雷達(dá)射頻同軸電纜組件工藝技術(shù)探討

謝 剛，沈能蛟

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

雷達(dá)射頻同軸電纜組件工藝技術(shù)探討

謝 剛，沈能蛟

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

雷達(dá)射頻同軸電纜組件的生產(chǎn)裝配加工比較復(fù)雜，其工藝要求也比一般的普通電纜組件嚴(yán)格，一般的手工工具無法裝配出符合設(shè)計(jì)要求的雷達(dá)射頻同軸電纜組件。簡(jiǎn)要介紹了雷達(dá)射頻同軸電纜組件的構(gòu)成和元件選型分析，簡(jiǎn)述了電纜組件裝配加工的基本工藝裝備和一般制作工藝方法流程，著重分析了射頻同軸電纜組件的制造工藝及其檢測(cè)方法。

雷達(dá)；射頻同軸電纜組件；裝配加工；工藝

Abstract: The production, assembly and processing of the radar RF coaxial-cable assemblies are very complicated with stricter technological requirements compared to the ordinary cables. The radar RF coaxial-cable assemblies that meet the requirements of the design cannot be assembled with the general hand tools. The composition of the radar RF coaxial-cable assemblies is briefly introduced with the analysis on the component selection. The basic technological equipment and the general technological method and process of manufacturing for the assembly and processing of the cables are briefly described, with an emphasis on the manufacturing technology and detection methods of the RF coaxial-cable assembly.

Keywords: radar; RF coaxial-cable assembly; assembly and processing; technology

0 引 言

隨著相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展和系統(tǒng)集成的日益改進(jìn)，傳統(tǒng)用于各微波組件之間射頻信號(hào)傳輸?shù)牟▽?dǎo)部件越來越難以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用要求。高品質(zhì)雷達(dá)射頻同軸電纜已經(jīng)廣泛應(yīng)用，比重也越來越高。[1]特別是相控陣?yán)走_(dá)有源天線面陣內(nèi)大量T/R組件間和T/R組件內(nèi)部微組裝射頻連接所采用的同軸電纜組件，必須具有頻帶寬、抗干擾性能好、傳輸幅相特性一致、電性能穩(wěn)定且損耗小、輻射小、體積小和質(zhì)量輕，以及易于布線、裝配和維修等諸多要求。[2]因此，如何設(shè)計(jì)雷達(dá)射頻同軸電纜組件加工制造工藝已成為保障相控陣?yán)走_(dá)有源面陣性能的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文從基于雷達(dá)射頻同軸電纜組件特點(diǎn)分析雷達(dá)射頻同軸電纜組件工藝流程、制造工藝及其檢測(cè)方法等，以期為雷達(dá)射頻同軸電纜組件的加工和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 雷達(dá)射頻同軸電纜組件構(gòu)成及其選型分析

1.1 構(gòu) 成

雷達(dá)射頻同軸電纜組件由射頻同軸連接器和射頻同軸電纜兩部分組成。射頻同軸電纜是由兩根同軸的圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)，分別為內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體以及之間的絕緣體(高頻介質(zhì))。外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)保證了優(yōu)異的屏蔽性能。傳輸?shù)碾姶拍芰恳詢?nèi)導(dǎo)體為中心均勻分布，具有均勻穩(wěn)定的特性阻抗和極大帶寬等優(yōu)點(diǎn)。絕緣介質(zhì)除了起到絕緣作用以外衰減、阻抗和回波損耗等都與之關(guān)系很大，如圖1所示。

圖1 射頻同軸電纜

射頻同軸連接器與射頻同軸電纜組裝在一起形成射頻電纜組件。射頻同軸電纜組件主要用于連接各類信號(hào)收發(fā)設(shè)備，確保其間信號(hào)低損、精確、高效以及高質(zhì)的傳輸，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)射頻同軸電纜組件

1.2 選型分析

在影響射頻同軸電纜組件性能的因素中，除了精確地計(jì)算連接器的電氣參數(shù)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，電纜的設(shè)計(jì)選型顯得尤為關(guān)鍵。

1.2.1 電纜適用環(huán)境的選擇

要根據(jù)不同的用途和使用場(chǎng)所選擇適當(dāng)?shù)碾娎|才有可能達(dá)到預(yù)期的效果。在大功率條件下應(yīng)選擇大功率電纜，而在精密傳輸信號(hào)中使用的電纜應(yīng)選擇超低損耗電纜。

1.2.2 電纜尺寸和性能的選擇

電纜尺寸應(yīng)與連接器尺寸相當(dāng)，才能保證特性阻抗的連續(xù)性和一致性。如果電纜與連接器規(guī)格不匹配，即使選擇了優(yōu)良的連接器和電纜，組件的性能也未必能達(dá)到預(yù)期的效果，反而會(huì)導(dǎo)致連接器和電纜資源的浪費(fèi)。

1.2.3 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

電磁干擾(EMI)能量是通過傳導(dǎo)性耦合和輻射性耦合對(duì)其電子設(shè)備進(jìn)行干擾。對(duì)傳導(dǎo)性耦合需采取濾波技術(shù)，對(duì)輻射性耦合則需要采用屏蔽技術(shù)加以抑制。在射頻電纜組件設(shè)計(jì)要求達(dá)到屏蔽性能，應(yīng)先確定泄露的環(huán)節(jié)，明確頻率范圍，從電纜的自身屏蔽性能、電纜與連接器結(jié)合處、連接端口的屏蔽性能等幾方面進(jìn)行分析，選定合適的屏蔽線纜，從而達(dá)到較好的屏蔽性能。

2 雷達(dá)射頻同軸電纜組件關(guān)鍵工藝和電性能分析

射頻連接器的成功設(shè)計(jì)不僅包括連接器自身優(yōu)良的性能，還包括與同軸電纜裝配的可操作性、易操作性以及相互配合，最終保證整個(gè)傳輸系統(tǒng)的性能。這主要包括工藝性設(shè)計(jì)和電氣性能設(shè)計(jì)。

2.1 關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)

2.1.1 容錫間隙設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)射頻連接器時(shí)，要合理地計(jì)算容錫間隙的大小。間隙過大會(huì)造成焊接后芯線與電纜的同軸度難以保證，使特性阻抗偏離標(biāo)稱值，同時(shí)會(huì)影響組件的電氣性能，尤其對(duì)于高精度要求的電纜組件更為明顯。間隙過小會(huì)造成焊錫難以進(jìn)入，焊接的有效面積減小，焊接的牢固性變差，容易發(fā)生虛焊、脫落等現(xiàn)象。

2.1.2 耐焊接熱設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，一般射頻連接器廠家已將絕緣子裝配到連接器的殼體中。當(dāng)焊接連接器時(shí)，由于焊接熱量的影響會(huì)導(dǎo)致絕緣子變形甚至脫落。另外，電纜絕緣層受熱時(shí)也會(huì)發(fā)生膨脹，對(duì)于連接器絕緣子產(chǎn)生軸向推力，導(dǎo)致完成組裝后的連接器界面尺寸超差，從而影響組件的電氣性能。

2.2 電氣性能設(shè)計(jì)

射頻同軸連接器的選擇有多種型號(hào)，與其緊密聯(lián)系的參數(shù)是使用頻率，在使用中要根據(jù)使用頻段來選擇合適的連接器。射頻同軸連接器的上限頻率或截止頻率公式如下：

(1)

其中，fc表示連接器的上限頻率(GHz)，C0表示電磁波在真空中的傳播速度(mm/s)，D表示外導(dǎo)體內(nèi)徑(mm)，d表示內(nèi)導(dǎo)體外徑(mm)，εr表示絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。[3]由此可見，通常情況下，隨著電纜組件使用工作頻率的升高連接器的設(shè)計(jì)尺寸相應(yīng)隨之變小，選用的電纜也會(huì)越來越細(xì)。對(duì)于此方面，還應(yīng)考慮的是駐波參數(shù)。通常連接器的設(shè)計(jì)與選擇、連接器與電纜的連接方式是否合適都會(huì)直接影響電壓駐波比。

2.3 制作工藝設(shè)備分析

根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)要求，主要從射頻電纜組件的最高使用頻率、最高絕緣耐壓值、線徑的范圍以及長(zhǎng)度等方面進(jìn)行設(shè)備選型，具體見表1。

表1 射頻電纜組件性能指標(biāo)

3 雷達(dá)射頻同軸電纜組件制作工藝設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

由于柔性、半柔性和半剛性雷達(dá)射頻同軸電纜組件生產(chǎn)加工的品種數(shù)目繁多，型號(hào)也不盡相同，工藝總要求步驟基本相同，生產(chǎn)工藝流程圖見圖3所示。在工藝分步驟中，工藝各控制點(diǎn)對(duì)于保證整個(gè)組件的質(zhì)量性能都起到了重要的作用。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組件的性能達(dá)不到要求，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。自動(dòng)切線精度要求比較高，這是控制電纜組件電長(zhǎng)度的重要一環(huán)，可以有效地保證組件間相位的一致性。自動(dòng)剝線步驟對(duì)于保證插針和內(nèi)導(dǎo)體的同軸度以及電纜組件與連接器的匹配至關(guān)重要。自動(dòng)倒角是保證線纜與插針之間緊密配合的關(guān)鍵點(diǎn)。電纜組件焊接過程中重要一點(diǎn)要防止虛焊，同時(shí)對(duì)于溫度和時(shí)間的控制要求很高，以免對(duì)駐波和插損影響較大。

圖3 生產(chǎn)工藝流程圖

3.2 制作工藝過程分析

在雷達(dá)射頻同軸電纜組件制作過程中，各分步驟加工過程工藝都具有各自不同的特點(diǎn)和技術(shù)要求，對(duì)于完成后的電纜組件性能都起著至關(guān)重要的作用。射頻電纜組件的性能主要取決于電纜與連接器間的裝聯(lián)技術(shù)和工藝水平。在裝聯(lián)過程中，內(nèi)導(dǎo)體剝離和焊接、填充介質(zhì)截面的處理、屏蔽層接地處理質(zhì)量的高低等均影響電纜組件的特性。這些不僅與工裝水平、工藝技術(shù)、制作儀器設(shè)備還與制作者自身的技術(shù)水平密切相關(guān)。下面結(jié)合具體過程加以闡述。

3.2.1 電纜組件的切線

一般射頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體為鍍銀銅線或鍍銀包鋼線，外導(dǎo)體通常采用鍍錫銅絲熱浸錫工藝，絕緣介質(zhì)為PTFE。由于同軸電纜的接插件和絕緣介質(zhì)分別為良導(dǎo)體和良絕緣體，因而線路損耗可忽略不計(jì)，其傳輸速度計(jì)算公式為

(2)

進(jìn)一步可得波長(zhǎng)計(jì)算公式：

(3)

式中，f為工作頻率；C為微波在真空中的傳播速度，相當(dāng)于光速；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；εr為相對(duì)介電常數(shù)。

傳輸線上的相位公式：

(4)

式中，Δφ為相對(duì)相位，Δl為調(diào)節(jié)長(zhǎng)度。由此可見，長(zhǎng)度的變化是影響同批次間的射頻同軸電纜組件相位一致性指標(biāo)的主要因素。

射頻電纜組件進(jìn)行配相所采用的方法主要是通過機(jī)械長(zhǎng)度來保證其電氣長(zhǎng)度。電氣長(zhǎng)度是組件相位的決定性因素。要使同批次多個(gè)電纜組件具有相對(duì)一致的相位，則必須使其具有一致的電氣長(zhǎng)度。具體可分為兩種情況：

(1) 對(duì)于較短的電纜組件(長(zhǎng)度≤1 m)，電纜內(nèi)部介質(zhì)不均勻性對(duì)電氣長(zhǎng)度的影響不太明顯，通?？梢院雎浴?duì)于這類組件進(jìn)行配相所采用的方法主要就是直接通過保證機(jī)械長(zhǎng)度來保證其電氣長(zhǎng)度。這就要求所選用的落料設(shè)備達(dá)到精度要求，并且切口質(zhì)量佳，各電纜間機(jī)械長(zhǎng)度一致性高，從而為各電纜組件之間電長(zhǎng)度的一致打好基礎(chǔ)，其具體要求達(dá)到何種程度還要根據(jù)使用的頻率和要求的相位寬度進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。

(2) 對(duì)于較長(zhǎng)的電纜組件(長(zhǎng)度>1 m)，由于介質(zhì)的不均勻性對(duì)其影響較大，如果僅僅保證了一致的機(jī)械長(zhǎng)度，在裝配后會(huì)發(fā)現(xiàn)其相位的離散性會(huì)非常嚴(yán)重，同時(shí)返修工作量和報(bào)廢量也會(huì)很大。在裝配過程中應(yīng)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量其電長(zhǎng)度作為輔助手段，通過裁剪后保證電長(zhǎng)度的一致，再進(jìn)行裝配。

3.2.2 電纜組件的剝線

射頻電纜組件的剝線環(huán)節(jié)在完成同軸連接器和電纜型號(hào)確認(rèn)后進(jìn)行，采用自動(dòng)剝線機(jī)進(jìn)行電纜外導(dǎo)體和內(nèi)部絕緣層的去除，除了按照規(guī)定尺寸精度要求之外，必須保證切割端面的平整度以及內(nèi)外導(dǎo)體和絕緣層之間的同軸度。在此環(huán)節(jié)，務(wù)必不能損傷電纜屏蔽層和芯線，以免影響電纜組件組裝完成后的電氣性能。

3.2.3 電纜組件的倒角

電纜完成切線和剝線步驟后，將芯線進(jìn)行自動(dòng)倒角，可保證芯線與探針之間的緊密配合，使其能全部進(jìn)入探針內(nèi)腔體，保證裝聯(lián)的同心度和可靠性。

3.2.4 電纜組件的焊接

在電纜組件的焊接過程中采用錫鉛釬料S-Sn63PbA釬焊技術(shù)，具有焊接處平整光滑，對(duì)焊件組織性能影響較小和焊接效果較好的特點(diǎn)。普通的電烙鐵無法在短時(shí)間內(nèi)給焊接處提高足夠的熱量，過長(zhǎng)的加熱會(huì)給絕緣介質(zhì)帶來損傷和變形，影響組件裝配精度和性能參數(shù)，必須使用專業(yè)的電纜組件焊接機(jī)。在焊接時(shí)，除了保證焊接本身的質(zhì)量外，連接器的高抗補(bǔ)償間隙是內(nèi)導(dǎo)體焊接中重點(diǎn)考慮的問題。如果此間隙尺寸不能有效地控制將會(huì)導(dǎo)致電纜組件駐波增大的問題，在焊接中必須采用專用的隔片來保證此補(bǔ)償間隙的尺寸。焊接時(shí)間一般控制在2～3 s，完成后可以通過探針觀察孔判斷焊接質(zhì)量，以及決定是否需要再次焊接。焊接完成后根據(jù)需要必須將殘留在探針表面多余錫料去除干凈，以免影響后續(xù)裝配。

4 雷達(dá)射頻同軸電纜組件制作過程性能參數(shù)檢測(cè)與制作工藝檢驗(yàn)方法

4.1 制作過程性能參數(shù)檢測(cè)

雷達(dá)射頻同軸電纜組件以其低損耗、低駐波和相位穩(wěn)定性滿足使用要求。檢測(cè)中將損耗、駐波和相位參數(shù)作為重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目。裝配過程中的電性能檢測(cè)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 內(nèi)導(dǎo)體焊接完成后，全批次進(jìn)行絕緣性能檢測(cè)；

(2) 外導(dǎo)體一端焊接好后，進(jìn)行相位調(diào)整，檢測(cè)相位；

(3) 外導(dǎo)體完全焊接裝配完成后，再次檢測(cè)絕緣電阻以及駐波、插損、相位和介質(zhì)耐壓。

在必要情況下可在絕緣耐壓測(cè)試前進(jìn)行電阻測(cè)量，如果電阻值差異較大，在排除其他原因的前提下就可認(rèn)定為焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題，就要針對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行返修。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行電纜組件測(cè)試時(shí)，為了最大程度地消除儀器和校準(zhǔn)對(duì)組件參數(shù)的影響，要求必須在同一臺(tái)儀器上一次性校準(zhǔn)的前提下進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)選用與之對(duì)應(yīng)的接插件型號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，使測(cè)量值最大限度地接近真實(shí)值。

4.2 工藝檢驗(yàn)方法

4.2.1 母件的選取

為保證雷達(dá)射頻同軸電纜組件批次間的一致性，必須進(jìn)行電纜組件母件的制作和選取。確定電纜組件母件的方法是在首批次生產(chǎn)出的同型號(hào)電纜組件中選取長(zhǎng)度在公差范圍內(nèi)中位數(shù)附近的電纜組件，駐波和插損指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，并且相位一致性指標(biāo)應(yīng)小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1/3。經(jīng)技術(shù)性能確認(rèn)后，電纜組件母件應(yīng)在具備恒溫恒濕條件的干燥柜中存儲(chǔ)和保管，以備后續(xù)生產(chǎn)同型號(hào)電纜組件時(shí)使用。

4.2.2 批次參數(shù)控制

射頻電纜組件的批次檢驗(yàn)測(cè)試參數(shù)主要包括電壓駐波比(VSWR)、插入損耗 、相位差、耐壓和絕緣電阻。裝配加工生產(chǎn)完成后的雷達(dá)射頻同軸電纜組件都必須分別對(duì)以上反映電纜組件整體性能的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)其能否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和要求，特別是與射頻電纜組件母件之間相位差的測(cè)試尤其重要。這對(duì)于電纜組件的后續(xù)使用能否精確地傳輸電氣信號(hào)，以及對(duì)于整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)能否提供可靠的技術(shù)性保障尤為關(guān)鍵。

4.2.3 電壓駐波比(VSWR)

電纜組件都有駐波要求，該項(xiàng)指標(biāo)在相關(guān)文件規(guī)定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)如果符合設(shè)計(jì)要求，說明電纜與連接器阻抗匹配較好，同時(shí)也確認(rèn)了連接器的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2.4 插入損耗

在一個(gè)傳輸線系統(tǒng)中，通常都會(huì)提出整個(gè)系統(tǒng)的插入損耗的要求，若系統(tǒng)不止一個(gè)器件，則每一個(gè)器件也都有各自的插入損耗指標(biāo)，因此測(cè)量射頻電纜的插入損耗是必須的。將其他電纜組件與選取的基準(zhǔn)母件作比較，相互之間的插入損耗之差不超過設(shè)計(jì)要求的規(guī)定值，以保證批次間的一致性。

4.2.5 相位差

射頻電纜組件的相位與基準(zhǔn)母件的相位之差不應(yīng)超過設(shè)計(jì)要求的規(guī)定值。在電纜組件自身發(fā)生變化(如彎曲等機(jī)械形變、材料受熱膨脹和溫度變化引起參數(shù)漂移等情況)或所處環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，組件之間相位變化不可避免。為了防止這種情況的發(fā)生，只能通過技術(shù)或工藝方法來減少這些影響，特別要重視對(duì)較長(zhǎng)電纜組件的相位差測(cè)量并按質(zhì)量規(guī)程處理。

4.2.6 耐壓和絕緣電阻

在射頻同軸連接器的中心接觸件和殼體之間根據(jù)設(shè)計(jì)文件施加相應(yīng)的直流電壓(外導(dǎo)體為負(fù)電位)1 min以上，絕緣電阻測(cè)量值穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范即可。耐壓和絕緣電阻一般分別要求為>500 V和>1 000 MΩ，個(gè)別特殊要求需要分別達(dá)到>1 500 V和>5 000 MΩ。

5 結(jié)束語

眾所周知，高品質(zhì)、高可靠性的產(chǎn)品不僅是設(shè)計(jì)出來的，而且是嚴(yán)格按照保證質(zhì)量一致性、優(yōu)良的工藝方法制造出來的。雷達(dá)射頻同軸電纜組件的生產(chǎn)和加工必須嚴(yán)格按工藝流程操作，同時(shí)針對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)必須要進(jìn)行有效監(jiān)督，特別是要有詳細(xì)的工藝要求及相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，才能保證組件產(chǎn)品的低駐波比、低損耗、相位穩(wěn)定等方面的高質(zhì)量性能要求。這樣才能有效地提高生產(chǎn)效率和確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，也為后續(xù)更為廣泛的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

[1] 胡樹豪. 實(shí)用射頻技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[2] 王春江. 電線電纜手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 高建平. 電磁波工程基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

Discussion of technology of radar RF coaxial-cable assemblies

XIE Gang, SHEN Neng-jiao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN957.8

A

1009-0401(2017)03-0060-05

2017-06-15;

2017-07-07

謝剛(1973-)，男，工程師，研究方向：射頻同軸電纜工藝及檢驗(yàn)；沈能蛟(1988-)，研究方向：射頻同軸電纜裝聯(lián)技術(shù)。