雷達射頻同軸電纜組件工藝技術探討

謝 剛，沈能蛟

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

雷達射頻同軸電纜組件工藝技術探討

謝 剛，沈能蛟

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

雷達射頻同軸電纜組件的生產裝配加工比較復雜，其工藝要求也比一般的普通電纜組件嚴格，一般的手工工具無法裝配出符合設計要求的雷達射頻同軸電纜組件。簡要介紹了雷達射頻同軸電纜組件的構成和元件選型分析，簡述了電纜組件裝配加工的基本工藝裝備和一般制作工藝方法流程，著重分析了射頻同軸電纜組件的制造工藝及其檢測方法。

雷達；射頻同軸電纜組件；裝配加工；工藝

Abstract: The production, assembly and processing of the radar RF coaxial-cable assemblies are very complicated with stricter technological requirements compared to the ordinary cables. The radar RF coaxial-cable assemblies that meet the requirements of the design cannot be assembled with the general hand tools. The composition of the radar RF coaxial-cable assemblies is briefly introduced with the analysis on the component selection. The basic technological equipment and the general technological method and process of manufacturing for the assembly and processing of the cables are briefly described, with an emphasis on the manufacturing technology and detection methods of the RF coaxial-cable assembly.

Keywords: radar; RF coaxial-cable assembly; assembly and processing; technology

0 引 言

隨著相控陣雷達的發展和系統集成的日益改進，傳統用于各微波組件之間射頻信號傳輸的波導部件越來越難以滿足系統的設計和使用要求。高品質雷達射頻同軸電纜已經廣泛應用，比重也越來越高。[1]特別是相控陣雷達有源天線面陣內大量T/R組件間和T/R組件內部微組裝射頻連接所采用的同軸電纜組件，必須具有頻帶寬、抗干擾性能好、傳輸幅相特性一致、電性能穩定且損耗小、輻射小、體積小和質量輕，以及易于布線、裝配和維修等諸多要求。[2]因此，如何設計雷達射頻同軸電纜組件加工制造工藝已成為保障相控陣雷達有源面陣性能的一項重要技術。本文從基于雷達射頻同軸電纜組件特點分析雷達射頻同軸電纜組件工藝流程、制造工藝及其檢測方法等，以期為雷達射頻同軸電纜組件的加工和應用提供技術支撐。

1 雷達射頻同軸電纜組件構成及其選型分析

1.1 構 成

雷達射頻同軸電纜組件由射頻同軸連接器和射頻同軸電纜兩部分組成。射頻同軸電纜是由兩根同軸的圓柱導體構成的導行系統，分別為內導體、外導體以及之間的絕緣體(高頻介質)。外導體結構保證了優異的屏蔽性能。傳輸的電磁能量以內導體為中心均勻分布，具有均勻穩定的特性阻抗和極大帶寬等優點。絕緣介質除了起到絕緣作用以外衰減、阻抗和回波損耗等都與之關系很大，如圖1所示。

圖1 射頻同軸電纜

射頻同軸連接器與射頻同軸電纜組裝在一起形成射頻電纜組件。射頻同軸電纜組件主要用于連接各類信號收發設備，確保其間信號低損、精確、高效以及高質的傳輸，如圖2所示。

圖2 雷達射頻同軸電纜組件

1.2 選型分析

在影響射頻同軸電纜組件性能的因素中，除了精確地計算連接器的電氣參數、合理的結構設計之外，電纜的設計選型顯得尤為關鍵。

1.2.1 電纜適用環境的選擇

要根據不同的用途和使用場所選擇適當的電纜才有可能達到預期的效果。在大功率條件下應選擇大功率電纜，而在精密傳輸信號中使用的電纜應選擇超低損耗電纜。

1.2.2 電纜尺寸和性能的選擇

電纜尺寸應與連接器尺寸相當，才能保證特性阻抗的連續性和一致性。如果電纜與連接器規格不匹配，即使選擇了優良的連接器和電纜，組件的性能也未必能達到預期的效果，反而會導致連接器和電纜資源的浪費。

1.2.3 電磁屏蔽設計

電磁干擾(EMI)能量是通過傳導性耦合和輻射性耦合對其電子設備進行干擾。對傳導性耦合需采取濾波技術，對輻射性耦合則需要采用屏蔽技術加以抑制。在射頻電纜組件設計要求達到屏蔽性能，應先確定泄露的環節，明確頻率范圍，從電纜的自身屏蔽性能、電纜與連接器結合處、連接端口的屏蔽性能等幾方面進行分析，選定合適的屏蔽線纜，從而達到較好的屏蔽性能。

2 雷達射頻同軸電纜組件關鍵工藝和電性能分析

射頻連接器的成功設計不僅包括連接器自身優良的性能，還包括與同軸電纜裝配的可操作性、易操作性以及相互配合，最終保證整個傳輸系統的性能。這主要包括工藝性設計和電氣性能設計。

2.1 關鍵工藝設計

2.1.1 容錫間隙設計

設計射頻連接器時，要合理地計算容錫間隙的大小。間隙過大會造成焊接后芯線與電纜的同軸度難以保證，使特性阻抗偏離標稱值，同時會影響組件的電氣性能，尤其對于高精度要求的電纜組件更為明顯。間隙過小會造成焊錫難以進入，焊接的有效面積減小，焊接的牢固性變差，容易發生虛焊、脫落等現象。

2.1.2 耐焊接熱設計

在實際應用中，一般射頻連接器廠家已將絕緣子裝配到連接器的殼體中。當焊接連接器時，由于焊接熱量的影響會導致絕緣子變形甚至脫落。另外，電纜絕緣層受熱時也會發生膨脹，對于連接器絕緣子產生軸向推力，導致完成組裝后的連接器界面尺寸超差，從而影響組件的電氣性能。

2.2 電氣性能設計

射頻同軸連接器的選擇有多種型號，與其緊密聯系的參數是使用頻率，在使用中要根據使用頻段來選擇合適的連接器。射頻同軸連接器的上限頻率或截止頻率公式如下：

(1)

其中，fc表示連接器的上限頻率(GHz)，C0表示電磁波在真空中的傳播速度(mm/s)，D表示外導體內徑(mm)，d表示內導體外徑(mm)，εr表示絕緣介質的相對介電常數。[3]由此可見，通常情況下，隨著電纜組件使用工作頻率的升高連接器的設計尺寸相應隨之變小，選用的電纜也會越來越細。對于此方面，還應考慮的是駐波參數。通常連接器的設計與選擇、連接器與電纜的連接方式是否合適都會直接影響電壓駐波比。

2.3 制作工藝設備分析

根據相控陣雷達系統的整體性能指標要求，主要從射頻電纜組件的最高使用頻率、最高絕緣耐壓值、線徑的范圍以及長度等方面進行設備選型，具體見表1。

表1 射頻電纜組件性能指標

3 雷達射頻同軸電纜組件制作工藝設計

3.1 生產工藝流程設計

由于柔性、半柔性和半剛性雷達射頻同軸電纜組件生產加工的品種數目繁多，型號也不盡相同，工藝總要求步驟基本相同，生產工藝流程圖見圖3所示。在工藝分步驟中，工藝各控制點對于保證整個組件的質量性能都起到了重要的作用。任何一個環節的疏忽都會導致整個組件的性能達不到要求，進而導致整個系統的失效。自動切線精度要求比較高，這是控制電纜組件電長度的重要一環，可以有效地保證組件間相位的一致性。自動剝線步驟對于保證插針和內導體的同軸度以及電纜組件與連接器的匹配至關重要。自動倒角是保證線纜與插針之間緊密配合的關鍵點。電纜組件焊接過程中重要一點要防止虛焊，同時對于溫度和時間的控制要求很高，以免對駐波和插損影響較大。

圖3 生產工藝流程圖

3.2 制作工藝過程分析

在雷達射頻同軸電纜組件制作過程中，各分步驟加工過程工藝都具有各自不同的特點和技術要求，對于完成后的電纜組件性能都起著至關重要的作用。射頻電纜組件的性能主要取決于電纜與連接器間的裝聯技術和工藝水平。在裝聯過程中，內導體剝離和焊接、填充介質截面的處理、屏蔽層接地處理質量的高低等均影響電纜組件的特性。這些不僅與工裝水平、工藝技術、制作儀器設備還與制作者自身的技術水平密切相關。下面結合具體過程加以闡述。

3.2.1 電纜組件的切線

一般射頻同軸電纜的內導體為鍍銀銅線或鍍銀包鋼線，外導體通常采用鍍錫銅絲熱浸錫工藝，絕緣介質為PTFE。由于同軸電纜的接插件和絕緣介質分別為良導體和良絕緣體，因而線路損耗可忽略不計，其傳輸速度計算公式為

(2)

進一步可得波長計算公式：

(3)

式中，f為工作頻率；C為微波在真空中的傳播速度，相當于光速；μr為相對磁導率；εr為相對介電常數。

傳輸線上的相位公式：

(4)

式中，Δφ為相對相位，Δl為調節長度。由此可見，長度的變化是影響同批次間的射頻同軸電纜組件相位一致性指標的主要因素。

射頻電纜組件進行配相所采用的方法主要是通過機械長度來保證其電氣長度。電氣長度是組件相位的決定性因素。要使同批次多個電纜組件具有相對一致的相位，則必須使其具有一致的電氣長度。具體可分為兩種情況：

(1) 對于較短的電纜組件(長度≤1 m)，電纜內部介質不均勻性對電氣長度的影響不太明顯，通常可以忽略。對于這類組件進行配相所采用的方法主要就是直接通過保證機械長度來保證其電氣長度。這就要求所選用的落料設備達到精度要求，并且切口質量佳，各電纜間機械長度一致性高，從而為各電纜組件之間電長度的一致打好基礎，其具體要求達到何種程度還要根據使用的頻率和要求的相位寬度進行實際調整。

(2) 對于較長的電纜組件(長度>1 m)，由于介質的不均勻性對其影響較大，如果僅僅保證了一致的機械長度，在裝配后會發現其相位的離散性會非常嚴重，同時返修工作量和報廢量也會很大。在裝配過程中應采用矢量網絡分析儀測量其電長度作為輔助手段，通過裁剪后保證電長度的一致，再進行裝配。

3.2.2 電纜組件的剝線

射頻電纜組件的剝線環節在完成同軸連接器和電纜型號確認后進行，采用自動剝線機進行電纜外導體和內部絕緣層的去除，除了按照規定尺寸精度要求之外，必須保證切割端面的平整度以及內外導體和絕緣層之間的同軸度。在此環節，務必不能損傷電纜屏蔽層和芯線，以免影響電纜組件組裝完成后的電氣性能。

3.2.3 電纜組件的倒角

電纜完成切線和剝線步驟后，將芯線進行自動倒角，可保證芯線與探針之間的緊密配合，使其能全部進入探針內腔體，保證裝聯的同心度和可靠性。

3.2.4 電纜組件的焊接

在電纜組件的焊接過程中采用錫鉛釬料S-Sn63PbA釬焊技術，具有焊接處平整光滑，對焊件組織性能影響較小和焊接效果較好的特點。普通的電烙鐵無法在短時間內給焊接處提高足夠的熱量，過長的加熱會給絕緣介質帶來損傷和變形，影響組件裝配精度和性能參數，必須使用專業的電纜組件焊接機。在焊接時，除了保證焊接本身的質量外，連接器的高抗補償間隙是內導體焊接中重點考慮的問題。如果此間隙尺寸不能有效地控制將會導致電纜組件駐波增大的問題，在焊接中必須采用專用的隔片來保證此補償間隙的尺寸。焊接時間一般控制在2～3 s，完成后可以通過探針觀察孔判斷焊接質量，以及決定是否需要再次焊接。焊接完成后根據需要必須將殘留在探針表面多余錫料去除干凈，以免影響后續裝配。

4 雷達射頻同軸電纜組件制作過程性能參數檢測與制作工藝檢驗方法

4.1 制作過程性能參數檢測

雷達射頻同軸電纜組件以其低損耗、低駐波和相位穩定性滿足使用要求。檢測中將損耗、駐波和相位參數作為重點檢測項目。裝配過程中的電性能檢測主要包括以下幾個方面：

(1) 內導體焊接完成后，全批次進行絕緣性能檢測；

(2) 外導體一端焊接好后，進行相位調整，檢測相位；

(3) 外導體完全焊接裝配完成后，再次檢測絕緣電阻以及駐波、插損、相位和介質耐壓。

在必要情況下可在絕緣耐壓測試前進行電阻測量，如果電阻值差異較大，在排除其他原因的前提下就可認定為焊接質量出現問題，就要針對焊點進行返修。

使用矢量網絡分析儀進行電纜組件測試時，為了最大程度地消除儀器和校準對組件參數的影響，要求必須在同一臺儀器上一次性校準的前提下進行測試，同時選用與之對應的接插件型號進行校準，使測量值最大限度地接近真實值。

4.2 工藝檢驗方法

4.2.1 母件的選取

為保證雷達射頻同軸電纜組件批次間的一致性，必須進行電纜組件母件的制作和選取。確定電纜組件母件的方法是在首批次生產出的同型號電纜組件中選取長度在公差范圍內中位數附近的電纜組件，駐波和插損指標符合設計要求，并且相位一致性指標應小于設計標準的1/3。經技術性能確認后，電纜組件母件應在具備恒溫恒濕條件的干燥柜中存儲和保管，以備后續生產同型號電纜組件時使用。

4.2.2 批次參數控制

射頻電纜組件的批次檢驗測試參數主要包括電壓駐波比(VSWR)、插入損耗 、相位差、耐壓和絕緣電阻。裝配加工生產完成后的雷達射頻同軸電纜組件都必須分別對以上反映電纜組件整體性能的參數進行測試，檢測其能否達到設計規范標準和要求，特別是與射頻電纜組件母件之間相位差的測試尤其重要。這對于電纜組件的后續使用能否精確地傳輸電氣信號，以及對于整個信號系統能否提供可靠的技術性保障尤為關鍵。

4.2.3 電壓駐波比(VSWR)

電纜組件都有駐波要求，該項指標在相關文件規定的頻率范圍內進行測量時如果符合設計要求，說明電纜與連接器阻抗匹配較好，同時也確認了連接器的穩定性和可靠性。

4.2.4 插入損耗

在一個傳輸線系統中，通常都會提出整個系統的插入損耗的要求，若系統不止一個器件，則每一個器件也都有各自的插入損耗指標，因此測量射頻電纜的插入損耗是必須的。將其他電纜組件與選取的基準母件作比較，相互之間的插入損耗之差不超過設計要求的規定值，以保證批次間的一致性。

4.2.5 相位差

射頻電纜組件的相位與基準母件的相位之差不應超過設計要求的規定值。在電纜組件自身發生變化(如彎曲等機械形變、材料受熱膨脹和溫度變化引起參數漂移等情況)或所處環境發生變化時，組件之間相位變化不可避免。為了防止這種情況的發生，只能通過技術或工藝方法來減少這些影響，特別要重視對較長電纜組件的相位差測量并按質量規程處理。

4.2.6 耐壓和絕緣電阻

在射頻同軸連接器的中心接觸件和殼體之間根據設計文件施加相應的直流電壓(外導體為負電位)1 min以上，絕緣電阻測量值穩定達到設計規范即可。耐壓和絕緣電阻一般分別要求為>500 V和>1 000 MΩ，個別特殊要求需要分別達到>1 500 V和>5 000 MΩ。

5 結束語

眾所周知，高品質、高可靠性的產品不僅是設計出來的，而且是嚴格按照保證質量一致性、優良的工藝方法制造出來的。雷達射頻同軸電纜組件的生產和加工必須嚴格按工藝流程操作，同時針對每個環節必須要進行有效監督，特別是要有詳細的工藝要求及相應的檢測標準，才能保證組件產品的低駐波比、低損耗、相位穩定等方面的高質量性能要求。這樣才能有效地提高生產效率和確保產品質量的穩定性，也為后續更為廣泛的應用奠定良好的基礎。

[1] 胡樹豪. 實用射頻技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004.

[2] 王春江. 電線電纜手冊[M]. 北京:機械工業出版社，2005.

[3] 高建平. 電磁波工程基礎[M].西安:西北工業大學出版社，2008.

Discussion of technology of radar RF coaxial-cable assemblies

XIE Gang, SHEN Neng-jiao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN957.8

A

1009-0401(2017)03-0060-05

2017-06-15;

2017-07-07

謝剛(1973-)，男，工程師，研究方向：射頻同軸電纜工藝及檢驗；沈能蛟(1988-)，研究方向：射頻同軸電纜裝聯技術。