一種小型射頻穩相半剛電纜組件的設計

沙 奔，馮永芳

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

目前，隨著通信事業的發展，射頻電纜組件在音頻、視頻領域和微波系統中起著重要的作用，尤其射頻半剛電纜組件以其優越的電氣性能、環境適應性及機械結構可靠性，被廣泛的應用于各個領域中。本文提出的小型射頻穩相半剛電纜組件，是按照用戶要求開發的一款集成兩路射頻信號為一體的高性能射頻穩相半剛電纜組件。

2 研制過程

(一)技術指標

該射頻穩相半剛電纜組件的主要技術指標見表1。

表1 技術指標

(二)結構設計

電纜的選用及連接方式：

依據產品的主要技術指標，選用型號為UT-085C-LL的2#半剛穩相電纜，該電纜的機械結構如表2所示。

表2 UT-085CC-LL電纜結構

該產品的技術指標中對重量和衰減有較高要求，而電纜的這兩項指標往往對整個產品的重量和衰減起到決定性作用，所以需要對其進行考慮，UT-085C-LL電纜的技術指標如表3所示。

表3 UT-085C-LL電纜技術指標

UT-085C-LL電纜外導體和中心導體材料均為銅合金，絕緣體為聚四氟乙烯，采用繞包方式填充，決定了其外導體和中心導體與連接器連接方式只能采用焊接形式。中心連接器設計：

依據產品的外形尺寸圖，確定中心連接器的結構如圖1所示，左右兩側連接器對接端面均采用SMP系列產品插座半限位結構(嚙合力≤9N，分離力≥2.2N)。

該產品設計過程中所使用的材料及其重量如表4所示。

表4 中心連接器材料及重量

該電纜組件中電纜的使用長度僅為21.1mm，從工藝角度很難完成要求的彎曲結構，只能從連接器的結構設計入手來確保電纜斜出線，經過多次結構設計分析后，采用圖1所示的外導體裝線孔傾斜的設計方式實現電纜的傾斜出線，且該設計結構能夠加工實現。

圖1 中心連接器及外導體裝線孔斜開結構圖

兩側連接器設計：

依據產品的外形尺寸圖，確定兩側連接器的結構如圖2所示，對接端采用彈性插針結構。

圖2 兩側連接器外形結構圖

該產品設計過程中所使用的材料及其重量如表5所示。

表5 兩側連接器材料及重量

依據使用要求，兩端連接器對接端采用彈性插針結構(如圖3(a)所示)，該插針與φ1.0的標準試驗剛性插孔測分離力，分離力應為0.5N～1.5N；依據產品結構要求，兩側連接器的裝線孔同樣采用傾斜設計的方式，如圖3(b)所示。

(a)彈性插針結構圖

(b) 兩側連接器外導體裝線孔斜開結構圖圖3 彈性插針及斜開結構圖

根據上述數據可理論上計算出整套電纜組件的總重量為(21.1mm×2.09kg/100m)+0.824g+0.742g=2.0g<4g，電纜組件的重量理論上技術指標要求。

(三)性能仿真

考慮到該小型半剛電纜組件結構的復雜性，在連接器設計時，通過仿真對整套電纜組件建立模型，并設置端口、邊界條件、網格剖分、計算精度以及頻率范圍等參數。通過仿真將影響電纜組件電壓駐波比的幾個關鍵尺寸一一進行優化，如圖4所示。

圖4 仿真模型及結果

可以看出在頻段8GHz～10GHz范圍內，電壓駐波比VSWR≤1.045，理論上滿足技術要求，因此確定整套電纜組件的結構如圖5所示。

圖5 電纜組件結構圖

3 工藝控制

由于電纜組件中間及兩側所使用連接器尾部蓋板均采用與外導體過盈配合的裝配方式，在劇烈振動或惡劣環境條件下存在脫出的風險，因此壓配蓋板后需要從工藝角度增強蓋板與外導體之間配合的可靠性。本項目的電纜組件在壓配連接器蓋板后，在制作工序上增加搪錫要求。

圖6 蓋板與外導體配合處搪錫處理

由于用戶對電纜組件的空間結構尺寸具有較高的要求，而在焊接電纜過程中的隨意性較大，無法確保電纜組件的空間結構尺寸。因此，我們根據電纜組件的應用方式、結構形式和空間位置的要求，在保證下線一致性的基礎上，設計了電纜組件焊接定位工裝和模擬安裝夾具。在焊接過程，為了保證電纜組件的空間結構，每道工序都采用專用焊接定位工裝，并經過嚴格檢驗，再轉入下道工序；在焊接完成后，還需用模擬安裝夾具進行電纜組件安裝，以確保其空間結構尺寸能夠滿足使用要求。

由于客戶對電纜組件相位一致性具有要求，在調整好單端相位一致性的情況下，半剛電纜的剝線尺寸控制就十分重要，它將直接影響到射頻電纜組件的最終相位。頻率在10.4GHz的時候，UT-085C-LL電纜單端口相位1°對應的長度為0.07mm(由下式計算可得)。

其中，λ——波長；

c——光速，其值為3×108m/s；

f——頻率，單位為GHz；

ε——絕緣介質的相對介電常數；

l——每度對應的機械長度，單位為mm。

因此，相等長度的電纜，剝線尺寸稍有超差，就會導致相位超出范圍。本項目中電纜組件在制作時，使用專用工裝進行定位、剝線，然后焊接電纜芯線，測量電纜組件性能，當性能滿足技術要求后，再進行外導體焊接。

因此，相等長度的電纜，剝線尺寸稍有超差，就會導致相位超出范圍。本項目中電纜組件在制作時，使用專用工裝進行定位、剝線，然后焊接電纜芯線，測量電纜組件性能，當性能滿足技術要求后，再進行外導體焊接。

4 產品性能測試及結構驗證

(一)性能測試

利用網絡分析儀對該半剛電纜組件的相位、駐波和插入損耗進行測量，測量數據如表6所示，測試結果均在技術要求范圍之內。

表6 產品性能測試數據

對上述進行測試的電纜組件重量進行測試，結果其重量均≤2.7g<4g，不但滿足要求，而且遠遠低于指標要求的重量指標。

(二)結構驗證

為了確定電纜組件設計結構的可靠性、高低溫環境下性能的穩定性及耐腐蝕形，對該電纜組件分別進行了高頻振動試驗、溫度沖擊試驗、鹽霧試驗。

按GJB360B-2009方法204的條件B規定對電纜組件進行高頻振動試驗。在三個互相垂直的方向上進行掃描，每個方向掃頻3次，每次掃頻時間10分鐘。試驗時組件一端連接器內、外導體之間施加不小于100mA的恒流源，另一端連接器接入能檢測出電流中斷時間間隔為1μs或優于1μs的檢測儀(例如瞬時中斷檢測儀)，監視試驗過程中受試組件內導體和外導體的電氣連續性。試驗過程中未發現內外導體超過1μs的電氣中斷，無外觀或機械損傷現象，符合試驗要求。

按GJB360B-2009方法107的條件B規定進行試驗，試驗溫度為-55℃～+125℃，極限溫度下各保持0.25h，循環次數5次。試驗后將電纜組件恢復至環境溫度，產品的外觀無損傷，電性能及機械性能符合技術要求。

按GJB360B-2009方法101的條件B(48h)規定進行試驗。暴露后，應按GJB360A-1996方法101的規定將組件進行沖洗晃動，并輕輕刷擦，允許電纜組件在40℃的條件下干燥24h。然后檢查電纜組件的表面及兩端的連接器界面是否有腐蝕、斑點現象。試驗后，電纜組件無腐蝕、斑點現象，符合試驗要求。

通過上述試驗確定了該小型半剛射頻穩相電纜組件結構可靠、性能穩定、環境適應性強，可使用于各種高可靠性微波設備中。

5 結論

本文介紹了一款小型半剛射頻穩相電纜組件的設計過程、結構特征，通過對實物進行產品性能測試和結構驗證，證明了該電纜組件設計方法的正確性；其次，文中提出了該電纜組件制作過程中的工藝關鍵點及其控制措施，指出了射頻電纜組件的結構及性能不僅僅是設計的問題，還需要工藝來保證。本文設計的小型半剛射頻穩相電纜組件性能和可靠性滿足技術要求，且經使用，效果良好。