飛機射頻同軸電纜組件的外場維護與修理

■ 趙漢武 李斌 王赟/空軍工程大學航空機務士官學校 中國人民解放軍95389部隊

0 引言

射頻同軸電纜組件大量應用于飛機通信、導航、雷達、電抗等設備中。在役使用過程中，因為飛機振動、潮濕環(huán)境、防護及維護不當?shù)仍?，電纜組件中的接頭、線芯、屏蔽層等易出現(xiàn)損壞導致性能下降或失效等問題[1，2]；戰(zhàn)時，戰(zhàn)斗部破片等易造成同軸電纜的斷線[3]，在不具備更換條件時，會因為斷線無法修理影響戰(zhàn)機的再次出動。當前，有關(guān)射頻同軸電纜組件的研究多集中在其設計制造環(huán)節(jié)，針對基層使用單位一線的修理與測試的研究與總結(jié)較少。因此，總結(jié)部隊射頻同軸電纜組件維護、修理與測試相關(guān)的方法，對于針對性地提高其保障能力具有重要指導意義。為此，本文從介紹射頻同軸電纜組件與一般電纜的本質(zhì)區(qū)別出發(fā)，總結(jié)其維護與修理中的常用方法，重點針對戰(zhàn)傷搶修以及日常性能檢測的方法做出了分析與總結(jié)，以期對提高部隊該項維護能力有所幫助。

1 射頻傳輸與阻抗匹配

從本質(zhì)上講，射頻同軸電纜是一種專門用于高頻/射頻信號的傳輸線。射頻同軸電纜組件是包括射頻連接器與同軸電纜在內(nèi)的一套成品組件。為了高效高質(zhì)量地傳輸信號，需要射頻饋送的同軸電纜組件與包括收發(fā)機、天線在內(nèi)的所有射頻設備之間滿足一個基本條件——阻抗均勻/匹配。

所謂阻抗，簡單而言就是指該器件上的電壓與流經(jīng)電流的比值。根據(jù)理論研究和工程實踐需要，飛機上的射頻前后端設備（收發(fā)機、天線等）的特性阻抗通常為50Ω，因此，要求射頻同軸電纜組件的阻抗也最好保持在50Ω，以實現(xiàn)最佳的信號和功率傳輸。

那么，射頻同軸電纜組件的阻抗大小能否在實際使用期間一直保持在50Ω？為此，通過經(jīng)典的RLCG模型先對同軸電纜本身的阻抗進行分析[4]。圖1為射頻同軸電纜的模型示例，傳輸線中的無限小段可以模擬為由四種理想元件（理想電阻R、理想電感L、理想電容C、理想電導G）串并聯(lián)而成的電路組合，整個傳輸線則是由無限多個這樣的電路串聯(lián)組合而成，且其特性阻抗Z0由式（1）決定。實踐表明，使用該模型基本能夠逼真地模擬實際傳輸線對于各類輸入信號的響應情況。

圖1 射頻同軸電纜的RLCG模型示例

在RLCG模型中，起決定因素的通常是單位長度電容C和單位長度電感L，因此式（1）往往簡化為：

對同軸電纜而言，其單位長度的電容和電感主要由以下參數(shù)決定：導體間距（外內(nèi)導體直徑比D/d）、內(nèi)外導體間的絕緣介質(zhì)材料介電常數(shù)（ ）。一般地，有以下近似公式[4]：

例如，同軸電纜受擠壓后外導體直徑D變小，其電容參數(shù)C會變大，阻抗隨之變??；當幾何尺寸或材料屬性沿傳輸線路有所變化時，傳輸線的阻抗就會發(fā)生變化。這種變化進而會造成阻抗的不均勻/不連續(xù)，最終造成線路上出現(xiàn)各種被反射回輸入端的信號，稱為反射信號。信號反射量增大，也就意味著傳輸?shù)乃p量變大。

阻抗失配的情況還會出現(xiàn)在射頻電纜與射頻連接器的接頭處。當裝配工藝不合格、器件老化、維護不當時，接頭處的阻抗失配同樣會造成較大的信號反射和衰減，嚴重時甚至會造成打火、射頻系統(tǒng)功能失常等。

2 日常維護

一般來說，飛機上的射頻同軸電纜組件在裝配出廠交付使用前已經(jīng)通過專門的手段保證了其阻抗的準確性和穩(wěn)定性，部隊級日常維護的目的是保證其在整個服役期間滿足阻抗的質(zhì)量要求，為達到此目的，可從兩方面入手。

一是對射頻接頭部位的維護與檢查。通常射頻接頭安裝完成后，不宜反復拆裝（通常N型接頭的拆裝壽命約500次）。維護時，應檢查接頭有無松動、變形、氧化、受潮等。有排故需要時，可分解射頻同軸接頭，查看屏蔽網(wǎng)的斷絲、覆蓋情況，查看插針/插孔的焊接、銹蝕氧化情況等。對于日常維護中會產(chǎn)生移動的射頻接頭（如維修口蓋上的接頭），更需要認真檢查，必要時可結(jié)合儀器測試的方法。

二是對射頻電纜本身的檢查。飛機上使用的大多是柔性和半剛性的射頻同軸電纜。這類電纜雖然與普通屏蔽電纜外形相似，但在維護時需要注意其對最小彎曲半徑的特殊要求。按照標準GJB 1014.3《飛機布線通用要求：安裝與防護》，同軸電纜的最小彎曲半徑不得影響其電性能，在沒有特別說明時，易彎曲同軸電纜的最小彎曲半徑為其外徑的6倍，半剛性的同軸電纜的最小彎曲半徑為其外徑的10倍。對于同軸電纜的支撐與保護，必須使用專用的可防止松脫的經(jīng)浸漬處理過的綁帶，不可使用塑料系帶；支撐件施加到同軸電纜上的壓力不應大于防止同軸電纜滑動所需要的最小力（以防止支撐件勒緊力過大，導致同軸電纜變形）。日常維護中應注意查看同軸電纜的外觀有無壓痕、磨損等。

3 平時修理與戰(zhàn)傷搶修

3.1 平時修理

在平時，排除外力因素，同軸電纜線材本身不太容易出現(xiàn)損傷或者故障。通常容易出現(xiàn)的損傷主要集中在電纜組件的接頭部位。由于維護或者設備拆換需要插拔射頻接頭，根部容易出現(xiàn)屏蔽斷絲、線芯脫焊等情況，一般來說，此種情況更換射頻接頭就可以實現(xiàn)修理。

對基層單位而言，需要建立的能力包括對各種同軸接頭的認知，如常見的N型接頭、SMA接頭等；掌握各種接頭的加工工藝，如裝接、壓接、焊接等。文獻[5]提供了多種加工制配射頻接頭的方法。

如果因維護不當、外力因素導致同軸電纜的線材損傷，一般情況下則需要更換新的同軸電纜組件。對于具備更換條件的，可實施更換；對于電纜較長、敷設較長距離的電纜，如果在現(xiàn)場不具備更換條件，通常需要在大修廠實施更換。

3.2 戰(zhàn)傷搶修

在戰(zhàn)時，機上同軸電纜的損傷模式較為多樣。由于射頻同軸電纜通常連接至機身邊緣、垂尾、機腹等位置的不同天線，分布較廣，因此戰(zhàn)時很可能遭遇桿條或破片切割、沖擊彎折、高溫燒傷等情況[3]。為面向?qū)崙?zhàn)，必須做好相關(guān)電纜戰(zhàn)傷搶修的準備。

射頻同軸電纜的搶修可分為以下幾種情況：一是具備更換條件的，以更換為主，通過備用電纜更換，或者現(xiàn)場加工制備新的同軸電纜；二是對于分布廣泛的、不具備更換條件的射頻同軸電纜，中間段出現(xiàn)的單點損傷或者大面積損傷，可實施快速搶修。這方面美軍走在了前列，MIL-PRF-32517規(guī)定了匹配阻抗接頭的相關(guān)標準要求，相應的針對美軍標射頻電纜的修理器材（匹配阻抗型拼接頭，見圖2）[6]可在市場上采購，而國內(nèi)相關(guān)研究和產(chǎn)品則較為少見。

圖2 射頻同軸電纜匹配阻抗接頭及修理步驟說明

在沒有匹配阻抗型拼接頭時，可采用替代方案進行應急修理。例如，針對單點損傷，可直接在損傷處增加一對射頻對接接頭；對于較長的損傷段，可采用兩對對接接頭加同類射頻補充線材實現(xiàn)修理（見圖3）。

圖3 射頻接頭對接修理法圖示

針對上述應急修理方法，使用矢量網(wǎng)絡分析儀對增加對接接頭后的同軸電纜組件在0～3GHz范圍內(nèi)的插入損耗增加情況進行了測量。圖4是8根經(jīng)過對接接頭修理的射頻同軸電纜組件在修理后的插入損耗變化波形圖（這8根電纜組件分別由8名來自維修一線的特設或航電專業(yè)修理員裝配完成）。由圖可見，增加對接接頭后，同軸電纜組件的整體損耗是增大的，且插入損耗增加量在0～3GHz范圍內(nèi)隨頻率升高而逐漸增加，但最大插損一般不超過0.3dB，這對于射頻功能系統(tǒng)（如電臺通信、電子對抗系統(tǒng)等）而言，能夠恢復系統(tǒng)的一定功能，增加對接接頭帶來的損耗基本是可以接受的。

圖4 對接接頭修理射頻斷線后的插入損耗實測數(shù)據(jù)

4 在役檢測與測量

4.1 檢測內(nèi)容

針對射頻同軸電纜組件的檢測與測量，部隊基層單位容易走入兩個誤區(qū)：一種是將射頻檢測復雜化，認為射頻檢測儀器昂貴、操作要求高，部隊無法滿足這些條件，因此一概交由工廠負責；另一種是投入了大量資金購買儀器設備，但苦于沒有受過相關(guān)培訓的合適人員，導致儀器設備閑置，修理檢測能力同樣無從談起。

以上誤區(qū)，根本原因在于技術(shù)管理者對于部隊檢測能力的需求針對性了解不夠。盡管根據(jù)國軍標要求，射頻同軸電纜涉及到的檢測指標達二十余項[7]，但實際裝機在役使用中需要關(guān)注的指標往往只有幾項，也就是說，需要區(qū)分基層級在役檢測與出廠質(zhì)量檢測的區(qū)別。一般來說，對于射頻同軸電纜組件的基層級在役檢測只需要關(guān)注其駐波比或特性阻抗變化指標。

從電磁場理論來看，射頻信號在傳輸線上的傳輸，實際上是電磁場在同軸電纜內(nèi)外導體之間的空間上建立和變化的過程，傳輸線特性阻抗變化，最終影響的是電磁場正向傳輸和反向傳輸（即反射）的效果。被反射的信號與正向傳輸?shù)男盘柉B加，在傳輸線上形成駐波，觀察傳輸線上的駐波情況，即可判斷出傳輸線路上的阻抗變化情況。電壓駐波比（VSWR）與傳輸線阻抗（Z）、特性阻抗（Z0）之間的關(guān)系可通過反射系數(shù)ρ來表示：

從上述兩式可以看出，測量傳輸線路上的阻抗與測量電壓駐波比具有一定的等價性。

4.2 檢測方法

下面以電壓駐波比測試為例，介紹射頻同軸電纜組件性能測試的方法。

與出廠檢測不同，在役檢測通常采用時域而非頻域測量的方法，可采用的儀器如矢量網(wǎng)絡分析儀、時域反射分析儀等，或采用近年來市場上推出的用于外場的天線饋線測試儀，如羅德施瓦茨公司的ZPH測試儀（見圖5）以及國內(nèi)電科思儀公司的3680A/B天饋線測試儀等。

所謂時域測量，是指沿傳輸線逐點分析線路上的駐波情況。時域測量與常見的頻域測量的對比效果如圖6所示。

圖6a）為頻域分析圖，其中橫坐標表示頻率，縱坐標表示電壓駐波比的大小，波形反映的是整個傳輸線組件（也可擴展到前后端設備、天線等）在不同頻率點上的駐波情況，如圖中M1標記點表示的是在2.01066MHz時，整根線的駐波比為3.13。這種頻域分析方法較為常用，但多用于設計制造領(lǐng)域的質(zhì)量控制檢測，對于在役檢測的針對性不強。

圖6b）為時域測量圖，其中橫坐標表示的是傳輸線從起點到終點的各個不同位置，波形反映的是不同位置的駐波比。如其中的M2標記點對應的是圖5中的A處射頻轉(zhuǎn)接頭（距離測試點1.245m處）駐波明顯變大（1.31），其他兩處駐波峰值（M1和M3標記點）分別對應測試起點和測試終點的射頻連接器。從波形峰值對比上可以明顯判斷出，A處的射頻轉(zhuǎn)接頭存在問題。因此，對于基層使用維護單位來說，進行時域測量對于查找射頻線路上的損傷點更具有意義。

5 總結(jié)

射頻同軸電纜組件在飛機上應用廣泛，功能重要。當前部隊缺少針對高頻同軸電纜組件的修理與檢測規(guī)范。針對此問題，本文從理論分析和實踐指導兩個角度，分析了射頻電纜組件出現(xiàn)損傷的原因，介紹了平時維護和修理的一般方法；針對戰(zhàn)時搶修，提出了對接接頭修理的方法，并給出了實證數(shù)據(jù)；最后針對射頻電纜組件的在役檢測給出了時域測量駐波比查找損傷點的方法，以期對提高航空兵部隊基層級的維護與修理能力有所幫助。