射頻同軸電纜組件電壓駐波比的優(yōu)化

引言

所以，電壓駐波比是與特性阻抗均勻性有著密不可分的關(guān)系。電纜組件中的阻抗變化會引起失配，從而導(dǎo)致信號的反射，這種反射會導(dǎo)致入射波能量的損失，而通過公式η＝（1－Γ²）×100可以計(jì)算出它的匹配程度。

射頻同軸電纜組件對電壓駐波比的影響因素可以從以下幾方面考慮：

（1） 設(shè)計(jì)方面的影響

連接器的設(shè)計(jì)與選擇、電纜的選擇和一致性、連接器與電纜的連接方式是否合適，都會直接影響電壓駐波比。通常連接器的類型和電纜的型號都是用戶已經(jīng)指定的，在這樣的情況下，主要需要考慮的是連接器的阻抗匹配性、電纜的阻抗和阻抗一致性、連接器與電纜連接方式的可靠性和阻抗匹配性等。

（2） 生產(chǎn)加工方面的影響

加工時尺寸的一致性、表面粗糙度的差異、表面涂覆的不同都會影響到最終電壓駐波比和質(zhì)量一致性。

（3） 裝配工藝和裝配過程控制方面的影響

目前，國內(nèi)外常見的射頻同軸電纜組件主要有焊接式、夾持式、壓接式等三種裝接方式。其中,焊接式是將連接器尾端與電纜屏蔽層采用焊接方式進(jìn)行連接;夾持式的內(nèi)導(dǎo)體一般采用焊接結(jié)構(gòu)（或免焊式），外導(dǎo)體由連接器夾緊結(jié)構(gòu)將電纜的屏蔽層夾緊;壓接式是將連接器尾端與電纜屏蔽層采用專用壓接工具在較大的壓力作用下使金屬套筒產(chǎn)生變形，從而使電纜屏蔽層與連接器外導(dǎo)體相連接。

選用哪種裝接方式在設(shè)計(jì)時就已經(jīng)定了，裝接過程中如何減小人為因素（比如:裝接/焊接時員工的責(zé)任心和熟練程度、細(xì)節(jié)處理、間隙補(bǔ)償?shù)奶幚恚┑挠绊懯顷P(guān)系到產(chǎn)品是否合格的關(guān)鍵。裝配過程中的常見問題有零件位置顛倒、錯亂、張冠李戴等、零件傲粗變形導(dǎo)致內(nèi)/外導(dǎo)體直徑變化、零件端面碰傷/劃痕/壓痕等、異物進(jìn)入連接器內(nèi)部或電纜表面/多余物未清除干凈、電纜剝制尺寸不當(dāng)?shù)?。為了有效控制產(chǎn)品裝配的一致性，最好做盡量詳盡的裝配作業(yè)指導(dǎo)書來指導(dǎo)生產(chǎn)，提高產(chǎn)品裝配的一致性。

（4） 測試方面的影響

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)過程是其關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)被測試件非矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀釆用標(biāo)準(zhǔn)接口時，新加進(jìn)來用于測試的非標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器是不允許被消掉的，因此,該非標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接器的性能直接影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，該轉(zhuǎn)接器的性能也不容忽視。

2  射頻同軸電纜組件電壓駐波比的優(yōu)化

檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的VSWR不合格時，往往需要設(shè)計(jì)人員去分析和處理。如何快速找出影響電壓駐波比的主要問題點(diǎn)、快速采取有效措施提升電壓駐波比,從而使產(chǎn)品合格的方法一直是困擾眾多設(shè)計(jì)人員的難題之一。

快速找出影響電壓駐波比的主要問題點(diǎn)，可以使用以下幾種方法。

2.1  時域分析法

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域測試功能是非常有用的。時域測試結(jié)果的顯示形式更為直觀，直接可以看到被測器件的特性。在測量傳輸線系統(tǒng)的寬帶響應(yīng)特性方面,與其它測試技術(shù)相比，時域測試技術(shù)通過把被測器件特性的不連續(xù)性顯示為時間或距離的函數(shù)而能給出更富有含義的信息。時域分析用于測量傳輸線的阻抗值和評估設(shè)備在時間和距離上所存在的問題（即不連續(xù)點(diǎn)），時域分析不但能更直觀地反映被測件的性能，它還能提供更多其它有用的信息，是涉及傳輸系統(tǒng)的寬帶反映。另一種測量技術(shù)是通過各個中斷點(diǎn)的影響來反映時間和距離的功能，這個方法可通過程序網(wǎng)絡(luò)分析儀來集中反映時域的產(chǎn)生。

時域是指在時間范疇內(nèi)進(jìn)行的分析或時域測試結(jié)果的顯示，這種分析和測試結(jié)果可顯示在二維圖形（X—Y曲線）上，X軸要么表示的是距離（電長度），要么表示的是時間；Y軸表示的則是幅度信息（通常為阻抗或電壓）值的大小。圖1所示是時域測量結(jié)果的顯示界面。

時域反射計(jì)法（TDR）[Time domain reflectome-try的縮寫]是一種利用快速階躍信號發(fā)生器和接收機(jī)來進(jìn)行傳輸或反射的測量方法。TDR是對具有這種測試能力的示波器的通稱。請注意，安裝了適當(dāng)?shù)能浖?，用TDR方法測量（時域內(nèi)的測量）也可以得到S參數(shù)（頻域內(nèi)的參數(shù)）。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法（VNA）[Vector network an-alyzer的縮寫]是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）進(jìn)行比值測量的方法，這種方法是用一個反射信號接收機(jī)或傳輸信號接收機(jī)對掃頻連續(xù)波（CW）激勵源進(jìn)行跟蹤,測試結(jié)果通常顯示為S參數(shù)（反射信號或傳輸信號與激勵信號之比）。其重點(diǎn)是如何把用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測到的s參變換成時域測試結(jié)果。

低通測試模式所包含的信息在確定不連續(xù)性處的阻抗類型(電阻型、電容型或電感型)時是非常有用的。由于已經(jīng)包含了直流值而且數(shù)據(jù)又是鏡像的，故階躍和沖擊低通模式與帶通模式相比，能產(chǎn)生更好的時域分辨率。

圖2所示是使用真實(shí)格式的已知不連續(xù)性的各種低通響應(yīng)，圖2中把每種電路單元都模擬了出來,以顯示對應(yīng)的低通時域S11響應(yīng)波形。

利用以上信息，可以從時域上很容易計(jì)算出低阻或高阻的位置，然后給予適量的補(bǔ)償。有時，為了準(zhǔn)確找到對應(yīng)的位置，也可以結(jié)合接地法(接地法是用針觸碰自己認(rèn)為有問題的部位，以將該部位內(nèi)外導(dǎo)體導(dǎo)通來確定自己的判斷是否正確的方法。)和探針法(探針法是在電纜組件上將懷疑的問題點(diǎn)用鉆孔的方式，用探針將內(nèi)外導(dǎo)體導(dǎo)通，以用來判斷懷疑點(diǎn)是否是在該處)來準(zhǔn)確判斷問題點(diǎn)位置。由于接地法和探針法有自身的局限性，所以只能配合時域分析時使用。

2.2  理論計(jì)算法

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，射頻同軸連接器的界面是否匹配，內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的開槽對阻抗的影響，內(nèi)、外導(dǎo)體不同心對阻抗的影響，以及錯位補(bǔ)償是否合適、機(jī)械公差對電氣性能的影響都是影響電壓駐波比的主要因素。

(1) 阻抗的計(jì)算

首先，要想電壓駐波比得到較好的值，就必須使組件阻抗盡量不要偏離中心太遠(yuǎn)，對于不同介電常數(shù)的產(chǎn)品，可以通過先計(jì)算等效介電常數(shù)，再帶入公式計(jì)算阻抗的方法來實(shí)現(xiàn)。

在同心安裝的情況下，等效介電常數(shù)ε為：

通過這個方法可以了解阻抗偏離了多大。根據(jù)公式可見,減小外導(dǎo)體的內(nèi)徑或增大內(nèi)導(dǎo)體的外徑都可以實(shí)現(xiàn)阻抗的降低;增大外導(dǎo)體的內(nèi)徑或減小內(nèi)導(dǎo)體的外徑可以實(shí)現(xiàn)阻抗的升高,但通常改變內(nèi)導(dǎo)體外徑比改變外導(dǎo)體內(nèi)徑對阻抗的改變更為明顯。

(2) 不同軸度引起的特性阻抗的偏差

可觀察連接器和電纜內(nèi)、外導(dǎo)體間是否存在偏心的狀況，偏心狀態(tài)下對阻抗的影響為：

從式中可以評估出內(nèi)外導(dǎo)體不同軸度在多大的范圍內(nèi)是可以接受的。圖3所示是內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體不同心時的示意圖。

(3) 絕緣支撐的補(bǔ)償計(jì)算

射頻同軸電纜組件中的射頻連接器幾乎都有絕緣支撐，支持的結(jié)構(gòu)形式很多，由于支撐的介入會發(fā)生導(dǎo)體直接尺寸的階梯突變，破壞傳輸線的均勻性。故從理論分析可知，同軸線導(dǎo)體直徑尺寸的突變，等效于圖4所示的突變截面上并聯(lián)一個不連續(xù)的電容,這個電容可按照參考資料提供的公式精確計(jì)算。為了消除不連續(xù)電容引起的反射，可利用共面補(bǔ)償?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)。

怎樣計(jì)算如圖4所示的導(dǎo)體直徑同時反向突變引起的不連續(xù)電容呢？根據(jù)設(shè)計(jì)原則，在介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，應(yīng)該在特性阻抗公式中求出D₁和d₁(其中D₁常是選定的)。為了消除臨近效應(yīng)和計(jì)算方便，支撐厚度應(yīng)略小于引起諧振的厚度B。

因此，問題變成求槽深δ；

從理論上可以求得槽深、槽寬，然后與實(shí)際相對比，最終找出絕緣支撐存在的補(bǔ)償不當(dāng)?shù)膯栴}。

(4)內(nèi)、外導(dǎo)體開槽對阻抗的影響

內(nèi)、外導(dǎo)體開槽對阻抗是有較大影響的。在射頻電纜組件使用頻率較低的情況下，電壓駐波比要求不嚴(yán)格也可以滿足用戶對性能的要求，這樣就沒有人去深入分析內(nèi)、外導(dǎo)體開槽會對阻抗到底有多大的影響。內(nèi)、外導(dǎo)體開槽使得阻抗一致性發(fā)生變化，隨著頻率的增高，電壓駐波比值降不下來時，該問題才會顯現(xiàn)出來。內(nèi)、外導(dǎo)體對阻抗的影響可以從以下公式近似計(jì)算：

式中：△Z_內(nèi)為內(nèi)導(dǎo)體阻抗的變化量；N_內(nèi)為內(nèi)導(dǎo)體的開槽數(shù)目；W_內(nèi)為內(nèi)導(dǎo)體開槽寬度;△Z_外為外導(dǎo)體阻抗的變化量；w_外為外導(dǎo)體開槽寬度；N_外為外導(dǎo)體的開槽數(shù)目。

2.3  仿真法

隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，一些軟件可實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下的仿真,比如:Ansoft HFSS等。它是一個計(jì)算電磁結(jié)構(gòu)的交互軟件包，當(dāng)畫出結(jié)構(gòu)，明確每一個物體的介質(zhì)參數(shù)，建立端口標(biāo)識，源或者具體的表面特征時,該系統(tǒng)可以產(chǎn)生必要的場解，這樣，在擬定的一個頻段內(nèi)就可求得理想狀態(tài)下的一個或多個點(diǎn)駐波值,并可用來分析哪些點(diǎn)的反射系數(shù)較大,以便更快更準(zhǔn)的找出問題點(diǎn)。通過設(shè)變量，并用軟件快速計(jì)算的能力找出最佳補(bǔ)償值，從而求得最小的電壓駐波比。這種方法比以往利用公式求解要簡便得多，值得普遍推廣。但仿真軟件往往只能仿真理想狀態(tài)下的電壓駐波比或時域圖形，這或多或少與現(xiàn)實(shí)是有些差距的，但可以作為設(shè)計(jì)和解決問題時的一種參考方法。圖5所示是基于Ansoft HFSS的仿真圖。

總之，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從“事故多發(fā)區(qū)”入手，分析査找影響產(chǎn)品VSWR的主要因素和次要因素才是提升射頻電纜組件電壓駐波比性能的根本所在。

3  結(jié)語

怎樣提升射頻電纜組件電壓駐波比性能是射頻電纜組件設(shè)計(jì)者一直不斷探索的一個主題，也是一個大難題，因而需要長期不斷地學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)和檢測是其共同提高和相互充實(shí)的過程，不應(yīng)有所偏廢。降低VSWR,往往不是一次就能成功的，需要多次反復(fù)的試驗(yàn)才能完成。

本文總結(jié)了當(dāng)射頻同軸電纜組件性能出現(xiàn)問題時如何快速找出問題所在點(diǎn)，以提升組件性能的一些方法，希望能為今后提升射頻同軸電纜組件性能提供新的思路。