Переходы и коаксиальные соединители
Переходы (переходники, англ. adapters – адаптеры) предназначены для создания надёжного электромеханического соединения между линиями передачи одного типа, отличающимися геометрическими размерами проводников и/или типом соединителя (фланца), а также между линиями передачи различных типов. Кроме того, стоит упомянуть переходы, с помощью которых осуществляется соединение линий одного типа, отличающихся волновым сопротивлением, – трансформаторы импеданса (англ. Matching Pad). В связи с тем что в СВЧ-технике наибольшее распространение получили коаксиальные тракты с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом, трансформаторы импеданса в основном используются для их согласования.
К основным электрическим параметрам переходов относят:
- Волновое сопротивление.
- Диапазон рабочих частот.
- Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, англ. VSWR) или его аналог, чаще использующийся за рубежом, – возвратные потери (англ. Return Loss, RL):
- Коэффициент передачи, наравне с которым используют величину вносимых потерь (англ. Insertion Loss, IL).
Одним из основных элементов конструкции перехода, определяющих его функциональное назначение, являются соединители – электромеханические элементы СВЧ-устройств (и не только СВЧ), предназначенные для соединения линий передач различных электрических цепей (модулей, блоков и комплексов), состоящие из двух и более частей, образующих разъёмное контактное соединение. Согласно ГОСТ Р56530-2015 [1], они различаются по типу – стандартизированной конструкции, и, в соответствии с ГОСТ РВ 51914-2002 [2], к основным 50 Ом коаксиальным соединителям можно отнести следующие пары (отечественный – зарубежный):
- тип I (2,4 мм);
- тип III – тип N;
- тип IX вар. 3 – тип 3,5 мм;
- тип IX вар. 1 – тип SMA.
Также стоит отметить типы 2,92 мм (K), 1,85 мм (V) и 1 мм (W), не имеющие российских аналогов – их конструкции описаны в стандарте IEE 287-2007 для прецизионных коаксиальных соединителей до 110 ГГц [3].
Коаксиальные соединители бывают двух полярностей: розетка и вилка (англ. male и female соответственно, исключение составляют т.н. бесполые (англ. sexless)). Некоторые из коаксиальных соединителей совместимы между собой механически, например 3,5 мм и SMA; 3,5 и 2,9 мм; 1,85 мм и I (2,4 мм) и т.д.
Существует большое количество линий передачи, применяемых в СВЧ-устройствах, и к этим устройствам предъявляется ряд эксплуатационных требований, которые могут заметно варьироваться в зависимости от назначения конкретного устройства – этим, в том числе, объясняется существование большого количества конструкций соединителей (разъёмов, фланцев). В зависимости от требований к электрическим параметрам, стабильности и воспроизводимости, а также к надёжности соединители делятся на:
- cоединители общего назначения – производятся с учётом их широкой применяемости и невысоких требований к эксплуатационным параметрам;
- cоединители приборного класса, используемые в составе измерительных приборов, – к их электрическим и механическим параметрам предъявляются повышенные требования в зависимости от назначения;
- cоединители лабораторного (прецизионного) класса, производимые с учётом самых высоких требований к их электрическим и механическим параметрам, –их используют, как правило, метрологические лаборатории в качестве эталонов.
На рисунке 1 представлена одна из наиболее распространённых конструкций коаксиальных соединителей, центральные проводники (ЦП) которой имеют либо гнездовой, либо штыревой контактные элементы, а внешними проводниками (ВП) являются корпуса соединителей.
Торцевая поверхность внешнего проводника соединителя называется опорной плоскостью. Конструкция и размеры соединителей тесно связаны с сечением и/или видом используемой линии передачи. Сечением линии (часто употребляется профессионализм «сечение тракта») называется соотношение диаметров ЦП и ВП коаксиальной линии или внутренние размеры широкой и узкой стенок волноводной линии.
При скручивании соединителей происходит прижатие их опорных плоскостей друг к другу, тем самым обеспечивается электромеханическое соединение внешних проводников, в то время как центральные соединяются не вплотную – между их торцами образуется ступень, которая может оказывать значительное влияние на электрические характеристики соединителей и, как следствие, на характеристики соединяемых устройств СВЧ. Ступень образуется вследствие наличия небольшого утопания ЦП соединителей относительно опорной плоскости (см. рис. 2), называемого рецессией, или присоединительным размером. Наличие рецессии в соединителях исключает вероятность их повреждения при скручивании, тогда как выступание ЦП за опорную плоскость (т.н. протрузия) (см. рис. 3), а также несоосность проводников хотя бы одного из соединителей могут привести к их повреждению, что особенно нежелательно для входных портов измерительных приборов СВЧ.
Рецессия является результатом конечных допусков, использующихся при изготовлении соединителей, а протрузия может появиться в процессе эксплуатации. Для разных классов соединителей требования к значению рецессии разные: для соединителя общего применения этот параметр, как правило, ограничен 100 мкм, для соединителя приборного класса – 50 мкм, а для соединителя метрологического класса – 13 мкм [4]. В связи с этим величина рецессии должна строго контролироваться при помощи специальных приборов – измерителей присоединительных размеров (англ. gauge) (см. рис. 4). Более подробно влияние рецессии на электрические характеристики соединителей описано в стандарте IEE 287-2007 для прецизионных коаксиальных соединителей до 110 ГГц [3].
Кроме того, важным является соблюдение момента затягивания резьбы соединителей, поскольку оно предотвращает их преждевременную поломку, а также обеспечивает высокую повторяемость электрических параметров при многократных соединениях-разъединениях. По этой причине применяются тарированные ключи (см. рис. 5): с их помощью коаксиальные соединители скручиваются определённым моментом силы, при достижении которого ручка ключа «переламывается», чем и ограничивается момент затягивания. Как правило, на ручке ключа имеется специальная риска, показывающая место приложения силы.
Коаксиальные переходы
Коаксиальные переходы – пассивные СВЧ-устройства, которые представляют собой участок коаксиальной линии, на концах которой имеется два соединителя, причём вариантов комбинации может быть большое количество.
В книге К.Б. Джуринского [5] одноканальными (англ. in-series adapters) называются коаксиальные переходы одного присоединительного ряда (соединители одинакового типа), межканальными (англ. between-series adapters) – разных присоединительных рядов, но в данной статье одноканальными коаксиальными переходами будут называться переходы, имеющие коаксиальные соединители с одинаковым сечением проводников, независимо от их типа, а межканальными коаксиальными переходами – переходы, имеющие коаксиальные соединители с различающимся соотношением диаметров проводников. Более подробную информацию о соединителях и переходах можно узнать в [6].
Одноканальные переходы (см. рис. 6) служат для соединения коаксиальных трактов одинакового сечения, оконечные соединители которых по тем или иным причинам (одинаковая полярность, различный тип) не могут быть скручены. Также их нередко используют в качестве «сейверов» (англ. saver) выходных портов СВЧ-устройств для предотвращения износа и повреждения выходных соединителей таких устройств под действием многократных соединений-разъединений в процессе настройки, калибровки и измерений.
В таблице 1 представлены электрические характеристики серийно выпускаемых одноканальных коаксиальных переходов производства АО «НПФ «Микран».
*В скобках указано типичное значение
На рисунке 7 представлены типичные частотные зависимости одноканальных переходов различного сечения коаксиального тракта, произведённых компанией «Микран».
Для одноканальных коаксиальных переходов характерен невысокий КСВН в пределах 1,1 на частотах до 40 ГГЦ и 1,15 на частотах до 50 ГГц. Значения коэффициента передачи также невелики – в пределах 0,2. Таким образом, при использовании переходов компании «Микран» в одном тракте не возникает больших потерь.
Межканальные переходы (см. рис. 8) представляют собой коаксиальные трансформаторы, выполненные на основе ступенчатого или же плавного изменения диаметров внешнего и/или внутреннего проводников коаксиальной линии. Межканальные коаксиальные переходы необходимы для сочленения трактов, соединители которых различаются в первую очередь сечением проводников и, как следствие, относятся к различным типам.
*В скобках указано типичное значение
В таблице 2 приведены электрические характеристики серийно выпускаемых межканальных коаксиальных переходов собственного производства, а на рисунке 9 представлены их типичные частотные характеристики.
На приведённых графиках можно увидеть, что типичный КСВН для частот <40 ГГц не превышает значения 1,1; а для частот до 50 ГГц не поднимается выше отметки 1,14. Коэффициент передачи на частотах до 50 ГГц имеет значение менее -0,1 дБ. Данные показатели соответствуют лучшим образцам из США, Европы и Японии.
Переходы с усиленными соединителями (см. рис. 10), как правило, устанавливаются на порты измерительных СВЧ-устройств и, как вариант, в измерительных фазостабильных кабельных сборках, поскольку качество измерений в значительной степени зависит от механической стабильности коаксиального соединения. Соединители межканальных и одноканальных коаксиальных переходов усиленного исполнения (зарубежный аналог NMD) внешне отличаются от стандартных соединителей усиленным корпусом и увеличенным диаметром резьбы. Усиленные соединители «вилка» имеют гайки с двумя резьбами: внешнюю усиленную и внутреннюю стандартную, которую можно соединить с розеткой, имеющей стандартную резьбу. Соединитель «розетка» имеет только усиленную внутреннюю резьбу, из-за чего её невозможно соединить со стандартной вилкой.
В таблице 3 представлены электрические характеристики серийно выпускаемых одноканальных и межканальных коаксиальных переходов усиленного исполнения производства компании «Микран».
*В скобках указано типичное значение
Использование коаксиальных переходов усиленного исполнения оправданно в задачах с повышенным износом и/или наличием механической нагрузки на соединение. Для переходов такого типа характерны чуть более высокие значения КСВН и вносимых потерь, что оправдывается спецификой применения.
Коаксиально-волноводные переходы
Волноводные линии передачи, наряду с коаксиальными, получили широкое распространение в СВЧ-технике. Это связано с некоторыми преимуществами волноводных линий передачи над коаксиальными – работоспособностью на более высоких частотах, меньшими вносимыми и возвратными потерями. К их основным недостаткам можно отнести большие габариты и массу, а также ограниченный рабочий диапазон частот. Нередко в одном устройстве для использования преимуществ обеих линий передачи применяют отрезки как волноводной, так и коаксиальной линии, и для их соединения необходимы коаксиально-волноводные переходы.
Коаксиально-волноводные переходы (КВП) (англ. waveguide to coaxial adapter) – пассивные СВЧ-устройства, предназначенные для создания надёжного механического и электрического соединения волноводной и коаксиальной линий передачи. В зависимости от взаимного расположения коаксиального и волноводного канала различают две основные конструкции КВП:
- Угловая (англ. right angle adapter) – представляет собой отрезок прямоугольного волновода с замкнутым торцом и коаксиальным соединителем, расположенным на одной из боковых стенок волновода перпендикулярно ей (см. рис. 11).
- Прямая (англ. end launch adapter) – представляет собой отрезок прямоугольного волновода с коаксиальным соединителем, расположенным в торцевой стенке волноводного канала соосно последнему.
Кроме того, в зависимости от способа возбуждения волноводного канала КВП делятся на ёмкостные и индуктивные. В КВП с ёмкостным типом возбуждения на определённом расстоянии от замкнутого торца на широкой стенке располагается подвешенный излучатель – центральный проводник коаксиального соединителя. В КВП с индуктивным типом возбуждения центральный проводник коаксиального соединителя замыкается на одну из стенок волновода.
Компания «Микран» занимается разработкой и производством коаксиально-волноводных переходов, оснащённых различными типами коаксиальных соединителей. В большинстве переходов применяется ёмкостное возбуждение и перпендикулярное расположение коаксиальной и волноводной частей (также разработаны и внедряются переходы с соосным расположением и индуктивным возбуждением). Переходы изготавливаются из высококачественных материалов и обладают малыми потерями и отражением, а также имеют высокую стабильность параметров при большом количестве циклов соединений-разъединений в диапазоне рабочих температур -60…+85°С. В таблице 4 приведены электрические характеристики серийно выпускаемых коаксиально-волноводных переходов различных производителей.
*В скобк ах указано типичное значение
На рисунке 12 представлены типичные частотные характеристики коэффициента передачи пары последовательно включённых коаксиально-волноводных переходов, произведённых компанией «Микран».
Заключение
СВЧ-переходы, а также другие элементы СВЧ-тракта широко используются во многих областях современной науки и техники, поэтому их разработка, производство и модернизация на отечественных предприятиях являются очень важными задачами, необходимыми для развития радиоэлектронной промышленности.
В компании «Микран» организован полный цикл производства – от разработки до сервисного обслуживания различных СВЧ-устройств и элементов СВЧ-тракта (переходы, делители, соединители, направленные устройства, оконечные нагрузки и др.) и приспособлений, необходимых для их правильной эксплуатации (тарированные и поддерживающие ключи, измерители присоединительных размеров и др.). Все они изготавливаются из высококачественных материалов с различными типами соединителей и широко используются в отечественной промышленности.
Комплекты измерителей присоединительных размеров вместе с волноводными и коаксиальными калибровочными наборами для векторных и скалярных анализаторов, в состав которых входят переходы, различные оконечные нагрузки, поддерживающие и тарированные ключи производства АО «НПФ «Микран», обеспечивают высокое качество калибровки и повторяемость результатов до 50 ГГц. Одновременно с этим метрологические характеристики производимых аксессуаров находятся на одном уровне с лучшими зарубежными образцами.
Литература
- ГОСТ Р 56530-2015. Совместимость космической техники электромагнитная. Общие требования к бортовой кабельной сети космической техники.
- ГОСТ РВ 51914-2002. Элементы соединения СВЧ-трактов электронных измерительных приборов. Присоединительные размеры.
- 287-2007 – IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz).
- http://www.micran.ru/sites/micran_ru/tmpl/micran_ru/p/pdf/Soedinitely_web.pdf
- Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. – М.: Техносфера, 2006. – 219 с.
- Джуринский К.Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры. – СПб: Файнстрит, 2014. – 430 с.
- http://www.micran.ru/
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
