固金属保护层以及附加内护套构成的轻量铠装。虽然这些电缆保护方法增加了同轴电缆组件的尺寸和重量,但是其在提高电缆刚性的同时,还能保持其柔性。当刚性和半刚性同轴电缆与最终应用的确切尺寸不符,而且无法在不损坏电缆的情况下改变其尺寸时,可使用铠装柔性同轴组件,这些组件不但可承受反复弯折,而且其相位和振幅稳定性通常优于不带铠装的同轴组件。

与其他柔性同轴组件设计相比,上述设计技术不但可以提高毫米波同轴电缆组件的性能,而且可以延长其使用寿命。然而,其缺点在于提高了电缆组件的成本,而且其制造通常需要更长的前置期。随着毫米波同轴电缆和连接器的使用方式为了满足新兴趋势和应用的需求而发生改变,同轴组件的供货方式也需要做出相应变化。

结语

军事、航空航天及卫星通信技术以及新市场中产生的新兴应用正在逐步改变毫米波同轴电缆和连接器的设计、供货及使用方式。除了精密矢量网络分析仪测试、航空航天通信及雷达领域之外,毫米波同轴电缆组件如今还用于商业电信及汽车领域。与以往相比,同轴电缆制造商近年来在满足此类新需求及通过与供应商合作提供更加快速及更加无缝的解决方案方面已获得了长足的进步。随着5G、汽车雷达、毫米波MMIC、自动测试及高速数据市场的不断增长,人们对于成本更低、前置时间更短且性能更高的同轴电缆和连接器的需求也将越来越高。

参考文献

 

  1. “FCC Online Table of Frequency Allocations,” www.fcc.gov/oet/spectrum/table/fcctable.pdf.
  2. R. W. Heath, Jr., “Vehicular Millimeter Wave Communications: Opportunities and Challenges,” www.slideshare.net/ctrutaustin/heath-45522468.
  3. “Cisco Global Cloud Index: Forecast and Methodology, 2016–2021 White Paper,” www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/global-cloud-index-gci/white-paper-c11-738085.html.
  4. S. J. Orfanidis, “Chapter 11: Transmission Lines,” Electromagnetic Waves and Antennaswww.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/ch11.pdf.
  5. B. C. Wadell, “Transmission Line Design Handbook,” Artech House, 1991, Table 9.3.2, p. 446.
  6. “CRC Handbook of Chemistry and Physics,” 1st Student Edition, 1998, p F-88.

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