(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)信號傳輸?shù)闹匾骷粡V泛的應(yīng)用于各個航天器中，由于航天器的復(fù)雜性、高造價和不可維修等特點，致使航天器對質(zhì)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(huán)境中長期可靠有效的工作，對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(chǎn)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(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(jī)物不大于100μg/g)和霉菌(非金屬材料生霉等級應(yīng)不超過1級)等要求。

表1中列出了ESA(歐洲宇航局)標(biāo)準(zhǔn)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(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技術(shù)目前國內(nèi)各個專業(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)計注意事項

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)計時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

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)生在兩個金屬電極之間或單個介質(zhì)的表面上。設(shè)計時要考慮到實際應(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)，對于無源器件，微放電的設(shè)計余量為6dB，以保證產(chǎn)品在軌長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，盡量地擴(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(shè)計定型進(jìn)行航天器應(yīng)用前，需要通過一系列的功能性能分析、極限能力評估、壽命考核強(qiáng)化等試驗，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)性驗證，評估元器件的應(yīng)用可靠性。

產(chǎn)品的功能性能分析主要是從航天實際應(yīng)用出發(fā)，對元器件在不同條件下的功能性能與實際應(yīng)用的符合性進(jìn)行評估、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。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、分析和試驗，對元器件的設(shè)計、工藝和材料等滿足評價要求和相關(guān)航天應(yīng)用要求的能力進(jìn)行確認(rèn)。極限評估是元器件評估試驗的關(guān)鍵和重點，其目的是探測和獲得元器件在熱、力、電等應(yīng)力作用下可承受的應(yīng)力極限值。應(yīng)用驗證是指在宇航工程應(yīng)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(yīng)用的可靠性，經(jīng)綜合分析評價得出宇航型號可用性結(jié)論。

針對宇航用射頻連接器產(chǎn)品，表2列出了各個試驗階段應(yīng)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(jī)械應(yīng)力連接器耐久性隨機(jī)振動沖擊壽命考核強(qiáng)化試驗電壓駐波比(VSWR)插入損耗絕緣電阻介質(zhì)耐電壓4應(yīng)用驗證環(huán)境試驗機(jī)械性能試驗熱循環(huán)溫度沖擊正弦振動隨機(jī)振動沖擊試驗電壓駐波比(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(jìn)行了簡單闡述，提出了其可靠性設(shè)計過程中需要注意的事項，明確了各個事項的用途及目的。

[1] 楊奮為.宇航電連接器材料選用和可靠性試驗[C]. 質(zhì)量與可靠性2009年第1期.上海：上海航天技術(shù)研究院第808研究所，2009.

[2] 劉中華，李樹杰.星用微波組件低氣壓放電與真空微放電效應(yīng)研究[C]. 電子元器件與可靠性2014年8月第32卷第4期.河北 石家莊：中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，2014

[3] 唐章東，張凱等.航天用原器件應(yīng)用驗證方法及其應(yīng)用實例[C]. 航天器環(huán)境工程2013年6月第30卷第3期.北京：中國空間技術(shù)研究院 宇航物資保障事業(yè)部，2013.