Кабельные сборки СВЧ-диапазона.
Назначение, классификация, особенности применения

Общие вопросы применения радиочастотных кабельных сборок

Термин “cable assembly” пришел к нам из зарубежной технической литературы, где уже давно используется в стандарте МЭК (Международной электротехнической комиссии) [1]. У большинства отечественных специалистов в области электроники существует единое мнение: cable assembly — это кабельная сборка. Однако в отечественном классификаторе ЕСКД термин «кабельная сборка» отсутствует. Поэтому в конструкторской документации приходится использовать разрешенный классификатором термин «кабель» (код классификационной характеристики — 685671), что приводит к смысловой несуразице: кабель, изготовленный из кабеля. Вполне очевидно, что уже давно назрела необходимость введения в классификатор ЕСКД термина «кабельная сборка».

В стандартах [1, 2] приведены следующие определения кабельных сборок.

Кабельная сборка — сочетание кабеля и соединителя(ей) с дополнительной защитой и маркировкой либо без них, имеющее установленные технические характеристики.

Кабель, применяемый в радиочастотных сборках, является достаточно сложной композиционной структурой, содержащей внутренний и наружный металлические проводники, полимерную или минеральную изоляцию между ними и защитную оболочку. В качестве примера на рис. 1 показана конструкция гибкого радиочастотного кабеля PHASEFLEX компании GORE (США), используемого в измерительных кабельных сборках [3].

Рис. 1. Конструкция радиочастотного кабеля PHASEFLEX

Гибкая кабельная сборка — сборка, в которой кабель может подвергаться многократным изгибам.

Полугибкая кабельная сборка — сборка, не предназначенная для многократных изгибов кабеля при эксплуатации, но для которой допустимы изгибы или формование, облегчающие монтаж. Внешний вид полугибкой кабельной сборки с кабелем ручной формовки и соединителями компании Rosenberger показан на рис. 2а [4].

Рис. 2. Внешний вид кабельных сборок:
а) полугибкая кабельная сборка;
б) полужесткая кабельная сборка

Полужесткая кабельная сборка — сборка, не предназначенная для изгибов или перегибов после изготовления. Любые изгибы или перегибы при монтаже или эксплуатации могут ухудшить ее рабочие характеристики. На рис. 2б представлена полужесткая кабельная сборка с диэлектриком SiO₂ (компания Meggitt Safety Systems, США) [5], в которой за счет упругой деформации кабеля можно изменять расстояние между соединителями.

Современные конструктивно-технологические решения кабелей и соединителей позволяют создавать сборки длиной от единиц миллиметров до нескольких десятков метров с эффективностью экранирования до 120 дБ. Особое внимание уделяется минимизации изменения электрических и механических характеристик при внешних воздействующих факторах, прежде всего при многократных изгибах и изменении температуры.

Современная авиакосмическая техника потребовала создания отдельного класса кабельных сборок с улучшенной фазовой стабильностью, с диапазоном рабочих частот до 40 ГГц и с возможностью его расширения в область еще более высоких частот.

Отдельного рассмотрения заслуживают радиационно-стойкие кабельные сборки, необходимые предприятиям ядерной энергетики и космического машиностроения.

Терминология, общие требования и методы испытаний кабельных сборок изложены в стандарте МЭК [1]. Аналогичный отечественный стандарт не существует, хотя некоторые требования и методы испытаний, приведенные в ГОСТ 20465-85 «Соединители радиочастотные коаксиальные. Общие технические условия», могут быть отнесены и к кабельным сборкам.

Производители изготавливают сборки по техническим требованиям заказчика, включающим электрические параметры, стойкость к механическим и климатическим воздействиям, надежность при эксплуатации и после хранения. При заказе кабельной сборки следует указывать марку кабеля, типы соединителей, а также точную геометрическую длину сборки. Определение геометрической длины кабельной сборки в соответствии со стандартом МЭК [2] показано на рис. 3.

Рис. 3. Геометрическая длина различных кабельных сборок

Геометрическая длина кабельной сборки определяется как расстояние между базовыми плоскостями (reference planes) прямых соединителей и между осями угловых соединителей.

По конструктивному исполнению изоляции между внутренним и внешним проводниками коаксиальные кабели разделяют на:

1. Кабели со сплошной изоляцией, в которых все пространство между внутренним и внешним проводниками заполнено изоляционным материалом. Такая изоляция может быть однородной или состоять из двух или нескольких слоев с одинаковыми или разными свойствами. Сплошная изоляция может быть получена путем экструзии расплавленного диэлектрика, путем плунжерного прессования мелкодисперсного диэлектрика с последующим его спеканием по запатентованной технологии или же путем обмотки внутреннего проводника тонкими лентами из диэлектрика.
2. Кабели с воздушно-диэлектрической (полувоздушной) изоляцией, в которых на внутреннем проводнике через определенные интервалы насажены изоляционные опорные элементы различной конфигурации или наложена спираль из корделя, поверх них расположена трубка из изоляционного материала. Наиболее перспективным направлением является заполнение пространства между проводниками пористым диэлектриком, получаемым физическим вспениванием диэлектрика при экструзии, плунжерным прессованием эмульсии из мелкодисперсного диэлектрика со спеканием по запатентованной технологии, использованием обмоточных диэлектрических лент пористой структуры.

Основные требования к радиочастотным кабельным сборкам

Качество коаксиальных кабельных сборок, особенно специального назначения, определяется большим числом параметров и методов испытаний, которые регламентированы стандартом МЭК [1], техническими условиями производителей сборок [4, 6] и общими техническими условиями [7]. В состав основных электрических параметров радиочастотных кабельных сборок входят следующие параметры:

1. Номинальное волновое сопротивление и предельные отклонения от него. Для сборок специального назначения важна также однородность волнового сопротивления по длине сборки.
2. Диапазон рабочих частот. Кабельную радиочастотную сборку можно использовать на любых частотах, начиная с постоянного тока. Однако на высоких частотах, наряду с основной Т (TEM)-волной, в коаксиальной линии могут возбуждаться нежелательные волны высших порядков. Поэтому диапазон рабочих частот сборки ограничивают верхней частотой применения (maximum operating frequency). Теоретическую предельную частоту (критическую частоту, или частоту среза, — cut-off frequency) рассчитывают по формуле [8]:

f_кp ≅ 190,85/√ε×(D+d),

где f_кр — частота, ГГц; D и d — внутренний диаметр внешнего проводника и наружный диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии, мм; ε — эквивалентная диэлектрическая проницаемость материала изоляции.

Верхняя частота применения кабельной сборки зависит от предельных частот кабеля и соединителей и ограничена меньшей предельной частотой одного из них. Предельные частоты кабельных соединителей разных типов в зависимости от конструкции и марки применяемого кабеля приведены в работе [8].

3. Коэффициент затухания α на заданной частоте при 20 °С и его изменение при воздействии температуры. Коэффициент затухания сборки складывается из коэффициентов затухания кабеля и каждого соединителя. Эти данные приведены в спецификациях на кабель и соединители. Температурный коэффициент затухания рассчитывают по формуле:

TKЗ = (Δα/α×ΔT)×10³ [%/°C],

где Δα — изменение α при воздействии температуры, дБ/м; ΔT — температурный интервал, °C.

4. Коэффициент стоячей волны по напряжению — КСВн. КСВн кабельной сборки зависит от КСВн кабеля и соединителей [8], значения которых приведены в спецификациях на эти изделия.
5. Затухание экранирования. Эффективность экранирования кабельной сборки определяется конструкцией кабеля, но может быть ограничена и конструкцией соединителя. Для измерения затухания экранирования в НПП «Спецкабель» используют специализированный измерительный комплекс на базе триаксиальной линии CoMeT (Coupling Measuring Tube) совместного производства фирм Bedea и Rosenberger (Германия) — рис. 4 [4]. Поперечные размеры триаксиальной линии и программное обеспечение этого комплекса позволяют выполнять измерения на частотах до 3 ГГц. Ограничение верхнего предела измерений вызвано появлением в линии колебаний высших типов.
6. Электрическая длина кабельной сборки в электрических градусах, °.

Рис. 4. Измерительный комплекс для измерения затухания экранирования кабелей и кабельных сборок

Радиочастотный сигнал, проходящий через сборку, можно представить в виде вращающегося вектора напряжения, угловая скорость которого равна 360‑кратной величине частоты:

V_угл = 360×f, °/с.

Сигнал распространяется в кабельной сборке в течение времени задержки, которое рассчитывают по формуле:

t_зад = L×√ε/c = L×ξ/c,

где L — геометрическая длина кабеля, м; ε — диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля; ξ — коэффициент укорочения длины волны в кабеле; с ≈ 3×10⁸ — скорость света в вакууме, м/с.

Произведение угловой скорости вектора напряжения на время задержки соответствует электрической длине кабельной сборки [9, 10]:

Ψ = V_угл×t_зад = 360×f×(L×√ε/c).

Например, для кабельной сборки длиной 0,63 м со сплошной фторопластовой изоляцией (ε = 2,04) и t_зад ≈ 3 нс электрическая длина сборки на частоте f = 9,5 ГГц равна:

Ψ = 360×f×t_зад = 360×9,5×10⁹×3×10^–9 = 10 260°.

7. Скорость распространения сигнала в кабельной сборке V_p.

Скорость распространения Vp,% (Velocity of Propagation, VоP) показывает, какую долю скорость распространения электромагнитной волны в кабельной сборке составляет от скорости ее распространения в вакууме [6, 9, 10]:

V_p = 1/ξ.

При увеличении V_p достигается меньшая величина потерь в кабеле, так как величина ε приближается к 1 — к диэлектрической проницаемости воздуха. В лучших современных кабелях кордельной конструкции величина V_p достигает 88%. Зная скорость распространения V_p, можно вычислить величину эквивалентной диэлектрической проницаемости кабельной сборки ε и ее электрическую длину Ψ.

В качестве примера рассмотрим кабельную сборку с геометрической длиной L = 1 м, с рабочей частотой f = 18 ГГц и со скоростью распространения сигнала в ней V_p = 82%. Длина волны радиосигнала в кабельной сборке равна:

λ = с×V_p/f = 3×10⁸×0,82/18×10⁹ = 0,0137 м.

На длине кабельной сборки укладываются 1/0,0137 ≅ 73 длины волны. Поскольку одной длине волны соответствует электрическая длина 360 электрических градусов, электрическая длина кабельной сборки будет равна:

Ψ = 73×360 = 26 280 °.

Электрическая длина сборки Ψ, выраженная в электрических градусах, показывает, насколько изменилась фаза сигнала на выходе сборки относительно сигнала на входе. Изменение величины Ψ зависит от факторов, влияющих на кабельную сборку, прежде всего от температуры и механических воздействий. Для численной оценки таких изменений вводится понятие фазовой стабильности кабеля при конкретном дестабилизирующем воздействии. Температурно-фазовая характеристика является наиболее информативным параметром при оценке фазовой стабильности кабеля и, соответственно, кабельной сборки из этого кабеля [9, 10]. В отечественных общих технических условиях на радиочастотные кабели [7] отдельным пунктом введен параметр «температурный коэффициент фазы».

8. Температурный коэффициент фазы (ТКФ) — это относительное изменение электрической длины кабеля Ψ при изменении температуры на 1 °C. ТКФ измеряют в температурных диапазонах, указанных в стандартах или технических условиях на кабели конкретных марок, и вычисляют по формуле [7]:

ТКФ = ΔΨ×с/360°×ξ×L×f×ΔT = ΔΨ×1×10⁶/Ψ×ΔT,

где ΔΨ — относительное изменение электрической длины кабеля, °; с ≈ 3×10⁸ — скорость света в вакууме, м/с; ξ — коэффициент укорочения длины волны в кабеле; L — геометрическая длина кабеля, м; f — частота, МГц; ΔT — диапазон температур, в котором проводят измерения, °C.

В зарубежной технической литературе ТКФ выражают в относительных безразмерных единицах ppm (part pro million) — в миллионных долях. На рис. 5 в качестве примера приведена характеристика ТКФ кабельной сборки с предельной частотой 26,5 ГГц компании Micro-Coax, выполненной из кабеля UFA210B [6].

Рис. 5. ТКФ кабельной сборки с кабелем UFA210B (синим цветом показано номинальное изменение фазы)

9. Диапазон рабочих температур. При эксплуатации кабельные сборки должны быть устойчивы к воздействию смены температур. Максимально допустимой температурой кабельной сборки считают максимально допустимую температуру ее наименее нагревостойкого элемента, устанавливающуюся вследствие нагрева окружающей средой и передаваемую по сборке мощностью. Диапазон рабочих температур сборки всегда указывают в ее спецификации.
10. Зависимость изменения фазы от изгиба кабеля. При испытаниях на изгиб большинство европейских компаний руководствуются рекомендациями стандартов IEC (МЭК) [1, 2]. Стандарт [1] рекомендует производить 2 изгиба на оправке определенного диаметра на 180° по часовой и против часовой стрелки с выпрямлением в исходное положение после каждого изгиба. Другие компании руководствуются рекомендациями стандарта MIL-C‑17. Например, компания Micro-Coax в соответствии с этим стандартом использует однократный изгиб кабеля на 360° (намотку) вокруг цилиндрической оправки. На графике (рис. 6) приведены пределы допустимого изменения фазы в зависимости от частоты для кабеля UFA210В при его намотке вокруг оправки диаметром 76,2 мм [6].

Рис. 6. Допустимые пределы изменения фазы при изгибе кабеля UFA210B

Наряду с приведенной выше характеристикой изменения фазы от изгиба большинство производителей кабельных сборок гарантируют сохранение электрических параметров кабельных сборок, кроме изменения фазы, и после других видов деформации. Так, в спецификации для кабеля UFA210B компании Micro-Coax установлены следующие критерии [6]:

Минимальный статический радиус изгиба кабеля с внешним диаметром (5,33 ±0,13) мм должен быть более 9,65 мм. При однократной намотке кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 12,7 мм волновое сопротивление кабеля не должно изменяться более чем на 0,5 Ом.

Минимальный динамический радиус изгиба кабеля равен 50,8 мм. Кабель должен выдерживать 250 000 перегибов с углом ±90° вокруг оправки диаметром 101,6 мм (так называемый «тик-так-тест»). После этого значения КСВн и затухания не должны превышать величин, гарантированных для данной кабельной сборки.

Кабель должен выдерживать 250 000 естественных перегибов (прочность кабеля на изгиб, «змейка-тест») с соблюдением аналогичных требований к КСВн и затуханию.

11. Степень согласования кабельных сборок по фазе. Этот параметр особенно важен для фазоидентичных кабельных сборок. Существуют абсолютное и относительное согласование по фазе кабельных сборок [6]. Абсолютное согласование состоит в согласовании двух или более сборок до абсолютной электрической длины, включая допуск. Относительное согласование состоит в совпадении двух или более сборок по отношению друг к другу, а не по отношению к абсолютной электрической длине. Минимальный допуск на идентичность фазовых характеристик упомянутых кабельных сборок из кабеля UFA210B составляет ±0,5 °/ГГц [6].

Величины допуска на идентичность фазы других производителей кабельных сборок зависят от конструктивного решения используемых кабелей. Наилучший результат — ±0,4 °/ГГц.

В ряде специальных применений кабельных сборок, например для модулей фазированных антенных решеток и измерительных систем, имеют значение и другие дополнительные параметры, характеризующие степень стабильности фазовых характеристик кабельных сборок.

12. Радиационная стойкость кабельных сборок.

Радиационная стойкость — это способность изделий и материалов сохранять исходный химический состав, структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений (ГОСТ 18298-79 «Стойкость аппаратуры, комплектующих элементов и материалов радиационная»). Она существенно зависит от вида радиации, величины и мощности поглощенной дозы, режима облучения (непрерывное или импульсное, кратковременное или длительное), размеров изделия и его удельной поверхности, условий эксплуатации (температура, давление, механические нагрузки, магнитное и электрическое поле) и других факторов. Количественной характеристикой радиационной стойкости служит допустимая величина поглощенной дозы излучения (Мрад, грей), при которой материал становится непригодным для конкретных условий применения или недопустимо изменяет значение какого-либо характерного параметра. Для полимеров такими параметрами чаще всего являются пределы прочности и текучести. Для радиочастотных кабелей не менее важно изменение диэлектрических свойств изоляции при воздействии облучения.

Следует обратить внимание разработчиков, использующих кабельные сборки различных зарубежных компаний, на отличия в методиках испытаний сборок на воздействие дестабилизирующих факторов в зависимости от указанного в технических условиях на сборку нормативного документа.

Изоляционные материалы радиочастотных кабелей и соединителей

Для реализации возросших требований к параметрам радиочастотных кабелей и соединителей первостепенное значение имеет использование в них диэлектриков с улучшенными механическими и электрическими свойствами и с повышенной радиационной стойкостью.

В настоящее время в распоряжении разработчиков кабелей и соединителей имеется значительное число изоляционных материалов. Параметры изоляционных материалов, применяемых при изготовлении радиочастотных кабелей, по обобщенным данным НПП «Спецкабель», приведены в таблице.

Примечания:

* В системе единиц СИ вместо Мрад применяют единицу грей (Гр).

1 Гр = 100 рад. Приведенные в таблице допустимые дозы облучения являются оценочными, так как в различных источниках информации по радиационной стойкости использованы разные критерии ее оценки.

** По данным компании ATOFINA Chemicals, Inc. (США) www.ATOFINAChemicals.com.

Из всех представленных в таблице диэлектриков в конструкциях современных высокотемпературных радиочастотных кабелей и соединителей наиболее широко применяют фторопласты. Известно несколько марок фторопластов [11]. Чаще всего применяют монолитный и пористый фторопласт Ф-4. Недостатками фторопласта Ф‑4 являются низкая радиационная стойкость (менее 0,5 Мрад при комнатной температуре и до 0,01 Мрад при высокой температуре), а также изменение диэлектрической проницаемости в результате фазового перехода при температуре вблизи 19 °С.

Перспективным материалом для применения в системах, требующих высокой радиационной стойкости, считается фторопласт Ф‑40 — частично фторированный полимер.

Производители радиочастотных кабелей с улучшенными характеристиками для снижения диэлектрической проницаемости изоляции применяют пористые диэлектрики, доведя ее величину до 1,35–1,75.

Самую высокую радиационную стойкость имеют полукристаллический термопластичный диэлектрик — PEEK (полиэфирэфиркетон), полиимид и PVDF (KYNAR). При комнатной температуре диэлектрическая проницаемость PEEK равна 3,2–3,3, тангенс угла диэлектрических потерь (30–48)×10^–4. При температуре 200 °C его диэлектрическая проницаемость возрастает до 4,9.

Некоторые зарубежные компании успешно применяют также диэлектрик из сверхчистого диоксида кремния — SiO₂ [5, 9]. Однако при использовании этого диэлектрика отсутствует возможность создать гибкий кабель. Кабель может быть изготовлен только жесткой или полужесткой конструкции.

Производители радиочастотных кабельных сборок

За рубежом радиочастотные кабельные сборки СВЧ-диапазона изготавливают специализированные компании США, Великобритании, Франции, Германии, Швейцарии, Южной Кореи, Китая и Тайваня. Наиболее перспективные технические решения предлагают следующие зарубежные компании:

• Meggitt (stablecable.com), Times Microwave Systems (www.timesmicrowave.com), Gorе (www.gore.com), Micro-Coax (www.microcoax.com), США;
• AtlanTecRF (atlantechrf.com), Великобритания;
• Radiall (radiall.com) и Axon (www.axon-cable.com), Франция;
• Rosenberger (rosenberger.de) иTelegärtner (www.telegaertner.com), Германия;
• Huber+Suhner (hubersuhner.com), Швейцария;
• GigaLane (gigalane.com), Южная Корея.

В нашей стране заказы на кабельные сборки, изготавливаемые на базе отечественных и зарубежных кабелей и соединителей, выполняют компании: НПФ «Микран» (www.micran.ru), НПП «Спецкабель» (www.spcable.ru), НКТ («Новые Компоненты и Технологии», www.nkt-rf.ru) и ООО «Амитрон Электроникс» (www.amel.ru). При этом только НПП «Спецкабель» выпускает по требованию заказчика сборки с приемкой ВП.

Основные тенденции развития радиочастотных кабелей и кабельных сборок

Большинство зарубежных производителей предлагают к поставке законченные кабельные сборки, а не поставляют кабель и соединители отдельно. Этот факт подтверждает очевидную актуальность организации производства отечественных кабельных сборок с параметрами, не уступающими параметрам зарубежных аналогов.

Анализ ситуации на отечественном рынке кабельных сборок диапазона СВЧ [10] позволяет выделить следующие основные направления их развития:

1. Расширение частотного диапазона отечественных радиочастотных кабелей и соединителей.
2. Расширение номенклатуры отечественных кабелей с воздушно-диэлектрической (полувоздушной) изоляцией.
3. Расширение диапазона рабочих температур кабелей ниже –60 и выше 200 °С.
4. Создание сборок с повышенной стабильностью коэффициентов фазы и затухания.
5. Разработка и выпуск радиационно-стойких отечественных кабельных сборок.
6. Уменьшение массы и геометрических размеров кабельных сборок.
7. Повышение качества и надежности кабельных сборок для сложных условий эксплуатации.
8. Совершенствование техники измерения основных параметров кабелей и кабельных сборок на основе применения современной измерительной техники.
9. Разработка отечественных государственных стандартов, соответствующих требованиям МЭК.

Производство кабельных сборок — трудоемкий процесс, предъявляющий жесткие требования к качеству кабеля и соединителей и к самому процессу сборки. Кабельные сборки должны производить квалифицированные специалисты, в специально оборудованном помещении. Необходимо измерять электрические параметры каждой сборки на соответствие техническим требованиям.

Нередко возникает вопрос: изготавливать кабельную сборку на специализированном предприятии или в целях экономии производить ее самостоятельно? Все определяется уровнем сложности аппаратуры, в которой используют сборки. В аппаратуре специального назначения, особенно работающей в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах длин волн, требуется применять сборки, прошедшие весь комплекс испытаний и тестирований. Перед установкой в аппаратуру должны быть измерены многие электрические параметры сборок: КСВн (S11 и S22), высокочастотные потери (S12 или S21), допустимая пропускаемая мощность, экранное затухание, электрическая емкость, электрическое сопротивление проводников, сопротивление изоляции, температурная стабильность фазы и затухания, интермодуляционные искажения. Сборки должны быть испытаны на воздействие механических и климатических факторов. Кроме того, необходимо проверить допустимый радиус изгиба кабеля и прочность его заделки в соединители, количество соединений и рассоединений сборки с ответными соединителями. Для изготовления таких сборок нужны дорогостоящее монтажное оборудование, оснастка и инструмент, а также специалисты высокой квалификации.

В случае же применения кабельных сборок в менее ответственной аппаратуре, выпускаемой небольшими партиями, самостоятельное изготовление сборок может быть экономически оправдано.