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品作為宇航工程中音頻、視頻和微波系統信號傳輸的重要器件，被廣泛的應用于各個航天器中，由于航天器的復雜性、高造價和不可維修等特點，致使航天器對質量和可靠性有著非常高的要求，而各個元器件作為組成航天器的基本單元，如何保證其在空間環境中長期可靠有效的工作，對維持航天器的正常運行至關重要，而射頻連接器及電纜組件作為這些元器件中的一員，同樣需要對其可靠性進行嚴格控制。

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。應盡量選用質量輕、耐環境、高壽命的材料，同時還必須考慮材料的工藝性能，選用生產工藝成熟、效率高及相對成本低的材料。對使用過程中存在相互接觸配置的金屬零件，不能選用可產生電動勢的不相容金屬。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。由于宇航環境條件的特殊性，用于航天器的非金屬材料應滿足熱真空釋氣(非金屬材料總質量損失(TML)應不大于初始樣品質量的1.0%，且收集的揮發冷凝物量(CVCM)應不大于初始樣品質量的0.1%)、可燃性(非金屬材料應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不大于1.5級)、毒氣(廢氣)(非金屬材料脫出一氧化碳不大于25μg/g,總有機物不大于100μg/g)和霉菌(非金屬材料生霉等級應不超過1級)等要求。

表1中列出了ESA(歐洲宇航局)標準對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、射頻電纜及標示管，宇航用連接器的各項技術目前國內各個專業廠家都比較成熟，標示管也具備一定的技術條件，而作為組件產品的關鍵器件宇航用射頻電纜，國內尚沒有可以滿足空間環境中使用的射頻電纜，裝備發展部于2016年也為此進行了宇航用射頻電纜的型譜招標。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系列電纜應用最為廣泛。

表2 宇航用射頻電纜主要系列及規格

3 結構設計注意事項

在空間特殊的環境條件下，射頻連接器及電纜組件往往會存在低氣壓放電效應和真空微放電效應，導致產品輸出功率下降，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 范圍的環境中，氣體中的自由電子因射頻功率激發而獲得了能量激發等離子體， 繼而產生低氣壓放電現象，為了保證產品的可靠，需合理地設計器件的結構，如射頻連接器內部結構盡量采用全介質填充，確保無空氣間隙的存在；對存在空氣隙的結構，為了保證射頻元器件在入軌后保持產品內部和外部的壓力平衡，避免發生低氣壓放電現象，設計時需要考慮在含有空氣腔體的產品殼體上設置0.3mm～0.5mm的放氣孔。

(a)Radiall公司排氣孔結構 (b)Micro-Coax公司排氣孔結構圖1 排氣孔結構的設計

真空微放電效應(亦被稱為電子二次倍增效應) 是在較高的真空度(≤6.65 Pa)、射頻電場超過其微放電閾值的情況下， 發生的一種射頻擊穿放電現象， 發生在兩個金屬電極之間或單個介質的表面上。設計時要考慮到實際應用中的這些具體情況， 預留相應的真空微放電的冗余量，根據歐空局相關標準，對于無源器件，微放電的設計余量為6dB，以保證產品在軌長期工作的抗微放電性能，余量越大，產品抗微放電性能越強，出現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留相應數量的透氣孔， 控制產品的間隙尺寸，選擇具有良好的溫度特性的材料。間隔距離是發生真空微放電的關鍵性因素，因此，盡量地擴大內外導體的間隔尺寸， 使自由電子在內外導體間的渡越時間大于射頻電壓的半個周期。這既能提高真空微放電閾值，也降低了插損。

4 可靠性試驗驗證

宇航用射頻連接器在完成設計定型進行航天器應用前，需要通過一系列的功能性能分析、極限能力評估、壽命考核強化等試驗，以確定元器件的基本能力和固有特性，再結合航天器的實際應用的高頻性能、力學性能和空間環境等條件，進行系統匹配性和適應性驗證，評估元器件的應用可靠性。

產品的功能性能分析主要是從航天實際應用出發，對元器件在不同條件下的功能性能與實際應用的符合性進行評估、分析，得出不同溫度應力、電應力條件下的元器件性能變化趨勢。結構分析的目的是通過一系列破壞性和非破壞性檢驗、分析和試驗，對元器件的設計、工藝和材料等滿足評價要求和相關航天應用要求的能力進行確認。極限評估是元器件評估試驗的關鍵和重點，其目的是探測和獲得元器件在熱、力、電等應力作用下可承受的應力極限值。應用驗證是指在宇航工程應用前對新型元器件開展的一些列測試、試驗、評估和綜合評價的工作，以確定原器件研制的成熟度和在宇航工程中應用的可靠性，經綜合分析評價得出宇航型號可用性結論。

針對宇航用射頻連接器產品，表2列出了各個試驗階段應該重點考核的試驗項目。

表3 可靠性驗證試驗項目

3極限評估機械應力連接器耐久性隨機振動沖擊壽命考核強化試驗電壓駐波比(VSWR)插入損耗絕緣電阻介質耐電壓4應用驗證環境試驗機械性能試驗熱循環溫度沖擊正弦振動隨機振動沖擊試驗電壓駐波比(VSWR)插入損耗絕緣電阻介質耐電壓

5 結論

本文從材料選用、結構設計和試驗驗證等多個方面對宇航用射頻連接器及電纜組件的可靠性進行了簡單闡述，提出了其可靠性設計過程中需要注意的事項，明確了各個事項的用途及目的。

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