宇航用射頻連接器及電纜組件的可靠性研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

射頻連接器及電纜組件產(chǎn)品作為宇航工程中音頻、視頻和微波系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹匾骷粡V泛的應(yīng)用于各個(gè)航天器中，由于航天器的復(fù)雜性、高造價(jià)和不可維修等特點(diǎn)，致使航天器對(duì)質(zhì)量和可靠性有著非常高的要求，而各個(gè)元器件作為組成航天器的基本單元，如何保證其在空間環(huán)境中長(zhǎng)期可靠有效的工作，對(duì)維持航天器的正常運(yùn)行至關(guān)重要，而射頻連接器及電纜組件作為這些元器件中的一員，同樣需要對(duì)其可靠性進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 宇航用射頻連接器及電纜組件的 用材選擇

目前宇航用射頻連接器主流系列為SMP,SMA,TNC,2.92系列，其所選用的材料在滿足零件功能要求的條件下。應(yīng)盡量選用質(zhì)量輕、耐環(huán)境、高壽命的材料，同時(shí)還必須考慮材料的工藝性能，選用生產(chǎn)工藝成熟、效率高及相對(duì)成本低的材料。對(duì)使用過程中存在相互接觸配置的金屬零件，不能選用可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的不相容金屬。由于受真空、耐輻照、原子氧和溫度沖擊的影響，宇航用射頻連接器禁止使用鎘、鋅、錫(純度≥97%)等材料及有放射性的材料。由于宇航環(huán)境條件的特殊性，用于航天器的非金屬材料應(yīng)滿足熱真空釋氣(非金屬材料總質(zhì)量損失(TML)應(yīng)不大于初始樣品質(zhì)量的1.0%，且收集的揮發(fā)冷凝物量(CVCM)應(yīng)不大于初始樣品質(zhì)量的0.1%)、可燃性(非金屬材料應(yīng)是不可燃的或能自熄的)、氣味(非金屬材料排出刺激性和特殊氣味氣體的氣味等級(jí)不大于1.5級(jí))、毒氣(廢氣)(非金屬材料脫出一氧化碳不大于25μg/g,總有機(jī)物不大于100μg/g)和霉菌(非金屬材料生霉等級(jí)應(yīng)不超過1級(jí))等要求。

表1中列出了ESA(歐洲宇航局)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)宇航用射頻連接器原材料選用的基本要求。

表1 宇航用射頻產(chǎn)品主要零件的材料選用

宇航用射頻電纜組件主要組成包含端接連接器、射頻電纜及標(biāo)示管，宇航用連接器的各項(xiàng)技術(shù)目前國內(nèi)各個(gè)專業(yè)廠家都比較成熟，標(biāo)示管也具備一定的技術(shù)條件，而作為組件產(chǎn)品的關(guān)鍵器件宇航用射頻電纜，國內(nèi)尚沒有可以滿足空間環(huán)境中使用的射頻電纜，裝備發(fā)展部于2016年也為此進(jìn)行了宇航用射頻電纜的型譜招標(biāo)。但目前均使用國外廠家的電纜，國外廠家主要以Micro-Coax公司、RADIALL公司、GORE和TIMES公司為主，其中Micro-Coax公司的UFB 系列、MCJ系列電纜，RADIALL公司的SHF系列電纜應(yīng)用最為廣泛。

表2 宇航用射頻電纜主要系列及規(guī)格

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在空間特殊的環(huán)境條件下，射頻連接器及電纜組件往往會(huì)存在低氣壓放電效應(yīng)和真空微放電效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品輸出功率下降，表面受損，壽命縮短，射頻性能下降或器件永久性失效。在200 Pa～58 kPa 范圍的環(huán)境中，氣體中的自由電子因射頻功率激發(fā)而獲得了能量激發(fā)等離子體， 繼而產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象，為了保證產(chǎn)品的可靠，需合理地設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)，如射頻連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)盡量采用全介質(zhì)填充，確保無空氣間隙的存在；對(duì)存在空氣隙的結(jié)構(gòu)，為了保證射頻元器件在入軌后保持產(chǎn)品內(nèi)部和外部的壓力平衡，避免發(fā)生低氣壓放電現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在含有空氣腔體的產(chǎn)品殼體上設(shè)置0.3mm～0.5mm的放氣孔。

(a)Radiall公司排氣孔結(jié)構(gòu) (b)Micro-Coax公司排氣孔結(jié)構(gòu)圖1 排氣孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

真空微放電效應(yīng)(亦被稱為電子二次倍增效應(yīng)) 是在較高的真空度(≤6.65 Pa)、射頻電場(chǎng)超過其微放電閾值的情況下， 發(fā)生的一種射頻擊穿放電現(xiàn)象， 發(fā)生在兩個(gè)金屬電極之間或單個(gè)介質(zhì)的表面上。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到實(shí)際應(yīng)用中的這些具體情況， 預(yù)留相應(yīng)的真空微放電的冗余量，根據(jù)歐空局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于無源器件，微放電的設(shè)計(jì)余量為6dB，以保證產(chǎn)品在軌長(zhǎng)期工作的抗微放電性能，余量越大，產(chǎn)品抗微放電性能越強(qiáng)，出現(xiàn)微放電的概率就越低。 在滿足EMC(電磁兼容性) 要求的情況下選擇適宜透氣孔的直徑并預(yù)留相應(yīng)數(shù)量的透氣孔， 控制產(chǎn)品的間隙尺寸，選擇具有良好的溫度特性的材料。間隔距離是發(fā)生真空微放電的關(guān)鍵性因素，因此，盡量地?cái)U(kuò)大內(nèi)外導(dǎo)體的間隔尺寸， 使自由電子在內(nèi)外導(dǎo)體間的渡越時(shí)間大于射頻電壓的半個(gè)周期。這既能提高真空微放電閾值，也降低了插損。

4 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

宇航用射頻連接器在完成設(shè)計(jì)定型進(jìn)行航天器應(yīng)用前，需要通過一系列的功能性能分析、極限能力評(píng)估、壽命考核強(qiáng)化等試驗(yàn)，以確定元器件的基本能力和固有特性，再結(jié)合航天器的實(shí)際應(yīng)用的高頻性能、力學(xué)性能和空間環(huán)境等條件，進(jìn)行系統(tǒng)匹配性和適應(yīng)性驗(yàn)證，評(píng)估元器件的應(yīng)用可靠性。

產(chǎn)品的功能性能分析主要是從航天實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)元器件在不同條件下的功能性能與實(shí)際應(yīng)用的符合性進(jìn)行評(píng)估、分析，得出不同溫度應(yīng)力、電應(yīng)力條件下的元器件性能變化趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)分析的目的是通過一系列破壞性和非破壞性檢驗(yàn)、分析和試驗(yàn)，對(duì)元器件的設(shè)計(jì)、工藝和材料等滿足評(píng)價(jià)要求和相關(guān)航天應(yīng)用要求的能力進(jìn)行確認(rèn)。極限評(píng)估是元器件評(píng)估試驗(yàn)的關(guān)鍵和重點(diǎn)，其目的是探測(cè)和獲得元器件在熱、力、電等應(yīng)力作用下可承受的應(yīng)力極限值。應(yīng)用驗(yàn)證是指在宇航工程應(yīng)用前對(duì)新型元器件開展的一些列測(cè)試、試驗(yàn)、評(píng)估和綜合評(píng)價(jià)的工作，以確定原器件研制的成熟度和在宇航工程中應(yīng)用的可靠性，經(jīng)綜合分析評(píng)價(jià)得出宇航型號(hào)可用性結(jié)論。

針對(duì)宇航用射頻連接器產(chǎn)品，表2列出了各個(gè)試驗(yàn)階段應(yīng)該重點(diǎn)考核的試驗(yàn)項(xiàng)目。

表3 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

3極限評(píng)估機(jī)械應(yīng)力連接器耐久性隨機(jī)振動(dòng)沖擊壽命考核強(qiáng)化試驗(yàn)電壓駐波比(VSWR)插入損耗絕緣電阻介質(zhì)耐電壓4應(yīng)用驗(yàn)證環(huán)境試驗(yàn)機(jī)械性能試驗(yàn)熱循環(huán)溫度沖擊正弦振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)電壓駐波比(VSWR)插入損耗絕緣電阻介質(zhì)耐電壓

5 結(jié)論

本文從材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證等多個(gè)方面對(duì)宇航用射頻連接器及電纜組件的可靠性進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，提出了其可靠性設(shè)計(jì)過程中需要注意的事項(xiàng)，明確了各個(gè)事項(xiàng)的用途及目的。

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