異構(gòu)射頻同軸轉(zhuǎn)接器相位一致性控制方法研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 前言

過(guò)去設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，一般會(huì)對(duì)電纜組件的相位有一致性要求[1][2]，對(duì)單個(gè)連接器或轉(zhuǎn)接器的相位不做單獨(dú)規(guī)定。一般同樣批次的連接器或轉(zhuǎn)接器產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)和材料相同，尺寸偏差也能夠控制在一定范圍內(nèi)，相位的一致性是能夠保證的。

由于組件間需要轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)接，同時(shí)由于兩端組件相位一致性已經(jīng)修正，為了保證整體系統(tǒng)的相位一致性，因此要求三家供應(yīng)商提供的三款射頻同軸連接器的相位都一致，相位差在±2°以內(nèi)，從而滿足產(chǎn)品互換性的要求。

由于產(chǎn)品外形尺寸已經(jīng)固定，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與參考樣品不一致，造成了相位的不同。因此本文的方案是通過(guò)計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)部的介質(zhì)體的尺寸，通過(guò)仿真驗(yàn)證后再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而解決與參考產(chǎn)品相位不一致的問(wèn)題。

2 問(wèn)題背景

根據(jù)客戶要求，首先對(duì)參考樣品的主要性能進(jìn)行測(cè)量，與我公司的同型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，考慮到不同測(cè)試儀器和夾具可能對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，分別采用18GHz矢量網(wǎng)絡(luò)黃銅測(cè)試夾具和不銹鋼測(cè)試夾具進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3。

表1 18G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(黃銅測(cè)試夾具)測(cè)試結(jié)果

表2 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(黃銅測(cè)試夾具)測(cè)試結(jié)果

表3 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(不銹鋼測(cè)試夾具)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，我公司產(chǎn)品的相位差能夠滿足<±2°的相位一致性要求，目標(biāo)樣品的相位差同樣能滿足要求。但是我公司產(chǎn)品與的樣品對(duì)比，則相位差最大達(dá)到29.80°，這無(wú)法滿足客戶相位差<±2°的要求。因此需要更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以滿足相位要求。

3 理論分析

3.1 相位一致性概念

相位一致性[3]：相位一致性分為絕對(duì)相位一致性和相對(duì)相位一致性，是指組件之間絕對(duì)相位的差值在一個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)。絕對(duì)相位一致性是指兩根或者更多組件的絕對(duì)相位與使用者的要求的絕對(duì)相位在允許的范圍內(nèi)相匹配。相對(duì)相位一致性是指在一組或一批組件中，以其中的一根為基準(zhǔn)，測(cè)其它組件與基準(zhǔn)的相位差必須在一個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)。相對(duì)相位一致性不同于絕對(duì)相位一致性，匹配不在相位的絕對(duì)值上，而僅僅是相互之間的匹配。相對(duì)相位一致性比絕對(duì)相位一致性更容易做到，但相對(duì)相位一致性要求越高，生產(chǎn)成本也越高。

3.2 影響相位的主要因素

(1)

式中，Le是電長(zhǎng)度，d是機(jī)械長(zhǎng)度，f是頻率，ε是絕緣介質(zhì)介電常數(shù)，c是光在真空中的速度。

從上述定義及公式可以看出：電長(zhǎng)度其實(shí)就是傳輸媒介固有的屬性，與所傳輸波的頻率沒(méi)有關(guān)系。對(duì)同種傳輸媒介(即有效介電常數(shù)固定)，取物理長(zhǎng)度相同的兩段介質(zhì)，那么它們的電氣長(zhǎng)度也是相等的，如圖2所示。

理論上，影響相位的因素只有電長(zhǎng)度一個(gè)，影響電氣長(zhǎng)度的因素有機(jī)械長(zhǎng)度，絕緣介電常數(shù)、環(huán)境溫度和電纜彎曲等，在理想的介質(zhì)狀態(tài)及相同的環(huán)境溫度及彎曲條件下若能保證產(chǎn)品的機(jī)械長(zhǎng)度一致就能夠確保一致的電氣長(zhǎng)度，但是產(chǎn)品在制造過(guò)程中存在不可避免的介質(zhì)不均勻性，這種不均勻性既有絕緣材料本身的因素，如含有雜質(zhì)氣孔等，又有電纜介質(zhì)結(jié)構(gòu)、制造工藝等因素。對(duì)于相對(duì)相位一致性和絕對(duì)相位一致性的電纜組件，一般通過(guò)修相位的方式以確保最終成品的相位一致性。

但是，對(duì)于連接器和轉(zhuǎn)接器，由于機(jī)械長(zhǎng)度較短，介質(zhì)體不均勻性等因素對(duì)連接器影響較小，同樣結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品相位一致性較好。但是對(duì)于不同廠家的連接器，由于結(jié)構(gòu)不同，相位也不一致。因此需要采用其他方法修相。

圖2 電長(zhǎng)度示意圖

3.3 樣機(jī)分析

根據(jù)客戶要求，需要我公司提供的產(chǎn)品相位與目標(biāo)樣品相位一致，首先對(duì)我公司現(xiàn)有產(chǎn)品樣機(jī)和目標(biāo)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量分析，以確定我公司產(chǎn)品與樣本的相位的具體差值和產(chǎn)生差值的原因，從而調(diào)整設(shè)計(jì)，滿足顧客需求。

目標(biāo)樣品與我公司產(chǎn)品在外形結(jié)構(gòu)和尺寸上是相似的，主要區(qū)別在于內(nèi)導(dǎo)體和介質(zhì)體，為了了解目標(biāo)樣品的內(nèi)部構(gòu)造，可以拍X光和切片。

圖3 目標(biāo)樣品X光圖

圖4 目標(biāo)樣品切片圖

由圖3樣品X光和圖4樣品切片圖可知，目標(biāo)樣品雙端接頭為四開(kāi)槽設(shè)計(jì)，外導(dǎo)體中間開(kāi)孔，介質(zhì)體分兩段插合在一起，介質(zhì)體通過(guò)臺(tái)階與外導(dǎo)體定位，通過(guò)倒刺固定，內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)臺(tái)階實(shí)現(xiàn)定位，通過(guò)倒刺與介質(zhì)體固定，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。影響相位的主要因素是介質(zhì)體的材料和長(zhǎng)度。根據(jù)測(cè)量得到介質(zhì)體內(nèi)外徑進(jìn)行計(jì)算，目標(biāo)樣品的介質(zhì)體的介電常數(shù)為2.08。因此，材料為聚四氟乙烯。

圖5 目標(biāo)樣品結(jié)構(gòu)示意圖

我公司產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖6所示，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立的仿真模型如圖7所示，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。根據(jù)測(cè)繪的目標(biāo)樣品的結(jié)構(gòu)建立仿真模型，如圖9所示，仿真結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

圖6 我公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖7 我公司產(chǎn)品仿真模型

圖8 我公司產(chǎn)品仿真結(jié)果(相位395.18°)

圖9 目標(biāo)樣品仿真模型

圖10 目標(biāo)樣品仿真結(jié)果(相位427.°3)

根據(jù)以上對(duì)比可知，我公司產(chǎn)品與目標(biāo)樣品外形尺寸相同，主要區(qū)別在于內(nèi)部介質(zhì)體的結(jié)構(gòu)不同，目標(biāo)樣品介質(zhì)體采用為兩段式対插，我公司的產(chǎn)品則采用分段式，介質(zhì)體分為三段，外導(dǎo)體不需要開(kāi)孔，減少了射頻泄露。因此，調(diào)整相位時(shí)，考慮在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上更改。

由式(1)可知，電長(zhǎng)度決定了相位，而電長(zhǎng)度不僅與物理長(zhǎng)度有關(guān)，還與絕緣介質(zhì)介電常數(shù)相關(guān)。由于我公司轉(zhuǎn)接器內(nèi)部介質(zhì)體采用聚四氟乙烯和PEEK(聚醚醚酮)，聚四氟乙烯的介電常數(shù)為2.03，PEEK(聚醚醚酮)的介電常數(shù)3.2(鉆孔后為2),而空氣的介電常數(shù)近似為1。因此，介質(zhì)體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的不同是我公司產(chǎn)品與目標(biāo)樣品相位不一致的關(guān)鍵。

如上所述，在機(jī)械長(zhǎng)度相同的條件下，由式(1)只能更改介電常數(shù)。想要改變介電常數(shù)，一種方式是更換材料，這一方法相對(duì)復(fù)雜。另一種方式是改變介質(zhì)體的長(zhǎng)度，根據(jù)我公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)先考慮改變兩端介質(zhì)體長(zhǎng)度，更改方案如圖11所示。

圖11 更改方案示意圖

3.4 計(jì)算與分析

根據(jù)測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比可知，我公司產(chǎn)品與目標(biāo)樣品的相位差約為30°，根據(jù)表1、表2和表3的測(cè)試結(jié)果，取我公司與目標(biāo)樣品兩次相位差的平均值28.955°進(jìn)行分析，計(jì)算介質(zhì)體長(zhǎng)度的變化量。單位相位度數(shù)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)體的長(zhǎng)度計(jì)算公式：

(4)

介質(zhì)體端面向內(nèi)加長(zhǎng)，相當(dāng)于將空氣置換為聚四氟乙烯。因此，首先計(jì)算單位長(zhǎng)度的空氣介質(zhì)與聚四氟乙烯介質(zhì)的相位差。

由式(4)可得：

(5)

式中，L′表示介質(zhì)體變化的長(zhǎng)度，x是相位度數(shù)。式(5)表示x度數(shù)下，介質(zhì)體長(zhǎng)度的變化量。由此可得：

(6)

分別代入空氣和聚四氟乙烯介質(zhì)的頻率和介電常數(shù)，取L′為1mm，得到單位長(zhǎng)度的空氣介質(zhì)相位為21.606°，單位長(zhǎng)度聚四氟乙烯介質(zhì)的相位為30.775°。則單位長(zhǎng)度空氣介質(zhì)與聚四氟乙烯介質(zhì)的相位差9.169°，進(jìn)行相位修正。

介質(zhì)體總長(zhǎng)度改變3.25mm，則單邊介質(zhì)體長(zhǎng)度變化1.625mm，取1.63mm。介質(zhì)體更改前后的尺寸如圖12。

更改前 更改后圖12 介質(zhì)體更改前后尺寸對(duì)比

4 仿真驗(yàn)證

首先對(duì)上述方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整介質(zhì)體的長(zhǎng)度，修改仿真模型，得到如圖13的仿真模型。仿真得到的結(jié)果如圖14所示。

仿真結(jié)果顯示，更改后的相位與更改前的相位差距在29.77°左右，與計(jì)算結(jié)果差距在0.6°左右，考慮到計(jì)算過(guò)程取了近似值，且介質(zhì)體段的阻抗只是近似50Ω，結(jié)果必然存在一定的誤差，因此計(jì)算結(jié)果是正確的。

圖13 介質(zhì)體尺寸調(diào)整后的仿真模型

圖14 介質(zhì)體尺寸調(diào)整后的仿真結(jié)果(424.95°)

5 樣機(jī)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，試制介質(zhì)體樣機(jī)(如圖15所示)，裝配后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)出的結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

圖15 更改前后的介質(zhì)體對(duì)比

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，更改后的相位一致性最大為2.86°，滿足一致性≤±2°的要求。這證明了理論計(jì)算的正確性，因此可以驗(yàn)證該相位一致性控制方法是可行的。

表4 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(黃銅測(cè)試夾具)測(cè)試結(jié)果

表5 40G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(不銹鋼測(cè)試夾具)測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過(guò)改變產(chǎn)品介質(zhì)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整射頻同軸轉(zhuǎn)接器的相位，使不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接器相位保持一致，并通過(guò)理論計(jì)算、仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)證明了該方法的有效性。

本文所采用的相位一致性控制方法也可以用于其他同類(lèi)轉(zhuǎn)接器產(chǎn)品，以調(diào)整相位保證不同結(jié)構(gòu)連接器之間相位一致性滿足使用要求，這提高了轉(zhuǎn)接器的互換性。原位替換現(xiàn)有轉(zhuǎn)接器，還可以促進(jìn)同類(lèi)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，降低企業(yè)成本。