肖 健

（中國直升機設計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

射頻同軸電纜組件作為設備主機與天線之間的高頻信號通道，在航天、航空等領域應用廣泛。隨著機載設備綜合化、模塊化、集成化等技術的快速發(fā)展，對整機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接設計應運而生。轉接結構與所轉接的電纜之間特性阻抗匹配一致是同軸電纜轉接結構設計最基本的要求，射頻信號在傳輸過程中不能產(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?；谛盘杺鬏斃碚摚疚奶岢隽艘环N電壓駐波比的優(yōu)化方法，通過分析特性阻抗補償對電壓駐波比的影響，進行軸向距離計算后對階梯電容進行補償，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接設計時的特性阻抗失配問題，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]，單位長度分布的電阻、電感、電導、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。

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

在理想狀態(tài)下，單位長度均勻同軸電纜的電感L1和電容C1為：

式中：D是電纜外導體直徑，d是電纜內導體直徑，ε為介電常數(shù)，μ為磁導率。

式中：ε0為真空介電常數(shù)，μ0為真空磁導率，μr是絕緣介質的相對磁導率，對于非磁性材料，μr=1，εr根據(jù)具體介質而定。

集束型射頻同軸電纜組件包含兩種復合絕緣介質，則其特性阻抗為：

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

1.2 電壓駐波比

在信號傳輸通道中，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，均會導致特性阻抗不一致[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，其本身有轉接段、電纜壓焊接等裝置，在連接器界面、絕緣支撐范圍、導體內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，信號發(fā)生反射[7]。轉接段不連續(xù)電容產(chǎn)生的信號反射是由轉接導體截面直徑變化引起的，在設計中可加入軸向錯位補償距離進而提高電感，對電容進行補償，得到中性電容。

2.1 計算軸向距離

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

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

均勻傳輸線電長度為θ，視作一個π型二端口網(wǎng)絡，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為傳輸線長度，β為相移常數(shù)，

二端口網(wǎng)絡的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度δ，即軸向錯位距離為：

式中：Cin為內導體截面尺寸變化時階梯電容，Cout為外導體截面尺寸變化時階梯電容，根據(jù)公式可得軸向錯位距離。

2.2 特性阻抗匹配

在傳輸線與負載之間加入一個阻抗匹配網(wǎng)絡完成阻抗匹配，匹配網(wǎng)絡由電抗元件構成，為抵消原來的反射在匹配網(wǎng)絡中引入一個新的逆向反射，補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，計算出所需的設計參數(shù)值，并運用至電纜組件設計中，便可完成各連接之間的特性阻抗匹配。

3 設計應用與模擬

3.1 組件轉接應用

在轉接結構設計中，常使用兩種復合絕緣介質，Zc=50Ω時，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位距離δ，并將軸向錯位距離δ分別加入到各自對應的組件模型設計中，使用HFSS軟件對組件模型進行VSWR分析。

3.2 模擬測試

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

選用上述模型分別與采用經(jīng)驗錯位距離Δ的組件模型進行比較，VSWR值結果如圖1～4所示。

從圖1～圖4可以看出，采用δ軸向錯位距離補償?shù)?種模型，VSWR值明顯低于采用傳統(tǒng)錯位距離的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軸向錯位距離補償能夠有效降低同軸電纜組件轉接設計時的VSWR。

4 結束語

射頻同軸電纜組件轉接設計時，為了實現(xiàn)特性阻抗相匹配，降低VSWR，提高電纜組件傳輸性能，提出了軸向錯位補償方法，模擬實驗結果表明：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接設計時的特性阻抗失配問題，降低VSWR。

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