■ 趙漢武 李斌 王赟/空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校 中國人民解放軍95389部隊(duì)

0 引言

射頻同軸電纜組件大量應(yīng)用于飛機(jī)通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、電抗等設(shè)備中。在役使用過程中，因?yàn)轱w機(jī)振動(dòng)、潮濕環(huán)境、防護(hù)及維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，電纜組件中的接頭、線芯、屏蔽層等易出現(xiàn)損壞導(dǎo)致性能下降或失效等問題[1，2]；戰(zhàn)時(shí)，戰(zhàn)斗部破片等易造成同軸電纜的斷線[3]，在不具備更換條件時(shí)，會(huì)因?yàn)閿嗑€無法修理影響戰(zhàn)機(jī)的再次出動(dòng)。當(dāng)前，有關(guān)射頻同軸電纜組件的研究多集中在其設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)，針對(duì)基層使用單位一線的修理與測試的研究與總結(jié)較少。因此，總結(jié)部隊(duì)射頻同軸電纜組件維護(hù)、修理與測試相關(guān)的方法，對(duì)于針對(duì)性地提高其保障能力具有重要指導(dǎo)意義。為此，本文從介紹射頻同軸電纜組件與一般電纜的本質(zhì)區(qū)別出發(fā)，總結(jié)其維護(hù)與修理中的常用方法，重點(diǎn)針對(duì)戰(zhàn)傷搶修以及日常性能檢測的方法做出了分析與總結(jié)，以期對(duì)提高部隊(duì)該項(xiàng)維護(hù)能力有所幫助。

1 射頻傳輸與阻抗匹配

從本質(zhì)上講，射頻同軸電纜是一種專門用于高頻/射頻信號(hào)的傳輸線。射頻同軸電纜組件是包括射頻連接器與同軸電纜在內(nèi)的一套成品組件。為了高效高質(zhì)量地傳輸信號(hào)，需要射頻饋送的同軸電纜組件與包括收發(fā)機(jī)、天線在內(nèi)的所有射頻設(shè)備之間滿足一個(gè)基本條件——阻抗均勻/匹配。

所謂阻抗，簡單而言就是指該器件上的電壓與流經(jīng)電流的比值。根據(jù)理論研究和工程實(shí)踐需要，飛機(jī)上的射頻前后端設(shè)備（收發(fā)機(jī)、天線等）的特性阻抗通常為50Ω，因此，要求射頻同軸電纜組件的阻抗也最好保持在50Ω，以實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)和功率傳輸。

那么，射頻同軸電纜組件的阻抗大小能否在實(shí)際使用期間一直保持在50Ω？為此，通過經(jīng)典的RLCG模型先對(duì)同軸電纜本身的阻抗進(jìn)行分析[4]。圖1為射頻同軸電纜的模型示例，傳輸線中的無限小段可以模擬為由四種理想元件（理想電阻R、理想電感L、理想電容C、理想電導(dǎo)G）串并聯(lián)而成的電路組合，整個(gè)傳輸線則是由無限多個(gè)這樣的電路串聯(lián)組合而成，且其特性阻抗Z0由式（1）決定。實(shí)踐表明，使用該模型基本能夠逼真地模擬實(shí)際傳輸線對(duì)于各類輸入信號(hào)的響應(yīng)情況。

圖1 射頻同軸電纜的RLCG模型示例

在RLCG模型中，起決定因素的通常是單位長度電容C和單位長度電感L，因此式（1）往往簡化為：

對(duì)同軸電纜而言，其單位長度的電容和電感主要由以下參數(shù)決定：導(dǎo)體間距（外內(nèi)導(dǎo)體直徑比D/d）、內(nèi)外導(dǎo)體間的絕緣介質(zhì)材料介電常數(shù)（ ）。一般地，有以下近似公式[4]：

例如，同軸電纜受擠壓后外導(dǎo)體直徑D變小，其電容參數(shù)C會(huì)變大，阻抗隨之變?。划?dāng)幾何尺寸或材料屬性沿傳輸線路有所變化時(shí)，傳輸線的阻抗就會(huì)發(fā)生變化。這種變化進(jìn)而會(huì)造成阻抗的不均勻/不連續(xù)，最終造成線路上出現(xiàn)各種被反射回輸入端的信號(hào)，稱為反射信號(hào)。信號(hào)反射量增大，也就意味著傳輸?shù)乃p量變大。

阻抗失配的情況還會(huì)出現(xiàn)在射頻電纜與射頻連接器的接頭處。當(dāng)裝配工藝不合格、器件老化、維護(hù)不當(dāng)時(shí)，接頭處的阻抗失配同樣會(huì)造成較大的信號(hào)反射和衰減，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱蚧?、射頻系統(tǒng)功能失常等。

2 日常維護(hù)

一般來說，飛機(jī)上的射頻同軸電纜組件在裝配出廠交付使用前已經(jīng)通過專門的手段保證了其阻抗的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，部隊(duì)級(jí)日常維護(hù)的目的是保證其在整個(gè)服役期間滿足阻抗的質(zhì)量要求，為達(dá)到此目的，可從兩方面入手。

一是對(duì)射頻接頭部位的維護(hù)與檢查。通常射頻接頭安裝完成后，不宜反復(fù)拆裝（通常N型接頭的拆裝壽命約500次）。維護(hù)時(shí)，應(yīng)檢查接頭有無松動(dòng)、變形、氧化、受潮等。有排故需要時(shí)，可分解射頻同軸接頭，查看屏蔽網(wǎng)的斷絲、覆蓋情況，查看插針/插孔的焊接、銹蝕氧化情況等。對(duì)于日常維護(hù)中會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)的射頻接頭（如維修口蓋上的接頭），更需要認(rèn)真檢查，必要時(shí)可結(jié)合儀器測試的方法。

二是對(duì)射頻電纜本身的檢查。飛機(jī)上使用的大多是柔性和半剛性的射頻同軸電纜。這類電纜雖然與普通屏蔽電纜外形相似，但在維護(hù)時(shí)需要注意其對(duì)最小彎曲半徑的特殊要求。按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 1014.3《飛機(jī)布線通用要求：安裝與防護(hù)》，同軸電纜的最小彎曲半徑不得影響其電性能，在沒有特別說明時(shí)，易彎曲同軸電纜的最小彎曲半徑為其外徑的6倍，半剛性的同軸電纜的最小彎曲半徑為其外徑的10倍。對(duì)于同軸電纜的支撐與保護(hù)，必須使用專用的可防止松脫的經(jīng)浸漬處理過的綁帶，不可使用塑料系帶；支撐件施加到同軸電纜上的壓力不應(yīng)大于防止同軸電纜滑動(dòng)所需要的最小力（以防止支撐件勒緊力過大，導(dǎo)致同軸電纜變形）。日常維護(hù)中應(yīng)注意查看同軸電纜的外觀有無壓痕、磨損等。

3 平時(shí)修理與戰(zhàn)傷搶修

3.1 平時(shí)修理

在平時(shí)，排除外力因素，同軸電纜線材本身不太容易出現(xiàn)損傷或者故障。通常容易出現(xiàn)的損傷主要集中在電纜組件的接頭部位。由于維護(hù)或者設(shè)備拆換需要插拔射頻接頭，根部容易出現(xiàn)屏蔽斷絲、線芯脫焊等情況，一般來說，此種情況更換射頻接頭就可以實(shí)現(xiàn)修理。

對(duì)基層單位而言，需要建立的能力包括對(duì)各種同軸接頭的認(rèn)知，如常見的N型接頭、SMA接頭等；掌握各種接頭的加工工藝，如裝接、壓接、焊接等。文獻(xiàn)[5]提供了多種加工制配射頻接頭的方法。

如果因維護(hù)不當(dāng)、外力因素導(dǎo)致同軸電纜的線材損傷，一般情況下則需要更換新的同軸電纜組件。對(duì)于具備更換條件的，可實(shí)施更換；對(duì)于電纜較長、敷設(shè)較長距離的電纜，如果在現(xiàn)場不具備更換條件，通常需要在大修廠實(shí)施更換。

3.2 戰(zhàn)傷搶修

在戰(zhàn)時(shí)，機(jī)上同軸電纜的損傷模式較為多樣。由于射頻同軸電纜通常連接至機(jī)身邊緣、垂尾、機(jī)腹等位置的不同天線，分布較廣，因此戰(zhàn)時(shí)很可能遭遇桿條或破片切割、沖擊彎折、高溫?zé)齻惹闆r[3]。為面向?qū)崙?zhàn)，必須做好相關(guān)電纜戰(zhàn)傷搶修的準(zhǔn)備。

射頻同軸電纜的搶修可分為以下幾種情況：一是具備更換條件的，以更換為主，通過備用電纜更換，或者現(xiàn)場加工制備新的同軸電纜；二是對(duì)于分布廣泛的、不具備更換條件的射頻同軸電纜，中間段出現(xiàn)的單點(diǎn)損傷或者大面積損傷，可實(shí)施快速搶修。這方面美軍走在了前列，MIL-PRF-32517規(guī)定了匹配阻抗接頭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，相應(yīng)的針對(duì)美軍標(biāo)射頻電纜的修理器材（匹配阻抗型拼接頭，見圖2）[6]可在市場上采購，而國內(nèi)相關(guān)研究和產(chǎn)品則較為少見。

圖2 射頻同軸電纜匹配阻抗接頭及修理步驟說明

在沒有匹配阻抗型拼接頭時(shí)，可采用替代方案進(jìn)行應(yīng)急修理。例如，針對(duì)單點(diǎn)損傷，可直接在損傷處增加一對(duì)射頻對(duì)接接頭；對(duì)于較長的損傷段，可采用兩對(duì)對(duì)接接頭加同類射頻補(bǔ)充線材實(shí)現(xiàn)修理（見圖3）。

圖3 射頻接頭對(duì)接修理法圖示

針對(duì)上述應(yīng)急修理方法，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)增加對(duì)接接頭后的同軸電纜組件在0～3GHz范圍內(nèi)的插入損耗增加情況進(jìn)行了測量。圖4是8根經(jīng)過對(duì)接接頭修理的射頻同軸電纜組件在修理后的插入損耗變化波形圖（這8根電纜組件分別由8名來自維修一線的特設(shè)或航電專業(yè)修理員裝配完成）。由圖可見，增加對(duì)接接頭后，同軸電纜組件的整體損耗是增大的，且插入損耗增加量在0～3GHz范圍內(nèi)隨頻率升高而逐漸增加，但最大插損一般不超過0.3dB，這對(duì)于射頻功能系統(tǒng)（如電臺(tái)通信、電子對(duì)抗系統(tǒng)等）而言，能夠恢復(fù)系統(tǒng)的一定功能，增加對(duì)接接頭帶來的損耗基本是可以接受的。

圖4 對(duì)接接頭修理射頻斷線后的插入損耗實(shí)測數(shù)據(jù)

4 在役檢測與測量

4.1 檢測內(nèi)容

針對(duì)射頻同軸電纜組件的檢測與測量，部隊(duì)基層單位容易走入兩個(gè)誤區(qū)：一種是將射頻檢測復(fù)雜化，認(rèn)為射頻檢測儀器昂貴、操作要求高，部隊(duì)無法滿足這些條件，因此一概交由工廠負(fù)責(zé)；另一種是投入了大量資金購買儀器設(shè)備，但苦于沒有受過相關(guān)培訓(xùn)的合適人員，導(dǎo)致儀器設(shè)備閑置，修理檢測能力同樣無從談起。

以上誤區(qū)，根本原因在于技術(shù)管理者對(duì)于部隊(duì)檢測能力的需求針對(duì)性了解不夠。盡管根據(jù)國軍標(biāo)要求，射頻同軸電纜涉及到的檢測指標(biāo)達(dá)二十余項(xiàng)[7]，但實(shí)際裝機(jī)在役使用中需要關(guān)注的指標(biāo)往往只有幾項(xiàng)，也就是說，需要區(qū)分基層級(jí)在役檢測與出廠質(zhì)量檢測的區(qū)別。一般來說，對(duì)于射頻同軸電纜組件的基層級(jí)在役檢測只需要關(guān)注其駐波比或特性阻抗變化指標(biāo)。

從電磁場理論來看，射頻信號(hào)在傳輸線上的傳輸，實(shí)際上是電磁場在同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體之間的空間上建立和變化的過程，傳輸線特性阻抗變化，最終影響的是電磁場正向傳輸和反向傳輸（即反射）的效果。被反射的信號(hào)與正向傳輸?shù)男盘?hào)疊加，在傳輸線上形成駐波，觀察傳輸線上的駐波情況，即可判斷出傳輸線路上的阻抗變化情況。電壓駐波比（VSWR）與傳輸線阻抗（Z）、特性阻抗（Z0）之間的關(guān)系可通過反射系數(shù)ρ來表示：

從上述兩式可以看出，測量傳輸線路上的阻抗與測量電壓駐波比具有一定的等價(jià)性。

4.2 檢測方法

下面以電壓駐波比測試為例，介紹射頻同軸電纜組件性能測試的方法。

與出廠檢測不同，在役檢測通常采用時(shí)域而非頻域測量的方法，可采用的儀器如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、時(shí)域反射分析儀等，或采用近年來市場上推出的用于外場的天線饋線測試儀，如羅德施瓦茨公司的ZPH測試儀（見圖5）以及國內(nèi)電科思儀公司的3680A/B天饋線測試儀等。

所謂時(shí)域測量，是指沿傳輸線逐點(diǎn)分析線路上的駐波情況。時(shí)域測量與常見的頻域測量的對(duì)比效果如圖6所示。

圖6a）為頻域分析圖，其中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示電壓駐波比的大小，波形反映的是整個(gè)傳輸線組件（也可擴(kuò)展到前后端設(shè)備、天線等）在不同頻率點(diǎn)上的駐波情況，如圖中M1標(biāo)記點(diǎn)表示的是在2.01066MHz時(shí)，整根線的駐波比為3.13。這種頻域分析方法較為常用，但多用于設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的質(zhì)量控制檢測，對(duì)于在役檢測的針對(duì)性不強(qiáng)。

圖6b）為時(shí)域測量圖，其中橫坐標(biāo)表示的是傳輸線從起點(diǎn)到終點(diǎn)的各個(gè)不同位置，波形反映的是不同位置的駐波比。如其中的M2標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是圖5中的A處射頻轉(zhuǎn)接頭（距離測試點(diǎn)1.245m處）駐波明顯變大（1.31），其他兩處駐波峰值（M1和M3標(biāo)記點(diǎn)）分別對(duì)應(yīng)測試起點(diǎn)和測試終點(diǎn)的射頻連接器。從波形峰值對(duì)比上可以明顯判斷出，A處的射頻轉(zhuǎn)接頭存在問題。因此，對(duì)于基層使用維護(hù)單位來說，進(jìn)行時(shí)域測量對(duì)于查找射頻線路上的損傷點(diǎn)更具有意義。

5 總結(jié)

射頻同軸電纜組件在飛機(jī)上應(yīng)用廣泛，功能重要。當(dāng)前部隊(duì)缺少針對(duì)高頻同軸電纜組件的修理與檢測規(guī)范。針對(duì)此問題，本文從理論分析和實(shí)踐指導(dǎo)兩個(gè)角度，分析了射頻電纜組件出現(xiàn)損傷的原因，介紹了平時(shí)維護(hù)和修理的一般方法；針對(duì)戰(zhàn)時(shí)搶修，提出了對(duì)接接頭修理的方法，并給出了實(shí)證數(shù)據(jù)；最后針對(duì)射頻電纜組件的在役檢測給出了時(shí)域測量駐波比查找損傷點(diǎn)的方法，以期對(duì)提高航空兵部隊(duì)基層級(jí)的維護(hù)與修理能力有所幫助。