航天用射頻同軸連接器質(zhì)量保證及總規(guī)范研究

易曉東 李勝超 李建強(qiáng) 朱寶英

（1 中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院， 北京， 100071；2 鄭州航天電子技術(shù)有限公司， 鄭州， 450066）

引言

射頻同軸連接器作為微波系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹匾骷?被廣泛應(yīng)用于航天型號(hào)。 隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展， 航天用射頻同軸連接器也逐步向高性能、 集成化、 微型化的趨勢(shì)發(fā)展， 其產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)、 工藝和生產(chǎn)過(guò)程控制等各個(gè)環(huán)節(jié)都直接關(guān)系到航天型號(hào)的質(zhì)量和可靠性。 目前航天用射頻同軸連接器總規(guī)范以參考現(xiàn)有的國(guó)軍標(biāo)為主， 缺乏對(duì)宇航特殊環(huán)境適應(yīng)性要求的考核， 以及根據(jù)宇航級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量保證等級(jí)設(shè)置相應(yīng)質(zhì)量保證規(guī)定的考慮。

本文從國(guó)內(nèi)外航天用射頻同軸連接器質(zhì)量保證現(xiàn)狀、 產(chǎn)品特點(diǎn)、 主要失效模式及失效機(jī)理、質(zhì)量保證及總規(guī)范設(shè)計(jì)等4 個(gè)方面進(jìn)行研究， 提出科學(xué)適用的產(chǎn)品總規(guī)范及質(zhì)量保證要求。

1 國(guó)內(nèi)外射頻同軸連接器質(zhì)量保證規(guī)范

射頻同軸連接器是航天器中重要電子元器件之一， 對(duì)可靠性要求極高， 國(guó)外一直非常重視航天用射頻同軸連接器的研究。 如美國(guó)MCC、 法國(guó)RADIALL 等公司都已相繼推出了具有良好空間適應(yīng)性的高可靠射頻同軸連接器及電纜組件。其質(zhì)量可靠性高， 特別是抗輻照、 微放電及熱真空釋氣等空間適應(yīng)性均符合要求， 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、 質(zhì)量保證、 應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)都較為成熟。1964 年， 美軍標(biāo)發(fā)布了MIL-C-39012 《射頻同軸連接器總規(guī)范》， 1982 年修訂為MIL-C-39012C。 歐空局同樣發(fā)布了航天用射頻同軸連接器及電纜組件的通用規(guī)范ESCC 3402。 其他如民用標(biāo)準(zhǔn)IEC 169 系列射頻連接器標(biāo)準(zhǔn)則為指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)， 屬于非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)， 很少被直接引用。

經(jīng)過(guò)多年努力， 國(guó)內(nèi)研制射頻同軸連接器的整體水平與國(guó)外差距逐漸縮小， 但高精密產(chǎn)品與國(guó)外仍有一定差距。 目前國(guó)內(nèi)具備航天型號(hào)用射頻同軸連接器及電纜組件研制能力的生產(chǎn)廠， 研制以N、 BNC、 TNC、 SMA、 SMP、 SSMA 等系列為主的射頻同軸連接器。 1989 年， 國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn) 《射頻同軸連接器總規(guī)范》 發(fā)布， 2002 年，《射頻同軸連接器通用規(guī)范》 經(jīng)修訂發(fā)布， 但該規(guī)范基本上參考美軍標(biāo)MIL-C-39012C， 且適用范圍主要是針對(duì)可靠性相對(duì)較低的普通軍用射頻同軸連接器。 2003 年， 國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn) 《柔軟和半硬電纜用高可靠射頻同軸連接器通用規(guī)范》 發(fā)布， 在規(guī)范中增加了熱真空釋氣、 可燃性等部分宇航元器件的考核要求， 但仍然缺乏系統(tǒng)性和全面性， 2011 年該規(guī)范修訂后發(fā)布為 《高可靠射頻同軸連接器通用規(guī)范》。 目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有制定專門的宇航級(jí)射頻同軸連接器總規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 雖根據(jù)用戶需求制定了部分航天用產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范， 但仍然以參照 《射頻同軸連接器通用規(guī)范》 或 《高可靠射頻同軸連接器通用規(guī)范》 為主， 在宇航特殊環(huán)境適應(yīng)性考核及宇航級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量保證等方面存在不足， 從而影響宇航系統(tǒng)的整體可靠性和安全性。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)分析

射頻同軸連接器按連接方式可分為卡口式（內(nèi)卡口、 外卡口）、 螺紋式 （右旋螺紋、 左旋螺紋）、 推入式 （直插式、 帶止動(dòng)式、 自鎖式） 和法蘭連接式； 按尺寸大小可分為標(biāo)準(zhǔn)型 （N、 QN等）、 小型 （BNC、 TNC 等）、 超小型 （SMA、SMB、 SMC、 MCX、 BMA、 SAA 等） 和微型（SSMA、 SSMB、 MMCX 等）。 射頻同軸連接器主要用于微波系統(tǒng)信號(hào)傳輸， 其產(chǎn)品最高工作頻率及主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 射頻同軸連接器最高工作頻率及主要特點(diǎn)

射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)主要分為界面、 主體和后端口， 如圖1 所示。 界面是指連接器之間連接互換的部分， 由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 關(guān)系到連接的通用性、 可靠性和機(jī)械、 電氣指標(biāo)； 主體是指連接器結(jié)構(gòu)與安裝等用戶輔助功能部分， 關(guān)系到連接的實(shí)用性、 可靠性和電氣指標(biāo)； 后端口是指連接器與被傳輸線的匹配部分，關(guān)系到連接的實(shí)用性、 可靠性和電氣指標(biāo)。

圖1 射頻同軸連接器結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要失效模式及失效機(jī)理分析

結(jié)合航天用射頻同軸連接器在航天型號(hào)的使用履歷， 其主要失效模式表現(xiàn)為連接失效、 反射失效、 電接觸失效、 污染失效等。 連接失效的原因可能包括插頭插座配對(duì)失誤、 連接螺母脫落、內(nèi)導(dǎo)體松動(dòng)或脫落及鎖緊機(jī)構(gòu)脫落等； 反射失效的原因可能包括反射增大， 如外界環(huán)境溫度劇烈變化， 介質(zhì)伸出或縮進(jìn)量超出規(guī)定值導(dǎo)致反射增大， 以及開(kāi)路、 短路等； 電接觸失效的原因可能包括插針插孔不接觸、 內(nèi)導(dǎo)體表面磨損、 鍍層起皮脫落或氧化存在多余物、 插針插孔超差接觸不良等情況； 污染失效的原因可能包括介質(zhì)老化、介質(zhì)內(nèi)含有雜質(zhì)以及裝配時(shí)零件存在多余物， 或金屬毛刺尖角嵌入絕緣體以及絕緣子開(kāi)裂等。 上述幾種常見(jiàn)的失效模式并不是孤立的， 相互間常常是有密切聯(lián)系的。 以電接觸失效為例， 若插針插孔間不接觸或接觸不良， 不僅接觸電阻激增，同時(shí)也可能導(dǎo)致反射失效。 同樣， 連接失效， 也將導(dǎo)致反射失效。 所以， 任一種失效都可能導(dǎo)致整個(gè)連接器的失效[1]。

典型失效案例分析 （某TNC 插頭連接器連接螺母脫落問(wèn)題）： 某TNC 插頭連接器在航天產(chǎn)品裝配時(shí)， 在力矩扳手?jǐn)Q緊連接螺母的過(guò)程中， 連接螺母從殼體上脫落， 導(dǎo)致連接器失效。 通過(guò)對(duì)失效的連接器進(jìn)行失效分析， 問(wèn)題定位在連接螺母卡簧槽加工時(shí)個(gè)別零件尺寸超差， 卡簧槽口部倒角過(guò)大引起， 如圖2 所示。 該卡簧槽為內(nèi)槽孔尺寸， 零件加工完成后不可直觀檢測(cè)， 屬于難檢尺寸， 且在初始編制零件加工工藝時(shí)， 未識(shí)別出該風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。 作為對(duì)比， 合格連接螺母卡簧槽剖切圖如圖3 所示。

圖2 失效連接螺母卡簧槽剖切圖

圖3 合格連接螺母卡簧槽剖切圖

4 質(zhì)量保證及總規(guī)范設(shè)計(jì)

4.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)射頻同軸連接器的主要失效模式及機(jī)理分析后可以看出， 盡管失效模式很多， 但從失效機(jī)理歸納起來(lái)不外乎設(shè)計(jì)缺陷、 制造缺陷或使用不當(dāng)所致， 所以提高連接器可靠性應(yīng)嚴(yán)格控制連接器的原材料選用、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)制造、 質(zhì)量檢驗(yàn)、 產(chǎn)品使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。

航天用射頻同軸連接器總規(guī)范主要從以上幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)， 在架構(gòu)上， 正文分為6 章， 第1章為范圍； 第2 章為引用文件； 第3 章為一般要求，包括生產(chǎn)線認(rèn)證和產(chǎn)品鑒定、 產(chǎn)品控制與要求、材料及表面處理要求、 設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求、 電性能、機(jī)械性能、 環(huán)境適應(yīng)性、 產(chǎn)品評(píng)估等； 第4 章為質(zhì)量保證規(guī)定， 包括承制方篩選、 鑒定檢驗(yàn)、 質(zhì)量一致性檢驗(yàn)、 使用方監(jiān)制驗(yàn)收和補(bǔ)充篩選等；第5 章為交貨準(zhǔn)備； 第6 章為說(shuō)明事項(xiàng)。

4.2 質(zhì)量保證設(shè)計(jì)

連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝水平直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性， 雖然質(zhì)量檢驗(yàn)是產(chǎn)品最終使用可靠性的有力攔截性保障[2]， 但是檢驗(yàn)不是目的，只是手段， 最終還是要嚴(yán)格過(guò)程控制管理， 建立過(guò)程確認(rèn)文件 （PID）， 做好射頻同軸連接器關(guān)鍵重要環(huán)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別、 確認(rèn)以及質(zhì)量管控措施。 此外， 隨著連接件從仿制向正向研制發(fā)展， 設(shè)計(jì)師十分關(guān)注國(guó)產(chǎn)連接器在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的功能性能、 環(huán)境適應(yīng)性以及型號(hào)裝機(jī)應(yīng)用， 以下主要從質(zhì)量檢驗(yàn)考核試驗(yàn)項(xiàng)目、 生產(chǎn)過(guò)程控制、 產(chǎn)品評(píng)估、 產(chǎn)品應(yīng)用等4 個(gè)方面進(jìn)行研究。

4.2.1 質(zhì)量檢驗(yàn)考核試驗(yàn)項(xiàng)目

航天用射頻同軸連接器的質(zhì)量檢驗(yàn)考核試驗(yàn)項(xiàng)目主要針對(duì)連接器功能性能、 可靠性、 環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行設(shè)計(jì)， 設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)， 確定連接器是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

功能性能測(cè)試包括連接器電性能和機(jī)械性能的全參數(shù)測(cè)試。 電性能測(cè)試項(xiàng)目一般包括介質(zhì)耐電壓、 絕緣電阻、 接觸電阻、 電壓駐波比、 射頻插入損耗、 屏蔽效果、 耐射頻高電位電壓等； 機(jī)械性能測(cè)試項(xiàng)目一般包括嚙合力和分離力、 插合特性、 中心接觸件的固定性、 連接器的耐久性、連接機(jī)構(gòu)的耐力矩、 連接機(jī)構(gòu)保持力、 安全絲孔強(qiáng)度等。

正常高水位加風(fēng)浪和地震超高計(jì)算得防浪墻頂高位539.61 m，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水時(shí)計(jì)算的防浪墻頂高程分別為539.6 m和541.14 m。結(jié)果表明，校核洪水位工況為壩頂高程的控制工況。防浪墻頂高程為541.2 m，工程防洪能力滿足規(guī)范要求。

環(huán)境適應(yīng)性考核應(yīng)包括連接器在溫度、 力學(xué)、 鹽霧、 霉菌以及真空、 輻照等空間特殊環(huán)境下的適應(yīng)性考核。 考核項(xiàng)目一般包括溫度沖擊、耐濕、 高頻振動(dòng)、 隨機(jī)振動(dòng)、 沖擊 （規(guī)定脈沖）、電暈電平、 鹽霧 （腐蝕）、 防霉、 熱真空釋氣（非金屬材料）、 可燃性 （非金屬材料）、 氣味（非金屬材料）、 毒性 （非金屬材料）、 真空放電、 微放電、 耐輻照等。

可靠性考核是在功能性能測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)性考核之外， 針對(duì)連接器的結(jié)構(gòu)／工藝／材料等進(jìn)行考核。 考核項(xiàng)目一般包括外觀及機(jī)械檢查、 氣密封 （僅對(duì)氣密封連接器）、 漏泄 （僅對(duì)充氣或耐氣候密封連接器）、 非磁性材料的導(dǎo)磁率、 鍍層質(zhì)量、 制樣鏡檢 （僅對(duì)密封／焊接型／環(huán)氧灌封產(chǎn)品）、 X 射線檢查 （僅對(duì)密封／焊接型產(chǎn)品）、 破壞性物理分析 （DPA） 等。

4.2.2 生產(chǎn)過(guò)程控制

a） 過(guò)程識(shí)別文件 （PID）

PID 是對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程控制提出具體要求的文件， 由承制方完成并征得使用方認(rèn)可。 PID 是對(duì)連接器的生產(chǎn)、 試驗(yàn)和檢驗(yàn)程序等與生產(chǎn)相關(guān)的所有細(xì)節(jié)進(jìn)行確認(rèn)。 通過(guò)建立全過(guò)程的PID 體系， 可以使得連接器生產(chǎn)具有個(gè)體一致性、 批次穩(wěn)定性和全程可追溯性， 以確定通過(guò)鑒定合格的連接器建立一個(gè)準(zhǔn)確基準(zhǔn)， 使后繼生產(chǎn)的產(chǎn)品狀態(tài)與通過(guò)鑒定批產(chǎn)品的狀態(tài)一致， 作為產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)的保證。 所有與連接器生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的步驟或過(guò)程 （應(yīng)細(xì)到不可再分） 都應(yīng)在PID 中體現(xiàn)。

PID 一般包括： 生產(chǎn)流程； 生產(chǎn)流程中各工序的依據(jù)性規(guī)范； 所有的檢驗(yàn)要求； 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說(shuō)明， 應(yīng)附圖； 試驗(yàn)程序和方法； 關(guān)鍵原材料控制方法； 承制方組織結(jié)構(gòu)。

b） 生產(chǎn)工藝控制

c） 關(guān)鍵重要環(huán)節(jié)點(diǎn)識(shí)別及控制

射頻同軸連接器研制生產(chǎn)過(guò)程中， 應(yīng)對(duì)關(guān)鍵工序及特殊工序進(jìn)行識(shí)別確認(rèn)， 在生產(chǎn)中對(duì)過(guò)程控制嚴(yán)格按照相關(guān)要求執(zhí)行。 針對(duì)射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 功能形式、 失效模式， 一般設(shè)定內(nèi)導(dǎo)體的加工為關(guān)鍵工序， 嚴(yán)格控制零件尺寸；設(shè)定表面處理、 熱處理、 塑壓、 玻璃封結(jié)、 環(huán)氧灌封等特殊工序?yàn)殛P(guān)鍵工序。 除此之外， 生產(chǎn)廠應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 并結(jié)合本單位的工藝能力保證情況， 將產(chǎn)品存在的失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、 合格率低的工序同樣設(shè)置為關(guān)鍵工序， 建立核心要素清單， 進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。

4.2.3 產(chǎn)品評(píng)估

在國(guó)產(chǎn)連接器應(yīng)用特別是替代進(jìn)口產(chǎn)品的過(guò)程中， 設(shè)計(jì)師十分關(guān)注連接器在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的功能性能和環(huán)境適應(yīng)性， 所以結(jié)合型號(hào)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件對(duì)連接器進(jìn)行評(píng)估十分重要。 目前航天用射頻同軸連接器評(píng)估主要包括連接器功能性能分析、 結(jié)構(gòu)分析和極限試驗(yàn)。

a） 功能性能分析。 針對(duì)連接器的全性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析， 分析不同條件下 （允許工作條件） 的測(cè)試及結(jié)果分析， 如全溫度條件下射頻插入損耗的測(cè)試特性曲線、 不同配合傾斜條件下射頻插入損耗的測(cè)試特性曲線等。

b） 結(jié)構(gòu)分析。 按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析， 以查明設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)工藝、 所用材料、 固有可靠性狀況、 工藝質(zhì)量和潛在危險(xiǎn)。 如存在宇航禁用的結(jié)構(gòu)、 工藝或設(shè)計(jì)， 則連接器不可用。

c） 極限試驗(yàn)。 按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定開(kāi)展極限試驗(yàn)。 一般采用高加速應(yīng)力和持續(xù)應(yīng)力的方法， 通過(guò)連接器在熱、 力、 電等應(yīng)力作用下特性的變化， 分析連接器應(yīng)用中所關(guān)注的相關(guān)功能、 性能和可靠性與規(guī)范之間要求的裕度和余量， 以及在設(shè)計(jì)、 材料或工藝方面的潛在缺陷， 綜合評(píng)價(jià)連接器極限能力。 試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)包括電應(yīng)力、 溫度應(yīng)力、 機(jī)械應(yīng)力等。 某SMP 系列射頻同軸連接器極限評(píng)估試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 某SMP 系列射頻同軸連接器極限評(píng)估試驗(yàn)項(xiàng)目

4.2.4 產(chǎn)品應(yīng)用

連接器的正確使用直接關(guān)系到產(chǎn)品的可靠性， 即使一個(gè)高可靠性的航天用射頻同軸連接器， 由于選型錯(cuò)誤、 使用不當(dāng)或超過(guò)其額定的承受能力， 同樣會(huì)變成 “不可靠”。 因此產(chǎn)品總規(guī)范還應(yīng)針對(duì)連接器選型和適配、 安裝和操作要求、 產(chǎn)品典型應(yīng)用、 使用注意事項(xiàng)等進(jìn)行說(shuō)明。

5 小結(jié)

本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外射頻同軸連接器總規(guī)范現(xiàn)狀， 分析連接器主要特點(diǎn)和主要失效模式及機(jī)理， 在此基礎(chǔ)上對(duì)航天用射頻同軸連接器總規(guī)范架構(gòu)及質(zhì)量保證進(jìn)行了研究， 并重點(diǎn)圍繞質(zhì)量檢驗(yàn)考核試驗(yàn)項(xiàng)目、 生產(chǎn)過(guò)程控制、 產(chǎn)品評(píng)估及產(chǎn)品應(yīng)用等進(jìn)行研究， 明確質(zhì)量保證要求， 為航天用射頻同軸連接器質(zhì)量保證及總規(guī)范制定提供了重要技術(shù)基礎(chǔ)。