Фазовая стабильность кабельных сборок СВЧ с диэлектриком ПТФЭ

Введение

Радары с механическим перемещением антенны, применявшиеся более 70 лет для военных и коммерческих целей, в настоящее время уже не отвечают современным требованиям к скорости сканирования и к конструктивным параметрам. Поэтому в современных высокоскоростных летающих объектах применяют АФАР, не имеющие указанных недостатков. Современные АФАР разнообразной формы и компактной конструкции, не использующие узлы механического перемещения, обеспечивают надежное обнаружение и идентификацию цели [1].

В конструкцию АФАР входят фазостабильные кабельные сборки СВЧ-диапазона, от параметров которых во многом зависят выходные характеристики АФАР. Изолятором сердечника кабеля в таких сборках в подавляющем большинстве случаев является сплошной (монолитный) или пористый ПТФЭ.

В зарубежных и отечественных источниках используется термин «фазостабильная кабельная сборка». Фазостабильная кабельная сборка имеет нормированную, заданную стабильность электрической длины кабеля в условиях определенных внешних воздействий и, как следствие, стабильность вносимого фазового сдвига. Нормативные документы предусматривают контроль фазовой стабильности кабельных сборок только при двух видах внешних воздействий: при изгибе и при изменении температуры.

Определение фазового сдвига кабельной сборки

Как правило, допустимое изменение фазового сдвига при изгибе Ψ_изг. приводится в электрических градусах в зависимости от частоты f, в виде расширяющейся зоны, ограниченной двумя прямыми линиями (рис. 1) [2].

Рис. 1. Типовая зона допустимого фазового сдвига при изгибе измерительной кабельной сборки компании W. L. Gore & Association

Под ΔΨ_изг. следует понимать разность Ψ(T₀)–Ψ_изг.(T₀), где Ψ(T₀) — фаза до проведения изгиба, Ψ_изг.(T₀) — фаза, измеренная при изгибе (изгибах) по конкретной методике, T₀ — опорная, базовая температура, принятая разными компаниями равной 20 или 25 °C.

Фазовый сдвиг в зависимости от температуры большинство зарубежных компаний представляет в виде графика в относительных безразмерных единицах ppm (parts per million — «миллионные доли»):

ΔΨ[ppm] = [Ψ(T)–Ψ(T₀)]×10⁶/Ψ(T₀),

где Ψ(T) и Ψ(T₀) — фазовые сдвиги при заданной Т и опорной T₀ температурах.

Зная фазовый сдвиг на опорной температуре Ψ(T₀), можно определить фазовый сдвиг на конкретной температуре:

Ψ(T) = Ψ(T₀)+[ppm×Ψ(T₀)]/10⁶.

Температурная зависимость фазового сдвига для всех кабелей с изоляцией из ПТФЭ имеет нелинейный характер. В качестве примера на рис. 2 приведены типовые температурные зависимости фазового сдвига кабельных сборок с изоляцией из сплошного и пористого ПТФЭ, имеющих разную скорость распространения сигнала V_p (VoP) [3].

Рис. 2. Типовые температурные зависимости фазового сдвига кабельных сборок с разными скоростями распространения сигнала Vp

Некоторые зарубежные компании обозначают фазовый сдвиг в размерности °/ГГц/м (deg/GHz/m). В этом случае для определения фазового сдвига, вносимого кабельной сборкой на конкретной температуре, следует умножить приведенное компанией значение на этой температуре на частоту измерения в гигагерцах и на физическую длину кабельной сборки в метрах.

В обоих принятых обозначениях фазового сдвига допущены два предположения:

1. Фазовый сдвиг прямо пропорционален физической длине кабельной сборки, что не вызывает сомнения.
2. Фазовый сдвиг прямо пропорционален частоте сигнала, на которой проводится измерение. Это предположение требует более детального рассмотрения.

Вносимый кабельной сборкой фазовый сдвиг, строго говоря, нелинейно зависит от частоты измерения, особенно вблизи верхней частоты применения кабельной сборки. Верхняя частота применения зависит от предельных частот кабеля и соединителей и ограничена меньшей предельной частотой одного из них [4]. На практике фазочастотные характеристики соединителей и кабелей не являются линейными. Поэтому второе предположение имеет достаточную для практики точность, если измерения фазы проведены на правильно выбранной верхней частоте применения кабельной сборки. Только при этом условии результаты измерений могут быть пропорционально пересчитаны для более низких частот. Если же измерения проводились на частоте, существенно меньшей, чем верхняя частота применения, некорректно считать фазовый сдвиг пропорциональным частоте сигнала на более высоких частотах.

Фазоидентичные кабельные сборки

При изменении температуры и при изгибах кабеля возможно нарушение повторяемости фазы у идентичных кабельных сборок, изготовленных из кабеля одной марки одним и тем же производителем. Поэтому целесообразно ввести понятие «фазоидентичные кабельные сборки» с указанием допустимого отличия фазы для группы кабельных сборок. Степень фазовой идентичности кабельных сборок показывает поля допусков зависимостей сдвига фазы от температуры и изгиба, приводимые компаниями. Например, в ТУ на кабельные сборки из кабеля UFA210B компании Micro-Сoax [5] указано: «Кабельные сборки равной длины и соединители, полученные из одной и той же производственной партии, должны обеспечивать повторяемость фазы в пределах 200‑миллионных долей относительно номинального значения».

Причинами фазовой неидентичности кабельных сборок являются:

• непостоянство волнового сопротивления кабеля по длине;
• различие в качестве монтажа соединителей;
• несовершенство технологии изготовления и способа хранения кабеля.

Для определения постоянства волнового сопротивления кабеля используют временной рефлектометр. При обнаружении области недопустимой неоднородности отбраковывают отрезки кабеля с повышенной неоднородностью. Компания Micro-Сoax вводит еще и дополнительную проверку. Конкретный пример: волновое сопротивление кабеля UFA210B не должно изменяться более чем на 0,5 Ом при обмотке кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 0,5″ (12,7 мм) [5].

Некачественный монтаж соединителей также определяют с помощью временного рефлектометра, а при его отсутствии — при помощи автоматического анализатора цепей.

Несовершенство технологии изготовления и способа хранения кабеля можно определить при его изгибе разными способами. Компания Micro-Coax проверяет кабельные сборки, определяя зависимость изменения фазы от изгиба кабеля согласно рекомендациям стандарта MIL-C‑17. Так, для кабеля UFA210B измеряют сдвиг фазы при его намотке в один виток (на 360°) вокруг 3‑дюймовой оправки [5].

Другие производители фазостабильных кабелей используют рекомендации стандарта IEC 60966-1 (секция 8.4, метод изгиба 2). Схема проверки кабеля этим методом показана на рис. 3.

Рис. 3. Испытание кабельной сборки на изгиб согласно IEC 60966-1:
а) исходное положение;
б) первый изгиб;
в) второй изгиб

По этому методу выпрямленная кабельная сборка (рис. 3а) замыкается накоротко на одном конце и подсоединяется к анализатору цепей другим концом (рис. 3б). В процессе считывания фазы отраженного сигнала кабель сначала изгибают по часовой стрелке вокруг оправки на 180°, разгибают в исходное положение, затем изгибают против часовой стрелки вокруг оправки на тот же угол (рис. 3в) и после этого снова возвращают в исходное положение. Радиус оправки обычно выбирается равным минимальному радиусу изгиба испытуемого кабеля.

Указанные отличия методик проверки затрудняют сравнение фазовой идентичности кабельных сборок различных производителей и приводят к необходимости проведения дополнительной экспериментальной проверки сборок потребителем.

По мнению А. В. Безбородова (компания «Планар», г. Челябинск), который предоставил в распоряжение авторов данной статьи результаты своих исследований измерительных кабельных сборок, целесообразно введение дополнительного термина — «анизотропность кабельных сборок при изгибах». Под этим термином следует понимать различия вносимого фазового сдвига при изменении плоскости изгиба кабеля. Подобные различия были установлены при экспериментальных исследованиях измерительных кабельных сборок пяти зарубежных компаний. Измерения выполнены на частоте 18 ГГц при последовательности действий (рис. 4):

Рис. 4. Схема изгиба кабеля:
а) в горизонтальной;
б) вертикальной плоскости

1. намотка кабеля на горизонтально расположенную оправку и возврат в исходное положение (рис. 4а);
2. намотка кабеля на вертикально расположенную оправку (рис. 4б). Направление намотки при этом не изменялось.

Исходное положение показано ранее на рис. 3а.

В результате измерений было установлено:

• анизотропность обнаружена у кабельных сборок четырех компаний; у трех производителей она не превышала 3,1°, у одного — была более 8,3°, и только в сборках одной компании анизотропность не была обнаружена;
• у сборок трех производителей наблюдался практически идеальный возврат фазы к исходной величине при выпрямлениях кабеля, в то время как у двух остальных был обнаружен остаточный сдвиг фазы от 1,2 до 2,4°;
• уход фазы на 3,3° при продольном усилии, не превышающем допустимое значение, обнаружен у кабельной сборки одного из производителей.

Результаты этих экспериментов позволяют сделать следующие выводы:

1. Для ответственных применений кабельных сборок, позиционируемых производителями как фазостабильные, целесообразна их дополнительная проверка на анизотропность при изгибах. Для этого необходима разработка единой методики проверки на анизотропность и ее включение в отечественный нормативный документ.
2. Для обеспечения механической развязки центрального проводника соединителя и центрального проводника кабеля при вытягивающих усилиях целесообразно обеспечить механическое крепление кабеля к корпусу соединителя с помощью хвостовой цанги соединителя или же использовать пайку внешнего проводника непосредственно к корпусу.

Каждый кабель в процессе производства наматывается на технологические бобины, на которых он хранится и транспортируется. Как отмечено в работе [6], диэлектрик ПТФЭ обладает «памятью» (elastic memory) к своему первоначальному положению, что, вероятно, связано с хладотекучестью ПТФЭ. В результате этого у многих кабелей, особенно со сплошным диэлектриком сердечника, «запоминается» направление первоначального изгиба. Как правило, при изгибе кабеля по направлению первоначального изгиба фазовая стабильность лучше, чем при изгибе против первоначального изгиба. Частично или полностью избавиться от этого эффекта, по-видимому, можно путем термоциклирования кабеля [7], а также с помощью многократной перемотки кабеля во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Актуальность применения фазостабильных кабельных сборок

Сочетание системного и схемного анализа и современных технологий микроэлектроники создало условия для продвижения АФАР в область частот W‑диапазона вплоть до 110 ГГц. Управление одним или несколькими лучами АФАР обеспечивается электронным управлением фазы СВЧ-сигналов многочисленных приемопередающих модулей АФАР, при этом важную роль играют фазовые характеристики кабельных сборок, объединяющих указанные модули в систему.

Фазостабильные кабели и кабельные сборки приобретают все большее значение для современных радиочастотных систем, чувствительных к изменениям фазы [3, 4, 5]. В работе [3] показано, что применение кабельных сборок с малой величиной изменения фазы при внешних воздействиях способствует повышению усиления АФАР и улучшению помехозащищенности систем с АФАР.

В беспроводных системах связи, использующих адаптивный массив антенной системы и коммутируемый радиолуч, появляется возможность существенно увеличить зону обслуживания и обеспечить более эффективное применение предоставленного частотного диапазона.

К изменению фазы сигнала в кабельной сборке, возникающему при колебании температуры и при изгибе кабеля, чувствительны векторные анализаторы цепей и сигналов. Кабельные сборки для соединения измерительной аппаратуры с измеряемыми объектами выделяют в отдельный класс — «измерительные кабельные сборки». Измерительные кабельные сборки с высокой фазовой стабильностью способствуют увеличению интервала времени между последующими калибровками и уменьшают величину дрейфа температурно-зависимых систематических ошибок. Это дает возможность проведения измерений без дополнительной калибровки в ангарах или на открытом воздухе, где неизбежно изменение температуры [3]. К измерительным сборкам предъявляется дополнительное требование прочности при разнообразных механических воздействиях (изгибы, скручивание, сдавливание, вытягивание, трение).

Причины изменения фазы в зависимости от температуры

На протяжении многих лет усилия создателей радиочастотных кабелей были направлены на поиск диэлектрика с максимально постоянной и наименьшей по величине диэлектрической проницаемостью в рабочем диапазоне частот и температур. Наибольшее распространение для высокотемпературных кабелей и многих СВЧ-компонентов приобрел фторопласт PTFE [6]. Он имеет отличные диэлектрические свойства в диапазоне СВЧ: диэлектрическую проницаемость 2,0, тангенс угла диэлектрических потерь (2–2,5)×10^–4 в сочетании с высокой температурой применения до 260 °С. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ПТФЭ практически постоянны в диапазоне частот (0–10¹¹) Гц и в диапазоне температур от –60 до +250 °C. У ПТФЭ нет явно выраженной температуры плавления, и только при температуре +300 °C он начинает терять механическую прочность. При снижении температуры он становится более твердым, но даже при температуре жидкого азота не появляется хрупкость.

Основными недостатками ПТФЭ являются хладотекучесть (склонность к деформациям под механической нагрузкой при постоянной температуре), а также значительное объемное расширение при воздействии высокой температуры, например при пайке соединителей на кабель. Кроме того, этот материал имеет невысокую радиационную стойкость [4].

Главным же недостатком ПТФЭ, который многие годы создает проблемы для проектировщиков АФАР и прецизионной измерительной аппаратуры, является нелинейность фазовой характеристики кабеля — ее резкое изменение вблизи температуры 19 °C, называемое в зарубежной литературе «тефлоновым коленом» [8, 9, 10, 11, 12, 13]. Причина появления «тефлонового колена» — температурное изменение диэлектрической проницаемости ПТФЭ. В диапазоне температур 15–25 °С у ПТФЭ происходит скачкообразное изменение коэффициента линейного температурного расширения (ТКЛР) (рис. 5) [6].

Рис. 5. Усредненные значения ТКЛР ПТФЭ при различных температурах

Скачкообразное изменение ТКЛР обусловлено перестройкой кристаллической структуры ПТФЭ при температуре около 19,6 °C, сложный механизм которой рассмотрен в работах [3, 6]. Объем сплошного ПТФЭ в диапазоне температур 20–25 °С увеличивается на 1–1,8% в зависимости от степени кристалличности материала [6]. При увеличении объема плотность ПТФЭ уменьшается, и вследствие этого уменьшается диэлектрическая проницаемость (ε) материала.

При уменьшении ε электрическая длина кабеля, казалось бы, должна уменьшиться в √ε раз, и поэтому также должна уменьшиться фаза сигнала на выходе кабеля. Однако вследствие того, что изоляция в кабельной сборке зажата между внешним проводником и соединителями (особенно в случае полужесткого кабеля со сплошным металлическим внешним проводником), она не может свободно расширяться. Происходит ее уплотнение, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости (ε). В результате электрическая длина кабеля возрастает в √ε раз, и, соответственно, увеличивается фаза сигнала на выходе кабеля.

Существует и другая, хотя и менее значимая причина нелинейности температурно-фазовой характеристики кабелей [3]. При изменении температуры окружающей среды изменяются линейные размеры металлических проводников кабеля. Внутренний проводник кабеля изготавливают из посеребренных медных, сталемедных или алюмомедных проволок. ТКЛР медного проводника равен 17×10^–6 1/°C, алюминиевого проводника 24×10^–6 1/°C. При изменении температуры на 1 °C геометрическая длина кабеля с центральным проводником из меди увеличивается на 17 ppm, а с алюминиевым проводником еще больше — на 24 ppm. Пропорционально изменению геометрической длины кабеля изменяется и его электрическая длина. Например, в кабеле с изоляцией из пористого ПТФЭ замена материала внутреннего проводника с меди на алюминий приводит к ухудшению фазовой стабильности кабеля (рис. 6) [3].

Рис. 6. Изменение фазы в кабеле:
а) с медным проводником;
б) с алюминиевым внутренним проводником:
1 — суммарный эффект диэлектрика и проводника;
2 — только диэлектрика;
3 — только проводника

По этой причине для изготовления внутренних проводников кабеля целесообразно применять металлы с минимальным значением ТКЛР.

Сложнее обстоит дело с оплеткой из тонких металлических проволок. При изменении температуры проводники также удлиняются и укорачиваются, но не изменяют физическую длину кабеля, а при охлаждении передают усилие сжатия на изоляцию сердечника [3]. В результате увеличивается плотность диэлектрика и его диэлектрическая проницаемость.

Однако главную роль играют температурные эффекты в изоляции сердечника кабеля.

Пористый ПТФЭ

В 1970 году было обнаружено, что при растяжении нагретого стержня из сплошного ПТФЭ происходит образование пористости в структуре материала, в результате чего снижается его диэлектрическая проницаемость. Благодаря этой находке был создан фторопласт низкой плотности с малыми потерями — пористый ПТФЭ. Разработанный материал разные компании обозначают различными терминами: Low density PTFE, microporous PTFE, expanded PTFE (e‑PTFE). В данной статье он обозначен как «пористый ПТФЭ». Диэлектрическая проницаемость пористого ПТФЭ достигает значений 1,3–1,8, тангенс угла диэлектрических потерь (1–2)×10^–4 [4]. Улучшение диэлектрических свойств удалось обеспечить благодаря разработке новых методов изготовления пористого ПТФЭ в виде сплошного сердечника с помощью плунжерного прессования [14], а также применением пористых лент.

В сложной разветвленной структуре пористого ПТФЭ содержится большой процент воздуха. Разработан ряд оригинальных технологий получения пористой структуры ПТФЭ. В качестве примера на рис. 7 показаны созданные разными способами структуры пористого ПТФЭ, состоящие из пересекающихся волокон (фибрилл) и пустот (пор) между ними [15].

Рис. 7. Электронно-микроскопические снимки структуры пористого ПТФЭ (увеличение ×10 000)

Пористый ПТФЭ в качестве материала изоляции кабеля начали широко использовать с 1970‑х годов, когда низкие потери радиочастотных кабельных сборок стали приоритетными. Данный материал применяют при изготовлении кабелей с улучшенной фазовой стабильностью, поскольку он обеспечивает уменьшение высоты «тефлонового колена».

В настоящее время используются две технологии изготовления пористой полувоздушной изоляции коаксиальных радиочастотных кабелей. Первая широко распространенная технология — обмотка внутреннего проводника пористыми лентами из ПТФЭ. Ленты, имеющие определенную толщину и ширину, накладываются на внутренний проводник послойно методом спиральной намотки. Необходимый диаметр изоляции обеспечивается подбором соответствующего количества накладываемых слоев. Метод универсален, но обладает одним принципиальным недостатком, обусловленным периодичностью структуры изоляции, образуемой спиральной обмоткой. Как следствие этого, всегда существует вероятность возникновения пиков отражения (рис. 10б) передаваемых сигналов с длинами волн, кратными шагу обмотки.

Второй способ получения полувоздушной изоляции из ПТФЭ — технология плунжерного прессования для нанесения на внутренний проводник специальной пасты, приготовленной на основе порошка из ПТФЭ, с последующим запеканием изоляционного слоя при соответствующей температуре.

Радиочастотный кабель с пористой структурой изоляции из ПТФЭ выпускают ограниченное число производителей, используя запатентованную ими технологию. Технология представляется перспективной, но пока еще существуют трудности ее применения для изготовления кабелей с диаметром изоляции более 3 мм.

На рис. 8 проиллюстрировано различие температурно-фазовых характеристик кабелей с изоляцией из пористого и сплошного ПТФЭ [2].

Рис. 8. Температурно-фазовые характеристики кабелей с диэлектриком из пористого и сплошного ПТФЭ

Скорость распространения сигнала (Vp) в кабелях с изоляцией из пористого ПТФЭ приблизительно до 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из сплошного ПТФЭ. Напри-мер, в кабеле 090-36 компании W.L.Gore & Associates с диэлектриком из пористого ПТФЭ (30% ПТФЭ, 70% воздуха, диэлектрическая проницаемость 1,38) скорость распространения сигнала равна 85% [2].

Пористый ПТФЭ широко применяют для изоляции высокотемпературных радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне температур от –60 до +250 °C. Снижение диэлектрической проницаемости изоляции позволяет также увеличить диаметр внутреннего проводника при сохранении номинального значения волнового сопротивления и благодаря этому дополнительно уменьшить потери в кабеле.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает кабели с пористой ленточной изоляцией из ПТФЭ, однако по уровню параметров они уступают зарубежным аналогам. Параметры некоторых зарубежных кабелей с предельной частотой 40 ГГц с изоляцией из пористого фторопласта приведены в таблице 1.

Примечание. Приняты следующие обозначения: ε — диэлектрическая проницаемость; V_p — скорость распространения сигнала; t_зад — время задержки сигнала; С — электрическая емкость единицы длины кабеля; ΔΨ(Т) — изменение фазы при изменении температуры; α — коэффициент затухания; ΔΨ — изменение фазы при изгибе (на оправке диаметра ∅, частота измерения f); ΔТ_раб — диапазон рабочих температур; Celloflon — пористый ПТФЭ, запатентован компанией AXON’ Cable & Interconnect.

Оболочки всех кабелей, приведенных в таблице 1, за исключением кабелей SHF3М и DXM141, выполнены из диэлектрика ФЭП. Для повышения радиационной стойкости в кабеле SHF3М оболочка изготовлена из ПФА (отечественный аналог Ф‑50), а в кабеле DXM141 — из ETFE (Tefzel), отечественный аналог Ф‑40.

Сравнение кабелей разных компаний по температурной фазовой стабильности несколько затрудняет то, что она приведена в разных единицах измерения: ppm и °/ГГц/м. Хотя очевидно, что графические температурные зависимости изменения фазы, построенные в каждой из этих единиц, имеют одинаковый характер [16].

В сердечниках кабелей компании Dynawave использована плунжерная изоляция из пористого ПТФЭ (технология Dyna Core) — рис. 9 [17]. По сравнению с кабелем с ленточной намоткой кабель с плунжерной изоляцией выдерживает без изменения формы бóльшие усилия сжатия и изгиба.

Рис. 9.
а) Кабели с ленточной изоляцией;
б) с плунжерной изоляцией;
в) разделка кабелей перед установкой соединителя (стрелками показано качество разделки кабелей)

Кабели серии Dyna Core имеют более стабильную частотную зависимость КСВн по сравнению с кабелями с ленточной изоляцией (рис. 10).

Рис. 10. КСВн кабелей:
а) с плунжерной изоляцией;
б) с ленточной изоляцией

Наивысший уровень параметров кабелей с изоляцией из пористого ПТФЭ, по нашему мнению, достигнут компанией W. L. Gore & Associates, создавшей кабели серии СХ с предельной частотой 110 ГГц [2]. Уникальные параметры кабельной сборки на основе кабеля серии СХ и соединителей 1.0‑mm приведены в таблице 2 и на рис. 11.

Рис. 11.
а) Внешний вид кабельной сборки;
б) электрические характеристики кабельной сборки из кабеля СХ

Заключение

Применение ПТФЭ позволило значительно улучшить технические характеристики кабелей и кабельных сборок диапазона СВЧ. Кабели с изоляцией из пористого ПТФЭ достигли предельной частоты 110 ГГц и скорости распространения сигнала 88%.

Существенным недостатком кабелей, в которых применен как сплошной, так и пористый ПТФЭ, является нелинейность температурно-фазовой характеристики с так называемым «тефлоновым коленом». Единственным способом устранения этого недостатка является замена ПТФЭ на другие полимерные или минеральные диэлектрики.

Разработку кабелей и кабельных сборок СВЧ-диапазона с улучшенной фазовой стабильностью в течение многих лет осуществляют ведущие зарубежные компании. К сожалению, в нашей стране этой проблеме до настоящего времени не уделяется должного внимания. Для создания фазостабильных кабельных сборок с высоким уровнем параметров необходимо проведение исследований и разработка более совершенных отечественных диэлектриков, внедрение новых технологий получения пористых ди-электриков и их нанесения по перспективной плунжерной технологии. Необходимо разработать отечественную методику измерения температурно-фазовых характеристик кабельных сборок, подобную методике, приведенной в работе [8], c определением требований к измерительным кабелям с линейной температурно-фазовой характеристикой. Наконец, давно назрела необходимость создания соответствующей нормативной базы взамен устаревшей.

Авторы выражают благодарность Н. А. Некипелову за помощь в подготовке иллюстративного материала для данной статьи.