Фазостабильный кабель что это
Фазовая стабильность кабельных сборок СВЧ с диэлектриком ПТФЭ
Возросший интерес разработчиков радиоэлектронной аппаратуры к фазовой стабильности кабельных сборок СВЧ диапазона обусловлен, прежде всего, расширением диапазона рабочих частот и необходимостью улучшения эксплуатационных характеристик активных фазированных антенных решёток (АФАР). Жесткие требования к фазовым характеристикам кабельных сборок предъявляют также современные радары, системы связи, многопортовые измерительные системы.
Данная статья посвящена рассмотрению фазовой стабильности кабельных сборок СВЧ c изоляцией из политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласт-4).
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 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 определённых внешних воздействий и, как следствие этого, 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 Ψизг. 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 ΔΨизг. следует понимать разность Ψ(T0) — Ψизг.(T0), где Ψ(T0) — фаза до проведения изгиба, Ψизг.(T0) — фаза, измеренная при изгибе (изгибах) по конкретной методике, T0 — опорная, базовая температура, принятая разными компаниями равной 20 или 25 °С.
Фазовый сдвиг в зависимости от температуры большинство зарубежных компаний представляет в виде графика в относительных безразмерных единицах ppm (part pro million — миллионные доли):
ΔΨ [ppm] = [Ψ(T) — Ψ(T0)]∙10 6 / Ψ(T0), где Ψ(T) и Ψ(T0) — фазовые сдвиги при заданной Т и опорной T0 температурах.
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 монолитного и пористого ПТФЭ, имеющих разную скорость распространения сигнала Vp [3].
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 ГГц и на физическую длину кабельной сборки в метрах.
В обоих принятых обозначениях фазового сдвига допущены два предположения:
Рис. 2. Типовые температурные зависимости фазового сдвига кабельных сборок с разными скоростями распространения сигнала Vp
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 одним и тем же производителем из кабеля одной марки. Поэтому целесообразно ввести понятие «фазоидентичные кабельные сборки» с указанием допустимого отличия фазы для группы кабельных сборок. Степень фазовой идентичности кабельных сборок показывают поля допусков зависимостей сдвига фазы от температуры и изгиба, приводимые компаниями. Например, в ТУ на кабельные сборки из кабеля UFA210B компания 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:
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 дюйма ( 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
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 отражённого сигнала кабель сначала изгибают по часовой стрелке вокруг оправки на 180º, 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 авторам 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 5-ти зарубежных компаний. Измерения выполнены на частоте 18 ГГц при следующей последовательности действий — рис.4:
Рис.4. Схема изгиба кабеля в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях. Исходное положение показано ранее на рис. 3а
а) намотка кабеля на горизонтально расположенную оправку и возврат в исходное положение — рис. 4а;
б) намотка кабеля на вертикально расположенную оправку — рис. 4б. Направление намотки при этом не изменялось.
В результате измерений было установлено:
Результаты этих экспериментов позволяют сделать следующие выводы:
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 с монолитным 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 использованием 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 приёмо-передающих 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 5. В работе [3] показано, что применение кабельных сборок с малой величиной изменения фазы при внешних воздействиях способствует повышению усиления АФАР и улучшению помехозащищённости 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 использование 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 даёт возможность проведения измерений без дополнительной калибровки в ангарах или на открытом воздухе, где неизбежно изменение температуры [3]. К измерительным сборкам предъявляется также дополнительное требование прочности при разнообразных механических воздействиях (изгибы, скручивание, сдавливание, вытягивание, трение).
Причины изменения фазы в зависимости от температуры
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 создаёт проблемы для проектировщиков АФАР и прецизионной измерительной аппаратуры, является нелинейность фазовой характеристики кабеля — её резкое изменение вблизи температуры 19 °С, называемое в зарубежной литературе «тефлоновым коленом» 12. 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° С, сложный механизм которой рассмотрен в работах [3, 6]. Объем монолитного ПТФЭ в диапазоне температур (20. 25) °С увеличивается на (1,0. 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 полужёсткого кабеля, со сплошным металлическим внешним проводником), изоляция 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.
Рис. 6. Изменение фазы в кабеле с медным (а) и алюминиевым (б) внутренним проводниками
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 этого увеличиваются плотность диэлектрика и его диэлектрическая проницаемость. Однако главную роль играют температурные эффекты в изоляции сердечника кабеля.
Пористый ПТФЭ
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 полученные 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 10000 х
Пористый ПТФЭ в качестве материала изоляции кабеля стали широко использовать с 1970-х годов, когда низкие потери радиочастотных кабельных сборок стали приоритетными. Данный материал применяют при изготовлении кабелей с улучшенной фазовой стабильностью, так как он обеспечивает уменьшение высоты «тефлонового колена».
В настоящее время используются две технологии изготовления пористой, полувоздушной изоляции коаксиальных радиочастотных кабелей. Первая широко используемая технология — обмотка внутреннего проводника пористыми лентами из ПТФЭ. Ленты, имеющие определённую толщину и ширину, накладываются на внутренний проводник послойно методом спиральной намотки. Необходимый диаметр изоляции обеспечивается подбором соответствующего количества накладываемых слоёв. Метод универсален, но обладает одним принципиальным недостатком, обусловленным периодичностью структуры изоляции, образуемой спиральной обмоткой. Как следствие, всегда существует вероятность возникновения пиков отражения (см. ниже 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 с использованием 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.
Рис. 8 иллюстрирует различие температурно-фазовых характеристик кабелей с изоляцией из пористого и сплошного, монолитного ПТФЭ [2].
Рис.8. Температурно-фазовые характеристики кабелей с диэлектриком из пористого и монолитного ПТФЭ
Скорость распространения сигнала (Vp) в кабелях с изоляцией из пористого ПТФЭ приблизительно на 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из сплошного ПТФЭ. Например, в кабеле 090-36 компании Gore 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 (-60. 250) °С. Снижение диэлектрической проницаемости изоляции позволяет увеличить диаметр внутреннего проводника при сохранении номинального значения волнового сопротивления и, благодаря этому, дополнительно уменьшить потери в кабеле.
Отечественная промышленность в настоящее время 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.
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.
Таблица 1. Параметры некоторых зарубежных кабелей с предельной частотой 40 ГГц с сердечником из пористого ПТФЭ
| № п/п | Компания-производитель, государство, сайт | Марка кабеля | Диэлектрик сердечника | Диаметр по оболочке, мм | Vp, % | tзад., нс/м | С, пФ/м | Δψ(Т), ppm; °/ГГц/м (при ΔТ, °С) | Δψ, º при изгибе (º изгиба; Ø мм; f) | α, дБ/м; f = 40 ГГц | ΔТраб., °С | Кол-во перегибов | |
| Тип | ε | ||||||||||||
| 1 | AtlanTecRF, Великобритания www.atlantecrf.com | ACO-CA40 | экструзия | 1,7 | 4,3 | 77 | 4,35 | 86 | 1300 ppm; 2 (—40. 80) | ±4 (18 ГГц) | 2,48 | -55. 135 | 1·10 6 |
| 2 | GIGA LANE, Южная Корея www.gigalane.com | GL140s | экструзия | 1,7 | 4,2 | 77 | 4,35 | 86 | 1400 ppm; 2,1 (—40. 80) | ±4 (360°; Ø20,3; 18 ГГц) | 2,51 | -55. 135 | |
| LL150 | 3,81 | 84 | 3,93 | ||||||||||
Приняты следующие обозначения:
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. Кабели с ленточной (а) и плунжерной (б) изоляцией, разделка кабелей перед установкой соединителя (в). 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 с плунжерной (а) и ленточной изоляцией (б)
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.
Таблица 2. Параметры кабельной сборки длиной 16 см из кабеля CX компании W.L.Gore & Associates
Электрические параметры
Механические и эксплуатационные параметры
Рис. 11. Внешний вид и 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, скорости распространения сигнала 88 %.
Существенным недостатком кабелей, в которых применён как монолитный, 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 должное внимание. Для создания фазостабильных кабельных сборок с высоким уровнем параметров необходимо проведение исследований и разработка более совершенных отечественных диэлектриков, внедрение новых технологий получения пористых диэлектриков 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.
Литература
Авторы выражают благодарность Некипелову Н.А. за помощь в подготовке иллюстративного материала для данной статьи.
Данный материал опубликован в журнале «Компоненты и технологии» № 6, 2015
Первые отечественные фазостабильные СВЧ кабельные сборки повышенной теплостойкости
Введение
Возрастающий интерес разработчиков радиоэлектронной аппаратуры к фазовой стабильности кабельных сборок СВЧ-диапазона обусловлен, прежде всего, расширением диапазона рабочих частот и необходимостью улучшения эксплуатационных характеристик активных фазированных антенных решеток (АФАР). Дополнительные требования к фазовым характеристикам кабельных сборок предъявляют также многопортовые измерительные системы, системы связи, установки для физических и медицинских применений [1].
Снижение изменения фазы кабельных сборок за счёт внешних воздействий в беспроводных системах с АФАР приводит к снижению остаточных ошибок и неопределенностей. В результате обеспечивается возможность увеличения зоны обслуживания систем и реализуется более эффективное использование предоставленного частотного диапазона.
До недавних пор отечественная промышленность не выпускала коаксиальные кабели, отвечающие определению ГОСТ Р 58416-2019 [2]: «Фазостабильный кабель (phase stable cable) ‒ коаксиальный кабель с нормированным температурным коэффициентом фазы по условиям эксплуатации и/или значением изменения фазы при изгибах». Соответственно, фазостабильной следует считать кабельную сборку, имеющую нормированную стабильность электрической длины в условиях определенных внешних воздействий и, как следствие, гарантированную стабильность вносимого фазового сдвига.
В правительственную программу импортозамещения включена задача разработки и выпуска отечественных радиочастотных фазостабильных кабельных сборок (ФКС). К выполнению этой задачи в процессе конкурсного отбора было привлечено научно-производственное предприятие «Спецкабель».
В процессе анализа значительного объёма публикаций зарубежных компаний, выпускающих ФКС, сформулированы основные положения, подлежащие решению в процессе выполнения работ по ОКР «Источник И5» ‒ «Разработка и освоение серийного производства на отечественном предприятии серии коаксиальных радиочастотных кабелей на температуру до 165 ºС» и ОКР «Источник 21» ‒ «Разработка и освоение серийного производства серии фазостабильных радиочастотных кабельных сборок»:
1. Для реализации повышенной теплостойкости ФКС в качестве материала изолятора кабелей использовать фторполимер Ф-4 (PTFE), оболочку кабелей выполнить из фторполимера Ф-4МБ (FEP) и опорные изоляторы центральных проводников соединителей выполнить из высокотемпературного экструдируемого диэлектрика PЕЕК (PolyEtherEtherKetone).
2. Для снижения коэффициента затухания кабелей на частотах до 40 ГГц изоляторы кабелей выполнить в виде наложенных спирально на центральные проводники кабелей полувоздушных лент из ПТФЭ.
3. С целью повышения затухания экранирования кабелей использовать двухслойное экранирование изолятора кабелей в виде спирально наложенных лент из медной фольги, покрытой серебром, и экрана в виде традиционной оплётки из серебрёных медных проволок.
4. При контроле фазовой стабильности большинство производителей ФКС отдают предпочтение измерению вариаций фазы в зависимости от частоты при изгибе КС вокруг оправок соответствующего диаметра [1, 2, 3], при этом единая стандартизованная методика изгибов отсутствует.
Для улучшения фазовой стабильности ФКС стандарт МЭК [4] рекомендует проводить предварительное кондиционирование вновь изготовленных кабелей, используя процедуру термоциклирования. Считаем целесообразным выполнение дополнительных исследовательских работ по термоциклированию вновь изготовленных фазостабильных кабелей по методике стандарта [4] с последующим анализом результатов исследований.
5. Для повышения качественных характеристик и расширения областей использования ФКС ввести приёмку ВП МО РФ на разрабатываемые фазостабильные кабельные сборки, а также на разрабатываемые для них марки кабелей и соединители.
1. Мероприятия по выпуску отечественных фазостабильных кабельных сборок повышенной теплостойкости
НПП «Спецкабель» с момента своего основания и по сей день уделяет значительное внимание вопросам импортозамещения ‒ замены зарубежной кабельной продукции аналогичными отечественными изделиями. В процессе подготовки к разработке и выпуску фазостабильных радиочастотных кабелей и соединителей в феврале 2017 года вышла в свет статья [5]. Начиная с 2016 года проведены успешные работы по выбору и приобретению нового технологического оборудования, а также материалов и комплектующих для изготовления фазостабильных кабельных сборок.
В течение 2016-2017 гг. предприятие приобрело и ввело в эксплуатацию горизонтальную лентообмоточную линию фирмы Lukas.
В 2017-2018 гг. введена в эксплуатацию экструзионная линия наложения изоляции из вспененных фторполимеров и ошлангованияфирмы Maillefer. Линия предназначена для переработки фторополимеров FEP, PFA, ETFE, PVDF и др. [5].
1.1 Фазостабильные кабели повышенной теплостойкости
В рамках ОКР «Источник И5» было разработано и освоено серийное производство семейства кабелей с выпуском технических условий ФЖТК.685671.089 ТУ и ДКЮГ.358800.030 ТУ (см. Таблицу 1.1). Зарубежными аналогами разработанных кабелей являются кабели для гибких кабельных сборок СВЧ семейства UTiFLEX® компании Carlisle Interconnect Technologies (www.carlisleit.com).
Рис. 1.1 Конструкция кабелей, разработанных по ОКР «Источник И5»
Таблица 1.1 – параметры коаксиальных фазостабильных радиочастотных кабелей повышенной теплостойкости (по данным ФЖТК.685671.089 ТУ и ДКЮГ.358800.030 ТУ)
| № позиции на рис.1.1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
2) Зелёным цветом обозначены значения, реально измеренные в процессе испытаний;
3) Свободные ячейки предназначены для результатов последующих измерений.
1.2 Соединители для фазостабильных кабелей
В рамках ОКР «Источник 21» разработан комплект документации, в том числе ФЖТК.685671.097 ТУ, и налажен выпуск кабельных сборок из вновь изготовленных фазостабильных радиочастотных кабелей со специально разработанными соединителями для каждой новой марки кабелей.
Соисполнителем ОКР «Источник 21» выбрано предприятие «Соединитель» (г. Миасс, Челябинская обл.), сотрудники которого выпустили комплект конструкторской и текстовой документации, в частности АГСП.430421.009 ТУ, и освоили серийное производство семейства радиочастотных соединителей
СР 50, предназначенных для использования в составе кабельных сборок на основе рассмотренных выше фазостабильных кабелей.
Соединители изготавливают с габаритно-присоединительными размерами 2,92 мм по МЭК 61169-35; 3,5 мм, IX вар.3, N, SMA по ГОСТ РВ 51914 ; III, IX по ГОСТ 20265, а также ВР – врубного типа.
На рис.1.2 в качестве примера показаны установленные на кабели вилки кабельные СР 50-13-292 с присоединительным размером 2,92 мм и СР 50-13-35 с присоединительным размером 3,5 мм.
Рис.1.2 Соединители СР 50-13-292-2-42 и СР 50-13-35-4-420, установленные на тестируемые кабели РК 50-2-42-С и РК 50-4-420-С соответственно
На рис. 1.3 приведено изображение типового соединителя с входящими конструктивными узлами. В условном обозначении соединителя
СР 50-13-IX-2-42 содержится следующая информация:
«Соединитель радиочастотный с волновым сопротивлением 50 Ом (СР 50), вилка кабельная (1) с цангой под крепление внутреннего проводника и пайку внешнего проводника кабеля (3), тип соединения IX по ГОСТ 20265, для коаксиального кабеля РК 50-2-42-С».
Рис. 1.3 Соединитель СР 50-13-IX-2-42 с входящими конструктивными узлами
Основные преимущества типового соединителя семейства СР 50:
2 Термоциклирование вновь изготовленных фазостабильных кабелей
По мнению авторов [4] «на соотношение фазы и температуры новых кабелей оказывают влияние необратимые отклонения фазовой постоянной; эти отклонения можно уменьшить циклическим воздействием температуры».
Описанный в [4] метод рекомендует для снижения отклонений фазы кабелей за счёт изгибов выполнить процедуру их предварительного кондиционирования (preconditioning), температурная циклограмма которой представлена на рисунке:
t0 – температура воздуха в лаборатории;
tmax – максимальная рабочая температура и
tmin – минимальная температура, указанные в ТУ на КС.
Для подтверждения возможности улучшения температурно-фазовых характеристик вновь изготовленных кабелей в испытательном центре НПП «Спецкабель» в период с декабря 2020 г. по февраль 2021 г. выполнены исследовательские испытания с использованием рекомендаций международного стандарта [4], результаты которых приведены ниже.
2.1 Объекты и задачи испытаний
Объектами испытаний являются радиочастотные кабельные сборки (КС) из изготовленных вновь кабелей (см. раздел 1.2) со специально разработанными соединителями, описанными в разделе 1.2.
Таблица 2.1 – Конструктивные параметры тестируемых кабельных сборок
| К-во, шт. | Тип соединителя (слева и справа) | Марка кабеля | Lфр‒ реальная физ. длина сборки, мм | Диапазон рабочих температур | Маркировка КС |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1 | СР 50-13-292-2-42 4 шт. | РК 50-2-42-С | 10037 | ‒60…+165 | РК 50-2-42-С; №1 |
| 1 | 10045 | РК 50-2-42-С; №2 | |||
| 1 | СР 50-13-35-4-420 4 шт. | РК 50-4-420-С | 10048 | РК 50-4-420-С; №1 | |
| 1 | 10049 | РК 50-4-420-С; №2 |
КС изготовлены по техническим условиям ФЖТК.685671.097 ТУ. В состав сборок входят кабели, изготовленные по техническим условиям ДКЮГ.358800.030 ТУ и ФЖТК.358800.089 ТУ, и соединители, изготовленные по техническим условиям АГСП.430421.009 ТУ.
Измеренные до термоциклирования электрические параметры КС приведены в Таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Электрические параметры тестируемых кабельных сборок, измеренные при нормальной температуре до термоциклирования
| Маркировки ФКС | КСВ на частотах 10 ГГц / 18 ГГц | Затухание на частотах при температуре 25° С, дБ | Расширенная фаза на частотах при температуре 25° С, (°) | Диэлектрическая проницаемость,ε | ||
| 10 ГГц | 18 ГГц | 10 ГГц | 18 ГГц | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| РК 50-2-42-С; №1 | 1,14/1,.07 | ‒11.50 | ‒15.42 | 146 814,8 | 264 234,7 | 1,49 |
| РК 50-2-42-С; №2 | 1,10/1,07 | ‒11.76 | ‒15.78 | 146 988,9 | 264 547,6 | 1,49 |
| РК 50-4-420-С №1 | 1,25/1,08 | ‒8.08 | ‒10.81 | 149536,9 | 269 150,8 | 1,54 |
| РК 50-4-420-С №2 | 1,06/1,13 | ‒7.94 | ‒10.77 | 149479,6 | 269 045,7 | 1,54 |
Параметры тестируемых КС ‒ реальная физическая длина из Таблицы 2.1, затухание на частоте 18 ГГц и диэлектрическая проницаемость ε из Таблицы 2.2 ‒ использовались в программном обеспечении установки УГКИ.
В задачи испытаний входит:
2.2 Рабочее место для выполнения термоциклирования
Термоциклирование тестируемых КС проводились на установке для групповых климатических испытаний УГКИ СБЕД.440124.001. Установка запатентована [6] и предназначена, прежде всего, для выполнения исследовательских работ. Программное обеспечение (ПО), установленное в компьютер УГКИ, обеспечивает проведение температурных испытаний по предварительно введённому в ПО заданию, без привлечения оператора в процессе испытаний.
Установка выполняет измерения вносимой фазовой задержки от температуры – φ(t) и затухания от температуры – а(t) для четырёх коаксиальных кабельных сборок, одновременно размещаемых в климатической камере и коммутируемых последовательно.
За счёт автоматизации задаваемого цикла климатических испытаний установка обеспечивает:
а) сокращение трудоёмкости и общего времени испытаний за счёт установленного программно времени выдержки КС на каждой из температур и автоматического перехода от предыдущей температуры к последующей;
б) возможность одновременной количественной оценки температурных характеристик до четырёх КС;
в) повышение достоверности и точности полученных результатов измерений за счёт минимизации влияния человеческого фактора;
г) автоматическое формирование протоколов испытаний каждой КС.
На установку УГКИ выпущен полный комплект эксплуатационной документации, в том числе руководство по эксплуатации СБЕД.440124.001 РЭ. Установка предназначена для работы в нормальных климатических условиях и размещается в помещении лаборатории комплексных испытаний НПП «Спецкабель».
2.3 Методы механических воздействий на тестируемые КС
Процедура тестирования четырёх КС на два вида изгиба произведена дважды – до проведения термоциклирования и после термоциклирования, с сохранением результатов измерений в Таблицах 2.3.1 и 2.3.2.
В качестве примера на рис.2.3.1 приведены графики изменения фазы кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С от частоты, полученные на экране векторного анализатора цепей (ВАЦ) ZVB 20 при тестировании на U-изгиб в нормальных климатических условиях.
Графики с обозначением «diff_a_b» соответствуют изменению фазы (длины в электрических градусах) при первом изгибе КС (вверх), с обозначением «diff_a_с» ‒ при втором изгибе (вниз) (см. раздел 2.4). Графики с обозначением А) соответствуют измерениям до термоциклирования, с обозначением Б) ‒ после термоциклирования.
 А) |  Б) |
Рис.2.3.1 Изменение фазы кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С при тестировании на U-изгиб
В строки Таблиц 2.3.1 и 2.3.2 с подзаголовками «Тестирование на U-изгиб» и «Тестирование на скручивание» внесены значения изменения фазы на частотах 10 ГГц и 18 ГГц, которым соответствуют маркеры М1 и М2.
Полученные при этих и последующих измерениях данные с обозначениями а-b (°) и а-c (°) сведены в Таблицы 2.3.1 и 2.3.2. Наличие в этих обозначениях дополнительного индекса «-U» соответствует U-изгибу, а индекса «-tw» ‒ изгибу на скручивание.
Здесь и далее обозначение (°) соответствует градусам электрической длины.
Таблица 2.3.1 – Электрическая длина кабельных сборок при двух видах тестирования до проведения термоциклирования
Тестирование на скручивание проводилось непосредственно после тестирования на изгиб, с использованием в этих случаях и в дальнейшем цилиндрической оправки диаметром 50 мм.
Перед выполнением каждого тестирования проводилось измерение электрической длины каждой КС.
После двукратного U-изгиба КС – вверх и вниз на 180° вокруг оправки – наблюдалось уменьшение электрической длины каждой КС на величину
Δφ1 = φ1 – φ2 (см. нижнюю строку Таблицы 2.3).
Таблица 2.3.2 –Электрическая длина кабельных сборок при двух видах тестирования после проведения термоциклирования
| Электрическая длина | РК 50-2-42-С; №1 | РК 50-2-42-С; №2 | РК 50-4-420-С; №1 | РК 50-4-420-С; №2 | ||||
| 10 ГГц | 18 ГГц | 10 ГГц | 18 ГГц | 10 ГГц | 18 ГГц | 10 ГГц | 18 ГГц | |
| Тестирование на U-изгиб | ||||||||
| φ3 (°) | 146 857 | 264 308 | 147 001 | 264 569 | 149 795 | 269 609 | 149 722 | 269 476 |
| а-b(°)-U | 0,86 | 1,39 | 1,92 | 3,14 | 2,45 | 2,91 | 1,15 | 0,26 |
| а-c(°)-U | 3,33 | 5,85 | 7,23 | 12.903 | 8,80 | 14,46 | 5,48 | 8,35 |
| Тестирование на скручивание | ||||||||
| φ4(°) | 146 849 | 264 294 | 146 993 | 264 555 | 149 785 | 269 592 | 149 715 | 269 468* |
| а-b(°)-tw | -3,23 | -5,13 | -1,49 | -2,19 | -5,58 | -9,76 | -5,40 | -10,23 |
| а-c(°)-tw | 6,36 | 12,13 | 3,94 | 7,62 | 6,04 | 10,93 | 9,47 | 16,64 |
| Δφ3 (°) | 8 | 14 | 8 | 14 | 10 | 17 | 7 | 8 |
Сравнение численных значений Δφ3 и Δφ1 в Таблице 2.3 показывает, что изменение фазы тестируемых сборок после термоциклирования при U-изгибах существенно уменьшилось.
2.4 Результаты тестирования на U-изгиб
Операции по тестированию КС на U-изгиб выполнены в соответствии с рекомендациями МЭК [4], что проиллюстрировано на рис.2.4.1.
Рис. 2.4.1 Тестирование на U-изгиб
Для удобства дальнейшего анализа данные Таблиц 2.3.1 и 2.3.2 использованы для построения гистограмм рис. 2.4.2….2.4.5, на которых изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U на частоте 18 ГГц до термоциклирования представлены голубым и фиолетовым цветом, а после термоциклирования – зелёным и коричневым цветом.
Рис.2.4.2 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С
Рис.2.4.3 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №2 РК 50-2-42-С
Рис.2.4.4 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №1 РК 50-4-420-С
Рис.2.4.5 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №2 РК 50-4-420-С
2.5 Результаты тестирования на скручивание
Действия при тестировании КС на скручивание выполнены в соответствии с рекомендациями стандарта [4], что иллюстрирует рис.2.5.1.
Рис.2.5.1 Тестирование на скручивание
На рисунках 2.5.2…2.5.5 приведены гистограммы, построенные по данным Таблиц 2.3.1 и 2.3.2, показывающие изменение электрической длины а-b (°)-tw и
а-с (°)-tw четырёх кабельных сборок на частоте 18 ГГц при тестировании на скручивание.
Изменения с обозначением «a-b» соответствуют изменению фазы при вращении оправки на минус 180° (против часовой стрелки), а с обозначением
«a-с» ‒ при вращении оправки на 180° (по часовой стрелке).
Рис.2.5.2 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С
Рис.2.5.3 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №2 РК 50-2-42-С
Рис.2.5.4 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №1 РК 50-4-420-С
Рис.2.5.5 Изменения фазы а-b (°)-tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №2 РК 50-4-420-С
2.6 Изменение электрической длины φ и затухания а тестируемых кабельных сборок в процессе термоциклирования
Термоциклирование (температурное кондиционирование) выполнено одновременно для 4-х тестируемых КС, параметры которых приведены в Таблицах 2.1 и 2.2.
Измерения проводились векторным анализатором цепей ZVB 20 компании Rohde & Schwarz в диапазоне частот (10…20 000) МГц при полосе пропускания 1 кГц. Необходимая информация о тестируемых кабельных сборках и о климатической камере SE-600-6-6 компании Thermotron (США) вносилась в ПО установки УГКИ, после чего была реализована температурная циклограмма, изображённая на рис.2.6.1.
Рис.2.6.1 Температурная циклограмма кондиционирования 4-х кабельных сборок на установке УГКИ
После выполнения 6 циклов термоциклирования получены формируемые программно Протоколы измерения температурных параметров четырёх тестируемых КС. Каждый Протокол содержит таблицы с данными измерений φ(Т) и а(Т), выполненных в конце каждого циклического температурного воздействия (см. обозначения в эллипсах на рис.2.6.1).
На рис.2.6.2 представлены графики, построенные по измеренным φ(Т) ‒ электрической длины каждой из четырёх тестируемых КС в относительных единицах PPM, измеренные на частоте 18 ГГц.
 Увеличение φ на 26 и 19% |  Увеличение φ на 27 и 18% |
 Увеличение φ на 3 и 6% |  Увеличение φ на 3 и 4% |
Рис.2.6.2 Зависимость электрической длины φ четырёх КС при циклическом изменении температур
2.7 Анализ результатов исследований
Анализ результатов исследований кабельных сборок из первых отечественных фазостабильных кабелей СВЧ по рекомендациям стандарта [4] позволяет сделать следующие ВЫВОДЫ:
2.7.1 После термоциклирования кабельные сборки приобрели более прогнозируемые характеристики:
2.7.2 После термоциклирования измеренные значения затухания тестируемых КС на частоте 18 ГГц незначительно изменились: у сборок РК 50-2-42-С №1 и №2 затухание а увеличилось на 0,1 %, в то время как у сборок РК 50-4-420-С №1 и №2 увеличение затухания составило 0,3 %.
2.7.3 Полученные результаты подтверждают целесообразность проведения термоциклирования вновь изготовленных отечественных фазостабильных кабелых сборокСВЧ, предназначенных для ответственных применений.
2.7.4 Дополнительные возможности улучшения фазовой стабильности может обеспечить проведение исследований вновь изготовленных фазостабильных кабельных сборок на «анизатропность» [1] ‒ определение различия вносимого фазового сдвига при изменении плоскости изгиба кабеля. Эти исследования позволят определить наличие эффекта «памяти» (elastic memory) кабеля [1] и разработать рекомендации по уменьшению или исключению эффекта «памяти» с помощью многократной перемотки кабеля во взаимно перпендикулярных плоскостях до или после термоциклирования.
2.7.5 Описанные в статье исследования проводились по личной инициативе авторов статьи, потребовав значительных временных и материальных затрат.
В случае заинтересованности потенциальных заказчиков в гарантированном улучшении фазовой стабильности описанных в статье кабельных сборок необходимо согласование детальной Программы с указанием объёма и последовательности дополнительных работ, с согласованием размера и источников дополнительного финансирования.
Авторы выражают благодарность М.И. Шалыгину за помощь в подготовке иллюстративных материалов для данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
Статья опубликована в журнале КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ. № 6 за 2021