毫米波頻率普及：相應(yīng)電纜也需要得到重視

隨著毫米波頻率越來越普及，如何正確對待此類高頻率下采用的纖弱電纜變得格外重要。

人們對微波電纜組件的使用常常隨心所欲且不假思索，然而各種不正確的使用方式有可能導(dǎo)致此類電纜的性能下降及使用壽命縮短。在頻率較低時，由于所使用的電纜及連接器尺寸較大，此類問題尚可容忍。然而，由于毫米波頻率采用的電纜的尺寸較小，且通常更易損壞，因此其對電纜濫用的容忍度也更低。

過去一直在3GHz的頻率下運(yùn)行的蜂窩通信行業(yè)即將采用28~100GHz的頻譜。此外，美國國防部（DoD）已經(jīng)加大開支力度，以抵御更高毫米波波長下的電子戰(zhàn)和雷達(dá)威脅。如此，由于涉及毫米波的活動將比以往更為廣泛，因此如今是時候需要對此類關(guān)鍵器件的維護(hù)和對待進(jìn)行重新審視。

由于上述頻率下集成度較高，各種功能融合于同一封裝體或電路板中，因此其所需的微波互連器件數(shù)量可能較少。但是，即使是小基站等設(shè)備，其各種子系統(tǒng)的連接仍然需要采用柔性、半柔性、半剛性及其他電纜。此外，運(yùn)行于上述高頻下的每種器件和系統(tǒng)在使用前都必須測試，因此之前尚未經(jīng)歷過毫米波測量這一難題的設(shè)計(jì)人員將馬上面臨這一挑戰(zhàn)。

測試設(shè)備的對待方式

測試測量環(huán)境是少數(shù)幾個需要始終將電纜、連接器及組件的細(xì)心使用和維護(hù)視為重要一點(diǎn)（雖然現(xiàn)實(shí)當(dāng)中人們并不完全遵守）的領(lǐng)域之一。由于測量的不確定性是測量系統(tǒng)的頑疾，因此對細(xì)節(jié)的關(guān)注至關(guān)重要。此外，由于精密矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測試電纜非常昂貴，因此成本是促使人們必須小心謹(jǐn)慎對待此類電纜的另一原因。由于毫米波波長下使用的互連器件均為精密加工的易損器件，因此上述情形同樣適用于所有此類互連器件。

舉例而言，美國Pasternack公司的PE3TC1220系列110GHz測試電纜組件為VNA及半導(dǎo)體探針測試所使用的代表性電纜組件（圖1）。此類電纜組件兩端均設(shè)置1.0mm公頭連接器；采用Nomex保護(hù)鎧裝；110GHz下的插入損耗為5.6dB以下；典型電壓駐波比（VSWR）為1.5:1；一次彎折的最小彎曲半徑為1英寸（2.54厘米）；連接器由鍍金鈹銅制成，且配有鈍化不銹鋼聯(lián)結(jié)螺母；有6英寸（15厘米）和12英寸（30厘米）兩種長度可供選擇。

1. 用于VNA及半導(dǎo)體探針測試的PE3TC1220系列110GHz測試電纜組件

在上述頻率下，謹(jǐn)慎對待電纜及連接器的重要性無論如何強(qiáng)調(diào)，都不過分。器件尺寸與波長相關(guān)，用于毫米波頻率的電纜（和連接器）尺寸極小。從外形尺寸的角度來看，這一點(diǎn)非常受歡迎，然而對于材料、制造及性能等所有其他方面而言，其反而造成了困擾。此類小尺寸器件要求所有使用者必須付出十二分的細(xì)心，即使是微小的灰塵、幾乎無法察覺的劃痕或其他損傷，都將有損其測量精度。

例如，60GHz的全波長約為5mm，該頻率的半波長天線的測量精度約為2.5mm，使用2.92~1.0mm大小的毫米波連接器。此外，人們已開發(fā)出針對110GHz以上頻率的0.8mm連接器。與此類連接器相比，HF~UHF頻率所使用的連接器可謂巨大——100MHz的全波長為3m，1GHz的全波長為30cm。

由于損耗為毫米波頻率的一個重要考慮因素，因此被測設(shè)備（DUT）與測量儀器及傳輸鏈中的所有其他部件之間的連接所使用的互連器件越少越好。通過這種方式，不但可以降低插入損耗，還能減少存在斷連風(fēng)險的連接點(diǎn)的數(shù)量，簡化測試裝置，以及限制灰塵的進(jìn)入路徑。

配接過程雖然基本但卻至關(guān)重要

在將毫米波電纜或連接器與對應(yīng)電纜或連接器配接時，一旦偏離正確的對準(zhǔn)位置，則很容易造成電纜或連接器中心導(dǎo)體和介電層的損壞。兩個待配接的連接器之間的對準(zhǔn)位置即使發(fā)生微小偏差，也可能造成不良影響。正確的做法是，牢牢抓住連接器，使其不發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而防止對觸點(diǎn)的表面處理層和鍍層造成損傷，或向電纜組件傳遞扭矩。一旦連接器弄臟，疑似損壞，針腳不齊，過度扭轉(zhuǎn)損壞，或聯(lián)結(jié)螺母的螺紋損壞時，便無法繼續(xù)使用。

雖然很少有工程師會承認(rèn)，但聯(lián)結(jié)螺母的固定并不總使用扭矩扳手，而且在某些敏感的測試測量環(huán)境中，有時甚至避免使用扭矩扳手。這是因?yàn)?，新手和老手都希望鍛煉出判斷連接器何時已旋轉(zhuǎn)到位的“手感”。然而，一旦連接器被過度扭轉(zhuǎn)，則該連接器將會將其自己本身的誤差傳遞給相應(yīng)的連接器以及任何其他與其配接的連接器，從而使測量結(jié)果產(chǎn)生“整體系列誤差”。

毫米波連接器所使用的扭矩扳手是一種精密工具。此間一例為美國Pasternack公司的PE5019-16折彎式扭矩扳手，該扳手用于1.0mm連接器。由于其預(yù)設(shè)至4英寸磅（0.45牛頓米），因此可防止施加過量的配接力（圖2）。折彎式的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)扭矩時，折彎點(diǎn)將發(fā)生彎折，從而防止進(jìn)一步的施力。該扳手的精度為±0.15英寸磅（0.017牛頓米），六角尺寸為6毫米。

2. 用于1.0mm連接器的PE5019-16扭矩扳手為一種折彎式扳手，可消除連接器發(fā)生過度扭轉(zhuǎn)的可能性。

每種電纜組件均具有一個最大彎曲半徑，一旦超出該彎曲半徑，則首先會使得測量結(jié)果不準(zhǔn)確，并最終使該電纜組件損壞。雖然在某些情況下，較大程度的彎曲可能似乎無可避免，但是由于一旦發(fā)生錯誤，便可導(dǎo)致整條毫米波電纜被損壞的惡果，因此即使在這種情況下，還是應(yīng)該盡量避免。也就是說，無論什么情況下，都應(yīng)該避免將電纜彎曲至最大彎曲半徑。

除此之外，還應(yīng)該避免電纜的扭曲，這是因?yàn)榕で锌赡芡瑫r導(dǎo)致電纜的損壞及組件完整性的破壞，有時還可能造成連接器的損壞。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電纜護(hù)套出現(xiàn)皺紋或其他應(yīng)力跡象時，則說明電纜已發(fā)生嚴(yán)重的扭曲或已超出其彎曲半徑額定值。

清潔度尤為重要

在毫米波部件等具有嚴(yán)格公差的情形下，所有接口必須保持潔凈。雖然看起來有點(diǎn)極端，但顯微鏡檢查不失為一種好的做法。清潔過程十分簡單：找一塊不起毛的布料（推薦聚酯布料）；使用異丙醇將其打濕；利用打濕后的布料輕輕擦拭部件，使其清潔。此外，也可使用過濾后的壓縮空氣或氮?dú)?。但是，其中需要注意的是，加壓罐?jīng)常加有用于深化滲透的氯化溶劑，其可能造成得不償失的后果。

在上述清潔過程完成后，可使用放大鏡進(jìn)行表面檢查。當(dāng)需要確保去除所有金屬顆?；蚱渌镔|(zhì)時，也可反復(fù)實(shí)施該檢查過程。雖然放大鏡隨手可得，但其在接口檢查方面效果可謂事半功倍?？赡艽嬖诘碾娎|缺陷包括針腳彎曲，針腳缺失，介質(zhì)層損壞，螺紋磨損或損壞，以及其他目視可見的損壞。一旦發(fā)現(xiàn)任何此類缺陷，必須更換電纜。

總體而言，航空領(lǐng)域中測量系統(tǒng)所用的電纜遭受的不正當(dāng)使用最為嚴(yán)重。這是因?yàn)?，該領(lǐng)域中只有部分測量人員了解電纜的正確對待方法，而其他人員并無這方面的意識。在該領(lǐng)域中，粗暴對待電纜的事例比比皆是，例如：通過電纜拖拽移動測量臺；將電纜墊在其他物體下面；手捏、擠壓、踩踏電纜；將電纜在鋒利的邊緣上拉拽；經(jīng)常將電纜彎曲至超出其最大彎曲半徑。

雖然上述情形難以根除，但是任何負(fù)責(zé)測量系統(tǒng)維護(hù)的人員都應(yīng)該至少盡力確保所有投入使用的電纜均為未損壞的電纜。此外，在戶外測量環(huán)境中，還應(yīng)為電纜創(chuàng)造“水滴回路”。這是因?yàn)樗慰裳仉娎|流入連接器，從而最終使得電纜性能發(fā)生插入損耗增大等變化。

在航空條件下，電纜組件所處環(huán)境因油劑及其他液體以及氣體的存在而較為惡劣。電纜不宜直接暴露于此類環(huán)境，但可能也僅電纜使用者才有這方面的意識。雖然測試測量應(yīng)用中的電纜具有耐用設(shè)計(jì)，但并不一定具有能在所有惡劣環(huán)境中暴露的承受力。

微波電纜護(hù)套可采用各種材料，每種材料在惡劣環(huán)境下都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，聚氨酯可抗溶劑、紫外線、輻射及真菌，但是不能抵抗清潔用化學(xué)品。氟化乙烯丙烯（FEP）、全氟烷氧基（PFA）及聚四氟乙烯（PTFE）等含氟聚合物非常適用于上述環(huán)境——其可承受高溫以及在化學(xué)品、酸及侵入性溶劑中的暴露，并且為非易燃性物質(zhì)。

濕氣可使電纜外導(dǎo)體或屏蔽層氧化，從而使電纜損耗隨時間的推移而增大，因此所有類型電纜都將濕氣視為一種威脅。在射頻功率下，介質(zhì)層吸收的水分可被加熱升溫。水或水蒸氣可通過以下幾處進(jìn)入電纜：護(hù)套材料內(nèi)的孔（包括極微小的孔）；電纜與連接器的連接點(diǎn)；連接器與對應(yīng)連接器的配接點(diǎn)。

在電纜與連接器及連接器與連接器之間的接口處，可設(shè)置防水套管。即使如此，水蒸氣仍可能經(jīng)電纜護(hù)套中只有在光照良好的條件下通過放大鏡才能觀察到的微小磨損孔洞進(jìn)入電纜。因此，定期花費(fèi)一定時間對護(hù)套狀況進(jìn)行檢查是一項(xiàng)必要之舉，否則隨著時間的推移，破損后的電纜將會發(fā)生性能下降或最終失效。此外，毋庸置疑的是，在船載或沿海環(huán)境中，當(dāng)鍍層損壞后，進(jìn)入電纜的鹽霧可使得電纜內(nèi)、連接器部件上或連接器部件內(nèi)的金屬發(fā)生腐蝕。

結(jié)論

毫米波波長下的運(yùn)行是一項(xiàng)難題，這就是為什么毫米波波段的開發(fā)僅只針對少數(shù)幾種具有合適特性的用途的原因，而且這些用途鮮少涉及通信領(lǐng)域。

然而，隨著蜂窩通信行業(yè)逐漸擴(kuò)展至幾乎所有可用帶寬，上述情形將在未來十年內(nèi)發(fā)生變化。這一發(fā)展勢頭連同防務(wù)領(lǐng)域的發(fā)展意味著，設(shè)計(jì)師必須采取比以往任何時候都要嚴(yán)格的預(yù)防措施，以確保其電纜組件不但能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)性能，而且還能實(shí)現(xiàn)長期的無故障使用壽命。