杜光琴,崔 璇
(陜西華達(dá)科技股份有限公司,陜西西安,710065)
射頻同軸連接器由于其體積小、射頻電性能指標(biāo)優(yōu)越等特點(diǎn),在航空航天等系統(tǒng)部件領(lǐng)域中被廣泛選用。尤其是氣密封連接器由于其良好的密封性能實(shí)現(xiàn)整機(jī)模塊或艙內(nèi)外密封連接,在航空航天連接器中被大量使用。如果在使用過程中發(fā)生微放電現(xiàn)象,使系統(tǒng)的電性能降低進(jìn)而影響整機(jī)信號(hào)的傳輸質(zhì)量,甚至可能造成整個(gè)系統(tǒng)部件的失效。如何保證連接器使用時(shí)避免微放電效應(yīng)發(fā)生是密封連接器微放電效應(yīng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如下:
b)頻率范圍:DC~6GHz;
c)介質(zhì)耐電壓:1000V.rms;
d)電壓駐波比(VSWR): VSWR≤1.2;
e)接觸電阻:≤15mΩ(中心接觸件),≤3.0mΩ(外接觸件);
f)絕緣電阻:≥5000MΩ;
g)氣密封:漏率≤101.3×10-5Pa·cm3/s;
h)微放電:頻率:8GHz,連續(xù)波功率10W;
微課的原型是美國(guó)愛荷華大學(xué)LeRoy.A.McGrew教授提出的“60秒有機(jī)化學(xué)課程”,他希望憑借這樣的手段為公眾普及化學(xué)相關(guān)知識(shí)。之后英國(guó)納皮爾大學(xué)的T.P.Kee提出了一分鐘演講,使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解,避免知識(shí)的片面性。2006年,薩爾曼·可汗創(chuàng)立了第一家以網(wǎng)絡(luò)為載體進(jìn)行視頻授課的非營(yíng)利性教育組織——可汗學(xué)院。2008年,美國(guó)新墨西哥州圣胡安學(xué)院的高級(jí)教學(xué)設(shè)計(jì)師David Penrose率先提出微課概念以及構(gòu)建微課的五個(gè)具體步驟。
i)耐輻照:總劑量1×107rad(Si),劑量率50~300rad(Si)/s。
產(chǎn)品要求氣密封,耐輻照為1×107rad(Si),常規(guī)的SMA氣密封微帶連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示,連接器外殼整體采用可伐合金,與內(nèi)導(dǎo)體(可伐合金加工)以及玻璃進(jìn)行燒結(jié),在外導(dǎo)體內(nèi)形成玻璃燒結(jié)段,連接器插孔與燒結(jié)組件內(nèi)導(dǎo)體采用彈性插合的方式。插孔、外殼外圓上有倒刺,通過與絕緣子壓配固定。
圖1 常規(guī)SMA氣密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
而產(chǎn)品與配接連接器軸向安裝空間小,現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無法滿足要求,故采用反極性結(jié)構(gòu),內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體和玻璃直接通過玻璃高溫?zé)Y(jié)為一體,保證產(chǎn)品的密封性和可靠性。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示:
圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
內(nèi)導(dǎo)體、外殼的材料相同,均選用鐵鈷鎳玻璃封接合金4J29,因?yàn)檫@種材料屬于定膨脹合金,其線性膨脹系數(shù)比較穩(wěn)定,并且使用廣泛。在-70℃到300℃的溫度范圍內(nèi),4J29膨脹系數(shù)的平均值為45~55×10-7/℃。玻璃粉的材料選擇7070玻璃粉。首先7070玻璃粉化學(xué)穩(wěn)定性能和熱穩(wěn)定性能都比較高,絕緣性能良好,介電常數(shù)低,加工后性能穩(wěn)定;其次在室溫到300℃的溫度變化時(shí)7070玻璃粉的線膨脹系數(shù)為48~50×10-7/℃,與內(nèi)導(dǎo)體和外殼的材料4J29線膨脹系數(shù)接近,這樣在封接過程中減小了應(yīng)力的產(chǎn)生,從而避免燒結(jié)處的開裂;最后7070玻璃粉的潤(rùn)濕性能好,保證了與金屬4J29的結(jié)合強(qiáng)度。
① 根據(jù)特性阻抗公式確定內(nèi)外導(dǎo)體尺寸。
② 利用HFSS仿真軟件對(duì)密封連接器的電壓駐波比的界面尺寸、傳輸段尺寸及內(nèi)外導(dǎo)體過渡段的補(bǔ)償尺寸進(jìn)行優(yōu)化仿真。同時(shí)要考慮參數(shù)在極限狀態(tài)對(duì)仿真結(jié)果的影響,如內(nèi)、外導(dǎo)體的的公差范圍,當(dāng)取不同的公差取向,仿真結(jié)果不同。仿真模型如圖3所示。仿真結(jié)果如圖4所示:
圖3 密封連接器的建模
圖4 電壓駐波比仿真結(jié)果
產(chǎn)品加工完成后,對(duì)加工完成產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試,對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行時(shí)域分析,在用優(yōu)化軟件對(duì)曲線進(jìn)行擬合,逆向?qū)ふ艺嬲绊懸蛩厮?,從而調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。
連接器進(jìn)行微放電設(shè)計(jì)時(shí),首先要明確產(chǎn)品的工作條件,如使用的頻率范圍,射頻功率等;其次,盡量提高連接器的負(fù)載能力,留有足夠的功率容限,即微放電設(shè)計(jì)余量。
1)金屬零件鍍層的確定
如圖5所示,不同材料的微放電間隙電壓峰值曲線。金屬零件的表面處理是影響微放電的一個(gè)重要因素,由于不同表面材料具有不同的二次電子發(fā)射系數(shù),材料的二次發(fā)射系數(shù)越小,則微放電效應(yīng)閾值越大。金屬件表面鍍金或銀時(shí),二次電子的發(fā)射系數(shù)較小??紤]產(chǎn)品的鹽霧,耐久性等特性,最終產(chǎn)品外殼和內(nèi)導(dǎo)體采用鎳打底鍍金。
圖5 微放電閾值曲線圖
2)鍍層質(zhì)量的保證
產(chǎn)品的鍍層質(zhì)量直接影響產(chǎn)品微放電、鹽霧及絕緣電阻等要求,為了保證產(chǎn)品的鍍層質(zhì)量,從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制:
①鍍前確保玻璃表面清洗干凈,為了保證內(nèi)導(dǎo)體尾部尺寸及產(chǎn)品燒結(jié)后的同軸度,玻璃燒結(jié)時(shí)采用石墨夾具,所以燒結(jié)后的玻璃表面會(huì)殘留一些石墨粉,同時(shí)產(chǎn)品的內(nèi)外導(dǎo)體間的距離短,如果這些石墨粉在鍍前未清洗干凈,隨后在電鍍時(shí)殘留的石墨粉因?qū)щ姇?huì)沉積上鍍層,降低產(chǎn)品的微放電功率值及絕緣電阻;
②調(diào)整電流密度使鍍層厚度分布均勻,由于產(chǎn)品的外殼與內(nèi)導(dǎo)體為一整體燒結(jié)結(jié)構(gòu),在電鍍時(shí)由于外殼的屏蔽作用,內(nèi)導(dǎo)體表面的電流密度容易分布不均勻,使內(nèi)導(dǎo)體表面鍍層的均勻度差,產(chǎn)品在電鍍時(shí),通過多次試驗(yàn),調(diào)整電流密度,保證內(nèi)導(dǎo)體表面鍍層的一致性。
3)連接器清潔度的保證
當(dāng)連接器中清潔度不夠時(shí),存在污染物時(shí),減小了獲得一個(gè)單位次級(jí)發(fā)射系數(shù)所需的原電子能級(jí),從而降低了微放電的閾值。為了保證連接器實(shí)際承受的功率值接近于理論計(jì)算閾值,應(yīng)對(duì)連接器的清潔度進(jìn)行保證。
①裝配車間要清潔,保證轉(zhuǎn)接器裝配在溫度范圍5℃~40℃,相對(duì)濕度≤75%的凈化間中進(jìn)行,避免環(huán)境因素造成的多余物影響。制定有效的工藝方法,去除裝配前、后零件的多余物;
②裝配前,進(jìn)行零件的超聲波清洗,清洗后的零件利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查(如圖6),對(duì)不易發(fā)現(xiàn)和清洗的微小毛刺和多余物進(jìn)行處理,若無法清理則直接剔除零件;
圖6 內(nèi)窺鏡檢查
③ 產(chǎn)品包裝時(shí)的包裝袋和包裝盒的材料不具有揮發(fā)性,時(shí)間長(zhǎng)后不老化,不能起毛,不能掉渣。
按照確定的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行了產(chǎn)品的生產(chǎn)。產(chǎn)品生產(chǎn)出來后,我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行常規(guī)電性能檢測(cè),測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,產(chǎn)品常規(guī)性能測(cè)試合格。同時(shí)進(jìn)行了微放電測(cè)試,測(cè)試結(jié)果合格。
表1 常規(guī)電性能指標(biāo)測(cè)試
由于產(chǎn)品具有體積小、重量輕、低損耗、低駐波、密封性好、高可靠等特點(diǎn),使其能夠廣泛應(yīng)用于微波通訊、航天航海、武器系統(tǒng)及微波測(cè)量設(shè)備等領(lǐng)域。該產(chǎn)品目前用于國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目中,現(xiàn)已上機(jī)測(cè)試使用反應(yīng)良好。并實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。