射频电缆组件相位一致性装配方法的讨论

射频电缆组件相位一致性装配方法的讨论

陆 周 行

中国电子科技集团公司第二十三研究所 光电组件事业部

摘要：在各类相控阵雷达、天线阵列及电子对抗的相位匹配系统中，要

求所使用的各电缆组件间具有一定精度的相位一致性。本文结合

目前射频电缆组件的加工和测试技术，从影响射频组件相位一致

性的机理进行分析，探讨一种行之有效的保证组件间相位一致性

的配相方法，并在实践中加以应用。

关键词：相位一致性；配相；射频电缆组件

引言

随着雷达技术的不断进步，雷达已被广泛于民航管制、地形测量、气象、航海、遥测等众多领域。面对日益拥挤的天空，拥有精密的雷达检测系统是至关重要的。由于雷达对相位指标有着特殊的敏感性，决定了所使用的各电缆组件间具有一定精度的相位一致性要求。特别是在相控阵雷达及电子对抗匹配系统中。所以在组件装配前及装配过程的安装调试时组件能具有精确的电气长度。为了保证通型号组件间电气长度的一致性，各射频电缆组件制造 在安装调试时要对组件进行配相，因此要对组件进行准确的切割、安装及测试逐一进行匹配，有时需反复多次才能达到要求，稍有不慎会造成切割过量而报废。组件配相的难度与使用频率成正比，与参与配相的单元数量成正比，与要求的相位宽度成反

比。根据对影响相位一致性的机理进行分析，结合以往经验，对射频电

缆组件的配相方法及具体步骤作如下探讨，以期获得高效的配相组件制

造方案。

1 决定组件相位的因素

电气长度是组件相位的决定因素。要使N 个单元的电缆组件（N

≥2）具有一致性的相位，则要使其具有一致的电气长度、绝缘介电

常数、环境温度和电缆弯曲等，在理想的介质状态及相同的环境温度及

弯曲条件下若能保证电缆的机械长度一致就能够确保一致的电气长度，

但是电缆在制造过程中存在不可避免的介质不均匀性，这种不均匀性既

有绝缘材料本身的因素如含有杂质气孔等，也有电缆介质结构、制造工

艺等因素。因此，仅靠保证机械长度一致还不能完全保证期电气长度的

一致，组件长度越长这种相位不一致性月明显，还需要运用电长度测试

手段进行辅助加工。

2 配相方案探讨

2.1 短组件配相

这里说的组件主要是指长度≤1m 的短射频电缆组件，对于这类组

件进行配相所采用的方法主要就是直接通过保证机械长度来保证其电

气长度。由于组件较短，所以介质不均匀性的影响不太明显，通常可以

忽略。该类电缆组件对落聊长度的精确要求就比较高了，具体要求达到

何种程度还要使用频率和要求的相位宽度。目前国内制造的普通落料机

可能还达不到通常的精度要求，且切口质量不佳。一般的做法是：设计

一个带线槽的工装，线槽宽度为线槽直径的上公差，落料时刚好能将电

缆卡进线槽内，电缆两端用夹具固定，然后用隔线机落料，落料须确保

缺口尽量平齐，可以考虑激光割线或锯片来实现，如果工艺上能够先装

好一端连接器在对另一端电缆进行切割则相位精度会更高。通过该夹具

能有效避免电缆自然弯曲造成机械长度上的测量误差，操作方便，各电

缆间机械长度一致性较高，进而保证了各电缆间一致的电长度。此外，

落料工装也可采用金属管件制作，将电缆装入管内后进行落料，与线槽

法效果相同，不过工装加工相对困难些。这类方法对短组件的配相是一

种高效便捷的方法，但对于长组件的配相则显然不适宜。对于半钢或者

半柔性的这类均匀实心绝缘的电缆比较适用。

2.2 长组件配相

对于较长电缆组件（长度>1m）由于介质不均匀性对其影响较大，

如果仅保证了一致性的机械长度，那么在装配后会发现其相位离散性非

常严重，返修工作量很大，有时甚至分不清该修整哪根组件，报废量也

很大。因此，为了减少组件返修工作量、提高组件准配效率、减少报废，

在装配过程中采用测试仪器测量其长度作为辅助手段，通过裁剪后保证

电长度的一致，再进行装配。

下面对射频电缆组件配相的具体做法、操作目的及简要机理做举例

探讨：

第一步：计算电缆长度并落料。根据所要配相左肩的要求及频率，

在整盘电缆上进行落料，落料长度一般为所要求的电缆长度再加上使用

上限频率的至少一个波长的电缆机械长度之和。

公式如下：

式（1）中，L 为落料长度；L1是组件要求的长度；λ为波长；ε为绝

缘介质介电常数； 是电缆传输速比。举例如:需要做一批20m 配

相组件，已知使用频率为1.5～2GHz 。经查阅电缆手册或咨询电缆供应

商查得电缆传输速比额定值为0.85，那么根据式（1）计算其电缆落料

长度为：

是电磁波速度， ,是使用上限平频率。在这里加上一个

波长的电缆是为以后修整电缆电气长度和相位是预留的，对电缆而言，

要保证长度或相位的一致性就是通过修整机械长度来达到的，修整过程

就是对各段电缆不同程度裁剪过程，因此需要留一定以保证修整后不至

于长度短于公差要求。但是预留长度也并非一定要是1个波长电缆长

度，这个还要视电缆介质的均匀性和所配相组件的长度公差范围，如果

组件允许的长度公差比较大的话甚至可以不预留，这里主要是探讨一种

方法，引导操作者注意这个问题，一旦短于要求长度可能会引起整根组

件报废。

这里还有两个问题需要先注意，落料、装配、测试的环境温度尽量

保持一致；落料定长不必要非常精确，科采用卷尺、皮尺、记米器测量，

但是落料成圈的大小要尽量一致，这可以最大限度避免测试误差和电缆

弯曲对相位的影响。

第二步：测试电缆准确速比并将电缆精确裁剪至一致的电长度。在

完成上述第一步的工作的基础上我们开始先安装一端的连接器，另一端

保持开路状态。安装完毕后测试人员用矢量网络分析仪的时域个性曲线

测量组件电长度。网络分析仪时域特性的横轴坐标一般有“时间”和“距

离”两种，通常选“距离”比较直观。要准确测量组件电长度就是要利

用网络分析仪测定组件开路端的位置，在时域曲线中开路端会呈现较高

的峰值，很容易被捕捉到。通过测试测得的电长度数据核准电缆准确的

介电常数。具体操作分析就是将之前已装好一端连接器的组件连接到网

络分析仪的测试端。矢量网络分析仪都有设定等效介电常数的功能，可

先设定被试电缆等效介电常数的近似值。然后，在这根电缆的时域特性

曲线中确定开路点的位置，其数值可能近似于电缆机械长度。利用网络

分析仪对特性曲线中开路点的位置用光标捕捉并跟踪，反复修正等效介

电常数值，直到仪器显示的长度和电缆机械长度一致为止。此时，仪器

上显示的介电常数值就是该电缆的相位较准确的等效介电常数值。然后

用网络分析仪测试所有需配相组件的电长度，即开路点到信号输出端的

位置，将所有需配相的组件电长度都裁剪到与电长度最短的那个组件一

致。

裁剪这一步看似比较简单，但也需要注意一些细节，不要急于求成，

一步到位，比较合理的做法是分多次裁剪，逐步到位，以免裁剪过短容

易造成报废。由于裁剪过程是先要找到电长度最短的那根组件，然后其

余组件按照这个长度裁剪，因此，过程中要对组件编号，并做好记录。

第三步，安装组件并修整相位。在前两步操作完成的基础上，下一

步则是安装另一端连接器，安装完毕后测定每根电缆组件的相位，并做

好记录。将数据分析整理后按组件相位进行排序，制定修整方案并予以

实施，具体步骤如下：

首先介绍一下如何对相位数据进行分析整理，并在此数据基础上制

定修整方案。在其一个频率下，相位是有前后之分的，相位体现的是信

号的超前于滞后，因为某个频率的波在分别经过两段不同长度的电缆传

播后，接收到的波是不同波的，较短电缆组件对应的接收波是相对超前

的，而超长电缆组件对应接收波是相对滞后的，所以电缆越长越滞后，

也就是电缆机械长度越长相位越小，反之越大。把相位反映在极坐标上

讨论时，当电缆组件长度每短一个波长，其相位角就按逆时针方向增加

360°，因此，我们的电缆组件在配相时是按照逆时针方向裁短电缆的。

当用网络分析仪测试相位时其显示的是最后一个周期波长的0～±

180°范围相位角，为了便于直观的理解，把相位反映为如图1示。

配相时各组件一般选取两个频率点的相位值做比较，最高使用频率

点必须选取，后面的数据计算及分析也均按此频率的相位数据为依据，

因此，频率越高相位偏差越大，高频点配准了低频点偏差的幅度更小。

另外可选取起始频率点做补充，必要时可再增加中间频率点的相位做参

考。电缆组件在经过之前的第一步和第二步的装配后其相位角一般会分

布在一个较窄的范围内。如果未经过第二步的工序操作，此时相位的分

布就会在整个圆周内显得非常离散，是这一步操作变得困难重重。现在

这样修整相位就会变得比较容易了。延极坐标顺时针方向确定所需配相

的组件相位宽度带，即以最短的那个组件为基准延顺时针方向将要求的

相位角度带内的区域画出，落在该区域的组件均合格，其余组件按其与

该角度带中心位置的夹角度数来进行修整。

举例如：已知某批组件在某个频率点的相位要求是±4°内。经过

配相方法第一步和第二步的装配后其相位角分布在如图2所示的阴影

区域内（100°～-176°），最短的那根组件相位是-176°，延顺时针

转过8°角度带，即图1中斜纹阴影部位（176°～-176°）的组就爱

你均为符合要求的组件，网纹阴影部位（100°～176°）的组件则要进

行修整，修整的机械长度取决于组件相位与斜纹区域中线位置（180°）

的夹角大小。

修整时需要拆下一端连接器后裁短，裁短的长度可通过组件与角度

带中心位置相位夹角β的角度计算得出，角度β可借助图2确定。计算

方法先按式（2）算出组件波长，再由（3）式算出应裁短的长度L 。

(2)

(3)

式中，λ为波长，单位是mm ；ε为绝缘介质介电常数；β为相位夹角；

f 为频率，单位是Hz ；L 为裁减长度，单位是mm ； 为电缆传输速

比。如：已知某电缆组件的使用频率是2.5～3GHz, 速比为0.9，现在实

际测得两组件的相位如下表所示：

图3

经过图分析后确定对1#电缆进行裁剪，需裁剪长度按上述公式计算可得：

频率下以f=3GHz计算，相位夹角取β≈20°，最后可将1#电缆组件裁短5mm, 再装配测试。

以上三个步骤是配相电缆组件的一般步骤，从本质上说就是一个对电缆进行粗裁到精裁再到细裁的一个过程，每一步通过不同的方法得以实现。

3 其他相位微调方法

上述方法在修整环节还是有一些返修工作量的，对于修整相位这一

步也有不必拆连接器再裁电缆的方法可以实现。一种方法是：选用相位可调的连接器。它的内、外导体其实是类似与插针、插孔接触件插合的一种状态，整体可伸缩活动，活动段绝缘通常用空气，通过改变两者的接触长度来调节整体的电长度，以达到相位调节的目的，一般适合频率较高、对相位调节较精细的场合；另一种方法是：采用含可更换调相片的连接器装配组件。通过更换两端连接器的调相垫片来获得较一致的相位。调相片需根据连接器配相要求缩短的长度来选择尺寸合适的调相片安装调试（一般是从厚道薄选用）。这两种方法都是方便高效的配相方案，相位可调连接器更方便，但它们的缺点是连接器成本相对较高，在驻波比性能上会略显缺陷，选用时还需综合考虑各项要素。 4 结论

以上讨论的方法适合于一般要求下大多数的射频电缆组件的相位一致性装配，使用频率越高配相难度越大，配相过程中要对每根电缆进行编号，做好过程数据的记录及最终的数据统计，测试人员要根据测试仪器的特点进行有效校准，尽量避免测试误差。装配人员与测试人员需密切配合。此方法在实践中已经得到验证，为各类军用、民用设备提供了最高频率从500MHz ～3GHz 频率、相位宽度从±0.5°～±4°、同组电缆根数从2～70根不等的各种组件，均高效的完成了装配测试工作，报废率几乎为零。