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毫米波電纜:是否到了該重新審視的時候?

發布時間:2018-06-01

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隨著毫米波頻率越來越普及,如何正確對待此類高頻率下采用的纖弱電纜變得格外重要。

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人們對微波電纜組件的使用常常隨心所欲且不假思索,然而各種不正確的使用方式有可能導致此類電纜的性能下降及使用壽命縮短。在頻率較低時,由於所使用的電纜及連接器尺寸較大,此類問題尚可容忍。然而,由於毫米波頻率采用的電纜的尺寸較小,且通常更易損壞,因此其對電纜濫用的容忍度也更低。

過去一直在3GHz的頻率下運行的蜂窩通信行業即將采用28~100GHz的頻譜。此外,美國國防部(DoD)已經加大開支力度,以抵禦更高毫米波波長下的電子戰和雷達威脅。如此,由於涉及毫米波的活動將比以往更為廣泛,因此如今是時候需要對此類關鍵器件的維護和對待進行重新審視。

由於上述頻率下集成度較高,各種功能融合於同一封裝體或電路板中,因此其所需的微波互連器件數量可能較少。但是,即使是小基站等設備,其各種子係統的連接仍然需要采用柔性、半柔性、半剛性及其他電纜。此外,運行於上述高頻下的每種器件和係統在使用前都必須測試,因此之前尚未經曆過毫米波測量這一難題的設計人員將馬上麵臨這一挑戰。

測試設備的對待方式

測試測量環境是少數幾個需要始終將電纜、連接器及組件的細心使用和維護視為重要一點(雖然現實當中人們並不完全遵守)的領域之一。由於測量的不確定性是測量係統的頑疾,因此對細節的關注至關重要。此外,由於精密矢量網絡分析儀(VNA)測試電纜非常昂貴,因此成本是促使人們必須小心謹慎對待此類電纜的另一原因。由於毫米波波長下使用的互連器件均為精密加工的易損器件,因此上述情形同樣適用於所有此類互連器件。

舉例而言,美國Pasternack公司的PE3TC1220係列110GHz測試電纜組件為VNA及半導體探針測試所使用的代表性電纜組件(圖1)。此類電纜組件兩端均設置1.0mm公頭連接器;采用Nomex保護鎧裝;110GHz下的插入損耗為5.6dB以下;典型電壓駐波比(VSWR)為1.5:1;一次彎折的最小彎曲半徑為1英寸(2.54厘米);連接器由鍍金鈹銅製成,且配有鈍化不鏽鋼聯結螺母;有6英寸(15厘米)和12英寸(30厘米)兩種長度可供選擇。

毫米波電纜:是否到了該重新審視的時候?

1. 用於VNA及半導體探針測試的PE3TC1220係列110GHz測試電纜組件

在上述頻率下,謹慎對待電纜及連接器的重要性無論如何強調,都不過分。器件尺寸與波長相關,用於毫米波頻率的電纜(和連接器)尺寸極小。從外形尺寸的角度來看,這一點非常受歡迎,然而對於材料、製造及性能等所有其他方麵而言,其反而造成了困擾。此類小尺寸器件要求所有使用者必須付出十二分的細心,即使是微小的灰塵、幾乎無法察覺的劃痕或其他損傷,都將有損其測量精度。

例如,60GHz的全波長約為5mm,該頻率的半波長天線的測量精度約為2.5mm,使用2.92~1.0mm大小的毫米波連接器。此外,人們已開發出針對110GHz以上頻率的0.8mm連接器。與此類連接器相比,HF~UHF頻率所使用的連接器可謂巨大——100MHz的全波長為3m,1GHz的全波長為30cm。

由於損耗為毫米波頻率的一個重要考慮因素,因此被測設備(DUT)與測量儀器及傳輸鏈中的所有其他部件之間的連接所使用的互連器件越少越好。通過這種方式,不但可以降低插入損耗,還能減少存在斷連風險的連接點的數量,簡化測試裝置,以及限製灰塵的進入路徑。

配接過程雖然基本但卻至關重要

在將毫米波電纜或連接器與對應電纜或連接器配接時,一旦偏離正確的對準位置,則很容易造成電纜或連接器中心導體和介電層的損壞。兩個待配接的連接器之間的對準位置即使發生微小偏差,也可能造成不良影響。正確的做法是,牢牢抓住連接器,使其不發生轉動,從而防止對觸點的表麵處理層和鍍層造成損傷,或向電纜組件傳遞扭矩。一旦連接器弄髒,疑似損壞,針腳不齊,過度扭轉損壞,或聯結螺母的螺紋損壞時,便無法繼續使用。

雖然很少有工程師會承認,但聯結螺母的固定並不總使用扭矩扳手,而且在某些敏感的測試測量環境中,有時甚至避免使用扭矩扳手。這是因為,新手和老手都希望鍛煉出判斷連接器何時已旋轉到位的“手感”。然而,一旦連接器被過度扭轉,則該連接器將會將其自己本身的誤差傳遞給相應的連接器以及任何其他與其配接的連接器,從而使測量結果產生“整體係列誤差”。

毫米波連接器所使用的扭矩扳手是一種精密工具。此間一例為美國Pasternack公司的PE5019-16折彎式扭矩扳手,該扳手用於1.0mm連接器。由於其預設至4英寸磅(0.45牛頓米),因此可防止施加過量的配接力(圖2)。折彎式的優點在於,當達到預設扭矩時,折彎點將發生彎折,從而防止進一步的施力。該扳手的精度為±0.15英寸磅(0.017牛頓米),六角尺寸為6毫米。

毫米波電纜:是否到了該重新審視的時候?

2. 用於1.0mm連接器的PE5019-16扭矩扳手為一種折彎式扳手,可消除連接器發生過度扭轉的可能性。

每種電纜組件均具有一個最大彎曲半徑,一旦超出該彎曲半徑,則首先會使得測量結果不準確,並最終使該電纜組件損壞。雖然在某些情況下,較大程度的彎曲可能似乎無可避免,但是由於一旦發生錯誤,便可導致整條毫米波電纜被損壞的惡果,因此即使在這種情況下,還是應該盡量避免。也就是說,無論什麽情況下,都應該避免將電纜彎曲至最大彎曲半徑。

除此之外,還應該避免電纜的扭曲,這是因為扭曲有可能同時導致電纜的損壞及組件完整性的破壞,有時還可能造成連接器的損壞。當發現電纜護套出現皺紋或其他應力跡象時,則說明電纜已發生嚴重的扭曲或已超出其彎曲半徑額定值。

清潔度尤為重要

在毫米波部件等具有嚴格公差的情形下,所有接口必須保持潔淨。雖然看起來有點極端,但顯微鏡檢查不失為一種好的做法。清潔過程十分簡單:找一塊不起毛的布料(推薦聚酯布料);使用異丙醇將其打濕;利用打濕後的布料輕輕擦拭部件,使其清潔。此外,也可使用過濾後的壓縮空氣或氮氣。但是,其中需要注意的是,加壓罐經常加有用於深化滲透的氯化溶劑,其可能造成得不償失的後果。

在上述清潔過程完成後,可使用放大鏡進行表麵檢查。當需要確保去除所有金屬顆粒或其他物質時,也可反複實施該檢查過程。雖然放大鏡隨手可得,但其在接口檢查方麵效果可謂事半功倍。可能存在的電纜缺陷包括針腳彎曲,針腳缺失,介質層損壞,螺紋磨損或損壞,以及其他目視可見的損壞。一旦發現任何此類缺陷,必須更換電纜。

總體而言,航空領域中測量係統所用的電纜遭受的不正當使用最為嚴重。這是因為,該領域中隻有部分測量人員了解電纜的正確對待方法,而其他人員並無這方麵的意識。在該領域中,粗暴對待電纜的事例比比皆是,例如:通過電纜拖拽移動測量台;將電纜墊在其他物體下麵;手捏、擠壓、踩踏電纜;將電纜在鋒利的邊緣上拉拽;經常將電纜彎曲至超出其最大彎曲半徑。

雖然上述情形難以根除,但是任何負責測量係統維護的人員都應該至少盡力確保所有投入使用的電纜均為未損壞的電纜。此外,在戶外測量環境中,還應為電纜創造“水滴回路”。這是因為水滴可沿電纜流入連接器,從而最終使得電纜性能發生插入損耗增大等變化。

在航空條件下,電纜組件所處環境因油劑及其他液體以及氣體的存在而較為惡劣。電纜不宜直接暴露於此類環境,但可能也僅電纜使用者才有這方麵的意識。雖然測試測量應用中的電纜具有耐用設計,但並不一定具有能在所有惡劣環境中暴露的承受力。

微波電纜護套可采用各種材料,每種材料在惡劣環境下都有其自身的優缺點。例如,聚氨酯可抗溶劑、紫外線、輻射及真菌,但是不能抵抗清潔用化學品。氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基(PFA)及聚四氟乙烯(PTFE)等含氟聚合物非常適用於上述環境——其可承受高溫以及在化學品、酸及侵入性溶劑中的暴露,並且為非易燃性物質。

濕氣可使電纜外導體或屏蔽層氧化,從而使電纜損耗隨時間的推移而增大,因此所有類型電纜都將濕氣視為一種威脅。在射頻功率下,介質層吸收的水分可被加熱升溫。水或水蒸氣可通過以下幾處進入電纜:護套材料內的孔(包括極微小的孔);電纜與連接器的連接點;連接器與對應連接器的配接點。

在電纜與連接器及連接器與連接器之間的接口處,可設置防水套管。即使如此,水蒸氣仍可能經電纜護套中隻有在光照良好的條件下通過放大鏡才能觀察到的微小磨損孔洞進入電纜。因此,定期花費一定時間對護套狀況進行檢查是一項必要之舉,否則隨著時間的推移,破損後的電纜將會發生性能下降或最終失效。此外,毋庸置疑的是,在船載或沿海環境中,當鍍層損壞後,進入電纜的鹽霧可使得電纜內、連接器部件上或連接器部件內的金屬發生腐蝕。

結論

毫米波波長下的運行是一項難題,這就是為什麽毫米波波段的開發僅隻針對少數幾種具有合適特性的用途的原因,而且這些用途鮮少涉及通信領域。

然而,隨著蜂窩通信行業逐漸擴展至幾乎所有可用帶寬,上述情形將在未來十年內發生變化。這一發展勢頭連同防務領域的發展意味著,設計師必須采取比以往任何時候都要嚴格的預防措施,以確保其電纜組件不但能夠實現目標性能,而且還能實現長期的無故障使用壽命。