ru en
Круглов Виталий Геннадьевич, ДИИС / Инженер 2 категории, kruglov@micran.ru
Медников Вячеслав Викторович, ДИИС / Инженер, mednikov.vv@micran.ru


Исследование отклонения фазы и амплитуды коэффициента отражения фазостабильной кабельной сборки при изменении температуры окружающей среды

Температурная зависимость фазового сдвига для всех кабелей с диэлектриком из PTFE имеет нелинейный характер [1]. Это приводит к тому, что фазовая и амплитудная стабильность фазостабильных кабельных сборок (КСФ) существенно ухудшаются при изменении температуры окружающей среды. 

В литературе не описаны экспериментальные исследования поведения фазы и амплитуды КСФ при изменении температуры. Поэтому для количественной оценки температурной нестабильности КСФ было принято решение провести собственное исследование отклонения фазы (амплитуды) коэффициента отражения (КО) при изменении температуры в диапазоне −60…+85 °C. За эталонное значение фазы (амплитуды) КО были выбраны показатели, полученные при опорной температуре 25°С.

Исследование проводилось с использованием поверенных приборов и калибровочного набора мер:

  • камера тепла и холода Espec ARS-0220-AE №4120520124 (дата поверки 25.05.2023г.),

  • набор калибровочных мер НКММ-13Р-13 №2196090523 (дата поверки 29.07.2022г.),

  • векторный анализатор цепей Панорама Р4226А №4133220135А (дата поверки 26.04.2023г.). 

В качестве исследуемого образца была выбрана фазостабильная кабельная сборка КСФ26-13РН-13Н-1000  серии КСФ26 [2]. Кабельные сборки этой серии наиболее стабильны по фазе и амплитуде. 


Отклонение фазы и амплитуды КО исследуемой КСФ в выпрямленном положении при комнатной температуре

Прежде чем исследовать изменение фазы и амплитуды КО при изменении температуры окружающей среды в пределах от -60 до +85°C, было проведено исследование поведения фазы и амплитуды КО в условиях комнатной температуры, когда КСФ не подвергается никаким механическим и температурным воздействиям. Такое исследование необходимо, чтобы иметь возможность сравнивать поведение фазы и амплитуды КО в условиях комнатной температуры и в условиях изменения температуры в широких пределах.

Схема и условия исследования

На рисунке 1 схематично изображен способ подключения к ВАЦ (1) исследуемой КСФ кабельной сборки КСФ26-13РН-13Н-1000 (2), к свободному концу которой прикручена нагрузка КЗ (3). С помощью персонального компьютера (4) фиксируется отклонение фазы и амплитуды КО через каждые 10 минут в течение 2 часов. 


Рисунок 1.png

Рисунок 1 – Схема исследования отклонения фазы и амплитуды КО в условиях комнатной температуры окружающей среды.


Результаты исследования

В таблице 1 приведены значения фазы и амплитуды КО исследуемой кабельной сборки при комнатной температуре.

Таблица 1 – Изменение фазы и амплитуды КО в условиях комнатной температуры.

Шаг по времени

Отклонение фазы КО *

Отклонение амплитуды КО

0 мин.

0,05°

0,01 дБ

10 мин.

0,28°

0,01 дБ

20 мин.

0,37°

0,02 дБ

30 мин.

0,44°

0,01 дБ

40 мин.

0,5°

0,02 дБ

50 мин.

0,55°

0,02 дБ

60 мин.

0,54°

0,02 дБ

70 мин.

0,6°

0,02 дБ

80 мин.

0,64°

0,02 дБ

90 мин.

0,48°

0,02 дБ

100 мин.

0,5°

0,02 дБ

110 мин.

0,53°

0,02 дБ

120 мин.

0,52°

0,02 дБ


* Измеренное прибором значение максимального отклонения фазы КО делится пополам, так как сигнал проходит путь по кабелю в две стороны (до нагрузки КЗ и в обратном направлении).

Эти результаты показаны на рисунках ниже.


Рисунок 2 - Фаза комнат_2.png

Рисунок 2 – Отклонение фазы КО исследуемой КСФ при комнатной температуре.


Рисунок 3 - Ампл комнат_2.png

Рисунок 3 – Отклонение амплитуды КО исследуемой КСФ при комнатной температуре.

Вывод: Из таблицы 1 видно, что при комнатной температуре амплитудная стабильность не изменяется, а фазовая стабильность изменяется в пределах 0,5…0,65°. Можно сделать вывод, что собственные изменения фазовой и амплитудной стабильности кабельной сборки КСФ26-13РН-13Н-1000 незначительны.


Отклонения фазы и амплитуды КО кабельной сборки при изменении температуры окружающей среды

Схема и условия исследования

На рисунке 4 изображена схема исследования отклонения фазы и амплитуды КО исследуемой КСФ при изменении температуры окружающей среды. Исследуемая КСФ (6) подключена к ВАЦ (3) через фазостабильную кабельную сборку (2) для исключения влияния нагрева или охлаждения исследуемой кабельной сборки на показания прибора. В согнутом виде она была помещена в камеру тепла и холода (5). К свободному концу исследуемой кабельной сборки, выведенному из камеры через технологическое отверстие, прикручена нагрузка КЗ (4). С помощью персонального компьютера (1) фиксируется отклонение фазы и амплитуды КО при изменении температуры в камере.


Рисунок 4.png

Рисунок 4 – Схема исследования отклонения фазы и амплитуды КО при изменении температуры окружающей среды.

После того как камера тепла и холода входит в установленный рабочий режим, она работает еще 30 минут для того, чтобы исследуемая кабельная сборка достигла теплового равновесия с установленными в камере климатическими условиями. При плюсовой температуре влажность воздуха в камере тепла и холода соответствовала 20%.


Результаты исследования

Отклонение фазы и амплитуды КО кабельной сборки КСФ26-13РН-13Н-1000 при изменении температуры до +85 °C

После выхода камеры тепла и холода на режим, фаза и амплитуда КО еще некоторое время продолжали отклоняться до достижения равновесного состояния, при котором и фиксировалось наибольшее отклонение при заданной температуре с занесением в таблицу 2.

   Таблица 2 — Изменение фазы и амплитуды КО при изменении температуры до +85 °C.

Изменение температуры до +85 °C

Шаг по температуре

Отклонение фазы КО *

Отклонение амплитуды КО

25 °C

−0,1°

+0,02 дБ

35 °C

+4,14°

+0,15 дБ

45 °C

+9°

+0,31 дБ

55 °C

+15°

+0,49 дБ

65 °C

+21,11°

+0,67 дБ

75 °C

+27,7°

+0,88 дБ

85 °C

+32,5°

+1 дБ


* Измеренное прибором значение максимального отклонения фазы КО делится пополам, так как сигнал проходит путь по кабелю в две стороны (до нагрузки КЗ и в обратном направлении).

 Эти результаты показаны на рисунках ниже.


Рисунок 5 - Фазы при увеличении температуры.png

Рисунок 5 – Отклонение фазы КО исследуемой КСФ при изменении температуры до +85 °C.


Рисунок 6 - Ампл при увеличении температуры.png

Рисунок 6 – Отклонение амплитуды КО исследуемой КСФ при изменении температуры до +85 °C. 

Вывод: С увеличением температуры до +85 °C отклонение фазы и амплитуды КО достигает +32,5° и 1 дБ соответственно. Таким образом, при значительном повышении температуры окружающей среды электрические параметры кабельной сборки также существенно меняются, что будет отражаться и на измеряемых параметрах. 

Отклонение фазы и амплитуды КО кабельной сборки КСФ26-13РН-13Н-1000 при изменении температуры до −60 °C

Таблица 3 — Изменение фазы и амплитуды КО при изменении температуры до –60 °C.

Изменение температуры до – 60 °C

Шаг по температуре

Отклонение фазы КО*

Отклонение амплитуды КО

25 °C

+0,05°

−0,02 дБ

20 °C

−1,65°

−0,06 дБ

10°C

+0,91°

−0,12 дБ

0 °C

+2,25°

−0,22 дБ

−10 °C

−0,62°

−0,3 дБ

−20 °C

−3,17°

−0,38 дБ

−30 °C

−7,5°

−0,48 дБ

−40 °C

−12,5°

−0,59 дБ

−50 °C

−17,46°

−0,71 дБ

−60 °C

−24,28°

−0,85 дБ


* Измеренное прибором значение максимального отклонения фазы КО делится пополам, так как сигнал проходит путь по кабелю в две стороны (до нагрузки КЗ и в обратном направлении).

Эти результаты показаны на рисунках ниже.


Рисунок 7 - Фаза при уменьшении температуры.png

Рисунок 7 – Отклонение фазы КО исследуемой КСФ при изменении температуры до −60 °C.


Рисунок 8 - Ампл при уменьшении температуры.png

Рисунок 8 – Отклонение амплитуды КО исследуемой КСФ при изменении температуры до −60 °C.

Вывод: Из таблицы 3 видно, что в диапазоне температуры 0…25 °C знак фазы дважды меняется и только при отрицательной температуре знак фазы не меняется, сохраняя отрицательное значение. В диапазоне температуры от –60…0 °C наблюдается прямая зависимость между понижением температуры и увеличением отклонения фазы КО. Амплитуда КО также значительно отклоняется от начального значения, при этом чем ниже температура, тем сильнее откланяется амплитуда КО (см. рисунок 8).


Электрические параметры кабельной сборки до и после исследований

Прежде чем проводить исследование были обмерены электрические параметры исследуемой КСФ. Затем проведено исследование изменения фазы и амплитуды КО при нагреве до +85°C. После исследования влияния нагрева с этим же КСФ было проведено исследование изменения фазы и амплитуды КО при охлаждении до -60°C. Электрические параметры КСФ после каждого этапа исследования заносились в таблицу 4. 

Таблица 4 — Электрические параметры КСФ до исследования, после исследования на нагрев до +85 °C и охлаждение до −60 °C.

КСВН

Вн. потери, дБ

Фаз. стаб.*

Ампл. стаб., дБ

Требуемые значения, не более 

1,4

2,7

±8°

0,5

До исследования

1,37

1,73

3,8°

0,09

После нагрева до + 85 °C

1,36

1,73

5,5°

0,1

После охлаждения до –60 °C

1,34

1,7

0,12


* Измеренное прибором значение максимального отклонения фазы КО делится пополам, так как сигнал проходит путь по кабелю в две стороны (до нагрузки КЗ и в обратном направлении).

Эти результаты показаны на рисунках ниже.

КСВН

Рисунок 9 - КСВН.png

Рисунок 9 – КСВН исследуемой КСФ до исследования (зеленый график), после изменения температуры до +85 °C (красный график) и до −60 °C (синий график)


Вносимые потери

Рисунок 10 - Вн потери.png

Рисунок 10 – Вносимые потери исследуемой КСФ до исследования (зеленый график), после изменения температуры до +85 °C (красный график) и до −60 °C (синий график)


Фазовая стабильность

Рисунок 11 - Фаза до.png

Рисунок 11 – Фазовая стабильность исследуемой КСФ при изгибе кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 120 мм до исследования


Рисунок 12 - Фаза после +85.png

Рисунок 12 – Фазовая стабильность исследуемой КСФ при изгибе кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 120 мм. Проверка проводилась после исследования изменения фазы КО при изменении температуры до + 85 °C.


Рисунок 13 - Фаза после -60.png

Рисунок 13 – Фазовая стабильность исследуемой КСФ при изгибе кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 120 мм. Проверка проводилась после исследования изменения фазы КО при изменении температуры до - 60 °C


Амплитудная стабильность

Рисунок 14 - Ампл до.png

Рисунок 14 – Амплитудная стабильность исследуемой КСФ при изгибе кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 120 мм до исследования.


Рисунок 15 - Ампл после +85.png

Рисунок 15 – Амплитудная стабильность исследуемой КСФ при изгибе кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 120 мм. Проверка проводилась после исследования изменения амплитуды КО при изменении температуры до + 85 °C.


Рисунок 16 - Ампл после -60.png

Рисунок 16 – Амплитудная стабильность исследуемой КСФ при изгибе кабеля на 360° вокруг оправки диаметром 120 мм. Проверка проводилась после исследования изменения амплитуды КО при изменении температуры до - 60 °C.

Вывод: Из таблицы 4 видно, что после проведенных исследований влияния изменения температуры на фазовую и амплитудную стабильность КСФ26-13РН-13Н-1000 КСВН и вносимые потери практически не изменились, а фазовая и амплитудная стабильность исследуемой кабельной сборки ухудшились незначительно, не превысив требуемые значения. Таким образом, при возврате фазостабильной кабельной сборки серии КСФ26 в условия комнатной температуры после ее нагрева или охлаждения, можно считать, что электрические параметры кабельной сборки также возвращаются в исходное состояние.

     Приведенные выше исследования также показали, что если использовать кабельную сборку серии КСФ26 для измерений электрических параметров в условиях, когда температура окружающей среды изменяется в широких пределах (например, 25 ± 10 °C), зависимость фазовой и амплитудной стабильности кабельной сборки от изменения температуры, показанная в исследовании, будет вносить существенную погрешность в результаты измерений.


Литература

1. Радиочастотные соединители, адаптеры и кабельные сборки/К.Б. Джуринский. - М.: ООО «ВАШ ФОРМАТ», 2018. – 400 с.

2. Контрольно-измерительная аппаратура и элементы СВЧ-тракта. Каталог продукции. АО «НПФ «Микран», г. Томск, 2023, 258 с.