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极富挑战的110GHz同轴电缆组件的设计
材料来源:《微波杂志》2018年5/6月号           录入时间:2018/6/1 16:41:05

极富挑战的110GHz同轴电缆组件的设计

Challenges Designing 110 GHz Coax Cable Assemblies

Daniel Barnett, Teledyne Storm Microwave, Woodridge, Ill.

波导的工作频率提升到110GHz已有一段时间了,随着工作于毫米波的商用产品的不断出现,如微波回传和车载雷达等,相应地创造了各种不同柔性电缆的需求,无论是应用于波导之间的混合连接(波导-电缆-波导),或者独立使用(如矢量网络分析仪的测试线或两个模块之间的连接线),总之,工作于110GHz频段的柔性电缆组件的需求正在不断增长之中。

本文着重讨论开发高性能110GHz电缆组件时的难点和相关的论断,包括:1)电缆,2)连接器,3)测试,4)准备工作和相关资源。所有的这些都是高度关联和相互依赖的,因此在开发过程中发现的任何一个问题,其起因都是科学理论和实际经验的综合所致。

电缆

根据设计要求,选择外径为1.4mm带外套的柔性电缆,在业内这是一个标准的适用于工作频率上限为110GHz (W-Band)的电缆,另外还有一些外径尺寸更小的电缆也可工作于该频段,但是,外径为1.4mm的电缆,其可适配的射频连接器更多,包括1mm、SMPS以及MM4S、G3PO和G4PO的变种。

电缆的构造形式有多种方案可选择,也面临不同材料的挑战。究竟怎么选,主要依据设计者看重的是哪方面的特性,是插损重要还是电缆强度重要,通常不可能两者兼顾。如果插损是优先考虑的,那么就需要使用多微孔的PTFE绝缘介质,其结果是它在日常使用中容易受损;如果要求电缆坚固不易损坏,那么可选择耐挤压的PTFE绝缘介质,但是它的插损性能会变差。经过综合考虑,电缆强度更重要一些,因为产品的目标市场是测试测量,经常需要搬运、快节奏操作,而操作人员也习惯于使用更坚固的电缆组件,略微高一点点的插损,可以通过选择长度更短的电缆来得到一些弥补。

下一个设计选项是工作频率范围:电缆的工作频率要求是全频段的,还是严格限制于E频段(60 to 90 GHz)或W频段(75 to 110 GHz)?如果不能确定新的E频段和W频段应用会不会工作于更低的频率范围,那就只能选择全频段的电缆。

即使电缆的材料和电缆的结构都可以完美地工作于V频段及以下频段(如≤70GHz),但是,在V频段之上,有时偶尔也会出现非线性响应,一旦这种情况发生,必须通过一系列诊断措施,筛查各种潜在的可能性,发现问题之所在。例如工厂的压缩空气以及电力设施,都可能在生产过程中引起偶发性的异常状况。因导线长度不对导致的非线性电子响应可能是由于所使用的材料或者设备引起的。另外,设计使用的介质不良或导线折叠也会产生规律性的问题而影响产品的电气性能。供应商擅自改变使用的材料是非常令人沮丧的行为,它对产品性能会产生严重影响却不易被发现:如果一个批次合格的原材料后,随之而来的几个批次是有瑕疵的材料,这就使得故障的诊断需要有敏锐的直觉判断能力,而不仅仅是依靠科学的方法。

即使已经找到由于电缆设计和电缆结构而产生异常的原因,并且得到解决,还要面对测试设备的问题。这是一个类似“先有蛋还是先有鸡”的难题,测试设备总是存在一些可以挑剔的地方,比如测试线是不是完好的?几个小时以前用得好好的测试设备是不是需要重新校准?前面人用这台矢量网络分析仪是测试Ka频段的产品,而你现在要用来测试W频段的产品,恢复过来的校准是不是依然有效?当电缆产品性能出现异常时,一直以来所使用的诊断故障的方法是不是唯一的选项?

连接器

按照设计要求选择好了相应的电缆之后,也就缩小了相关连接器的选择范围,有利于确定选用什么样的连接器。那就是说,要么选用公司内部已有的连接器,要么选用由外部供应商提供的标准连接器,或两者结合使用。由于目前这仍然是一个小规模的、正在开发的市场,最好的办法是与所有合适的连接器供应商共同合作以获得更多的选项。

为了避免因零件的累积误差而产生的相互干扰,必须确定每一个零件的尺寸和公差是合适的,这也就是为什么大家都认为这个频段的产品开发工作比较困难的原因。零件尺寸主要取决于:电缆线的绝缘介质的材质和结构,110GHz频率的波长范围为2.10-2.55mm,连接器中心针参考面的公差是 0.051mm。那些在Ka频段无关紧要的东西,在这里就是成功和失败的关键了。

你是仅仅想做一个国内供应商还是追求成为一个全球供应商?如果想成为一个全球供应商,那么所有的材料必须满足RoHS的要求,这是一个限制使用有毒有害物质的欧盟指令。因为大多数的客户都有这个要求,所以在存货清单中维护两种不同版本的产品,既没有成本优势也没有必要。在生产中使用符合RoHS要求的焊料和生产工艺,需要更高层次的装配能力和技巧。在连接器的装配过程中,热量会通过连接器的壳体和卡圈传递,如果温度过高可致使绝缘体产生变形。如果连接器是盲插式的设计,那么其插入的中心针的长度会影响连接器的响应曲线。另外,实时X-射线频谱分析仪也是十分昂贵的。

每当公司内部开始设计连接器或检测外购自可信任供应商的连接器的时候,都会遇到一些共同的问题。首先,把来自如CST、HFSS或自己公司的仿真软件的数据作为设计的经验数据,由此设定的电缆或者连接器往往不能完美地与对应模型相匹配,需要把得到的数据再输入仿真软件进行模拟,经过多次反复验证来改进连接器的设计。无论是凭借自身的连接器设计经验还是依靠外部供应商的合作,零件(如卡圈或绝缘垫圈等)的精密加工能力都是非常重要的,它能显著地缩短连接器的设计时间,如图1所示。

1:初次设计的连接器测试曲线(a)及经过调整去除波峰后的测试曲线(b

使用不同的测试设备(如矢量网分及对应的转接器)测得的各种参数如插损、VSWR及回损的测试曲线也会有所差别。由于测试校准件新旧程度不同,测试转接器的新旧程度及状况不同,以及矢量网络分析仪初始设定的不同,同样的连接器,你测得的数据和你的客户或你的供应商测得的数据肯定是有差别的。所以,很重要的一点是,要善于倾听客户的意见,仔细分析客户的反馈,提供测试样品并重复验证每一个问题,这些都是学习提高的机会。

图1展示了一个采用迭代设计方法和内部精密加工设备实施连接器设计的实例。在设计初期,很明显可以看出,从电缆到连接器的转接中存在着阻抗失衡的问题,它严重影响产品的性能。可通过网络分析仪的时域反射测量功能对其进行测量,而最有效的改进方案是调整其中一个零件的尺寸,调整阶梯为0.025或0.051mm。如果现场有精密加工设备,操作起来就相当方便:制造两个不同尺寸的零件即可。图1a是改进前的,图2a是改进后的。针对同一个尺寸加工两个尺寸相差0.025mm的零件,使微调过程变得相当容易。从图1a可以看到,使用最初版本的设计,其感抗的峰值为54Ω,而使用经过细微调整的零件后,其感抗的峰值降低到52Ω附近,如图1b所示。同时其它相应指标也有所提高,虽然不是很明显,连接器的容抗也下降了0.5Ω。这就是一个典型的设计调整过程的例子,随着改进的变化,确定哪个需要妥协,哪个保持不变。通常使连接器的某一部分固定不变,改变对应的另一部分,根据其反应,采取一系列这种方案,从而实现设计的改进。

即使以上所有解决问题的方法应用于1mm螺纹连接器的开发和测试都是适合的,但是,当应用于快插式(push-on)连接器(如SMPS及其变异连接器)的时候还是有额外风险的。这些连接器理论上可以达到100GHz的工作频率,但是大多数供应商并没有能力做这个频段的测试,因为他们没有相应的测试设备。由于这是一个很小的细分市场,为了这个市场去购买昂贵的110GHz矢量网络分析仪也是得不偿失的。另外,市场上也很难找到合适的1mm到SMPS的测试转接器,即使有这样的转接器,其价格也是非常昂贵的,而且正常情况下需要两个转接器才可以配合使用。还有,市场上应该也找不到可用于这种快插式连接器的校准件。这意味着可利用选通来取得一个接近实际的读数,其数值只能仅作为参考。允许轴向和径向未对准的观念可能导致测量结果无法得到重复验证。

测试

测试工作的第一个障碍是测试所需设备的成本太高,作为商业应用很难获得批准,不是吓唬你们,请看价格:一个可测试高达110GHz频率的矢量网络分析仪超过40万美元,对应的校准件超过3万美元,而单个转接器的价格是1500美元(批量购买略微便宜些)。只要你想开发或生产E频段和W频段电缆组件,这都是绕不过去的坎。

矢量网络分析仪就像人类的大脑,而我们只是利用了大脑约10%的功能,绝大多数时间都是在使用最普通的功能,而大脑的一些特殊功能基本上没有被开发。这就是说,对测试设备的调试和测试人员的应用能力的要求是很苛刻的,它是射频电缆和连接器研发及批量生产能够成功的关键。由于这些仪器设备被应用于各种不同的应用场合及不同的组织机构,如大学实验室、电子产品测试机构等等,所以,像Anritsu(安立)、Keysight(是德科技)或Rohde & Schwarz(罗德与施瓦茨)等测试设备厂家的应用工程师们可能对110GHz同轴电缆组件的一些特性也不熟悉,而你们自己的研发测试技术人员或许能提供解决问题的方法,所以要尽量安排他(她)们去参加VNA厂家的培训,每次不多学,只要学会一小部分知识就行。由于测试设备有太多的功能需要学习,学员也需要时间去消化最初学到的知识,每个单元都需要花时间去学习,然后,做测试,出错,再做测试,一个问题解决了,下一个问题依然会不断地出现。

不同品牌的测试转接器,其性能表现会有些不同,价格的高低通常就预示着其性能的差别,虽说有时也不完全是这样。当经过试用确认某种测试转接器比较适合你们的测试环境时,也不要为了获得一个好价格而买得太多,先买一对试用,观察其性能表现,直至失效。由于测试转接器的价格太贵,所以正确地对连接器界面进行维护和处理是非常必要的,可以通过放大镜检查连接器的界面是否损毁。

这些测试仪器都是敏感设备,它们的性能会受到环境温度变化的影响。在一个温度控制不是非常严格的测试环境中,从上午到下午有0.5°C的变化是非常正常的,但它就会影响设备的测试性能。校准件的使用次数是有限的,如果测试要求非常高,那么就需要经常更换新的校准件。在网络分析仪的信号频率从低到高或从高到低变化的过程中,如果校准件出现非线性反应,这就说明校准件需要更换了。

把一个SMA连接器或2.4mm连接器连接到网络分析仪的测试端时,如果习惯性的用力矩扳手连扳两次,它对提高测试性能没有任何帮助,但却会损毁转接器的螺纹及内部接触件。与螺纹连接器连接时必须使用校准力矩扳手,0.45牛米的力矩虽不算太大,但却比用手指拧更紧些。

找到电缆组件性能不好的根本原因总是比较困难的,尤其是面对新工艺的时候。如果几分钟前还是好好的,现在却出现了问题,究竟是电缆、连接器还是测试设备的性能下降了呢?在这种情况下,统一采纳数月来经过测试和验证的能保证性能稳定的测试标准,是大有裨益的。

准备工作和相关资源

以下这些就是我们称之为毫米波产品的最佳理由:所有的物件都是很小的,公差也是设定得很紧的,设备都是很敏感的,说不定你眨个眼的功夫,绝缘子就找不到了。每个公司为开发毫米波电缆及产品都有自己特定的方法,每个生产工厂都有自己独特的工艺窍门。为了最终得到理想的结果,很重要的一点就是遵循一整套可重复验证的、经得起审核的工艺流程。例如,无论你是用刀片,还是用锯条,或者用激光来切割电缆,也无论你是采取涂焊还是芯焊来连接中心针,只要是行之有效的,符合焊接要求的,遵循生产工艺流程的,并得到工厂生产人员认可的,才是最重要的。

还有另外一种适合生产的模式,就是由电缆生产企业负责开发适合V频段的电缆产品,在一定的时间内完成开发、测试和批量生产。生产适用于E频段和W频段的电缆是完全不同的,从时间上来说,两者不在一个数量级上:从生产准备开始,到电缆的检验,连接器的加载,然后发现问题所在(例如电缆、连接器、负载、测试设备等),或者承认失败,再重新开始以上工作。相对于经常在高频电缆和低频电缆产品之间转换的生产企业来说,一直致力于高频电缆产品生产的企业,完成上述过程可能更容易一些。

总结

比较图1和图2,图1显示的是产品开发早期的连接器性能表现,而图2是产品开发完成后的连接器性能表现,该产品已经可以用于生产。连接器的不连续阻抗在7Ω范围内,感抗和容抗在2Ω范围内,并且在110GHz频率范围内其电缆组件的VSWR均表现良好。

2:成品连接器的TDR响应曲线(a)和VSWR曲线(b

本文只是针对在设计开发110GHz电缆组件的过程中曾经遇到过的一些共性问题进行了初步探讨,而不是讨论深层次的技术和解决问题的方法。它可以给此类电缆组件的用户选择供应商提供帮助,也可以为诊断电缆故障提供一些捷径。文中特别强调其中的原因,为什么110 GHz电缆组件看起来与Ka频段的电缆组件是一样的,其SMPS连接器也与SMPM连接器看起来很相似,但价格却比Ka频段的电缆组件贵3-5倍。

110GHz电缆组件的市场在不断扩大,随着越来越多的商业系统逐渐投入运行,需求也在不断增长中。最初该系统主要应用于车载雷达和微波回传,现在其它的一些通信领域也对其产生了浓厚的兴趣,包括即将进行的卫星发射,如美国的OneWeb和Telesat公司。


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