异构射频同轴转接器相位一致性控制方法研究

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 前言

过去设计生产过程中，一般会对电缆组件的相位有一致性要求[1][2]，对单个连接器或转接器的相位不做单独规定。一般同样批次的连接器或转接器产品，结构和材料相同，尺寸偏差也能够控制在一定范围内，相位的一致性是能够保证的。

由于组件间需要转接器转接，同时由于两端组件相位一致性已经修正，为了保证整体系统的相位一致性，因此要求三家供应商提供的三款射频同轴连接器的相位都一致，相位差在±2°以内，从而满足产品互换性的要求。

由于产品外形尺寸已经固定，内部结构与参考样品不一致，造成了相位的不同。因此本文的方案是通过计算来设计内部的介质体的尺寸，通过仿真验证后再进行试验验证，从而解决与参考产品相位不一致的问题。

2 问题背景

根据客户要求，首先对参考样品的主要性能进行测量，与我公司的同型号产品进行对比，考虑到不同测试仪器和夹具可能对测量结果的影响，分别采用18GHz矢量网络黄铜测试夹具和不锈钢测试夹具进行测试，测试结果见表1、表2和表3。

表1 18G矢量网络分析仪(黄铜测试夹具)测试结果

表2 40G矢量网络分析仪(黄铜测试夹具)测试结果

表3 40G矢量网络分析仪(不锈钢测试夹具)测试结果

根据以上数据可知，我公司产品的相位差能够满足<±2°的相位一致性要求，目标样品的相位差同样能满足要求。但是我公司产品与的样品对比，则相位差最大达到29.80°，这无法满足客户相位差<±2°的要求。因此需要更改产品设计，以满足相位要求。

3 理论分析

3.1 相位一致性概念

相位一致性[3]：相位一致性分为绝对相位一致性和相对相位一致性，是指组件之间绝对相位的差值在一个规定的范围内。绝对相位一致性是指两根或者更多组件的绝对相位与使用者的要求的绝对相位在允许的范围内相匹配。相对相位一致性是指在一组或一批组件中，以其中的一根为基准，测其它组件与基准的相位差必须在一个规定的范围内。相对相位一致性不同于绝对相位一致性，匹配不在相位的绝对值上，而仅仅是相互之间的匹配。相对相位一致性比绝对相位一致性更容易做到，但相对相位一致性要求越高，生产成本也越高。

3.2 影响相位的主要因素

(1)

式中，Le是电长度，d是机械长度，f是频率，ε是绝缘介质介电常数，c是光在真空中的速度。

从上述定义及公式可以看出：电长度其实就是传输媒介固有的属性，与所传输波的频率没有关系。对同种传输媒介(即有效介电常数固定)，取物理长度相同的两段介质，那么它们的电气长度也是相等的，如图2所示。

理论上，影响相位的因素只有电长度一个，影响电气长度的因素有机械长度，绝缘介电常数、环境温度和电缆弯曲等，在理想的介质状态及相同的环境温度及弯曲条件下若能保证产品的机械长度一致就能够确保一致的电气长度，但是产品在制造过程中存在不可避免的介质不均匀性，这种不均匀性既有绝缘材料本身的因素，如含有杂质气孔等，又有电缆介质结构、制造工艺等因素。对于相对相位一致性和绝对相位一致性的电缆组件，一般通过修相位的方式以确保最终成品的相位一致性。

但是，对于连接器和转接器，由于机械长度较短，介质体不均匀性等因素对连接器影响较小，同样结构的产品相位一致性较好。但是对于不同厂家的连接器，由于结构不同，相位也不一致。因此需要采用其他方法修相。

图2 电长度示意图

3.3 样机分析

根据客户要求，需要我公司提供的产品相位与目标样品相位一致，首先对我公司现有产品样机和目标产品样机进行测量分析，以确定我公司产品与样本的相位的具体差值和产生差值的原因，从而调整设计，满足顾客需求。

目标样品与我公司产品在外形结构和尺寸上是相似的，主要区别在于内导体和介质体，为了了解目标样品的内部构造，可以拍X光和切片。

图3 目标样品X光图

图4 目标样品切片图

由图3样品X光和图4样品切片图可知，目标样品双端接头为四开槽设计，外导体中间开孔，介质体分两段插合在一起，介质体通过台阶与外导体定位，通过倒刺固定，内导体通过台阶实现定位，通过倒刺与介质体固定，总体结构如图5所示。影响相位的主要因素是介质体的材料和长度。根据测量得到介质体内外径进行计算，目标样品的介质体的介电常数为2.08。因此，材料为聚四氟乙烯。

图5 目标样品结构示意图

我公司产品的结构和主要尺寸如图6所示，根据设计图纸建立的仿真模型如图7所示，仿真结果见图8。根据测绘的目标样品的结构建立仿真模型，如图9所示，仿真结构见图10。

图6 我公司产品结构图

图7 我公司产品仿真模型

图8 我公司产品仿真结果(相位395.18°)

图9 目标样品仿真模型

图10 目标样品仿真结果(相位427.°3)

根据以上对比可知，我公司产品与目标样品外形尺寸相同，主要区别在于内部介质体的结构不同，目标样品介质体采用为两段式対插，我公司的产品则采用分段式，介质体分为三段，外导体不需要开孔，减少了射频泄露。因此，调整相位时，考虑在现有结构基础上更改。

由式(1)可知，电长度决定了相位，而电长度不仅与物理长度有关，还与绝缘介质介电常数相关。由于我公司转接器内部介质体采用聚四氟乙烯和PEEK(聚醚醚酮)，聚四氟乙烯的介电常数为2.03，PEEK(聚醚醚酮)的介电常数3.2(钻孔后为2),而空气的介电常数近似为1。因此，介质体结构和材质的不同是我公司产品与目标样品相位不一致的关键。

如上所述，在机械长度相同的条件下，由式(1)只能更改介电常数。想要改变介电常数，一种方式是更换材料，这一方法相对复杂。另一种方式是改变介质体的长度，根据我公司产品结构特性，优先考虑改变两端介质体长度，更改方案如图11所示。

图11 更改方案示意图

3.4 计算与分析

根据测量结果和仿真结果对比可知，我公司产品与目标样品的相位差约为30°，根据表1、表2和表3的测试结果，取我公司与目标样品两次相位差的平均值28.955°进行分析，计算介质体长度的变化量。单位相位度数对应的介质体的长度计算公式：

(4)

介质体端面向内加长，相当于将空气置换为聚四氟乙烯。因此，首先计算单位长度的空气介质与聚四氟乙烯介质的相位差。

由式(4)可得：

(5)

式中，L′表示介质体变化的长度，x是相位度数。式(5)表示x度数下，介质体长度的变化量。由此可得：

(6)

分别代入空气和聚四氟乙烯介质的频率和介电常数，取L′为1mm，得到单位长度的空气介质相位为21.606°，单位长度聚四氟乙烯介质的相位为30.775°。则单位长度空气介质与聚四氟乙烯介质的相位差9.169°，进行相位修正。

介质体总长度改变3.25mm，则单边介质体长度变化1.625mm，取1.63mm。介质体更改前后的尺寸如图12。

更改前 更改后图12 介质体更改前后尺寸对比

4 仿真验证

首先对上述方案进行仿真验证，根据计算结果调整介质体的长度，修改仿真模型，得到如图13的仿真模型。仿真得到的结果如图14所示。

仿真结果显示，更改后的相位与更改前的相位差距在29.77°左右，与计算结果差距在0.6°左右，考虑到计算过程取了近似值，且介质体段的阻抗只是近似50Ω，结果必然存在一定的误差，因此计算结果是正确的。

图13 介质体尺寸调整后的仿真模型

图14 介质体尺寸调整后的仿真结果(424.95°)

5 样机验证

为进一步验证计算结果，试制介质体样机(如图15所示)，装配后进行测试，测出的结果见表4和表5。

图15 更改前后的介质体对比

根据测试结果可知，更改后的相位一致性最大为2.86°，满足一致性≤±2°的要求。这证明了理论计算的正确性，因此可以验证该相位一致性控制方法是可行的。

表4 40G矢量网络分析仪(黄铜测试夹具)测试结果

表5 40G矢量网络分析仪(不锈钢测试夹具)测试结果

6 结论

本文通过改变产品介质长度来调整射频同轴转接器的相位，使不同结构的转接器相位保持一致，并通过理论计算、仿真验证和试验证明了该方法的有效性。

本文所采用的相位一致性控制方法也可以用于其他同类转接器产品，以调整相位保证不同结构连接器之间相位一致性满足使用要求，这提高了转接器的互换性。原位替换现有转接器，还可以促进同类产品的国产化，降低企业成本。