集束射频电缆组件转接VSWR优化方法

2018-04-24肖健

军民两用技术与产品 2018年5期

肖健

（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）

射频同轴电缆组件作为设备主机与天线之间的高频信号通道，在航天、航空等领域应用广泛。随着机载设备综合化、模块化、集成化等技术的快速发展，对整机的射频传输体提出了射频集束、空间小、重量轻、衰减少、电压驻波比低等新要求，集束型射频同轴电缆组件的转接设计应运而生。转接结构与所转接的电缆之间特性阻抗匹配一致是同轴电缆转接结构设计最基本的要求，射频信号在传输过程中不能产生反射，其中，电压驻波比（VSWR）是电缆组件特性阻抗匹配与否、信号反射大小的体现[1～2]，如何降低电缆组件的电压驻波比一直是困扰研究人员的难题。基于信号传输理论，本文提出了一种电压驻波比的优化方法，通过分析特性阻抗补偿对电压驻波比的影响，进行轴向距离计算后对阶梯电容进行补偿，完成电缆组件各连接之间的特性阻抗匹配，能够有效地解决电缆组件转接设计时的特性阻抗失配问题，减小电压驻波比。

1 电压驻波比

集束型射频同轴电缆组件的电压驻波比[3]是由组件相互连接之间的特性阻抗匹配与否来决定的。

1.1 特性阻抗

特性阻抗为同轴电缆横截面上电压与电流之比[4]，单位长度分布的电阻、电感、电导、电容分别为R1、L1、G1、C1，特性阻抗即：

式中：ω=2πf，f 为工作频率，ω为工作角频率。

假定电缆导体为无损介质，同轴电缆是没有损耗的，处于理想情况，其中R1=0，G1=0，为无耗传输通道[5]，则：

在理想状态下，单位长度均匀同轴电缆的电感L1和电容C1为：

式中：D是电缆外导体直径，d是电缆内导体直径，ε为介电常数，μ为磁导率。

式中：ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率，μr是绝缘介质的相对磁导率，对于非磁性材料，μr=1，εr根据具体介质而定。

集束型射频同轴电缆组件包含两种复合绝缘介质，则其特性阻抗为：

式中：εr1、εr2分别为两种复合绝缘介质的介电常数，χ为两介质分界处的直径。

1.2 电压驻波比

在信号传输通道中，假如连接器阻抗与传输线特性阻抗不匹配，便会产生反射波，VSWR[5]为：分别是连接器的行波正向阻抗、反向阻抗，理想状态下，Z+、Z-相等，特性阻抗匹配完全一致，VSWR等于1。因连接器、电缆本身的制造误差及工艺误差，均会导致特性阻抗不一致[6]，发生偏离，故VSWR总是大于1。

2 特性阻抗匹配

同轴电缆组件属于非均匀同轴线，其本身有转接段、电缆压焊接等装置，在连接器界面、绝缘支撑范围、导体内外径衔接范围和连接器至电缆连接处等存在区域不均匀，出现阻抗偏离界定特性阻抗值现象，产生不连续电容，信号发生反射[7]。转接段不连续电容产生的信号反射是由转接导体截面直径变化引起的，在设计中可加入轴向错位补偿距离进而提高电感，对电容进行补偿，得到中性电容。

2.1 计算轴向距离

导体截面尺寸变化类似于在传输线并联一个阶梯电容，在内、外导体阶梯面上形成固定距离，得到小电感，可用来消除阶梯电容带来的反射，可用等效电路来体现，形成等效二端口网络，将其特性阻抗与均匀传输线的特性阻抗进行匹配。

完成阶梯电容补偿的关键在于恰当的固定错开距离，错位补偿的等效电路是一个π型二端口低通网络，其中，单集总电感为L，单集总电容为C。

均匀传输线电长度为θ，视作一个π型二端口网络，均匀传输线的M1矩阵为：

式中：T为反射系数，

式中：Zc为特性阻抗，θ=βδ，δ为传输线长度，β为相移常数，

二端口网络的M2矩阵为：

式中：BC是由电容引起的电纳，BC=ωC，XL为电感产生的感抗，XL=ωL。

若矩阵M1=M2，则：

算得短均匀传输线长度δ，即轴向错位距离为：

式中：Cin为内导体截面尺寸变化时阶梯电容，Cout为外导体截面尺寸变化时阶梯电容，根据公式可得轴向错位距离。

2.2 特性阻抗匹配

在传输线与负载之间加入一个阻抗匹配网络完成阻抗匹配，匹配网络由电抗元件构成，为抵消原来的反射在匹配网络中引入一个新的逆向反射，补偿后的传输线等效为均匀传输线，使传输线上连接器、电缆的等效电路特征参数一一相等，计算出所需的设计参数值，并运用至电缆组件设计中，便可完成各连接之间的特性阻抗匹配。

3 设计应用与模拟

3.1 组件转接应用

在转接结构设计中，常使用两种复合绝缘介质，Zc=50Ω时，εr1=2.08和εr2=2.75，采用4种组件模型：

模型1：D/d=3.3263，D1=13.3，d1=4.0，D2=20.0，d2=6.0，D2/D1=1.5

模型2：D/d=3.3263，D1=13.3，d1=4.0，D2=26.6，d2=8.0，D2/D1=2.0

模型3：D/d=3.9826，D1=24.0，d1=6.0，D2=36.0，d2=9.0，D2/D1=1.5

模型4：D/d=3.9826，D1=24.0，d1=6.0，D2=48.0，d2=12.0，D2/D1=2.0

根据上述公式，可分别得到4种组件的模型轴向错位距离δ，并将轴向错位距离δ分别加入到各自对应的组件模型设计中，使用HFSS软件对组件模型进行VSWR分析。

3.2 模拟测试

Zc=50Ω的同轴电缆传统的错位距离经验公式为[8-9]：

选用上述模型分别与采用经验错位距离Δ的组件模型进行比较，VSWR值结果如图1～4所示。

从图1～图4可以看出，采用δ轴向错位距离补偿的4种模型，VSWR值明显低于采用传统错位距离的4种模型，在模式1下，VSWR值平均低0.13；在模式2下，VSWR值平均低0.16；在模式3下，VSWR值平均低0.19；在模式4下，VSWR值平均低0.18；4种模式下的VSWR值均低于1.32，可见，δ轴向错位距离补偿能够有效降低同轴电缆组件转接设计时的VSWR。