一种稳幅稳相铠装测试电缆组件的研发

丁 晟，宋德柱

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

近年来随着通信和微波领域的快速发展，测试电缆广泛应用于通信测试、实验室测试、工业测试、仪器设备配套、军事以及航天领域。大量的微波和射频应用场景都需要稳定可靠且耐用的测试电缆组件来满足使用要求。国内测试电缆良莠不齐，测试精度不够，可重复性差，抗弯曲能力差，长期可靠性差，基本上处于中低端测试领域，高端和高可靠性市场长期由国外厂家把持。根据公司详细的市场和技术调查，各大军工单位迫切需要优质且耐用的国产测试电缆组件。因此，一款能够经受真实环境考验、性能稳定、持久耐用的稳幅稳相铠装测试电缆组件应运而生。

2 产品研制

2.1 产品组成

稳幅稳相铠装测试电缆组件由测试级连接器和稳幅稳相内铠装微波测试电缆两大部分组成。

2.2 产品功能及技术特点

1) 电气性能稳定，确保一致、可重复的测试结果，相位变化≤2°，插损变化±0.1dB；

2)使用频率高达40GHz,电气性能优越；

3)铠装电缆结构，具有坚固、耐压、耐扭和耐弯曲等特点；

4)弯曲、抖动、温度变化下的幅相稳定性。

2.3 主要技术指标

表1 主要技术指标

2.4 结构设计

2.4.1 产品结构

稳幅稳相铠装测试电缆组件由两个2.92mm系列射频同轴连接器以及铠甲电缆组成。2.92mm连接器界面可兼容SMA、3.5mm连接器，相比后两种连接器，2.92mm连接器外导体壁厚是SMA连接器的3.36倍，而插孔中心导体壁厚与SMA连接器相同。因此2.92mm连接器对相互插合时，外导体可承受更高的耐力矩，由于插孔壁厚减薄，插针与插孔之间相互磨损降低很多；而铠甲电缆相对普通无铠甲电缆增加了不锈钢合金丝做抗压层，可以有效缓解内部张力，增强弯曲耐用性，本次采用的铠甲电缆相对普通电缆内部增加了稳定胶层，确保电缆组件的机械相位稳定性以及机械幅度稳定性，产品结构见图1。

图1 稳幅稳相铠装测试电缆组件结构示意图

2.4.2 电缆对比与选择

稳幅稳相铠装测试电缆组件国外的结构一般由中心导体、绝缘支撑、电气屏蔽、内编织层、内护套、抗压保护层、耐扭转编织层、外扎带和编织护套等九层组成。国内的结构一般由中心导体、电气绝缘、电气屏蔽、绝缘稳定层、内编织层、内护套、抗压保护层、耐扭转编织层、稳定胶层和编织护套等十层组成，国外电缆与国内电缆结构对比示意图见图2，左边是国外电缆结构示意图。国内电缆在电气屏蔽层和内护套之间增加了一个绝缘稳定层，消除电气屏蔽层叠层对相位变化的影响，大幅提高弯曲情况下相位的稳定性。

根据本项目要求，选择40GHz紫色铠甲测试电缆进行研制。

图2 国外电缆与国内电缆结构对比示意图

2.4.3 连接器设计

微波/射频电缆组件都会出现阻抗不连续性，通常会被分为三类：接头的线性传输，线缆的周期性不连续和线缆内部的偶发性不连续。在使用高品质电缆的情况下，连接器的性能将会是影响短电缆组件驻波比的主要因素。根据设计要求建立模型如图6，通过设置仿真变量，对补偿段进行优化仿真，优化仿真结果见图7。全频段范围内，驻波比小于1.2。

图6 仿真分析模型

图7 优化仿真结果

3 实物试验

产品设计完成后，对各零件进行精密加工和电镀后，严格按照工艺总方案和工艺文件对测试电缆进行装配，完成组装后产品如图8所示。为验证产品性能，按照详细规范规定的试验项目对产品进行全性能试验，结论合格。为验证产品可靠性，增加了抖动、弯曲、相位温度稳定性和长期可靠性等试验项目；为提供纯净的电磁测试环境，减小测试电缆对环境和测试器件性能的影响，增加了屏蔽效率试验。

图8 产品实物图

3.1 抖动试验

抖动考核的是测试电缆组件在抖动时，电缆组件的相位、插损、驻波的稳定性能，见图9。抖动的频率为频率1s抖动一次，连续抖动5次，幅度50mm。可以看出，测试电缆组件在抖动时，相位浮动在2°以内，插损浮动在±0.05dB以内，性能相对稳定。试验结果见图10。

图9 抖动试验图

图10 抖动试验下相位和插损稳定性

3.2 弯曲试验

弯曲试验是为考核测试电缆组件按最小弯曲半径弯曲得情况下，电缆组件的相位及插损的稳定性。根据详细规范规定，本产品需在最小弯曲半径为38mm的圆环弯曲下仍能保证信号微波参数的稳定性。使用芯轴法，对产品进行弯曲试验，具体见图11，图12为弯曲试验下相位和插损的试验结果。

图11 产品弯曲试验示意图

图12 弯曲试验下相位和插损稳定性

由图12中可以看出我司产品在40GHz内的相位浮动在2°以内，插损浮动在±0.05dB以内，说明测试线缆性能十分稳定。

3.3 相位温度稳定性试验

本试验主要考核测试电缆组件的相位温度稳定性，为客户在温度变化的场合提供准确数据。具体试验方法见GJB1215。

本产品具体数据见表4，绘制相位温度曲线见图16。

图16 相位温度曲线

从上述试验结果来看，测试电缆组件的相位温度稳定性在全温范围内小于650PPM，大大优化国内同类电缆，接近业内标杆GORE®PHASEFLEX®微波/射频测试组件。

表4 相位温度稳定性试验数据表

3.3 屏蔽效率

为准确测试电缆组件的屏蔽效率，采用三同轴法。三同轴法是一种经典测量转移阻抗的方法，它把被测试线缆置于同轴的无铁磁性的良导体管内，构成三同轴(同轴电缆内导体、同轴电缆外导体和同轴的良导体管)装置。其装置由互易原理分为两种:一种由同轴电缆注入信号，在同轴套管远端取出耦合信号；另一种由同轴套管注入信号，在同轴电缆远端取出耦合信号。如图19所示。三同轴法的优点有：被测件样本准备简单快捷、高达125 dB的测试灵敏度、测试过程无电磁辐射、频率范围从10 kHz 到高达20GHz和测试重复性好等。测试结果为-110dB，完全满足使用要求。

图19 三同轴法测试框图

图20 屏蔽效率测试结果

4 结论

本文介绍了一种稳幅稳相铠装测试电缆组件，其内层提供优异的电气性能，外层提供机械保护，可确保测试组件能够支持系统的整个有效使用期，减少电缆更换。该电缆组件能承受抖动、弯曲、耐压以及暴露在恶劣环境中的影响，还能在需要精准、可重复测量的测试中具有非常好的损耗稳定性、相位稳定性，和优异的电气性能，确保优异的信号完整性。该产品的研究成功，为微波测试领域提供了耐用、可靠性高和成本相位低的稳幅稳相铠装测试电缆组件，大大降低了系统的测试成本。