淺談宇航級電連接器射頻性能測試技術

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

1　引言

宇航級電連接器區別于普通電連接器，主要表現為：在不同軌道空間飛行系統中經受真空、電暈放電、射頻高電位耐壓、溫度交變、輻照等復雜苛嚴的環境條件, 對設計選材和工藝設計提出很嚴格的質量要求。分析研究為驗證宇航級電連接器材料能否滿足這些特殊的空間環境條件, 必需開展一系列的試驗如：電暈放電、射頻高電位耐壓、射頻功率、熱真空釋氣、溫度沖擊、交變濕熱、臭氧暴露、抗輻照、可燃性、氣味和毒性(廢氣) 等材料篩選試驗方法。本文對宇航級電連接器材料的選擇提出了一些建議，著重討論其射頻性能指標的測試原理及測試方法：(1)電暈電平；(2)射頻功率；(3)射頻高電位耐壓。

2　宇航級電連接器的選材

2.1　宇航級電連接器的選材質量要求

2.1.1滿足零件功能要求

接觸件選材應以性能為依據；必須保證插合后接觸可靠；殼體材料首先要保證設計強度和剛度要求,同時還應滿足成型工藝要求。絕緣體材料必須具有優良的電氣性能和作為結構件所需的機械性能。對于有定位、鎖緊和屏蔽等功能的卡爪、彈簧爪和卡環等關鍵彈性零件,則應選用具有可靠彈性性能的材料。

2.1.2質量輕

質量是宇航系統工程對電連接器各種基本要求之一，選用高比強度、高比剛度材料，可節省燃料、增加有效載荷，減少發射宇航飛行器的成本。采用復合材料金屬化殼體的電連接器比鋁合金殼體的電連接器質量可大大減輕。SAC復合材料圓形電連接器比同類鋁合金殼體電連接器質量輕45%。

2.1.3耐環境

由于受真空、輻照、原子氧和溫度沖擊的影響, 宇航用電連接器禁止使用鋰、鎂、汞、純錫等材料及有放射性的材料；金屬材料應是耐腐蝕的，或者應采用電鍍或進行耐腐蝕處理。不相容金屬在接觸中使用，特別是黃銅、銅或鋼與鋁或鋁合金接觸，往往會引起活性電化學腐蝕，故是不允許的。但允許不相容基體金屬進行涂覆以提供相容的或合適的鄰接表面。不相容金屬之間合適的絕緣材料隔開使用也是允許的。禁止使用真空下有害氣體釋放的非金屬材料，一般均不選用PVC塑料；考慮輻射對非金屬材料的損害, 連接器的各個非金屬零件應選用經試驗考核通過的輻射絕緣材料；真空環境中質量損失小，有足夠的強度，環境適應性，耐熱性、耐腐蝕性和耐 霉菌應符合要求。考慮到航天飛行器的安全, 連接器應選用無毒和阻燃的,或燃燒時能迅速自熄,且很少產生煙霧材料。

2.1.4滿足特殊要求

宇航用電連接器除要求重量輕、體積小、長壽命、高可靠外，必須保證連接器長期貯存后在 沖擊、振動、溫度交變、真空排氣、輻射、氧化、等離子氣體等復雜特殊的航天環境中仍能可靠使用。對航天器非金屬材料空間出氣污染性能判斷和相應的材料篩選。一般要求被測材料在空間真空環境下的總質量損失(TML)平均值不大于1%,收集到的可凝揮發物平均值不大于0.1%。超出上述規定的材料不得用于航天器。用于飛船生命保障系統的連接器應阻燃無毒，無異味。

2.1.5高壽命

航天電連接器的長壽命是指在規定工作環境下，在額定值范圍內，其使用壽命達到較長的年限。如按航天電子元器件貯存和超期復驗規定；在中等環境溫濕度控制的庫房內，連接器可貯存8年。在使用中，經安裝、調試、試驗后隨衛星上天完成運行壽命的過程約需10年以上，故必須考慮長期貯存后的電連接器在運載火箭飛行段的動力學環境與空間輻射環境中工作的可靠性。

2.1.6良好的工藝成型性能

在滿足設計預定的零件功能要求之同時,必須考慮材料的工藝性能,應盡可能選用適合于成熟生產工藝、效率高和相對成本低的材料。例如宇航用電連接器標準規定；壓接接觸件的絕緣安裝板中的接觸件固定卡爪應能保持在硬質絕緣安裝板中，應能固定接觸件并符合標準規定的接觸件固定性要求。目前，一種與絕緣安裝板材料一體化的卡爪精密注塑新工藝，正在逐步替代原卡爪采用鈹青銅帶沖壓成型再嵌入硬質絕緣安裝板中的老工藝。

2.2　宇航用電連接器主要零件材料選用

2.2.1幾種常見類型宇航級電連接器外殼選材

G類宇航級：墻式和螺母安裝固定電連接器和自由端電連接器，外殼為鋁合金導電鍍層。 H類宇航級：氣密封固定電連接器，鈍化不銹鋼外殼。M類：耐環境耐蝕的復合材料化學鍍鎳導電外殼。上述三類電連接器工作溫度均為-65℃～200℃。J類：耐環境耐蝕的復合材料鍍鎘成軍綠色導電外殼。電連接器工作溫度為-65℃～175℃。

2.2.2宇航用電連接器主要零件材料選用

① 接觸件:G類、J類和M類宇航用電連接器一般均選用鈹青銅制作接觸件，因鈹青銅具有比一般青銅和黃銅更高的強度水平。鈹青銅接觸件承受高應力時能無屈服變形或斷裂,維持長期的高應力狀態而不松弛,在有限的空間內能提供最大的力；并且具有高的導電率和導熱率、優良的抗腐蝕性、良好的工藝性能。退火或冷軋狀態帶材任何方向都能沖壓成形；鈹青銅材料隨冷作硬化程度的不同,規格直徑越細,強度越高,而塑性下降。冷作硬化狀態比退火狀態強度高,經時效硬化熱處理后可進一步提高強度。 對于宇航用毫微米連接器，也有用金合金制作接觸件。例如毫微米連接器接觸件間距僅0.635mm，使用ASTM-B-417和ASTM-B-541貴重的金合金制作絞線式彈性插針和插孔。解決了在毫微米插針和插孔上使用金屬鍍層所產生的電阻和侵蝕等問題。特別適用于宇航員生命保障系統等嚴格的空間環境。H類宇航級電連接器接觸件選用52鎳鐵合金或等效材料，以保證和玻璃燒結絕緣體有良好的熔接浸潤界面，保證熱應力作用下良好的尺寸穩定性和氣密性。

② 絕緣體: G類、J類和M類宇航用電連接器常選用纖維增強熱塑性聚酯樹脂制作絕緣體。該材料熱撓曲溫度高、剛度大、吸水率低、尺寸穩定、自熄性和優良的電性能。具有玻璃纖維增強尼龍相同高的熱撓曲溫度,但沒有玻璃纖維增強尼龍的高吸水性和尺寸穩定性差等缺點。熱塑性聚酯樹脂的電性能不受長期濕氣暴露的影響。玻璃纖維增強熱塑性聚酯樹脂的優點在于能保持介電強度、尺寸穩定性和抗蠕變性。聚苯醚樹脂密度低,具有較大范圍的耐溫能力、高度的尺寸穩定性,突出的水解穩定性和優良的機械性能,非常適合作為宇航用電連接器的絕緣體材料。H類宇航級電連接器常選用針座用燒結玻璃材料，孔座用燒結玻璃密封或硬質絕緣材料；燒結玻璃絕緣體材料與低膨脹合金殼體材料具有較低的膨脹系數，在熱應力作用下能保證尺寸穩定和良好的氣密性。

③ 彈性零件 :起鎖緊定位功能彈簧爪、卡環、卡釘等關鍵彈性零件,如。常選用經熱處理的鈹青銅或不銹鋼制作。零件材料性能是否符合標準非常重要。不少連接器失效是由彈性零件失效引起的。而彈性零件失效原因往往是由于材料質量問題。

④ 橡膠零件: 密封圈、封線體及界面密封墊采用硅橡膠、氟硅橡膠或耐油橡膠等制作，硅橡膠RTV一般具有優良的熱和化學穩定性，且在極寬的溫度范圍 內有高而較恒定的柔軟性。

⑤ 灌封材料：如果尾端的封線體的結構不能與外殼體內壁之間完全緊密接觸，則絕緣體與外殼體之間 形成的間隙要采用符合規定的硅橡膠RTV或等效材料給以填充。

⑥ 鍍層材料：殼體、接觸件等零件，為保證常閉合狀態下低電平電路接觸件能可靠工作,對表面均需進行電鍍。宇航用電連接器禁止采用底層鍍銀的電鍍工藝，禁止采用表面鍍鋅工藝。G類宇航級電連接器殼體和尾部附件按相應涂覆標準規定化學鍍鎳，導電的，應能耐受48h鹽霧試驗。允許使用適當的底鍍層。H類宇航級電連接器不銹鋼殼體和尾部附件鈍化處理，且表面層導電。 J類適當底鍍層上鍍鎘，可經受2000h 鹽霧試驗，表面導電。M類適當底鍍層上化學鍍鎳，也可經受2000h鹽霧試驗，表面導電。由于鍍金接觸件具有優良的耐蝕、耐磨性能和低的接觸電阻,鍍金層對氧幾乎不吸附；電連接器接觸件表面鍍金是防止腐蝕導致接觸電阻升高的重要保證。高質量的 鍍金層不僅取決于厚度，還取決于鍍層是 否具有牢固的與基體材料的結合力、耐磨損和低的孔隙率。故鍍金接觸件廣泛應用 于可靠性要求高的宇航級電連接器。宇航級電連接器技術標準中通常都規定；鍍金層厚度應大于1.27μm。

3　宇航級電連接器耐射頻性能試驗

3.1　電暈電平

3.1.1電暈電平測試原理

電暈電平測試實際上就是用一種有效的方法將被試品在電場中發生的放電量在5pC以下的電暈放電現象檢測出來。國軍標GJB681A中對電暈電平這一測試項目規定如下：把試驗樣品插合成對，安裝在一個適當的試驗電路上。在規定的低氣壓值下，將50Hz的試驗電壓增加至相關詳細規范的規定值，試驗電路元件電暈放電應在5pC或能被測出的更小值放電范圍內。所使用的電纜型號和電纜長度應按相關詳細規范的規定。在試驗的產品上或產品內，不應使用潤滑油或類似的化合物。將試驗樣品風凈以后，把50Hz的試驗電壓慢慢增加，直至靈敏度5pC的檢測器指示出持續電暈放電時為止。然后，把電壓降低，直至電暈是在5pC或更小時為止。這個最后的電壓值就是被測連接器的電暈電平。電暈放電是局部放電的三種形式之一。其中，發生在絕緣體內部的放電稱為內部局部放電，發生在絕緣體表面的放電稱為表面局部放電，發生在被氣體包圍的導體附近的放電稱之為電暈。在電暈電平的測試過程中，被試樣品同時發生了三種形式的放電現象。我們現行的試驗方法無法對這三種放電分別進行考核。所以對于電暈電平測試，我們檢測到的是被試樣品發生放電量為5pC的局部放電現象。

3.1.2電暈電平產生原理

絕緣體中只有局部區域發生放電，而沒有貫穿施加電壓的導體之間，這種現象稱為局部放電。圖 1所示為射頻同軸連接器及其電纜組件(以下簡稱連接器)的結構示意圖。在連接器的絕緣系統中，由于不同絕緣材料的電場強度不同，擊穿場強也不相同。這就可能導致連接器將在某個部位發生局部放電。對于連接器而言，其絕緣子與中心接觸件之間、電纜與外導體接點處等均不可避免地會出現氣隙。在電場作用下，氣隙常承受比固體介質高的場強，而空氣的擊穿強度又低于固體介質。因此，當外加電壓升高到一定值時就造成了空氣的擊穿，產生了局部放電。另外，在絕緣子的制造和使用過程中，會因絕緣子的老化而產生氣泡、裂紋或其他雜質。這些部位的場強超過了該處絕緣子的電離場強，該處物質就將產生電離放電，即局部放電。除了介質不均勻或有缺陷造成的電場集中之外，連接器外導體表面的毛刺、導體尖端、在外導體附近的電場集中或者是有連接點接觸不好，也會造成局部放電。

圖1　射頻同軸連接器及其電纜組件的結構示意圖

3.1.3電暈電平測試步驟及原理圖

電暈電平測試系統由低氣壓箱、耐壓測試儀、示波器和自制的放大器組成。試驗前，按圖2所示的方式將示波器、連接器、放大器和耐壓儀連接好。放大器上有三組端口，每組端口都標有“+”、“-”極，分別對接示波器、連接器和 耐壓儀的“+”、“-”極。將連接器放入低氣壓箱， 其中心接觸件接“+”極引線，外導體接“-”極引線，兩引線引出箱外后接至放大器上對應的連接器端口處。待箱中氣壓降至規定值后，通過耐壓測試儀，將50Hz的交流試驗電壓緩慢增加到連接器上直至示波器上的電壓波形出現持續的高頻衰減振蕩波形。這表明連接器已發生放電量為5pC的局部放電，然后再將試驗電壓緩慢回調，直至示波器上的電壓波形恢復為初始的一條直線狀態。這個最后的電壓值就是該連接器的電暈電平。

圖2　電暈電平測試原理框圖

在實際工作中，我們需要一套電暈電平測試系統，該系統的試驗原理如圖3所示。連接器C 發生局部放電時，電極間的電壓突然產生一變化量 (即電壓脈沖)△u，極板上的電荷突然也產生一變化量(即視在放電電荷量)△q，從而在回路中產生一脈沖電流作用到檢測用阻抗Z 上，在Z上產生一個脈沖電壓U。通過放大器A，U信號被放大送到終端指示儀M中去，根據U可推算出局部放電的電荷量。 電暈電平測試系統的終端指示儀M為一臺示波器，測量阻抗Zm合電容C 以及信號放大器A組成了一放大器。放大器的靈敏度調整為當被試品的視在放電量為5pC時，示波器的電壓波形出現高頻衰減振蕩，如圖4所示。這表明連接器已出現了持續的電暈放電現象。

圖3　電暈電平系統的試驗原理

圖4　示波器的電壓波形圖

3.1.4電暈電平試驗總結

按國軍標GJB681A的要求，連接器在進行電暈電平測試時要在規定的海拔高度下進行，并且在試驗之前要經受高頻振動、機械沖擊、溫度沖擊和耐濕等一系列機械應力、環境應力試驗的考驗。通過大量的試驗實測數據我們發現，在一定的海拔高度下(低氣壓條件下)，連接器更易發生起暈現象；機械應力和形變對連接器的電暈電平影響不大；潮濕會使連接器的電暈電平有一定程度的下降。

3.2　宇航級射頻同軸連接器電纜組件的耐射頻功率

2.2.1宇航級射頻同軸連接器電纜組件的功率參數定義

射頻同軸連接器電纜組件的功率參數主要有：耐射頻功率、額定功率和額定功率下的射頻插入損耗,以下是三者的定義：

(1)耐射頻功率:射頻同軸連接器電纜組件端接與其特性阻抗一致的負載時在一定環境溫度下某頻段范圍內能承受的不造成該組件各項電性能損壞的最大平均功率(或峰值功率)或在一定環境溫度下某頻段范圍內能承受的最大平均功率(或峰值功率),在此功率下連續工作一定時間(表面溫度達到穩定狀態時)后組件表面溫度不超過規定的要求。

(2)額定功率:射頻同軸連接器電纜組件端接與其特性阻抗一致的負載時在一定環境溫度下某頻段范圍內允許連續傳輸的不超過峰值工作電壓和最高介質溫度的輸入功率。

(3)額定功率下的射頻插入損耗:射頻同軸連接器電纜組件在承受額定功率時的最大插入損耗。耐功率與額定功率測試方法基本一樣,某些時候兩者一致。額定功率測試為非破壞性試驗,而耐功率測試有可能是破壞性試驗,在測試時要特別加以注意,否則會造成測試系統的損壞。

3.2.2耐射頻功率測試系統原理

大功率(KW級)參數的測試一般不能直接用功率計測量,而是將大功率信號衰減到一定功率后間接進行測量。間接法大功率測試系統主要由功率計(含功率傳感器)、功率源(一般由信號源和功率放大器組成)、大功率匹配負載、大功率定向耦合器(含大功率固定衰減器)以及大功率可調衰減器等組成,圖5所示為一典型測試框圖。

圖5　耐射頻功率測試系統

從圖5中可以看出測試系統主要由三大部分組成:功率測試部分(功率計、功率傳感器)、信號源部分(信號源、放大器、可調衰減器)和輔助器件部分(定向耦合器、匹配負載、固定衰減器、溫度測量儀等)，圖中，X為被測樣品。決定測試精度的關鍵是功率計和功率傳感器。功率計種類較多,適合本文所述測試系統的功率計必須是傳輸TEM波的同軸功率計,它能夠測量連續波和脈沖波的平均值、脈沖峰值功率,目前功能先進、技術成熟、易與計算機進行通信的電子式功率計應是我們的首選。選擇功率傳感器主要考慮精度、靈敏度、頻率范圍、波型等參數。信號源部分主要考慮能功率連續可調、信號方式覆蓋范圍廣、波形失真小等。輔助器件除必要之外盡量少使用,否則會影響測試準確度。定向耦合器是優選的必用器件,其作用是將傳輸信號功率在衰減很少的情況下耦合出一個弱功率信號供測量用,且耦合度穩定可靠;匹配負載也是必用之器件,其主要作用是消耗吸收功率；固定衰減器的使用能夠擴大功率測試范圍,但要慎用,因為每增加一個環節就會帶來一定誤差。

3.2.3耐射頻功率測試注意事項

(1)功率傳感器與功率計在測量前進行校準時是以1mW的標準參考功率進行校準的,因此選擇定向耦合器時通過計算選擇合適的耦合度以使耦合端的絕對功率在1mW附近,可以減少一定的誤差。

(2)微波大功率測試具有一定的特殊性,考慮到人身安全以及系統的安全性,測試中必須注意以下事項:①在施加大功率之前要仔細認真檢查系統所選器件是否符合頻段和功率的要求,整個系統是否形成閉環,切不可讓大功率信號直接輻射至空中,這樣對測試人員身體會造成極大傷害，為了確保萬無一失，可以把樣品放在屏蔽輻射的小暗室里。②盡可能在系統中先串入大功率大衰減可調衰減器,并先將其設置到衰減最大值,加入大功率后再逐漸調整衰減值,以確保測試系統的安全。

3.3　宇航級射頻同軸連接器耐射頻高電位電壓

3.3.1耐射頻高電位電壓的定義

射頻同軸連接器耐射頻高電位電壓是指在規定時間內其絕緣部位承受射頻電壓的能力。國際標準中關于射頻同軸連接器耐射頻高電位電壓的定義是:"為了得到耐射頻高電位電壓參數，在一個元件的中心接觸件與殼體之間，在規定的時間內，加上規定頻率(5 MHz左右)的射頻電壓，就可測出一種元件在規定的射頻電壓下，安全工作和耐受瞬時電壓的能力。射頻連接器在射頻高電位下發生擊穿實際上是其內部絕緣體的擊穿；射頻連接器內外導體之間的絕緣介質通常是固體絕緣子和空氣的組合,所以它在射頻高電位下發生擊穿是復合介質的擊穿。

3.3.2耐射頻高電位電壓測試系統原理

國軍標GJB681A對射頻高電位耐壓試驗作了一些具體規定,它規定試驗頻率為5MHz-7MHz ,在這個頻率范圍內,任意一個固定頻率都可以作為試驗頻率。它還規定輸出信號的、大功率定向耦合器(含大功率固定衰減器)以及大功率可調衰減器等組成,圖6所示為一典型測試框圖。

圖6　緣體內氣隙放電時的等效電路

圖8所示為絕緣體內氣隙放電時的等效電路中, Cg為空氣隙電容；Cb為與空氣隙串聯的介的電容； Cm為除Cg,Cb以外的絕緣完好部分的電容。一般Cm ≥ Cg ≥Cb。電容Cg由于在較低電Ug時就開始放電，故電極間的全部電容為: 電極間加上瞬時電壓Ut時，則Cg上的電壓的瞬時值為公式(1):

(1)

當Ug隨Ut的增加達到其放電電壓時，氣隙內產生火花放電，放電后Cg上電壓下降，放電熄滅，同時Cb通過Cg被充電，但由于外加電壓Ut認為一穩定交流電壓，Cg上的電壓又充到Ug，便又開始第二次放電，就這樣Cg被反復充、放電，使得絕緣體的損傷逐步擴大，從而使整個絕緣體擊穿。

3.3.3提高介質耐射頻高電位電壓能力的措施

射頻連接器在射頻高電位下發生擊穿，實際上是其內部絕緣體的擊穿，多為氣體沿面擊穿和缺陷(如氣隙、雜質以及厚薄分布的不均勻等)擊穿。因此，為提高介質耐射頻高電位電壓能力，根據電擊穿理論，應改進電極形狀，以改善電場分布，提高間隙的擊穿電壓。同時，電極表面應避免毛刺、棱角等，以消除電場局部增強的現象。因此，在實際中應做到：(1)在設計與制造連接器時，應提高內、外導體的表面質量，選用質量較高、均勻、致密的絕緣材料，以消除由于絕緣材料缺陷而造成的擊穿；(2)改善固體絕緣子的表面條件，避免表面油污、吸濕、灰塵等，延長沿面電極間的距離，以提高沿面擊穿電壓。

4　結束語

本文根據作者在連接器產品實驗室的工作經驗，總結出宇航級電連接器射頻性能測試技術。目前我國還沒有制定專門的宇航級電連接器標準，基本上都是按國軍標生產驗收。即使少數國軍標(如GJB599)中提到宇航級電連接器類型和要求，也沒有規定宇航級電連接器應具有的全部性能(如輻射、耐射頻功率等)。若按這些標準生產驗收電連接器用于航天系統關鍵部位，無疑會降低宇航系統整體可靠性，這就需要進行大量的射頻性能試驗來驗證宇航級電連接器的工藝和質量水平。但因各單位考核方法不一樣，使得我國宇航用電連接器質量水平不一，限制了研制、生產和使用；因此在后續的工作中，急需對宇航級電連接器射頻性能試驗及材料選用進行深入分析研究。

參考文獻：

[1]GJB681A-2002 射頻連接器總規范.北京:國防工業出版社,2012.12.1.

[2]GJB1217A 電連接器試驗方法，總裝備部軍標出版發行部2009.12.22.

[3]GB/T11313射頻連接器的一般要求和試驗方法.中國標準出版社. 2014.04.15.

[4]GJB 5021A-2011 高可靠射頻同軸連接器通用規范，總裝備部軍標出版發行部.2012.04.01.