Исследование отклонения фазы и амплитуды КО кабельной сборки при изменении температуры окружающей среды

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 – 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 – Отклонение фазы КО исследуемой КСФ при комнатной температуре.

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

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

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	6°	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 исследуемой КСФ до исследования (зеленый график), после изменения температуры до +85 °C (красный график) и до −60 °C (синий график)

Вносимые потери

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

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

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 – 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.