雷達(dá)同軸線故障機(jī)理分析及優(yōu)化?

宋為民,席廣輝,袁曉明,陳 宏,彭 偉,曹國(guó)光

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088; 2.安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司,安徽六安237010)

0 引言

雷達(dá)同軸線屬于TEM波(橫向電磁波)傳輸線,是一種由內(nèi)、外導(dǎo)體構(gòu)成的雙導(dǎo)體傳輸線。因具有頻帶寬、損耗低、尺寸小、與微帶電路連接方便等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于雷達(dá)功率傳輸系統(tǒng)中。同軸線按結(jié)構(gòu)形式可分為兩種:軟同軸線和硬同軸線。同軸線的外導(dǎo)體是金屬管,內(nèi)導(dǎo)體一般為金屬管或?qū)嵭膶?dǎo)體,內(nèi)、外導(dǎo)體間的介質(zhì)是空氣,內(nèi)、外導(dǎo)體用介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)支撐[1]。同軸線連接接頭分為插接頭和平接頭,雷達(dá)主要采用插接頭形式,插接頭是指內(nèi)導(dǎo)體一個(gè)做成插芯,另一個(gè)做成插孔,通過(guò)插芯和插孔連接。外導(dǎo)體則通過(guò)螺紋或卡口連接[2]。

1 雷達(dá)饋線組成

饋線系統(tǒng)的功能主要是把發(fā)射機(jī)的輸出功率有效地傳輸?shù)教炀€陣面上,它是電磁波能量的傳輸通道。

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的空間掃描要求,還要設(shè)計(jì)一種鉸鏈,它除了能傳輸電磁波能量以外,還必須要能夠進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn),以完成雷達(dá)天線陣面的旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等機(jī)械功能。這種鉸鏈的設(shè)計(jì)主要是利用四分之一波長(zhǎng)的空氣間隙,來(lái)保證既可傳輸信號(hào)又能旋轉(zhuǎn)的功能。按照鉸鏈所實(shí)現(xiàn)的功能,一般把它分為方位鉸鏈和俯仰鉸鏈兩種。方位鉸鏈主要用于實(shí)現(xiàn)天線在水平面上360°旋轉(zhuǎn),而俯仰鉸鏈則用于實(shí)現(xiàn)天線陣面的翻轉(zhuǎn),以便于雷達(dá)進(jìn)行舉升、運(yùn)輸和維修。

另外,為了檢測(cè)發(fā)射機(jī)輸出及反射功率的大小,一般需設(shè)計(jì)同軸耦合器,以掌握同軸線系統(tǒng)及發(fā)射系統(tǒng)在高功率狀態(tài)下的工作情況。

采用了同軸線系統(tǒng)的雷達(dá),同軸線系統(tǒng)組成較長(zhǎng),從發(fā)射功分網(wǎng)絡(luò)到陣面合成網(wǎng)絡(luò),要連接十幾乃至幾十根同軸線,不可避免地要分段和彎曲,典型傳輸通道如圖1所示。

圖1 雷達(dá)饋線組成框圖

2 同軸線典型故障

同軸線故障主要是插孔處斷裂和熔化,斷口表面有黑色物質(zhì)覆蓋,局部可以看到因電弧而留下的燒蝕痕跡,如圖2所示。

圖2 失效樣品

例如,某型號(hào)雷達(dá)使用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)雷達(dá)同軸線出現(xiàn)打火問(wèn)題,打火部位為同軸線及同軸線彎頭部分,如圖3、圖4所示,故障主要出現(xiàn)在長(zhǎng)度超過(guò)1 000 mm的同軸線和與其相鄰?fù)S線彎頭上。該型號(hào)雷達(dá)同軸線連接形式為插接頭形式。

本文針對(duì)雷達(dá)同軸線出現(xiàn)的打火故障,從失效機(jī)理分析,有針對(duì)性地提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn),并進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證,證明了解決措施的正確有效。

圖3 同軸線打火

圖4 雷達(dá)同軸線示意圖

3 失效機(jī)理分析

電接觸失效是同軸線插接頭失效的主要形式。在正常的工作條件下,造成同軸線插接頭失效,即決定同軸線插接頭工作壽命的主要原因是接觸壓力減小、微動(dòng)磨損和表面膜層的生長(zhǎng),而影響接觸壓力、微動(dòng)磨損和表面膜層變化的主要因素是振動(dòng)和環(huán)境溫度[3]。同軸線打火主要是由各種原因造成的傳輸效率下降,能量轉(zhuǎn)換成熱能,當(dāng)熱能超過(guò)系統(tǒng)承受能力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生不可逆的損壞。

3.1 電阻

從微觀角度分析,任何光滑的表面都是凹凸不平的。兩個(gè)接點(diǎn)接觸時(shí),不可能是整個(gè)接觸面接觸,實(shí)際接觸面分為兩部分:一部分是金屬與金屬的直接接觸,另一部分是通過(guò)界面氧化而形成氧化膜、有機(jī)氣體吸附膜或塵埃等所形成的沉積膜而相互接觸。對(duì)接觸件而言,總接觸電阻R由3部分組成,可用式(1)表示:

式中:Rc為集中電阻;Rf為膜層電阻;Rp為金屬導(dǎo)體電阻。膜層電阻是接觸電阻變大的主要因素[4]。

集中電阻Rc是指電流通過(guò)接觸面時(shí),由于接觸面縮小而導(dǎo)致電流線收縮所顯示的電阻。它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜而形成金屬與金屬直接接觸所構(gòu)成的電阻。其大小與材料本身的特性、生產(chǎn)工藝(如粗糙度、電鍍質(zhì)量和熱處理后的性能等)和接觸壓力等有關(guān)。插孔間隙過(guò)大或接觸簧片應(yīng)力松弛都將使接觸壓力減小和集中電阻增大。

膜層電阻Rf是指由于周圍環(huán)境條件及有害氣體的影響造成接觸表面形成膜層而構(gòu)成的電阻。

有資料表明,當(dāng)電接插件表面采用鍍銀時(shí),加電壓通斷試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)碳、硫、鋅和氧等元素會(huì)在接觸表面大量出現(xiàn)。表面生成了使接觸電阻不穩(wěn)定的氧化膜。

氧化膜的生長(zhǎng)與溫度和濕度有很大關(guān)系,溫度和濕度越高,生長(zhǎng)速度越快。這是膜層電阻的最主要來(lái)源之一。膜層電阻的另一來(lái)源是由于塵埃和(焊劑)油污等在接觸表面的機(jī)械附著和沉積所形成的較松散的表膜,因帶有微粒物質(zhì),極易鑲嵌在接觸表面的微觀凹坑處,使有效的接觸面積縮小、接觸電阻增大,并且極不穩(wěn)定。

影響接觸壓力和表面膜層變化的主要因素有振動(dòng)和溫度,這是因?yàn)闇囟炔粌H決定了在大氣環(huán)境下接觸件表面膜層的生長(zhǎng),而且還會(huì)因插孔蠕變而影響接觸壓力的大小。絕緣件的材料老化,鈹青銅的應(yīng)力松弛也受溫度影響較大,所以硬同軸線接插頭的溫度控制很重要,改善散熱讓其在合理的溫度范圍內(nèi)工作有利于可靠性提高。

3.2 熱變形

由于同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體在微波傳輸時(shí)的發(fā)熱量不同,同時(shí)兩者的尺寸和剛度不同,內(nèi)外導(dǎo)體的伸縮量也不相同,本文對(duì)同軸線進(jìn)行熱仿真,圖5是熱仿真的溫升變形圖。由圖5可知,當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體(材料H62黃銅直徑10 mm)在溫升約60℃時(shí),兩端固定的內(nèi)導(dǎo)體將會(huì)發(fā)生約24 mm/1 400 mm的變形,該變形對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的破壞極其嚴(yán)重。為了消除該種變形,設(shè)計(jì)上一般采用了在內(nèi)導(dǎo)體上預(yù)留足夠熱漲伸縮縫的結(jié)構(gòu)形式。

圖5 內(nèi)導(dǎo)體溫升變形圖

3.3 接頭界面配合尺寸

造成傳輸效率下降的主要原因有:傳輸通道是否連續(xù),產(chǎn)生的熱能是否超過(guò)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),接頭接口界面是否合適等。針對(duì)某型打火同軸線的界面尺寸分析,界面尺寸關(guān)系到耐受溫升。

如圖6所示,外導(dǎo)體總長(zhǎng)為1542.5 mm,內(nèi)導(dǎo)體加插頭和插口總長(zhǎng)為1543.5 mm。如圖7所示,界面尺寸間隙為0.5 mm,考慮公差實(shí)際間隙為0.55～1.03 mm。插頭和插口讓位間隙在0.1～1.2 mm之間。按0.55 mm間隙計(jì)算耐受溫升為20℃,1.03 mm間隙耐受溫升為37.5℃。

圖6 同軸線裝配圖

圖7 同軸線裝配尺寸圖

如圖8所示,檢查同軸線與界面間隙相關(guān)尺寸。

圖8 同軸線裝配圖

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)雷達(dá)樣機(jī)同軸線拆開(kāi),進(jìn)行了實(shí)際尺寸的測(cè)量,環(huán)境溫度為17℃,發(fā)現(xiàn)同軸線插頭與插口界面實(shí)際間隙為1.24(0.38+0.78+ 0.08)mm,1.24mm能耐受溫升為45℃。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 同軸線測(cè)量數(shù)據(jù)表

在雷達(dá)樣機(jī)上采用FLUCK紅外熱測(cè)儀,同軸線下端插芯插孔間隙調(diào)整為零(稱試驗(yàn)同軸線),并與批產(chǎn)同軸線進(jìn)行溫升對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 試驗(yàn)同軸線溫度測(cè)量數(shù)據(jù)表

表3 批產(chǎn)同軸線溫度測(cè)量數(shù)據(jù)表

如圖9溫度仿真所示,試驗(yàn)同軸線比批產(chǎn)同軸線相同位置溫升高5.7℃。

圖9 同軸線溫度測(cè)試圖

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)雷達(dá)彎同軸線進(jìn)行內(nèi)導(dǎo)體表面溫升試驗(yàn)。開(kāi)機(jī)75min后,同軸線內(nèi)導(dǎo)體表面溫升25.1℃,測(cè)試點(diǎn)最高溫度39.3℃,此時(shí)環(huán)境溫度為14.2℃。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),用于測(cè)試的同軸線未充干燥氣體。

當(dāng)界面間隙較小,溫升到一定程度且內(nèi)導(dǎo)體較長(zhǎng)的情況下,熱脹冷縮產(chǎn)生應(yīng)力使內(nèi)導(dǎo)體受壓產(chǎn)生彎曲變形。

根據(jù)同軸線理論,導(dǎo)引的電磁波波形屬于TEM波,同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外表面電場(chǎng)最強(qiáng)。打火系空氣在強(qiáng)電場(chǎng)作用下?lián)舸┧?。空氣一?jīng)擊穿,起先是微小的吱火,吱火引起內(nèi)導(dǎo)體外表面粗糙和起毛刺,使吱火越發(fā)嚴(yán)重,最后打火,這是一個(gè)惡性循環(huán)的過(guò)程[5]。因此,插芯插孔結(jié)合界面設(shè)計(jì)出足夠伸縮縫,能預(yù)防熱脹冷縮產(chǎn)生應(yīng)力使內(nèi)導(dǎo)體受壓產(chǎn)生彎曲變形。

從上述計(jì)算可以看出,該段同軸線的耐受溫升偏低。

3.4 電場(chǎng)功率

強(qiáng)電場(chǎng)可能擊穿空氣導(dǎo)致同軸線打火,在標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30 k V/cm,此時(shí),對(duì)于空氣同軸線,擊穿功率可近似寫為

式中:r1和r2分別表示同軸線內(nèi)導(dǎo)體外半徑和外導(dǎo)體內(nèi)半徑,單位為cm;E0表示標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng),單位為k V/cm;W表示擊穿功率,單位為MW[6]。根據(jù)計(jì)算公式,耐受功率與空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)平方成正比。潮濕空氣及灰塵等會(huì)引起擊穿場(chǎng)強(qiáng)急劇下降。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)以上同軸線打火失效機(jī)理分析,有針對(duì)性地提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

4.1 接插頭材料選擇

根據(jù)接觸電阻理論,雷達(dá)同軸線插接頭材料需要選擇良導(dǎo)體材料,并且彈性較好,涂覆層避免選擇鍍銀。

考慮到材料特性,從表4可以看出,同軸線插頭材料選擇時(shí)效硬化型鈹銅合金性能最優(yōu),例如選擇鈹青銅QBe2.15。選擇的材料成分應(yīng)該符合GB/T5233-2001《加工青銅化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀要求》。鈹青銅熱處理工藝要求嚴(yán),要求溫差在±10℃范圍內(nèi)[7]。時(shí)效過(guò)程應(yīng)符合鈹青銅彈性元件時(shí)效規(guī)范要求。鈹青銅作為一種彈性合金,其質(zhì)量體現(xiàn)在它的彈性極限和抗應(yīng)力松弛特性上[8]。

表4 銅合金性能表

4.2 保證電連續(xù)性和氣密性

從電場(chǎng)功率計(jì)算公式和電阻分析可以看出:同軸線充干燥氣體,有利于散熱和改善空氣場(chǎng)強(qiáng),從而提高同軸線的功率耐受性;同時(shí),作為功率傳輸通道需要保證電連續(xù)性。為保證同軸線的連續(xù)性和氣密性,可采取以下三點(diǎn)具體措施進(jìn)行優(yōu)化及性能加強(qiáng)。

(1)對(duì)內(nèi)腔充氣9.8×104Pa干燥空氣進(jìn)行氣密性試驗(yàn),無(wú)漏氣現(xiàn)象。

(2)用高壓測(cè)試臺(tái),在50 Hz交流電10 000 V電壓作用下對(duì)同軸線耐壓進(jìn)行試驗(yàn)1 h。

(3)用頻譜分析儀在工作頻率點(diǎn)上進(jìn)行駐波系數(shù)測(cè)試,駐波系數(shù)均小于1.1。

4.3 預(yù)留足夠熱脹伸縮配合余量

從前文分析得知,要在插芯插孔結(jié)合界面設(shè)計(jì)出足夠伸縮縫隙,釋放熱脹冷縮帶來(lái)的應(yīng)力。改善間隙可以把同軸線長(zhǎng)度變短,或者對(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的加大結(jié)合界面間隙。根據(jù)使用工況,確定耐受溫升,根據(jù)溫升核算界面間隙。

4.4 同軸線變形控制

傳輸功率較大時(shí),要求傳輸鏈無(wú)泄漏功率,否則易失效打火,為了確保諸多連接處的電連續(xù)性及密封性,必須要保證一定的剛強(qiáng)度。

同軸線本身的剛度是固有的,因此在固定支架的設(shè)計(jì)和同軸線安裝的車身要保證足夠的剛度和采取一定的減振措施。同時(shí),在整個(gè)同軸線系統(tǒng)中增加一段軟同軸線,用于消除運(yùn)輸過(guò)程中由于振動(dòng)產(chǎn)生的裝配應(yīng)力。

在裝配過(guò)程中,同軸線系統(tǒng)安裝固定沒(méi)有完成,不得吊裝,避免同軸線變形損壞。在調(diào)試、運(yùn)輸前后,應(yīng)檢查同軸線系統(tǒng)是否安裝緊固。裝配時(shí)要合理設(shè)置測(cè)試點(diǎn),保證密封和電連續(xù)性[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

同軸線充干燥氣體,保持電磁波通道的干凈和散熱,在保證同軸線安裝部位剛強(qiáng)度的同時(shí)增加軟同軸線釋放應(yīng)力,這些都是確保同軸線系統(tǒng)可靠工作的基本使用條件。設(shè)計(jì)合理的界面間隙,保證同軸線系統(tǒng)在設(shè)定工況下的電連續(xù)性和密封性是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

以上優(yōu)化設(shè)計(jì)措施已在某型雷達(dá)得到成功應(yīng)用,改進(jìn)后,某批數(shù)部雷達(dá)2年多時(shí)間內(nèi)同軸線系統(tǒng)未出現(xiàn)故障,證明本文所述故障機(jī)理分析準(zhǔn)確、優(yōu)化措施有效,具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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