Кабельные сборки с фазовым согласованием

Широкое использование и значимость фазового согласования обусловлены рядом факторов. В данной публикации рассматриваются ключевые аспекты применения фазосдвигающих кабелей, а также анализируется влияние вариаций длины фазы на функционирование систем в высокочастотном и микроволновом диапазонах. 

Согласование фаз в широком диапазоне частот: от инфразвука до ультрафиолета

Технология фазового согласования находит применение в чрезвычайно широком спектре частот — от нижней границы слышимого диапазона (16 Гц) до микроволнового излучения, видимого света и ультрафиолетовой области. Повсеместное распространение кабелей с фазовым согласованием обусловлено их востребованностью в различных научно-технических дисциплинах и частотных диапазонах. Таблица 1 иллюстрирует частотный диапазон использования фазосдвигающих кабелей.

В микроволновом диапазоне количество применений фазосогласованных кабелей практически не ограничено, что во многом объясняется их ключевой ролью в конструкции систем с фазированными антенными решетками. Однако концепция фазированных решеток не ограничивается микроволновым диапазоном — она также реализуется в ультразвуковых и магнитно-резонансных системах визуализации. Более того, наблюдается тенденция к росту популярности оптических систем на основе фазированных решеток.

Таблица 1: Некоторые общие применения фазосогласованных кабелей в широком диапазоне частот. В микроволновом диапазоне существует значительно больше вариантов использования.

Значимость фазового согласования

Применение 1: Фазосогласованные кабели в антеннах с фазированной решеткой

Фазовое согласование играет ключевую роль в ряде приложений, причем наиболее жесткие требования к контролю фазы предъявляются в системах с фазированными антенными решетками. Фаза каждого из n элементов оказывает влияние на форму и направление радиочастотного луча, поскольку происходит наложение сигналов всех n элементов. Каждый элемент или группа элементов оснащены регулируемым фазовращателем для управления лучом, однако калибровка этих фазовращателей была бы крайне затруднительной при использовании кабелей с существенно различающейся электрической длиной.

На рисунке 1 проиллюстрированы последствия применения кабелей с неодинаковой фазовой длиной для питания показанной фазированной решетки. Обратите внимание, что в варианте (а) при использовании фазосогласованных кабелей главный лепесток и боковые лепестки симметричны относительно центральной оси антенны (оси x, направление максимального излучения). В варианте (b) применение кабелей с различной фазовой длиной приводит к небольшому смещению диаграммы направленности главного и боковых лепестков в отрицательном направлении оси y.

a)

b)

Рисунок 1: Диаграмма направленности, формируемая условной системой с фазированной антенной решеткой: (a) при использовании фазосогласованных кабелей (φ0) для питания элементов и (b) при использовании кабелей с различной фазовой длиной (от φ0 до φ7) для питания элементов фазированной решетки.

Следовательно, кабели, применяемые в конструкции фазированных антенных решеток для систем радиолокации, радиоэлектронной борьбы, 5G, 6G, беспроводных локальных сетей и спутниковой связи, как правило, должны соответствовать жестким требованиям по относительной (между отдельными кабелями) и, в некоторых случаях, абсолютной фазовой длине — зачастую в пределах ± 1°. Если для радиолокационной станции C-диапазона старого образца отклонение в ± 1° не является критичным, то для формирователя луча системы 5G NR FR2, работающей в диапазоне, близком к миллиметровым волнам, необходимо обеспечивать чрезвычайно малые допуски на размеры.

Определенные различия в фазе между кабелями могут быть скомпенсированы встроенными фазовращателями для каждого элемента или группы элементов решетки. Однако эти различия не должны быть настолько существенными, чтобы ограничивать диапазон сканирования по азимуту или углу места, или чрезмерно усложнять процесс калибровки. Важно учитывать, что кабели иногда требуют замены, а сложные процедуры калибровки могут быть экономически нецелесообразными.

Применение 2: Фазосогласованные кабели в системах тестирования и измерений

Системы с внутренним многоканальным фазовым согласованием, как правило, требуют внешнего фазового согласования для передачи сигналов на контрольно-измерительное оборудование. Эти внешние тестовые кабели с согласованными фазами характеризуются разнообразием размеров, типов разъемов и степеней точности. Для проведения испытаний в эфирных условиях системы с множественными антенными элементами, такие как фазированные решетки, часто нуждаются в обширных наборах фазосогласованных кабелей.

Современные системы связи с несколькими приемопередатчиками предъявляют высокие требования к синхронизации и фазовой когерентности, что обуславливает необходимость использования комплектов фазосогласованных кабелей при тестировании таких систем. В области тестирования полупроводниковых устройств для зондирования многоканальных фазово-когерентных монолитных интегральных схем сверхвысоких частот (MMIC) требуется крайне точное фазовое согласование на участке от зонда до измерительного оборудования.

Помимо внешних требований (между тестируемой системой и измерительным оборудованием), фазосогласованные кабели также необходимы для поддержания точных фазовых соотношений внутри самого контрольно-измерительного оборудования — например, в векторных анализаторах цепей (VNA) и анализаторах спектра.

Фазосогласованные кабельные решения компании Mini-Circuits

В таблице 2 представлены наиболее часто используемые типы кабелей для фазового согласования. Серия FL086, как следует из ее наименования, включает в себя кабели с центральным проводником диаметром 0,086 дюйма, поддающиеся ручной формовке. Эта серия характеризуется гибкой системой соединений, позволяющей достигать различных частотных диапазонов при выборе соответствующих разъемов.

Серия 141 отличается прочной конструкцией с центральным проводником диаметром 0,141 дюйма и также допускает ручную формовку. Данная серия оснащена универсальной системой соединений, включающей в себя разъемы N-типа, обеспечивающие надежное соединение.

Таблица 2: Типы кабелей, наиболее часто рекомендуемые компанией Mini-Circuits для применения в системах с фазовым согласованием.

Гибкие испытательные кабели серии ULC характеризуются высокой прочностью и надежностью. Они часто предлагаются в виде комплектов с фазовым согласованием и широко применяются для тестирования различных многоэлементных антенных систем или многоканальных устройств.

Компания Mini-Circuits разработала широкий спектр дополнительных типов кабелей, соответствующих точным, индивидуальным требованиям к фазовому согласованию. Все эти кабели доступны для заказа по запросу клиента. В случае необходимости в специализированных кабелях с фазовым согласованием, следует отметить, что Mini-Circuits обладает значительным опытом в данной области и способна удовлетворить самые разнообразные технические требования заказчиков.

Заключение

В настоящее время кабели с фазовым согласованием получили широчайшее распространение, и потребность в них наблюдается в диапазоне от постоянного тока до ультрафиолетового излучения. Фазовое согласование встречается даже чаще, чем сами фазированные антенные решетки, поскольку для тестирования последних зачастую требуются фазосогласованные кабели.

Любые отклонения в электрической длине фазосогласованных кабелей, используемых для формирования луча, могут привести к искажению главного лепестка диаграммы направленности и смещению его ориентации, что проиллюстрировано на рисунке 1. Одна из ключевых задач, стоящих перед разработчиками испытательных и измерительных систем, — обеспечение фазового согласования длины тестовых кабелей, питающих фазированную антенную решетку, с высокой степенью точности.

Еще одна важная задача в области испытаний и измерений — определение характеристик многоканальных фазово-когерентных систем, где для поддержания точных фазовых соотношений необходимы прецизионно согласованные тестовые кабели.