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国防系统中超高频连接器的注意事项
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国防系统中超高频连接器的注意事项

2021-01-12 14:16:48 来源:连接器世界网 作者:Pasternack公司市场经理Peter McNeil

【大比特导读】在消费世界中,电缆和连接器是廉价、便宜的商品。但是,在国防、航空航天和其他关键任务应用中却不是这种情况,在这些应用中,更换不仅成本高昂且极其昂贵,而且往往是生死攸关的问题。

在使用微波同轴电缆和连接器的数百种不同环境中,国防系统的要求可能是最苛刻的。因为处理它们的人通常不知道它们不是“电线”,从技术上将,它们是精密的零件。毕竟,这些人是战士,而不是微波工程师。因此,它们会被重型车辆撞倒,会被用来拉动设备,并暴露于化学物质、燃料,盐水和许多其他危险中。

老化和各种环境因素是造成电缆和连接器故障的主要原因,但是可以说,大多数损坏是由使用它们的人造成的。因此,根据一项评估,大约75%的微波电缆组件需要经常更换,每年大约35%的组件需要更换一次,而20%的组件每年至少需要更换两次。

在消费世界中,电缆和连接器是廉价、便宜的商品。但是,在国防、航空航天和其他关键任务应用中却不是这种情况,在这些应用中,更换不仅成本高昂且极其昂贵,而且往往是生死攸关的问题。因此,数十年来,电缆和连接器行业一直在发布文档、文章、视频和其他信息材料,以期教育客户有关其产品“保养”的知识。

多年来,电缆和连接器制造商在加固这些组件方面取得了长足的进步,从分层电缆到不穿有害物质的护套到使连接器尽可能坚固以承受反复的连接和重新连接。电气、电磁和机械工程都是非凡的壮举。

它们还必须具有尽可能低的插入损耗和VSWR,高相位和幅度稳定性,在宽温度范围内保持其性能,对外部信号的高抵抗力的能力以及其他功能。但是,它们的最新挑战可能是有史以来最艰巨的挑战之一:将这种坚固性,扩展到设计成在毫米波范围内可以良好运行的电缆和连接器,并将其应用于战场防御系统中。

多年来,随着工作频率的不断提高,这并不是业界第一次遇到这种情况,而且随着5G的到来,甚至商用无线系统也可能会在60 GHz甚至更高的频率下工作。设计用于60 GHz的柔性电缆和连接器已经面世了多年,但在100 GHz或更高的频率下,不仅制造起来困难且昂贵,要确保它们在国防环境中保持最佳性能还面临着全新的挑战。

从替补席到战场

对于射频和微波测试设备的制造商而言,制定产品路线图需要一部分市场分析和一份透视。前者仅在某种程度上有用,因为提前半个世纪左右准确地确定需要什么是极其困难的。制造商开发仪器并准备好将客户的设备投入生产,它们也需要花费不少时间。

除了必须提供的仪器本身之外,还包括校准套件和精密无源组件,包括耦合器、连接器、适配器和电缆。在最高的测量频率下,这些价格并不便宜,也不是天生的“坚固”,因此在便携式和飞行路线测量场景中使用时会出现问题。由于必须小心处理SMA、TNC和其他较大的连接器,所以1mm甚至更小的连接器成为了全新的趋势。N型连接器的中心导体为3.04 mm;8mm连接器为0.347mm。用于更高频率(例如0.6mm和0.4mm)的连接器的中心导体直径分别为0.26mm和0.174mm(图1)。

连接器

图1:连接器中的磁珠尺寸,从右侧的K连接器到左侧的连接器,旨在以数百GHz的频率运行。磁珠是支撑中心导体的电介质。

因此,连接器的开发与新仪器的预期需求长期保持一致,这并不奇怪,新仪器涵盖了更高的频率,这在很大程度上由仪器公司自身驱动。从Keysight Technologies(前身是Agilent Technologies)、Anritsu到Rohde&Schwarz,都是连接器开发中最活跃的公司,他们的技术在连接器开发方面做出了许多贡献。

空中挑战

对于电缆和连接器制造商来说,空中环境可能是最苛刻的要求,因为它们必须满足针对该环境的一长串要求,因为它们对于确保飞行员和飞机的安全至关重要。从基本的同轴电缆结构开始,并增加层数以保持电缆的阻抗,在军事和航空航天环境中保护电缆更加困难。在非常宽的温度范围内保持温度稳定性是另一个关键要求。其他保护措施包括防潮层以及不同类型的护套和耐磨性。

另一个问题是,测试电缆和连接器的端到端连续性和其他参数所需的仪器并非总是在需要的地方可用。即使是这样,这些系统也可能非常复杂,需要具有技术知识的人员才能操作它们。此外,较大的飞行路线测试系统价格昂贵,因此无法将其部署在武装部队需要的任何地方,因此需要时间来教人们如何使用它们。为简单起见,可以将测试设备简化为创建“红灯/绿灯”结果,以识别问题,甚至确定问题所在的位置,并可能了解导致问题的原因。例如,请考虑以下假设情况。

如前所述,飞机是复杂而苛刻的平台,整个机身都装有大量设备(图2)。因此,要假设战斗机中的EW、ECM或通信系统的性能会下降。解决此问题的方法之一是取出LRU并更换它们(如果有备用件)。如果这种方法不起作用,并且天线也没有损坏,那么剩下的问题就在很长的电缆及其随附的连接器。

连接器

图2:这绝对不是一个有利于查找和维修或更换出现故障的连接器或电缆的环境。

下一步是通过距离故障检测来发现不连续性,只有使用便携式(或台式)矢量网络分析仪(VNA)或大型非常全面的系统(例如德事隆联合部队电子作战系统测试仪)才能实现。所以要进行测量以确定不连续点的位置,该不连续点通常位于电缆/连接器的接口处,因此解决方案可能是通过移除短距离的电缆并在其末端安装新的连接器来恢复接口。

在飞机的范围内,这可能是一个令人难以忍受的经历,因为问题区域被掩埋在机身内,如果不移除面板就无法到达它。这和修复本身需要一个讲究技巧的人,有丰富的技术专长和操作精度。运气好的话,有可能使用现场可更换的连接器端接了电缆组件,但情况并非总是如此。

但由于微波电缆组件被整体制造,以确保其电缆/连接器接口处的最佳性能,这样至少可以使维修成为可能。在中心导体周围还有多个保护层,在飞行级组件上可能还有蒸气密封,并且建立起与原始性能相同的连接并不是一件容易的事。

这只是一种假设情况,其中电缆或连接器或两者都是问题的根源,但它说明了解决电缆相关问题所需的时间和成本,以及为什么必须认识到微波互连并非简单的大宗商品,它可以影响或破坏系统性能的精密组件。一种特别令人沮丧的情况是,电缆已经安装在飞机上,在进线之前和安装后进行了测试,发现仍然存在原始问题或其他问题。

频率更高,问题更大

随着系统进入毫米波领域,组件变得更小、更脆弱、更昂贵,这种情况将来可能不会好转。与传统的连接器(如古老的TNC或Type-N)相比,该连接器的体积很大,而在毫米波频率下工作的连接器的直径可能为1mm,最近甚至达到0.8mm。在这些频率下,即使连接器中心导体上有一个很小的缺口(肉眼几乎看不到)也会降低性能。

毫米波连接器在1989年超过了100 GHz基准,其中1mm连接器归功于HP。它在110 GHz时无模,并且在机械方面具有创新性,由于其尺寸小,因此推高了制造技术的公差极限(图3)。Omni-Spectra的另一项重大发展是盲插连接器,它使整个多连接器子系统可以连接到另一个子系统,而无需插入电缆,从而大大减轻了接口问题。

连接器

图3:Pasternack的45403型1mm可移动端发射连接器可在110 GHz频率下工作,VSWR为1.28:1或更低,插入损耗为0.1 dB。

凭借极小的连接器主体实现了110 GHz,测试设备制造商面临的问题是他们将如何应对VNA带来的连接器挑战。值得注意的是,Anritsu开发的0.8mm连接器已经解决了这个问题,该连接器在145 GHz时无模,并且是为最新的VNA使用而设计的。0.8毫米连接器非常小,即使没有显微镜也几乎看不到,但仍然足以操作。该连接器具有空气绝缘的正面接口,例如K和V连接器,中心导体的一端由专有的低损耗支撑珠支撑,另一端则由PTFE珠支撑。

由于支撑珠是由高温材料制成的,因此可以在短时间内暴露于200℃的温度下幸存下来。设计上的挑战要求开发专有的磁珠以实现良好的阻抗匹配,而对于0.8mm的连接器,将其控制在3%以内是必须的。最终得到的连接器的无模式性能实际上为170 GHz,尽管由于可与同轴电缆一起使用而只能达到145 GHz的可追溯性。该任务还需要内部开发用于校准的电缆和适配器。

可以做到多小?

已故的Bill Oldfield是高频连接器开发背后最具创新性的力量之一,曾在Wiltron和后来的安立公司工作了多年。他在一份会议论文中指出,应该有可能制造出比0.8mm更小的连接器,并提出了0.6mm甚至0.4mm的连接器接口。

尽管理论上可以建造这些较小的连接器,但似乎不切实际,因为在类似于手术室的条件下,灰尘甚至小到看不见的灰尘都会影响可重复性,而将它们配对和拔出将是一场噩梦。如果不能实现同心度,那么重复性也不能实现。

这样的连接器大概可以在几百兆赫兹的频率范围内使用,尽管国防领域将目光投向了太赫兹成像和其他应用,但难以想象这样的连接器可以由国防领域或其他领域以负担得起的成本来制造。幸运的是,在电磁能量接近光波区域的这种高频率下,接口将很可能消失,因为从基带到输出频率的模拟和数字功能,都将改用高度集成的SoC。

这已经在较低的频率下发生,并且随着不同半导体材料的应用,在这种情况下将不再需要同轴电缆和连接器。确实有波导指定在太赫兹范围内(WR-051),但即使是覆盖220至330 GHz的WR-3波导,其内部尺寸也只有0.8 x 0.4 mm。

结论

145 GHz至300 GHz之间有很多频谱,而国防领域对此也很关注。显然,这需要能够在这些频率下进行测量的仪器,尽管已经可以使用扩频器进行测量,但是所有的测试夹具都位于波导中,并且很可能会保持这种方式。

从实践的角度来看,似乎高频连接器的尺寸目前看来不可能进一步减小。但是,当国防领域、无线行业或其他一些强大的组织要求更高的性能时,它就会带来进行创新的动力。

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