肖 健

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

射頻同軸電纜組件作為設(shè)備主機(jī)與天線之間的高頻信號(hào)通道，在航天、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著機(jī)載設(shè)備綜合化、模塊化、集成化等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)整機(jī)的射頻傳輸體提出了射頻集束、空間小、重量輕、衰減少、電壓駐波比低等新要求，集束型射頻同軸電纜組件的轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與所轉(zhuǎn)接的電纜之間特性阻抗匹配一致是同軸電纜轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基本的要求，射頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中不能產(chǎn)生反射，其中，電壓駐波比（VSWR）是電纜組件特性阻抗匹配與否、信號(hào)反射大小的體現(xiàn)[1～2]，如何降低電纜組件的電壓駐波比一直是困擾研究人員的難題?；谛盘?hào)傳輸理論，本文提出了一種電壓駐波比的優(yōu)化方法，通過(guò)分析特性阻抗補(bǔ)償對(duì)電壓駐波比的影響，進(jìn)行軸向距離計(jì)算后對(duì)階梯電容進(jìn)行補(bǔ)償，完成電纜組件各連接之間的特性阻抗匹配，能夠有效地解決電纜組件轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)時(shí)的特性阻抗失配問(wèn)題，減小電壓駐波比。

1 電壓駐波比

集束型射頻同軸電纜組件的電壓駐波比[3]是由組件相互連接之間的特性阻抗匹配與否來(lái)決定的。

1.1 特性阻抗

特性阻抗為同軸電纜橫截面上電壓與電流之比[4]，單位長(zhǎng)度分布的電阻、電感、電導(dǎo)、電容分別為R1、L1、G1、C1，特性阻抗即：

式中：ω=2πf，f 為工作頻率，ω為工作角頻率。

假定電纜導(dǎo)體為無(wú)損介質(zhì)，同軸電纜是沒有損耗的，處于理想情況，其中R1=0，G1=0，為無(wú)耗傳輸通道[5]，則：

在理想狀態(tài)下，單位長(zhǎng)度均勻同軸電纜的電感L1和電容C1為：

式中：D是電纜外導(dǎo)體直徑，d是電纜內(nèi)導(dǎo)體直徑，ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率。

式中：ε0為真空介電常數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr是絕緣介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，對(duì)于非磁性材料，μr=1，εr根據(jù)具體介質(zhì)而定。

集束型射頻同軸電纜組件包含兩種復(fù)合絕緣介質(zhì)，則其特性阻抗為：

式中：εr1、εr2分別為兩種復(fù)合絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，χ為兩介質(zhì)分界處的直徑。

1.2 電壓駐波比

在信號(hào)傳輸通道中，假如連接器阻抗與傳輸線特性阻抗不匹配，便會(huì)產(chǎn)生反射波，VSWR[5]為：分別是連接器的行波正向阻抗、反向阻抗，理想狀態(tài)下，Z+、Z-相等，特性阻抗匹配完全一致，VSWR等于1。因連接器、電纜本身的制造誤差及工藝誤差，均會(huì)導(dǎo)致特性阻抗不一致[6]，發(fā)生偏離，故VSWR總是大于1。

2 特性阻抗匹配

同軸電纜組件屬于非均勻同軸線，其本身有轉(zhuǎn)接段、電纜壓焊接等裝置，在連接器界面、絕緣支撐范圍、導(dǎo)體內(nèi)外徑銜接范圍和連接器至電纜連接處等存在區(qū)域不均勻，出現(xiàn)阻抗偏離界定特性阻抗值現(xiàn)象，產(chǎn)生不連續(xù)電容，信號(hào)發(fā)生反射[7]。轉(zhuǎn)接段不連續(xù)電容產(chǎn)生的信號(hào)反射是由轉(zhuǎn)接導(dǎo)體截面直徑變化引起的，在設(shè)計(jì)中可加入軸向錯(cuò)位補(bǔ)償距離進(jìn)而提高電感，對(duì)電容進(jìn)行補(bǔ)償，得到中性電容。

2.1 計(jì)算軸向距離

導(dǎo)體截面尺寸變化類似于在傳輸線并聯(lián)一個(gè)階梯電容，在內(nèi)、外導(dǎo)體階梯面上形成固定距離，得到小電感，可用來(lái)消除階梯電容帶來(lái)的反射，可用等效電路來(lái)體現(xiàn)，形成等效二端口網(wǎng)絡(luò)，將其特性阻抗與均勻傳輸線的特性阻抗進(jìn)行匹配。

完成階梯電容補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于恰當(dāng)?shù)墓潭ㄥe(cuò)開距離，錯(cuò)位補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐肥且粋€(gè)π型二端口低通網(wǎng)絡(luò)，其中，單集總電感為L(zhǎng)，單集總電容為C。

均勻傳輸線電長(zhǎng)度為θ，視作一個(gè)π型二端口網(wǎng)絡(luò)，均勻傳輸線的M1矩陣為：

式中：T為反射系數(shù)，

式中：Zc為特性阻抗，θ=βδ，δ為傳輸線長(zhǎng)度，β為相移常數(shù)，

二端口網(wǎng)絡(luò)的M2矩陣為：

式中：BC是由電容引起的電納，BC=ωC，XL為電感產(chǎn)生的感抗，XL=ωL。

若矩陣M1=M2，則：

算得短均勻傳輸線長(zhǎng)度δ，即軸向錯(cuò)位距離為：

式中：Cin為內(nèi)導(dǎo)體截面尺寸變化時(shí)階梯電容，Cout為外導(dǎo)體截面尺寸變化時(shí)階梯電容，根據(jù)公式可得軸向錯(cuò)位距離。

2.2 特性阻抗匹配

在傳輸線與負(fù)載之間加入一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)完成阻抗匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)由電抗元件構(gòu)成，為抵消原來(lái)的反射在匹配網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè)新的逆向反射，補(bǔ)償后的傳輸線等效為均勻傳輸線，使傳輸線上連接器、電纜的等效電路特征參數(shù)一一相等，計(jì)算出所需的設(shè)計(jì)參數(shù)值，并運(yùn)用至電纜組件設(shè)計(jì)中，便可完成各連接之間的特性阻抗匹配。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用與模擬

3.1 組件轉(zhuǎn)接應(yīng)用

在轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常使用兩種復(fù)合絕緣介質(zhì)，Zc=50Ω時(shí)，εr1=2.08和εr2=2.75，采用4種組件模型：

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

根據(jù)上述公式，可分別得到4種組件的模型軸向錯(cuò)位距離δ，并將軸向錯(cuò)位距離δ分別加入到各自對(duì)應(yīng)的組件模型設(shè)計(jì)中，使用HFSS軟件對(duì)組件模型進(jìn)行VSWR分析。

3.2 模擬測(cè)試

Zc=50Ω的同軸電纜傳統(tǒng)的錯(cuò)位距離 經(jīng)驗(yàn)公式為[8-9]：

選用上述模型分別與采用經(jīng)驗(yàn)錯(cuò)位距離Δ的組件模型進(jìn)行比較，VSWR值結(jié)果如圖1～4所示。

從圖1～圖4可以看出，采用δ軸向錯(cuò)位距離補(bǔ)償?shù)?種模型，VSWR值明顯低于采用傳統(tǒng)錯(cuò)位距離的4種模型，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種模式下的VSWR值均低于1.32，可見，δ軸向錯(cuò)位距離補(bǔ)償能夠有效降低同軸電纜組件轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)時(shí)的VSWR。

4 結(jié)束語(yǔ)

射頻同軸電纜組件轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)特性阻抗相匹配，降低VSWR，提高電纜組件傳輸性能，提出了軸向錯(cuò)位補(bǔ)償方法，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法使得電纜組件連接之間的阻抗更好地相匹配，能夠有效解決電纜組件轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)時(shí)的特性阻抗失配問(wèn)題，降低VSWR。

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