CC BY
337Экспериментальное исследование частотной зависимости КСВН
коаксиально-микрополосковых переходов
Владимир АЛЕКСЕЕНКОВ Андрей ВЕРЕЩАГИН Кива ДЖУРИНСКИЙ,
Коэффициент стоячей волны (КСВН) является основным параметром радиочастотных соединителей и, прежде всего, коаксиально-микрополос-ковых переходов (КМПП, переход). В технических условиях и рекламных материалах обычно приводят максимальную величину КСВН в рабочем диапазоне частот. Она определяется не только конструкцией перехода, но и методикой измерения КСВН. Особенности методики, как правило, не приводят, ограничиваясь ссылкой на стандарт (MIL-STD-202 — за рубежом, ГОСТ 20465-85 — в нашей стране). Иногда указывают тип примененного панорамного измерителя КСВН и ослабления. Между тем, стандарты регламентируют лишь стандартную процедуру измерения и обработки результатов. Главное же условие достоверности измерения КСВН — оптимальные конструкция измерительного устройства и технология установки в нем исследуемого КМПП [1], которые индивидуальны для перехода каждого конкретного типа.
В настоящей работе рассмотрены особенности конструкции измерительных устройств и приведены результаты измерений КСВН трех зарубежных и одного отечественного КМПП в диапазоне частот до 20 ГГц.
Исследуемые КМПП
Были исследованы КМПП «розетка» с волновым сопротивлением 50 Ом следующих типов:
1. КРПГ.434511.015, ФГУП «НПП «Исток», Россия [1];
2.2052-1215-02 фирмы M/A-COM (ныне Tyco), США [2];
3. 142-1701-191 фирмы Johnson Components (Emerson), США [3];
4. 23 8К-50-0-54/199 ЫЕ фирмы ИиЬег+8иЬпег,
Швейцария [4].
Основные параметры переходов (по данным фирм-производителей) приведены в таблице 1, а их внешний вид показан на рис. 1.
Переход КРПГ.434511.015 — тип IX по ГОСТ 20265-83 «Соединители радиочастотные коаксиальные. Присоединительные размеры», по своим техническим характеристикам является лучшим из отечественных аналогов [1]. Это герметичный (с внутренним
металлостеклянным спаем) резьбовой переход, вкручиваемый в стенку корпуса изделия и герметизируемый в корпусе низкотемпературной пайкой. Корпус перехода изготовлен из нержавеющей стали марки 15Х25Т, гнездовой контакт — из упрочненной берилли-евой бронзы, центральный проводник — из сплава 29НК, изолятор — из фторопласта. Металлические поверхности перехода покрыты износостойким сплавом золото-кобальт толщиной 3 мкм. Диаметр центрального про-
Таблица 1. Основные параметры КМПП [1 —4]
Параметр Типы КМПП
КРПГ.434511.015 2052-1215-02 142-1701-191 23SK-50-0-54/199NE
Рабочий диапазон частот, ГГц 0-18 0-40
КСВН в диапазоне частот f, ГГц 1,25 1,05+0,05 f 1,14 макс Зависят от условий применения 1,43
Прямые потери СВЧ, дБ (на частотах !, ГГц) 0,25 0,03 Vf 0,13 макс 0,04 Vf
Экранное затухание, дБ, на частоте f, ГГц, менее -60 (60 f) -70 (2,5) -90 (3)
Сопротивление проводников, мОм, менее: наружного внутреннего 0,03 0,002 0,002 0,003 0,002 0,003 0,002
Сопротивление изоляции, МОм, более 5000 5000 10 000 5000
Герметичность (скорость натекания, м3хПа/с, менее) 1,3х10-11 Не регламентируется 10-9
Допустимое количество соединений и рассоединений 100 500 500
Рабочий диапазон температур, °С -60...+125 -55...+125 -55...+125
водника перехода КРПГ.434511.015 — 0,6 мм, что делает возможным его соединение с платой не только пайкой «внахлест», но и при помощи соединительной перемычки [1].
Это обеспечивает механическую развязку перехода от платы при температурных воздействиях.
КМПП 2052-1215-02 — негерметичный, фланцевый (квадратный фланец размером 12,7x12,7 мм), для фронтальной установки в корпус изделия при помощи винтов. Корпус перехода изготовлен из нержавеющей стали типа 303 (АвТМ-А-582), гнездовой контакт и центральный проводник — из берил-лиевой бронзы, покрытой золотом толщиной 2,54 мкм. Внутренний проводник и фторопластовый изолятор для предотвращения аксиального и радиального смещения закреплены в корпусе перехода при помощи столбика эпоксидной смолы (патент Ш 3.292.117). Фторопластовый изолятор и расположенный в нем центральный проводник диаметром
0,25 мм выступают за пределы фланца соответственно на 3,2 и 4,2 мм.
Переход 142-1701-191 аналогичен переходу 2052-1215-02. Отличие состоит лишь в способе фиксации центрального проводника и изолятора в корпусе перехода. Для предотвращения проворачивания во фторопластовом изоляторе на центральном проводнике сделана накатка, а сам изолятор закреплен в корпусе кернением. Корпус перехода изготовлен из латуни и покрыт золотом.
Все три КМПП являются соединителями базового типа вМА с коаксиальной линией размером 4,1/1,27 мм, заполненной фторопластом. Предельная рабочая частота соединителей вМА приборного назначения — 18 ГГц. Инструментальные и метрологические соединители вМА применяют на частотах до 26,5 ГГц.
Последний из исследованных переходов — 23вК-50-0-54/199 ЫЕ — является соединителем типа «К» с предельной рабочей частотой 40 ГГц и имеет воздушную коаксиальную линию размером 2,92/1,27 мм. Это герметичный «составной» соединитель фланцевого типа: СВЧ-разъем (собственно соединитель) в сочетании с 50-омным металлостеклянным вводом (СВЧ-вводом). СВЧ-ввод впаивают
в стенку корпуса изделия. Внутренний проводник перехода образуется при введении центрального проводника СВЧ-ввода в гнездовой контакт СВЧ-разъема. После этого фланец СВЧ-разъема прикручивают 4 винтами к корпусу изделия.
Измерительные устройства
Внешний вид измерительных устройств показан на рис. 2.
Устройства для измерения КСВН исследуемых коаксиально-микрополосковых переходов представляют собой коробчатые корпуса из алюминиевого сплава, в противоположные стенки которых установлены два одинаковых перехода. Переходы соединены между собой микрополосковой или копла-нарной линией с волновым сопротивлением
Рис. 2. Устройства для измерения КСВН переходов: а) КРПГ.434511.015; б) 2052-1215-02 и 142-1701-191; в) 23SK-50-0-54/199NE
50 Ом на печатной плате. Плата изготовлена из материала Rogers RO4003C с диэлектрической проницаемостью 3,55. Толщина платы для КМПП с предельной частотой 18 ГГц (КРПГ.434511.015, 2052-1215-02 и 142-1701-191) равна 0,508 мм. Для перехода 23 SK-50-0-54/199 NE с предельной частотой 40 ГГц толщина платы составляет 0,203 мм.
Для измерения КСВН переходов с предельной частотой 18 ГГц были применены печатные платы с микрополосковой линией, имеющей полоску шириной 1,1 мм. В случае перехода 23 SK-50-0-54/199 NE была использована копланарная линия шириной 0,403 мм и с зазором 0,3 мм.
Конструкции измерительных устройств показаны на рис. 3. Корпус устройства для перехода КРПГ.434511.015 (рис. 3а) имеет толщину стенки 5,2 мм и отверстия с резьбой М6х0,75 для вкручивания и последующей герметизации переходов низкотемпературной пайкой. В этом и во всех остальных измерительных устройствах для плавного перехода от КМПП к микрополосковой или копланар-
Рис. 3. Конструкции измерительных устройств для переходов КРПГ: а) 434511.015; б) 2052-1215-02; в) 142-1701-191; г) 23 SK-50-0-54/199NE
Таблица 2. Величина погрешности волнового сопротивления микрополосковой и копланарной линий
Тип линии Параметры Погрешность, %
Диэлектрическая проницаемость Толщина подложки, мм Ширина полоски, мм Ширина зазора, мм
Микрополосковая 3,55 ±0,05 0,508 ±0,025 1,1 ±0,02 - ±4,9
Копланарная 3,55 ±0,05 0,203 ±0,010 0,43 ±0,02 0,30 ±0,02 ±6,4
ной линии и обеспечения оптимального согласования в корпусах устройств предусмотрена так называемая «трансформаторная» секция — переходная воздушная коаксиальная линия. Наружный диаметр этой линии (D), исходя из условия равенства ее волнового сопротивления 30 Ом, должен быть равен D = 2,3d, где d — диаметр центрального проводника КМПП. В устройстве для измерения КСВН перехода КРПГ 434311.013 эта секция имеет размеры 1,38x0,6 мм и длину 2,2 мм, Корпуса измерительного устройства для фланцевых переходов 2032-1213-02 (рис. 3б) и 142-1701-191 (рис. 3в) имеют толщину стенки 4,2 мм. Отверстия в корпусах под установку этих переходов, имеющих достаточно длинные центральные проводники (рис. 1), заканчиваются «трансформаторной» секцией с размерами 0,6x0,23 мм и длиной 1 мм, Переходы 23SK-30-0-34/199NE были установлены в корпус с толщиной стенки 1,83 мм измерительного устройства (рис. 3г). «Трансформаторная» секция имеет размеры 0,74x0,32 мм и длину 0,33 мм,
Центральные проводники всех исследованных КМПП соединяли с микрополоско-вой или копланарной линией «внахлест», При этом проводник размещается непосредственно на полоске. Такое соединение нельзя рекомендовать для применения в изделиях микроэлектроники СВЧ, так как оно уязвимо при термоциклировании. Однако в измерительных устройствах оно оправдано, так как если диаметр центрального проводника меньше ширины полоски, оно не вносит в измерительную схему заметного емкостного рассогласования,
Методика измерения КСВН
КСВН пары КМПП измеряли «на проход» при помощи векторного анализатора цепей 37347D фирмы Апйш [5]. В диапазоне частот до 20 ГГц анализатор обеспечивает погрешность измерения при величине КСВН от 1,02 до 2,0 — менее 1%, а при КСВН до 10 — менее 4%. При этом одновременно определяется вся комплексная матрица в-параметров измеряемого объекта. Согласно ГОСТ 20465-85 «Соединители радиочастотные коаксиальные. Общие технические условия» измерение КСВН допускается любыми методами, обеспечивающими погрешность измерения не более 10%.
Измеренная величина КСВН определяется не только собственным КСВН перехода с учетом областей перехода на микрополосковую или копланарную линию, но зависит также и от величины волнового сопротивления этой линии. Точность воспроизведения волнового сопротивления линии определяется технологическим разбросом ее параметров: диэлектрической проницаемости материала подложки, ее толщины и геометрических размеров полосковой линии. Результаты расчета погрешности волнового сопротивления микрополосковой и копланарной линий представлены в таблице 2. При выполнении расчета были использованы данные фирмы-производителя фольгированного диэлектрика RO 4003С [6], а также данные по изготовлению печатных плат современными комбинированными методами [7].
При этом погрешность определяется в основном разбросом толщины подложки и точностью изготовления полосковой линии.
Результаты измерений
Сравнительные результаты измерений в диапазоне частот 0,04-20 ГГц КСВН пары одинаковых коаксиально-микрополосковых переходов 2032-1213-02 (фирмы M/A-COM) и 142-1701-191 (фирмы Johnson Components) представлены на рис. 4. Максимальный КСВН переходы обоих типов имеют на частоте приблизительно 11,3 ГГц — соответственно 1,3 и 1,3. Этот результат подтверждает высокую репутацию фирмы M/A-COM, внесшую наибольший вклад в создание коаксиальных соединителей, начиная с типа SMA и заканчивая 1,0-миллиметровыми соединителями спредельной частотой 110 ГГц [1],
Более высокий уровень КСВН переходов 142-1701-191 возможно обусловлен способом фиксации центрального проводника и фторопластового изолятора в корпусе (путем кер-нения) и отсутствием должного электродинамического моделирования неоднородностей такой фиксации и их оптимальной компенсации,
На рис. 3 представлены сравнительные результаты измерений в диапазоне частот
0.04-20 ГГц КСВН переходов КРПГ 434311.013 ФГУП «НПП «Исток» и 23SK-30-0-34/199NE фирмы Huber + Suhner. Максимальный КСВН перехода КРПГ 434311.013 приходится на частоту 16 ГГц и не превышает 1,3 на пару переходов. Переходы 23SK-30-0-34/199 NE во всем частотном диапазоне имеют КСВН менее 1,2. Низкий уровень КСВН объясняется тем, что эти переходы имеют воздушную коаксиальную линию меньших размеров (2,92x1,27 мм) и, вследствие этого, большую предельную рабочую частоту.
Выводы
1. Разработана методика измерения КСВН ко-аксиально-микрополосковых переходов и измерительные устройства, обеспечивающие погрешность измерения менее 10%.
КСВН пары КМПП
Частота (ГГц)
Рис. 4. Частотные зависимости КСВН
переходов 142-1701-191 (красный) и 2052-1215-02 (зеленый)
КСВН пары КМПП
Рис. 5. Частотные зависимости КСВН
переходов КРПГ 434511.015 (красный) и 23SK-50-0-54/199 NE (синий)
2. Наилучшие параметры согласования имеет переход 23SK-30-0-34/199 NE фирмы Huber+Suhner (Швейцария),
3. Из всех обследованных КМПП типа SMA лучшие параметры имеет переход КРПГ 434311.013 ФГУП «НПП «Исток». КСВН пары таких переходов на частотах до 12 ГГц даже меньше, чем у перехода 23SK-30-0-34/199NE. К тому же, максимальное значение КСВН у отечественно-
го перехода приходится на частоту 16 ГГц (а не на 11,5 ГГц, как для зарубежных аналогов — 2052-1215-02 и 142-1701-191), что делает его широкополосным. ■
Литература
1. Джуринский К. Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. М.: Техносфера, 2006.
2. Coaxial Connectors, Adaptors, Tool and Accessories. Каталог фирмы M/A-COM Omni-Spectra, 1997.
3. www.jonnsoncomponents.com
4. www.hubersuhner.com
5. Anritsu Corporation, Technical datasheet & Configu-ration guide, 37000D, Vector Network Analyzers.
6. www.rogerscorporation.com
7. Медведев А. М. Печатные платы. Конструкция и материалы. М.: Техносфера, 2005.
