射频同轴电缆组件电压驻波比的优化

引言

所以，电压驻波比是与特性阻抗均匀性有着密不可分的关系。电缆组件中的阻抗变化会引起失配，从而导致信号的反射，这种反射会导致入射波能量的损失，而通过公式η＝（1－Γ²）×100可以计算出它的匹配程度。

射频同轴电缆组件对电压驻波比的影响因素可以从以下几方面考虑：

（1） 设计方面的影响

连接器的设计与选择、电缆的选择和一致性、连接器与电缆的连接方式是否合适，都会直接影响电压驻波比。通常连接器的类型和电缆的型号都是用户已经指定的，在这样的情况下，主要需要考虑的是连接器的阻抗匹配性、电缆的阻抗和阻抗一致性、连接器与电缆连接方式的可靠性和阻抗匹配性等。

（2） 生产加工方面的影响

加工时尺寸的一致性、表面粗糙度的差异、表面涂覆的不同都会影响到最终电压驻波比和质量一致性。

（3） 装配工艺和装配过程控制方面的影响

目前，国内外常见的射频同轴电缆组件主要有焊接式、夹持式、压接式等三种装接方式。其中,焊接式是将连接器尾端与电缆屏蔽层采用焊接方式进行连接;夹持式的内导体一般采用焊接结构（或免焊式），外导体由连接器夹紧结构将电缆的屏蔽层夹紧;压接式是将连接器尾端与电缆屏蔽层采用专用压接工具在较大的压力作用下使金属套筒产生变形，从而使电缆屏蔽层与连接器外导体相连接。

选用哪种装接方式在设计时就已经定了，装接过程中如何减小人为因素（比如:装接/焊接时员工的责任心和熟练程度、细节处理、间隙补偿的处理）的影响是关系到产品是否合格的关键。装配过程中的常见问题有零件位置颠倒、错乱、张冠李戴等、零件傲粗变形导致内/外导体直径变化、零件端面碰伤/划痕/压痕等、异物进入连接器内部或电缆表面/多余物未清除干净、电缆剥制尺寸不当等。为了有效控制产品装配的一致性，最好做尽量详尽的装配作业指导书来指导生产，提高产品装配的一致性。

（4） 测试方面的影响

矢量网络分析仪的校准过程是其关注的焦点。当被测试件非矢量网络分析仪釆用标准接口时，新加进来用于测试的非标准转接器是不允许被消掉的，因此,该非标准转接器的性能直接影响到测试结果的准确性，该转接器的性能也不容忽视。

2  射频同轴电缆组件电压驻波比的优化

检测发现产品的VSWR不合格时，往往需要设计人员去分析和处理。如何快速找出影响电压驻波比的主要问题点、快速采取有效措施提升电压驻波比,从而使产品合格的方法一直是困扰众多设计人员的难题之一。

快速找出影响电压驻波比的主要问题点，可以使用以下几种方法。

2.1  时域分析法

矢量网络分析仪的时域测试功能是非常有用的。时域测试结果的显示形式更为直观，直接可以看到被测器件的特性。在测量传输线系统的宽带响应特性方面,与其它测试技术相比，时域测试技术通过把被测器件特性的不连续性显示为时间或距离的函数而能给出更富有含义的信息。时域分析用于测量传输线的阻抗值和评估设备在时间和距离上所存在的问题（即不连续点），时域分析不但能更直观地反映被测件的性能，它还能提供更多其它有用的信息，是涉及传输系统的宽带反映。另一种测量技术是通过各个中断点的影响来反映时间和距离的功能，这个方法可通过程序网络分析仪来集中反映时域的产生。

时域是指在时间范畴内进行的分析或时域测试结果的显示，这种分析和测试结果可显示在二维图形（X—Y曲线）上，X轴要么表示的是距离（电长度），要么表示的是时间；Y轴表示的则是幅度信息（通常为阻抗或电压）值的大小。图1所示是时域测量结果的显示界面。

时域反射计法（TDR）[Time domain reflectome-try的缩写]是一种利用快速阶跃信号发生器和接收机来进行传输或反射的测量方法。TDR是对具有这种测试能力的示波器的通称。请注意，安装了适当的软件之后，用TDR方法测量（时域内的测量）也可以得到S参数（频域内的参数）。

矢量网络分析仪法（VNA）[Vector network an-alyzer的缩写]是用矢量网络分析仪（VNA）进行比值测量的方法，这种方法是用一个反射信号接收机或传输信号接收机对扫频连续波（CW）激励源进行跟踪,测试结果通常显示为S参数（反射信号或传输信号与激励信号之比）。其重点是如何把用矢量网络分析仪测到的s参变换成时域测试结果。

低通测试模式所包含的信息在确定不连续性处的阻抗类型(电阻型、电容型或电感型)时是非常有用的。由于已经包含了直流值而且数据又是镜像的，故阶跃和冲击低通模式与带通模式相比，能产生更好的时域分辨率。

图2所示是使用真实格式的已知不连续性的各种低通响应，图2中把每种电路单元都模拟了出来,以显示对应的低通时域S11响应波形。

利用以上信息，可以从时域上很容易计算出低阻或高阻的位置，然后给予适量的补偿。有时，为了准确找到对应的位置，也可以结合接地法(接地法是用针触碰自己认为有问题的部位，以将该部位内外导体导通来确定自己的判断是否正确的方法。)和探针法(探针法是在电缆组件上将怀疑的问题点用钻孔的方式，用探针将内外导体导通，以用来判断怀疑点是否是在该处)来准确判断问题点位置。由于接地法和探针法有自身的局限性，所以只能配合时域分析时使用。

2.2  理论计算法

根据以往的经验，射频同轴连接器的界面是否匹配，内导体和外导体的开槽对阻抗的影响，内、外导体不同心对阻抗的影响，以及错位补偿是否合适、机械公差对电气性能的影响都是影响电压驻波比的主要因素。

(1) 阻抗的计算

首先，要想电压驻波比得到较好的值，就必须使组件阻抗尽量不要偏离中心太远，对于不同介电常数的产品，可以通过先计算等效介电常数，再带入公式计算阻抗的方法来实现。

在同心安装的情况下，等效介电常数ε为：

通过这个方法可以了解阻抗偏离了多大。根据公式可见,减小外导体的内径或增大内导体的外径都可以实现阻抗的降低;增大外导体的内径或减小内导体的外径可以实现阻抗的升高,但通常改变内导体外径比改变外导体内径对阻抗的改变更为明显。

(2) 不同轴度引起的特性阻抗的偏差

可观察连接器和电缆内、外导体间是否存在偏心的状况，偏心状态下对阻抗的影响为：

从式中可以评估出内外导体不同轴度在多大的范围内是可以接受的。图3所示是内导体和外导体不同心时的示意图。

(3) 绝缘支撑的补偿计算

射频同轴电缆组件中的射频连接器几乎都有绝缘支撑，支持的结构形式很多，由于支撑的介入会发生导体直接尺寸的阶梯突变，破坏传输线的均匀性。故从理论分析可知，同轴线导体直径尺寸的突变，等效于图4所示的突变截面上并联一个不连续的电容,这个电容可按照参考资料提供的公式精确计算。为了消除不连续电容引起的反射，可利用共面补偿的方法来实现。

怎样计算如图4所示的导体直径同时反向突变引起的不连续电容呢？根据设计原则，在介质区域内，应该在特性阻抗公式中求出D₁和d₁(其中D₁常是选定的)。为了消除临近效应和计算方便，支撑厚度应略小于引起谐振的厚度B。

因此，问题变成求槽深δ；

从理论上可以求得槽深、槽宽，然后与实际相对比，最终找出绝缘支撑存在的补偿不当的问题。

(4)内、外导体开槽对阻抗的影响

内、外导体开槽对阻抗是有较大影响的。在射频电缆组件使用频率较低的情况下，电压驻波比要求不严格也可以满足用户对性能的要求，这样就没有人去深入分析内、外导体开槽会对阻抗到底有多大的影响。内、外导体开槽使得阻抗一致性发生变化，随着频率的增高，电压驻波比值降不下来时，该问题才会显现出来。内、外导体对阻抗的影响可以从以下公式近似计算：

式中：△Z_内为内导体阻抗的变化量；N_内为内导体的开槽数目；W_内为内导体开槽宽度;△Z_外为外导体阻抗的变化量；w_外为外导体开槽宽度；N_外为外导体的开槽数目。

2.3  仿真法

随着计算机产业的迅猛发展，一些软件可实现理想状态下的仿真,比如:Ansoft HFSS等。它是一个计算电磁结构的交互软件包，当画出结构，明确每一个物体的介质参数，建立端口标识，源或者具体的表面特征时,该系统可以产生必要的场解，这样，在拟定的一个频段内就可求得理想状态下的一个或多个点驻波值,并可用来分析哪些点的反射系数较大,以便更快更准的找出问题点。通过设变量，并用软件快速计算的能力找出最佳补偿值，从而求得最小的电压驻波比。这种方法比以往利用公式求解要简便得多，值得普遍推广。但仿真软件往往只能仿真理想状态下的电压驻波比或时域图形，这或多或少与现实是有些差距的，但可以作为设计和解决问题时的一种参考方法。图5所示是基于Ansoft HFSS的仿真图。

总之，根据经验从“事故多发区”入手，分析査找影响产品VSWR的主要因素和次要因素才是提升射频电缆组件电压驻波比性能的根本所在。

3  结语

怎样提升射频电缆组件电压驻波比性能是射频电缆组件设计者一直不断探索的一个主题，也是一个大难题，因而需要长期不断地学习和积累经验。设计和检测是其共同提高和相互充实的过程，不应有所偏废。降低VSWR,往往不是一次就能成功的，需要多次反复的试验才能完成。

本文总结了当射频同轴电缆组件性能出现问题时如何快速找出问题所在点，以提升组件性能的一些方法，希望能为今后提升射频同轴电缆组件性能提供新的思路。