一種航空用低損耗穩(wěn)相電纜的研制

周正平， 丁春風(fēng)， 張雪群

(江蘇通光電子線纜股份有限公司，江蘇海門226103)

0 引言

為確保航空相控雷達(dá)陣、衛(wèi)星跟蹤站、電子對抗等設(shè)備的精確定位，必須有專門的低損耗穩(wěn)相電纜與之配套。據(jù)悉，一種主要用于航天的低損耗穩(wěn)相電纜已于數(shù)年前研制成功。

相對于普通射頻電纜，它明顯提高了頻率使用范圍、衰減、駐波及相位性能等;與目前比較高端的低損耗電纜相比，它的優(yōu)勢是相位穩(wěn)定性更好。

這類電纜的導(dǎo)體一般采用單根鍍銀軟圓銅線;絕緣由多層微孔聚四氟乙烯帶繞包而成，根據(jù)絕緣外徑和帶厚的匹配性，絕緣搭蓋率一般設(shè)定為50.0%或67.0%;外導(dǎo)體是由鍍銀銅扁帶繞包外加鍍銀軟圓銅線編織雙層屏蔽結(jié)構(gòu)組成;護(hù)套由聚全氟乙丙烯樹脂擠制而成。

本文以一種導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為1/0.93 mm的航空航天用低損耗穩(wěn)相電纜為例，介紹了該電纜的結(jié)構(gòu)、在生產(chǎn)中要控制的重點(diǎn)和相關(guān)試驗(yàn)方法。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及試制

1.1 電纜結(jié)構(gòu)

圖1 是型號為TGSFW-50-2.5A1的航空用低損耗穩(wěn)相電纜結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是其照片，表1是其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 航空用低損耗穩(wěn)相電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 航空用低損耗穩(wěn)相電纜照片

表1 航空用低損耗穩(wěn)相電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 生產(chǎn)控制重點(diǎn)

(1)內(nèi)導(dǎo)體。航空用低損耗穩(wěn)相電纜參照GJB 973A—2004標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，除了導(dǎo)體的基本機(jī)械性能要求外，還考慮射頻信號在內(nèi)導(dǎo)體中傳輸時(shí)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即信號僅僅在電纜的內(nèi)導(dǎo)體外表面和外導(dǎo)體內(nèi)表面進(jìn)行有效傳輸。基于性能的要求，首先選擇鍍銀軟圓銅線作為內(nèi)導(dǎo)體，為了滿足電纜的高頻性能要求，在內(nèi)導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)增加銀層厚度的要求，一般要求銀層厚度不小于10 μm。

(2)絕緣。微孔聚四氟乙烯帶是航空用低損耗穩(wěn)相電纜關(guān)鍵材料，通過對產(chǎn)品的研究，制定了微孔聚四氟乙烯帶主要性能指標(biāo)，見表2。

表2 微孔聚四氟乙烯帶主要性能指標(biāo)

在工藝上，通過多次反復(fù)試驗(yàn)，制定生產(chǎn)時(shí)的溫度和濕度環(huán)境要求，工藝數(shù)據(jù)也進(jìn)行數(shù)字化處理，在文件中規(guī)定節(jié)距公差、繞包張力數(shù)據(jù)，以求最優(yōu)的繞包工藝。

(3)外導(dǎo)體。外導(dǎo)體采用鍍銀銅扁帶繞包和鍍銀軟圓銅線編織的雙層結(jié)構(gòu)。由于航空用低損耗穩(wěn)相電纜與實(shí)心電纜相比，為了達(dá)到低損耗和相位穩(wěn)定性的目的，采用微孔聚四氟乙烯帶，絕緣強(qiáng)度作出極大犧牲，因此加大了鍍銀銅扁帶繞包難度，如何攻克鍍銀銅扁帶繞包工藝是生產(chǎn)航空用低損耗穩(wěn)相電纜的關(guān)鍵，銅帶的繞包搭蓋率一般控制在40%以上，任何彎曲都會影響駐波性能，所以在生產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行如下控制:首先是調(diào)整繞包的進(jìn)線角度到最佳狀態(tài)，這個(gè)角度在各種設(shè)備間存在差異，只能在生產(chǎn)中摸索，如果進(jìn)線角度不好會造成絕緣和屏蔽層的間隙;其次是選用大外徑的導(dǎo)輪以減少彎曲;第三建議進(jìn)行低速生產(chǎn)。

(4)護(hù)套。航空用低損耗穩(wěn)相電纜溫度使用范圍較寬，因此只能選擇聚全氟乙丙烯或可熔性聚四氟乙烯材料，但從材料的成本考慮，聚全氟乙丙烯已能滿足其使用要求，但比可熔性聚四氟乙烯廉價(jià)，因此是該類電纜最理想的護(hù)套材料。

2 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

目前國內(nèi)航空用低損耗穩(wěn)相電纜參照GJB 973A—2004、GB/T 17737.1—2000、GJB 150A—2009、GJB 360B—2009以及國外廠家的技術(shù)資料各自進(jìn)行設(shè)計(jì)，未形成統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，唯一可參考的是正在報(bào)批中的軍用穩(wěn)相電纜的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。

3 主要性能指標(biāo)

在比較國外廠家技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合客戶需求，確定TGSFW-50-2.5A1型航空用低損耗穩(wěn)相電纜的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)衰減。電纜在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，水平面及25℃的測試條件下，安裝完微波組件后測試10 m電纜的衰減，換算出每米的衰減值，典型的衰減指標(biāo)見表3。

表3 電纜典型的衰減指標(biāo)

(2)電壓駐波比。同衰減測試一樣，安裝完微波組件后測試10 m電纜的電壓駐波比，各頻段電纜的最大電壓駐波比見表4。

表4 各頻段電纜的最大電壓駐波比

(3)相位穩(wěn)定性。相位穩(wěn)定性分為機(jī)械相位穩(wěn)定性和溫度相位穩(wěn)定性，主要考核電纜在高低溫和彎曲、振動條件下產(chǎn)生的性能變化對整機(jī)的影響。一般要求電纜在溫度范圍為－55～100℃，測試頻率點(diǎn)為10 GHz條件下的相位—溫度變化系數(shù)最大值應(yīng)不大于700 ppm;在測試頻率范圍為0.05～26.5 GHz，芯棒直徑為18 mm的彎曲條件下最大機(jī)械相位變化值為3°。

(4)相位一致性。該試驗(yàn)的目的是考核電纜的批次穩(wěn)定性，在相同頻率和溫度點(diǎn)下，兩根相同長度的電纜的相位—溫度變化系數(shù)測試值相差應(yīng)不大于200 ppm。

(5)溫度沖擊。在－55℃和120℃兩個(gè)溫度點(diǎn)各存放0.5 h，以此循環(huán)5次，試驗(yàn)后電纜的衰減、駐波、相位要求仍符合上述的技術(shù)要求。

(6)抗老化。在150℃的試驗(yàn)條件下保持168 h，恢復(fù)常溫后，試驗(yàn)后電纜的衰減、駐波、相位要求仍符合上述的技術(shù)要求。

(7)低氣壓。為考核電纜受氣壓破壞的能力，按GJB 360B的方法105試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后電纜的衰減、駐波仍符合上述的技術(shù)要求。

4 主要試驗(yàn)方法

(1)衰減。按GJB 973A—2004第4.7.9條的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。評估的是電纜傳輸信號的能力，衰減越小，電纜的傳輸性能效果越佳。

(2)電壓駐波比。按 GJB 973A—2004第4.7.10條的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。評估的是輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗的匹配性，理想的比例為1∶1，但幾乎不可能達(dá)到。

(3)相位穩(wěn)定性

1)溫度相位穩(wěn)定性。按IEC 61196-1-111的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

試樣在試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行－55～100℃的6個(gè)溫度循環(huán)預(yù)處理。截取不小于3 m長的1個(gè)電纜試樣，將電纜兩端配接SMA連接器，制成電纜組件，在電纜上距離兩端連接器端面L1不小于0.15 m處做標(biāo)記，兩標(biāo)記間的長度L2為2.70 m，如圖3所示。

圖3 電纜標(biāo)記示意圖

將試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為25℃，達(dá)到設(shè)定溫度后至少保持10 min。將試樣與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，讀取任一相鄰的波峰或波谷的頻率f1和f2，被測電纜段在測量頻率f(10 GHz)的總相位為:

式中:Φ25℃，f為被測電纜在25℃時(shí)頻率f下的總相位;f為測量頻率(10 GHz)。

在25℃時(shí)，將測試電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀并校零，調(diào)整試驗(yàn)箱溫度，按從低到高依次在－55℃、－40℃、－25℃、0℃、15℃、20℃、25℃、50℃、85℃和100℃，測量各溫度點(diǎn)的相位值T，;

計(jì)算在頻率點(diǎn) f、溫度為25℃時(shí)的相位25℃，與在頻率點(diǎn)f下各測試溫度點(diǎn)的相位值T，的差值:

式中:△T，為在頻率下，25℃時(shí)相位值與各測量溫度點(diǎn)的相位值的差值。當(dāng)測量值出現(xiàn)跨越180°相位變化時(shí)，應(yīng)重新計(jì)算出真實(shí)的相位差值。

然后計(jì)算相位隨溫度變化系數(shù)ηT，f:

在頻率下，相位隨溫度變化以ppm表示。

最后把各點(diǎn)繪制成ηT，f(ppm)—T(℃)曲線圖，見圖4。

2)機(jī)械相位穩(wěn)定性。按IEC 61196-1-111的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 ηT，f—T 曲線圖

試驗(yàn)前在成品電纜上截取不小于3 m長的1個(gè)電纜試樣，將電纜兩端配接SMA連接器，制成電纜組件;

把試樣彎曲成U形并連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，將儀器相位系統(tǒng)校零，U形的最小彎曲半徑為25 mm;

將直徑為18mm的芯棒置于試樣上方，將試樣繞芯棒順時(shí)針彎曲180°，待矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中顯示的相位隨頻率的變化曲線穩(wěn)定后，記錄并保存相位與頻率的變化曲線1;

將試樣的位置恢復(fù)至彎曲前的位置規(guī)定，然后將直徑為18 mm的芯棒置于試樣下方，將試樣繞芯棒逆時(shí)針彎曲180°，待矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中顯示的相位隨頻率的變化曲線穩(wěn)定后，記錄并保存相位與頻率的變化曲線2;

最后測試的機(jī)械相位變化值在±3°范圍內(nèi)。

(4)相位一致性。按溫度相位穩(wěn)定性試驗(yàn)方法同時(shí)對兩根相同長度的電纜進(jìn)行測試，在同一圖中，按各測試溫度點(diǎn)下的相位隨溫度的變化，分別作出兩根電纜的ηT，f—T曲線，比較兩曲線各溫度點(diǎn)的相位隨溫度變化最大差值。

(5)溫度沖擊。按 GJB 360B—2009方法107的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，在－55℃和120℃兩個(gè)溫度點(diǎn)各存放0.5 h，循環(huán)5次，以此評估電纜在惡劣的高低溫環(huán)境下電性能的變化。

(6)抗老化。按GJB 973A—2004第4.7.17條的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn);在150℃的試驗(yàn)條件下保持168 h，和溫度沖擊試驗(yàn)一樣，該試驗(yàn)是評估電纜在長時(shí)間高溫環(huán)境下電性能的變化。

(7)低氣壓。按GJB 360B的方法105試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，因該類電纜會在航空器中大量使用，故電纜需考核高空低氣壓的環(huán)境下電性能的變化。

5 結(jié)束語

航空用低損耗穩(wěn)相電纜在國外已被廣泛應(yīng)用于國防等尖端領(lǐng)域，而目前國內(nèi)處于剛剛起步階段。隨著地區(qū)局勢緊張和局部戰(zhàn)爭的接連爆發(fā)，處于尖端領(lǐng)域的航空用低損耗穩(wěn)相電纜長期受到歐美國家的出口限制。為擺脫該類電纜對國外的依賴，國家在2009年提出航空用低損耗穩(wěn)相電纜國產(chǎn)化的要求，國內(nèi)電纜廠商紛紛投入資金進(jìn)行研發(fā)。

本文結(jié)合公司在航空用低損耗穩(wěn)相電纜試制過程中出現(xiàn)的問題及對試驗(yàn)方法的理解，和大家一起探討，希望以此推進(jìn)航空用低損耗穩(wěn)相電纜國產(chǎn)化的進(jìn)程。

［1］GB/T 17737.1—2000 射頻電纜第1部分 總規(guī)范［S］.

［2］GJB 150A—2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法［S］.

［3］GJB 360B—2009 電子及電氣元件試驗(yàn)方法［S］.

［4］GJB 973A—2004 柔軟和半硬射頻電纜通用規(guī)范［S］.

［5］IEC 61196-1-111 Electrical test methods-test for stability of phase constant［S］.