Первые отечественные фазостабильные кабели СВЧ |
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 решеток (АФАР). Жесткие требования к фазовым характеристикам кабельных сборок предъявляют также многопортовые измерительные системы, современные радары, системы связи, установки для физических и медицинских применений [1].
До недавних пор для реализации перечисленных систем отечественные разработчики были вынуждены использовать зарубежные кабельные сборки, так как 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».
Вполне очевидно, что на практике оценить фазовую стабильность кабеля возможно только в случае исследования кабельных сборок, выполненных из исследуемого кабеля, оконцованных с одной или с обеих сторон коаксиальными соединителями с соответствующими конструктивными и электрическими характеристиками.
Фазостабильная кабельная сборка (ФКС) имеет нормированную, заданную стабильность электрической длины в условиях определенных внешних воздействий и, как следствие, стабильность вносимого фазового сдвига.
На летающих объектах военного и гражданского применения в настоящее время размещают системы радаров с синтезированной апертурой (SAR), которые используют многоэлементные планарные массивы и методы интерферометрии. Более низкая величина изменения фазы с изменением температур приводят к более низким остаточным ошибкам и неопределенностям. Это способствует хорошо управляемому регулированию луча, его ширины и подавлению боковых лепестков. Улучшается усиление антенны, минимально различимые уровни сигнала, частотный диапазон систем, взаимные помехи при приёме и помехозащищённость. В результате значительно улучшается полная производительность и точность системы.
Многие беспроводные применения используют коммутируемый радиолуч и адаптивный массив антенной системы. Уровень ошибочных битов (BER), особенно на сигналах, близких к уровню шума приёмника, будет меньше, эффективно увеличивая диапазон использования систем. При использовании фазостабильных компонентов эти системы могут значительно увеличить свою зону обслуживания и обеспечить более эффективное использование предоставленного частотного диапазона.
Вместе с этим использование ФКС в измерительных устройствах увеличивает промежуток времени между калибровками и минимизирует дрейф между калибровками [3].
НПП «Спецкабель» с момента своего основания и по сей день уделяет значительное внимание политике импортозамещения кабельной продукции. В процессе подготовки к разработке и выпуску фазостабильных радиочастотных кабелей и соединителей в феврале 2017 года вышла в свет статья [4], начиная с 2016 года проведены успешные мероприятия по выбору и приобретению нового технологического оборудования:
1. В течение 2016-2017 гг. предприятие приобрело на собственные средства и подготовило к практическому использованию горизонтальную ленто-обмоточную линию фирмы Lukas.
2. В 2017-2018 гг. в НПП «Спецкабель» введена в эксплуатацию экструзионная линия наложения изоляции из вспененных фторполимеров и ошлангования фирмы Maillefer, предназначенная для высокотемпературных материалов. Линия предназначена для переработки фторополимеров FEP, PFA, ETFE, PVDF и др. [4].
В правительственную программу импортозамещения включена задача разработки и выпуска отечественных радиочастотных фазостабильных кабелей и кабельных сборок. К выполнению этой задачи было привлечено научно-производственное предприятие «Спецкабель».
В рамках ОКР «Источник И5» - «Кабели коаксиальные радиочастотные фазостабильные повышенной теплостойкости» - было разработано семейство кабелей с выпуском соответствующих технических условий ФЖТК.685671.089 ТУ (см. Таблицу 1). Вслед за этим в рамках ОКР
«Источник 21» «Кабельная сборка радиочастотная фазостабильная повышенной теплостойкости» разработана серия высокотемпературных соединителей для каждой новой марки кабелей с выпуском ФЖТК.685671.097 ТУ.
Необходимо отметить, что оба ОКР и выпускаемая по ним продукция имеют приёмку ВП МО РФ по типу 5.
Таблица 1.1 – Параметры коаксиальных фазостабильных радиочастотных кабелей повышенной теплостойкости, ОКР «Источник-И5» (по данным ФЖТК.358800.089 ТУ и ДКЮГ.358800.030 ТУ)
| № п/п | Марка кабеля | Материал внутреннего проводника / количество проволок / Ø, мм |
Материал изолятора сердечника / Ø, мм |
Материал ленточного экрана, мм |
Провод оплётки, Ø, мм / материал |
Материал оболочки, цвет |
Ø оболочки (без брони), мм |
Vp, % |
ε изолятора сердечника |
С, пФ/м |
α , ≤, дБ/м / на частоте f, ГГц |
Изменение температуры среды, °С |
||
| 1 | РК 50-4-420-С* |
Cu+Ag / 1 / 1,43±0,02 |
Лента ПТФЭ (PTFE) низкой плотности | 4,06±015 | Спирально наложенная Cu+Ag фольга |
0,10± 0,02 |
Cu +Ag |
ФЭП, синий |
5,5± 0,2 |
80 | 1,54 | 86 – справочная величина |
1,41/26,5 1,07/18 |
-60 …165 |
| 2 | РК 50-4-421-С* |
Cu / 1 / 1,43±0,02 |
Cu | ПУ, чёрн. |
5,8± 0,2 |
1,48/26,5 | -60…115 | |||||||
| 3 | РК 50-5-410-С* |
Cu+Ag / 7 / 2,26±0,02 |
5,90±015 |
0,17± 0,03 |
Cu +Ag |
ФЭП, синий |
7,6± 0,2 |
0,94/18 | -60…165 | |||||
| 4 | РК 50-5-411-С* |
Cu / 7 / 2,26±0,02 |
0,15± 0,02 |
Cu | ПУ, чёрн. |
7,8± 0,2 |
0,99/18 | -60…115 | ||||||
| 5 | РК 50-5-412-С* |
Cu+Ag / 1 / 2,3±0,02 |
6,27±015 |
0,17± 0,03 |
Cu +Ag |
ФЭП, синий |
8,0± 0,2 |
0,76/18 | -60…165 | |||||
| 6 | РК 50-5-413-С* |
Cu / 1 / 2,3±0,02 |
0,15± 0,02 |
Cu | ПУ, чёрн. |
8,2± 0,2 |
0,80/18 | -60…115 | ||||||
| 7 | РК 50-2-42-C |
Cu+Ag / 1 / 1,0±0,02 |
2,69±015 | 0,08±0,01 |
Cu+ Ag |
ФЭП, зелён. |
4,1± 0,2 |
82 | 1,49 |
2,65/40 1,57/18 |
-60…165 | |||
| 8 | РК 50-2-43-C |
Cu / 1 / 1,0±0,02 |
Cu | ПУ, чёрн. |
4,3± 0,2 |
2,75/40 | -60…115 | |||||||
Примечания.
1) * - кабели могут иметь защитный элемент (бронь) в виде оплётки из стальных оцинкованных проволок, чему соответствует дополнительный индекс «-КГ» в обозначении марки кабеля;
Cu – материал провода - медь;
Cu+Ag – материал провода и фольги - медь, покрытая серебром;
FEP – фторированный этилен-пропилен, ФЭП; ПУ – полиуретановая композиция;
Vp – скорость распространения сигнала;
С – электрическая ёмкость единицы длины кабеля;
α – коэффициент затухания;
2) Зелёным цветом обозначены значения, реально измеренные в процессе испытаний;
3) Свободные ячейки предназначены для результатов последующих измерений.
Известные нормативные документы (стандарты МЭК, отечественный ГОСТ) предусматривают контроль фазовой стабильности кабельных сборок (КС) при двух видах внешних воздействий - при изгибах различного вида и при изменении температуры [2, 3, 5, 6]. При этом предпочтение отдаётся измерению вариаций фазы в зависимости от частоты при изгибе КС вокруг оправок соответствующего диаметра [3, 5, 6].
Приведённые в указанных и других аналогичных публикациях методики наряду с аналогичностью - изгибы производится вокруг оправок диаметром около десяти внешних диаметров кабеля КС - имеют существенные отличия:
Авторы публикации [3], отмечая отсутствие единой стандартизованной методики изгибов, приходят к выводу: «В радиочастотной кабельной промышленности измерение зависимости фазы от изгиба варьируется от компании к компании, и важно понимать, что производители определяют стабильность фазы при выборе кабеля для применения, в котором эта функция является желательной». Таким образом, методики измерения фазовой стабильности кабелей могут отличаться, в частности в зависимости от технических требований потребителя.
Значительный интерес представляет метод измерения стабильности фазы тестируемых КС, описанный в [5]. В этом методе рекомендуется перед измерением отклонений фазы КС за счёт изгибов выполнить процедуру предварительного кондиционирования (preconditioning), температурная циклограмма которой представлена на рисунке:
где
t0 – температура воздуха в лаборатории;
tmax – максимальная рабочая температура и
tmin – минимальная температура, указанные в ТУ на КС.
По мнению авторов [5] «на соотношение фазы и температуры новых кабелей оказывают влияние необратимые отклонения фазовой постоянной; эти отклонения можно уменьшить циклическим воздействием температуры».
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 [5], результаты которых приведены ниже.
1 Объекты испытаний
1.1 На испытания представлены образцы радиочастотных кабельных сборок, конструктивные параметры которых приведены в Таблице 1.2. КС разработаны и изготовлены в цехе кабельных сборок НПП «Спецкабель».
Таблица 1.2 – Конструктивные параметры тестируемых кабельных сборок
К-во,
шт.Тип соединителя
(слева и справа)Марка кабеля;
Lф - физ. длина
кабельной сборкиLфр- реальная
физ. длина сборки,
ммДиапазон
рабочих
температурМаркировки КС
справа и слева1 2 3 4 5 6 1 СР 50-13-292-2-42
4 шт.РК 50-2-42-С;
Lф= (10000 ± 50) мм10037 -60…+165 РК 50-2-42-С;
№11 10045 РК 50-2-42-С;
№21 СР 50-13-35-4-420
4 шт.РК 50-4-420-С;
Lф= (10000 ± 50) мм10048 РК 50-4-420-С;
№11 10049 РК 50-4-420-С;
№2КС изготовлены по техническим условиям ФЖТК.685671.097 ТУ. В состав КС 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.
1.2 В Таблице 2 приведены измеренные до термоциклирования электрические параметры КС.
Таблица 2 – Электрические параметры тестируемых кабельных сборок,
измеренные при нормальной температуре до термоциклирования
Маркировки
ФКСКСВ на частотах
10 ГГц / 18 ГГцЗатухание на частотах
при температуре 25° С,
дБРасширенная фаза на частотах
при температуре 25° С,
(°)Диэлектрическая
проницаемость,
ε10 ГГц 18 ГГц 10 ГГц 18 ГГц 1 2 3 4 5 6 7 РК 50-2-42-С;
№11,14/1,.07 -11.50 -15.42 146 814,8 264 234,7 1,49 РК 50-2-42-С;
№21,10/1,07 -11.76 -15.78 146 988,9 264 547,6 1,49 РК 50-4-420-С
№11,25/1,08 -8.08 -10.81 149536,9 269 150,8 1,54 РК 50-4-420-С
№21,06/1,13 -7.94 -10.77 149479,6 269 045,7 1,54 1.3 Значения затуханий на частоте 18 ГГц, диэлектрической проницаемости ε из Таблицы 1.1и реальной физической длины КС из Таблицы 1.2 использовались в программном обеспечении установки УГКИ.
3.1 Задачи испытаний:
- предварительные механические воздействия на КС – U-изгиб и изгиб со скручиванием, с измерениями и записью результатов;
- проведение одновременного термоциклирования 4-х тестируемых КС с использованием установки УГКИ с записью результатов измерений в процессе термоциклирования;
- повторение механических воздействий на КС с измерениями и записью результатов;
- анализ полученных результатов исследовательских испытаний.
Испытания в помещении лаборатории проводились в нормальных климатических условиях:
- температура - (22÷25) °С;
- относительная влажность воздуха - (46÷56) %;
- атмосферное давление - (97,8÷100,0) кПа.
5.1 Работы по термо-циклированию коаксиальных фазостабильных радиочастотных кабелей повышенной теплостойкости проводились на установке для групповых климатических испытаний УГКИ СБЕД.440124.001. Установка запатентована [7], разработана и изготовлена силами сотрудников НПП «Спецкабель» и предназначена, прежде всего, для выполнения исследова-тельских 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.
5.2 За счёт автоматизации задаваемого цикла климатических испытаний установка обеспечивает:
а) сокращение трудоёмкости и общего времени испытаний за счёт установленного программно времени выдержки кабельных сборок на каждой из температур и автоматического перехода от предыдущей температуры к последующей;
б) возможность одновременной количественной оценки температурных характеристик до четырёх кабельных сборок;
в) повышение достоверности и точности полученных результатов измерений за счёт минимизации влияния человеческого фактора;
г) автоматическое формирование протоколов испытаний каждой кабельной сборки.
5.3 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.
6.1 Процедура тестирования четырёх кабельных сборок на два вида изгиба произведена дважды – до проведения термоциклирования и после термоциклирования, с сохранением результатов измерений в Таблицах 3 и 4.
6.2 В качестве примера на рис. 6.1 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 7). Графики с обозначением А) соответствуют измерениям до термоциклирования, с обозначением Б) - после термоциклирования.
А)
Б)Рис.6.1 Изменение фазы кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С
6.3 В строки Таблиц 3 и 4 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 а-b (°) и а-c (°) сведены в Таблицы 3 и 4.
Здесь и далее обозначение (°) соответствует градусам электрической длины.
Таблица 3 – Электрическая длина кабельных сборок при двух видах тестирования до проведения термоциклирования
Электрическая
длинаРК 50-2-42-С;
№1РК 50-2-42-С;
№2РК 50-4-420-С;
№1РК 50-4-420-С;
№210 ГГц 18 ГГц 10 ГГц 18 ГГц 10 ГГц 18 ГГц 10 ГГц 18 ГГц Тестирование на U-изгиб φ1 (°) 146 751 264 120 146 882 264 356 149 524 269 124 149 464 269 014 а-b (°) - U 1,36 2,49 0,41 0,93 -1,17 -3,12 0,29 -0,12 а-c (°) - U 0,38 0,46 0,38 0,57 -1,39 -4,01 0,42 -0.29 Тестирование на скручивание φ2 (°) 146 719 264 061 146 859 264 313 149 507 269 093 149 458 269 004 а-b (°) - tw -2,14 -3,62 2,83 4,76 -7,38 -13,55 -8,9 -15,78 а-c (°) - tw 8,44 15 4,7 7,86 11,07 20,12 13,18 23,98 Δφ1 (°) 32 59 23 43 17 31 6 10 6.4 Тестирование на скручивание проводилось непосредственно после тестирования на изгиб, с использованием в этих случаях и в дальнейшем цилиндрической оправки диаметром 50 мм.
Перед проведением 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 3).
Таблица 4 –Электрическая длина кабельных сборок при двух видах тестирования после проведения термоциклирования
Электрическая
длинаРК 50-2-42-С;
№1РК 50-2-42-С;
№2РК 50-4-420-С;
№1РК 50-4-420-С;
№210 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 6.5 В нижней строке Таблицы 4 приведены значения уменьшения электрической длины непосредственно после выполнения процедуры U-изгиба КС, прошедших тероциклирование: Δφ3 = φ3 – φ4 . Сравнение численных значений Δφ3 и Δφ1 в Таблице 3 показывает, что изменение фазы тестируемых сборок после термоциклирования при U-изгибах существенно уменьшилось.
7.1 Операции по тестированию КС на U-изгиб выполнены в соответствии с рекомендациями МЭК [5], что проиллюстрировано на рис. 7.1.
Для удобства дальнейшего анализа данные Таблиц 3 и 4 использованы для построения гистограмм, 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. 7.1 Тестирование ФКС на U-изгиб
Рис.7.2 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С
Рис.7.3 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №2 РК 50-2-42-С
Рис.7.4 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №1 РК 50-4-420-С
Рис.7.5 Изменения фазы а-b (°)-U и а-с (°)-U кабельной сборки №2 РК 50-4-420-С
8.1 Действия при тестировании КС на скручивание выполнены в соответствии с рекомендациями стандарта [5], что иллюстрирует рис. 8.1.
Рис. 8.1 Тестирование на скручивание
8.2 На рисунках 8.2…8.5 приведены гистограммы, построенные по данным Таблиц 3 и 4 и показывающие изменение электрической длины а-b (°)-tw и а-с (°)-tw четырёх кабельных сборок на частоте 18 ГГц при тестировании на скручивание.
Изменения фазы 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.8.2 Изменения фазы а-b (°) - tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №1 РК 50-2-42-С
Рис.8.3 Изменения фазы а-b (°) - tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №2 РК 50-2-42-С
Рис.8.4 Изменения фазы а-b (°) - tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №1 РК 50-4-420-С
Рис.8.5 Изменения фазы а-b (°) - tw и а-с (°)-tw кабельной сборки №2 РК 50-4-420-С
9.1 Термоциклирование (температурное кондиционирование) выполнено одновременно для 4-х тестируемых кабельных сборок, параметры которых приведены в Таблице 1.2.
9.2 Испытания проводились в диапазоне частот (10…20 000) МГц при полосе пропускания ВАЦ 1 кГц. Время выдержки на каждой температуре составляло 30 мин., необходимая информация о тестируемых кабельных сборках и о климатической камере вносилась в ПО УГКИ, после чего была реализована температурная циклограмма, изображённая на рис.9.1.
Рис.9.1 Температурная циклограмма кондиционирования 4-х кабельных сборок на установке УГКИ
9.3 После выполнения 6 циклов термоциклирования получены формируемые программно Протоколы измерения температурных параметров четырёх ФКС, каждый из которых содержит таблицы с данными измерений.
Полученные значения задержки от температуры φ в РРМ и затухания от температуры а в дБ % перенесены из Протоколов в соответствующие ячейки таблицы 5.
Таблица 5 - Результирующие параметры циклограммы термоциклирования 4-х кабельных сборок
Частота измерений 18 ГГц 1 цикл 2 цикл 3 цикл 4 цикл 5 цикл 6 цикл Параметры КС
при 25 °С после
термоциклирования
20.02.21Положительные температуры Параметры КС
при температуре 25 °С
из таб. 2РК 50-2-42-С; №1 T, °С 165 164,9 164,8 164,7 164,6 164,5 φ, PPM ►1201,59 1308,05 1354,86 1388,51 1411,43 1428,49 T, °С 25 a, дБ % * 25,54 25,30 25,17 25,19 25,07 25,03 T, °С 25 φ, (°) 264 234,7 Отрицательные температуры φ, (°) *264 239 a, дБ % 15,42 T, °С - 60 - 60,1 - 60,2 - 60,3 - 60,4 - 60,5 a, дБ % ►15,523 φ, PPM * 1739,70 1971,62 2063,89 2121,86 2165,65 2200,44 a, дБ % * -20,97 -21,31 -21,29 -21,30 -21,04 -20,76 РК 50-2-42-С;№2 Положительные температуры T, °С 165 164,9 164,8 164,7 164,6 164,5 T, °С 25 φ, PPM ►1240,33 1344,91 1391,03 1424,10 1446,26 1463,01 T, °С 25 φ, (°) 264 547,6 a, дБ % * 24,29 24,02 23,93 23,80 23,73 23,60 φ, (°) ◄264 474 a, дБ % 15,78 Отрицательные температуры a, дБ % ►15,867 T, °С - 60 - 60,1 - 60,2 - 60,3 - 60,4 - 60,5 φ, PPM ►1730,89 1971,20 2062,84 2122,91 2168,42 2203,74 a, дБ % * -20,80 -20,89 -20,82 -20,81 -20,69 -20,34 РК 50-4-420-С;№1 Положительные температуры T, °С 165 164,9 164,8 164,7 164,6 164,5
| Комментировать | « Пред. запись — К дневнику — След. запись » | Страницы: [1] [Новые] |
