一種航空用低損耗穩相電纜的研制

周正平， 丁春風， 張雪群

(江蘇通光電子線纜股份有限公司，江蘇海門226103)

0 引言

為確保航空相控雷達陣、衛星跟蹤站、電子對抗等設備的精確定位，必須有專門的低損耗穩相電纜與之配套。據悉，一種主要用于航天的低損耗穩相電纜已于數年前研制成功。

相對于普通射頻電纜，它明顯提高了頻率使用范圍、衰減、駐波及相位性能等;與目前比較高端的低損耗電纜相比，它的優勢是相位穩定性更好。

這類電纜的導體一般采用單根鍍銀軟圓銅線;絕緣由多層微孔聚四氟乙烯帶繞包而成，根據絕緣外徑和帶厚的匹配性，絕緣搭蓋率一般設定為50.0%或67.0%;外導體是由鍍銀銅扁帶繞包外加鍍銀軟圓銅線編織雙層屏蔽結構組成;護套由聚全氟乙丙烯樹脂擠制而成。

本文以一種導體結構為1/0.93 mm的航空航天用低損耗穩相電纜為例，介紹了該電纜的結構、在生產中要控制的重點和相關試驗方法。

1 產品設計及試制

1.1 電纜結構

圖1 是型號為TGSFW-50-2.5A1的航空用低損耗穩相電纜結構示意圖，圖2是其照片，表1是其結構參數。

圖1 航空用低損耗穩相電纜結構示意圖

圖2 航空用低損耗穩相電纜照片

表1 航空用低損耗穩相電纜結構參數

1.2 生產控制重點

(1)內導體。航空用低損耗穩相電纜參照GJB 973A—2004標準設計，除了導體的基本機械性能要求外，還考慮射頻信號在內導體中傳輸時產生集膚效應，即信號僅僅在電纜的內導體外表面和外導體內表面進行有效傳輸?；谛阅艿囊螅紫冗x擇鍍銀軟圓銅線作為內導體，為了滿足電纜的高頻性能要求，在內導體設計時增加銀層厚度的要求，一般要求銀層厚度不小于10 μm。

(2)絕緣。微孔聚四氟乙烯帶是航空用低損耗穩相電纜關鍵材料，通過對產品的研究，制定了微孔聚四氟乙烯帶主要性能指標，見表2。

表2 微孔聚四氟乙烯帶主要性能指標

在工藝上，通過多次反復試驗，制定生產時的溫度和濕度環境要求，工藝數據也進行數字化處理，在文件中規定節距公差、繞包張力數據，以求最優的繞包工藝。

(3)外導體。外導體采用鍍銀銅扁帶繞包和鍍銀軟圓銅線編織的雙層結構。由于航空用低損耗穩相電纜與實心電纜相比，為了達到低損耗和相位穩定性的目的，采用微孔聚四氟乙烯帶，絕緣強度作出極大犧牲，因此加大了鍍銀銅扁帶繞包難度，如何攻克鍍銀銅扁帶繞包工藝是生產航空用低損耗穩相電纜的關鍵，銅帶的繞包搭蓋率一般控制在40%以上，任何彎曲都會影響駐波性能，所以在生產時需要進行如下控制:首先是調整繞包的進線角度到最佳狀態，這個角度在各種設備間存在差異，只能在生產中摸索，如果進線角度不好會造成絕緣和屏蔽層的間隙;其次是選用大外徑的導輪以減少彎曲;第三建議進行低速生產。

(4)護套。航空用低損耗穩相電纜溫度使用范圍較寬，因此只能選擇聚全氟乙丙烯或可熔性聚四氟乙烯材料，但從材料的成本考慮，聚全氟乙丙烯已能滿足其使用要求，但比可熔性聚四氟乙烯廉價，因此是該類電纜最理想的護套材料。

2 標準依據

目前國內航空用低損耗穩相電纜參照GJB 973A—2004、GB/T 17737.1—2000、GJB 150A—2009、GJB 360B—2009以及國外廠家的技術資料各自進行設計，未形成統一的國家標準，唯一可參考的是正在報批中的軍用穩相電纜的國家軍用標準。

3 主要性能指標

在比較國外廠家技術要求的基礎上，結合客戶需求，確定TGSFW-50-2.5A1型航空用低損耗穩相電纜的主要技術指標如下:

(1)衰減。電纜在1個標準大氣壓，水平面及25℃的測試條件下，安裝完微波組件后測試10 m電纜的衰減，換算出每米的衰減值，典型的衰減指標見表3。

表3 電纜典型的衰減指標

(2)電壓駐波比。同衰減測試一樣，安裝完微波組件后測試10 m電纜的電壓駐波比，各頻段電纜的最大電壓駐波比見表4。

表4 各頻段電纜的最大電壓駐波比

(3)相位穩定性。相位穩定性分為機械相位穩定性和溫度相位穩定性，主要考核電纜在高低溫和彎曲、振動條件下產生的性能變化對整機的影響。一般要求電纜在溫度范圍為－55～100℃，測試頻率點為10 GHz條件下的相位—溫度變化系數最大值應不大于700 ppm;在測試頻率范圍為0.05～26.5 GHz，芯棒直徑為18 mm的彎曲條件下最大機械相位變化值為3°。

(4)相位一致性。該試驗的目的是考核電纜的批次穩定性，在相同頻率和溫度點下，兩根相同長度的電纜的相位—溫度變化系數測試值相差應不大于200 ppm。

(5)溫度沖擊。在－55℃和120℃兩個溫度點各存放0.5 h，以此循環5次，試驗后電纜的衰減、駐波、相位要求仍符合上述的技術要求。

(6)抗老化。在150℃的試驗條件下保持168 h，恢復常溫后，試驗后電纜的衰減、駐波、相位要求仍符合上述的技術要求。

(7)低氣壓。為考核電纜受氣壓破壞的能力，按GJB 360B的方法105試驗條件進行試驗，試驗后電纜的衰減、駐波仍符合上述的技術要求。

4 主要試驗方法

(1)衰減。按GJB 973A—2004第4.7.9條的規定進行試驗。評估的是電纜傳輸信號的能力，衰減越小，電纜的傳輸性能效果越佳。

(2)電壓駐波比。按 GJB 973A—2004第4.7.10條的規定進行試驗。評估的是輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗的匹配性，理想的比例為1∶1，但幾乎不可能達到。

(3)相位穩定性

1)溫度相位穩定性。按IEC 61196-1-111的規定進行試驗。

試樣在試驗前應進行－55～100℃的6個溫度循環預處理。截取不小于3 m長的1個電纜試樣，將電纜兩端配接SMA連接器，制成電纜組件，在電纜上距離兩端連接器端面L1不小于0.15 m處做標記，兩標記間的長度L2為2.70 m，如圖3所示。

圖3 電纜標記示意圖

將試驗箱溫度設定為25℃，達到設定溫度后至少保持10 min。將試樣與矢量網絡分析儀連接，讀取任一相鄰的波峰或波谷的頻率f1和f2，被測電纜段在測量頻率f(10 GHz)的總相位為:

式中:Φ25℃，f為被測電纜在25℃時頻率f下的總相位;f為測量頻率(10 GHz)。

在25℃時，將測試電纜接入矢量網絡分析儀并校零，調整試驗箱溫度，按從低到高依次在－55℃、－40℃、－25℃、0℃、15℃、20℃、25℃、50℃、85℃和100℃，測量各溫度點的相位值T，;

計算在頻率點 f、溫度為25℃時的相位25℃，與在頻率點f下各測試溫度點的相位值T，的差值:

式中:△T，為在頻率下，25℃時相位值與各測量溫度點的相位值的差值。當測量值出現跨越180°相位變化時，應重新計算出真實的相位差值。

然后計算相位隨溫度變化系數ηT，f:

在頻率下，相位隨溫度變化以ppm表示。

最后把各點繪制成ηT，f(ppm)—T(℃)曲線圖，見圖4。

2)機械相位穩定性。按IEC 61196-1-111的規定進行試驗。

圖4 ηT，f—T 曲線圖

試驗前在成品電纜上截取不小于3 m長的1個電纜試樣，將電纜兩端配接SMA連接器，制成電纜組件;

把試樣彎曲成U形并連接到矢量網絡分析儀，將儀器相位系統校零，U形的最小彎曲半徑為25 mm;

將直徑為18mm的芯棒置于試樣上方，將試樣繞芯棒順時針彎曲180°，待矢量網絡分析儀中顯示的相位隨頻率的變化曲線穩定后，記錄并保存相位與頻率的變化曲線1;

將試樣的位置恢復至彎曲前的位置規定，然后將直徑為18 mm的芯棒置于試樣下方，將試樣繞芯棒逆時針彎曲180°，待矢量網絡分析儀中顯示的相位隨頻率的變化曲線穩定后，記錄并保存相位與頻率的變化曲線2;

最后測試的機械相位變化值在±3°范圍內。

(4)相位一致性。按溫度相位穩定性試驗方法同時對兩根相同長度的電纜進行測試，在同一圖中，按各測試溫度點下的相位隨溫度的變化，分別作出兩根電纜的ηT，f—T曲線，比較兩曲線各溫度點的相位隨溫度變化最大差值。

(5)溫度沖擊。按 GJB 360B—2009方法107的規定進行試驗，在－55℃和120℃兩個溫度點各存放0.5 h，循環5次，以此評估電纜在惡劣的高低溫環境下電性能的變化。

(6)抗老化。按GJB 973A—2004第4.7.17條的規定進行試驗;在150℃的試驗條件下保持168 h，和溫度沖擊試驗一樣，該試驗是評估電纜在長時間高溫環境下電性能的變化。

(7)低氣壓。按GJB 360B的方法105試驗條件進行試驗，因該類電纜會在航空器中大量使用，故電纜需考核高空低氣壓的環境下電性能的變化。

5 結束語

航空用低損耗穩相電纜在國外已被廣泛應用于國防等尖端領域，而目前國內處于剛剛起步階段。隨著地區局勢緊張和局部戰爭的接連爆發，處于尖端領域的航空用低損耗穩相電纜長期受到歐美國家的出口限制。為擺脫該類電纜對國外的依賴，國家在2009年提出航空用低損耗穩相電纜國產化的要求，國內電纜廠商紛紛投入資金進行研發。

本文結合公司在航空用低損耗穩相電纜試制過程中出現的問題及對試驗方法的理解，和大家一起探討，希望以此推進航空用低損耗穩相電纜國產化的進程。

［1］GB/T 17737.1—2000 射頻電纜第1部分 總規范［S］.

［2］GJB 150A—2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法［S］.

［3］GJB 360B—2009 電子及電氣元件試驗方法［S］.

［4］GJB 973A—2004 柔軟和半硬射頻電纜通用規范［S］.

［5］IEC 61196-1-111 Electrical test methods-test for stability of phase constant［S］.