宇航用射頻連接器可靠性分析

黃森，李亞南

（蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇 蘇州 215004）

近年來，隨著我國航天事業的快速發展，射頻連接器越來越廣泛地應用在系統間的射頻信號的傳輸，它的可靠性直接影響或決定著整機或者系統的可靠性。射頻連接器的可靠性取決于材料選擇、結構設計、生產加工過程工藝控制、檢測技術等。在設計階段，充分考慮影響因素并采取措施，可以有效提高產品的固有可靠性和使用可靠性。

1 宇航用射頻連接器可靠性要求

宇航用射頻連接器的可靠性要求主要來源于GJB5021《高可靠射頻連接器通用規范》以及整機設備環境的具體使用要求。

1.1 GJB5021 規定的可靠性要求

GJB5021 標準規定的可靠性要求分為常規電氣性能和宇航環境要求。常規性能主要包括頻率范圍、電壓駐波比、射頻插入損耗、屏蔽效果、介質耐電壓、電暈電平、接觸電阻等電氣性能，中心接觸件的固定性、嚙合力和分離力、連接器的耐久性、連接器的耐力矩、連接機構保持力、電纜保持力、安全絲孔強度等機械性能以及工作溫度、耐鹽霧、可焊性等其他性能。宇航常規環境要求主要有真空放電、微放電、熱真空釋氣、可燃性、氣味、毒氣和耐輻照等要求。

1.2 整機設備可靠性要求

整機設備對元器件提出的可靠性要求主要有元器件評估和應用驗證，其中元器件評估包括結構分析、功能性分析、極限能力分析，以評估產品的可靠性。

1.2.1 元器件評估

（1）結構分析。結構分析是通過一系列破壞性和非破壞性檢驗、分析和試驗，對連接器進行結構分析，對其設計、工藝和材料等滿足評價要求和相關宇航應用要求的能力進行確認。結構分析是產品可靠性的一個關鍵和前提，通過結構分析能夠基本判斷一個產品的可靠性水平，在此基礎上進行一系列的試驗予以確認。

（2）功能性分析。功能性分析一般包括結構尺寸，電性能，機械性能。

①結構尺寸。結構尺寸包含連接器的外形尺寸和界面尺寸，界面尺寸必須滿足GJB 5246 的規定。

②電性能。電性能包括常溫常壓電性能和全溫度范圍電性能。常溫常壓電性能按照GJB5021 相關測試標準測試即可。全溫度范圍電性能的溫度點一般有-65℃、-40℃、-20℃、0℃、40℃、60℃、80℃、100℃和125℃等。通過全溫度范圍的電性能測試和分析，可以得出產品在整個溫度區間使用時，電性能的變化規律。全溫度范圍的性能分析是驗證產品在整個使用溫度區間能否正常工作以及產品可靠性的重要手段。

③機械性能。一般針對電纜連接器會有電纜保持力的測試，測試后測量常溫常壓下電纜組件的介質耐電壓、絕緣電阻、電壓駐波比和插入損耗等。

（3）極限能力分析。極限能力分析主要為了考核再各種極限情況下連接器的失效情況。極限能力越高，產品的冗余度就越高，可靠性就越高。極限能力主要包括電應力工作極限、溫度應力極限、機械應力極限、鍍層質量極限和壽命考核強化試驗。這些實驗均為在正常的標準要求的基礎上繼續增加要求，直到產品失效或者達到一定程度（設備極限等）。

1.2.2 應用驗證

應用驗證主要針對連接器在宇航空間使用的復雜性和嚴酷性，需要結合空間環境的實際要求，對產品進行裝接工藝適應性驗證，以確定外界的溫度應力、機械應力對連接器的功能和性能的影響。主要溫度環境試驗有熱循環，機械性能試驗有正弦振動、隨機振動和沖擊試驗，具體的試驗參數應按照實際空間使用的環境給出，以做出針對性的驗證。

3 連接器的可靠性設計

針對宇航環境的高可靠性要求，連接器的設計應主要從材料選用和結構設計兩方面進行。

3.1 材料選擇

宇航材料的選擇應滿足零件功能要求、質量輕、耐環境、滿足特殊要求、高壽命、良好的工藝成型能力等。材料選擇主要參考GJB5021 中表1 關鍵殼件和中心接觸件材料和表面處理要求，并結合連接器的具體要求來確定。

（1）接觸件材料選擇。接觸件主要指內導體，內導體包括插針和插孔。為了使產品具有更高的可靠性要求，一般應選用鈹青銅作為接觸件的材料。鈹青銅接觸件承受高應力時能無屈服變形或斷裂，維持長期的高應力狀態而不松弛，在有限的空間內能提供最大的力，并且具有高的導電率和熱導率、優良的抗腐蝕性和良好的工藝性能。

（2）殼體材料選擇。殼體主要包括連接螺套，外導體，焊接套筒，連接螺母等。殼體材料應保證低滲透性，能阻止在材料中形成磁場。根據GJB5021 表1 要求，一般優選不銹鋼和銅合金材料，不銹鋼具有更高的機械強度。螺套和外導體因為要進行界面對接，至少要滿足500 次嚙合和分離要求，選用不銹鋼可以具有更高的機械強度。焊接套筒用于固定電纜，必須具有良好的焊接性能，一般表面處理會鍍金，而銅合金表面鍍金會具有良好的結合力和可焊性，選用鈹青銅材料。連接螺母起固定作用，需要一定的固定力矩進行擰緊，選用不銹鋼材料。

（3）非金屬材料。非金屬材料包括介質體，補償介質，密封圈，除了應滿足常規電氣和機械要求，還應滿足宇航環境要求（熱真空釋氣、氣味和毒氣、可燃性）。介質體和補償介質均為射頻傳輸系統的一部分，均采用射頻常用的聚四氟乙烯材料。聚四氟乙烯具有優良的電氣性能、熱穩定性和不易燃性，滿足宇航環境要求。密封圈起到界面密封的作用，一般選用硅橡膠材料，硅橡膠材料具有優良的熱和化學穩定性，且在極寬的溫度范圍內具有高而較恒定的柔軟性。

（4）鍍層材料。宇航用連接器的殼體、接觸件等零件，為保證常閉合狀態下低電平電路接觸件能可靠工作，對表面均需進行電鍍。不銹鋼材料采用鈍化方式進行表面處理，使表面形成一層保護膜，以提高零件的抗鹽霧能力。銅合金材料一般采用鎳打底，然后，以鍍金的方式進行表面處理。

3.2 連接器的結構設計

連接器的可靠性結構設計應分為三部分：連接器界面設計、螺套與外導體的連接和連接器與電纜的連接。

（1）連接器界面設計。連接器界面首先應滿足GJB5246的界面尺寸要求，保證能夠與同類產品互換。因GJB5246 的界面尺寸要求為通用要求，真正進行設計時，應根據產品的特點來進一步明確部分細節，如關鍵尺寸的公差、插孔的開槽方式等，這些細節往往決定連接器對接是否順暢，是否能夠滿足嚙合力和分離力的要求，甚至影響使用壽命。

（2）螺套與外導體的連接。宇航用連接器一般以螺紋連接器為主，如TNC 和SMA 系列，螺紋連接器一般為螺套通過卡圈與殼體進行連接，螺套能夠旋轉自如。按照標準規定，螺套有三種力矩，按照力矩從小到大依次是嚙合力和分離力、擰緊力矩、耐力矩。為了提高產品的可靠性，還應驗證產品的極限力矩，并應有一定的余量。

（3）連接器與電纜的連接。射頻連接器的內導體與電纜芯線一般有三種連接方式：壓接、彈性插入式和焊接。壓接是在內導體壓接區域施加機械壓力，使其局部發生塑性形變，使電纜芯線被緊密、牢固的固定在內導體壓接孔內。壓接是快速而且可靠的固定方法，但電氣性能有所降低。插入式是一種不牢靠卻快速的固定方式，適合于可重復性電氣性能情況下及電纜芯線外徑較大時。與其他方法相比，這種接觸方法不受高溫影響，且幾乎不受位移影響。三種連接方式以焊接的可靠性最高，一旦焊接完成，性能非常穩定且能夠承受較殘酷的機械和溫度環境，因此，一般優選焊接方式用于內導體和電纜芯線的連接。同樣，外導體與電纜屏蔽層的連接也應用焊接方式進行。

4 連接器的可靠性使用

連接器如果不正確使用，即使一個可靠性高的產品，同樣會變成不可靠。連接器使用時，應首先了解連接器的機械使用要求，電氣使用要求和環境使用要求。機械使用要求主要包括連接器插合和使用過程中的機械環境要求。螺紋連接器插合過程應注意插合力和力矩的大小。產品應在所能承受的機械環境范圍內工作，如振動、沖擊、離心等環境規定的范圍內。電氣使用要求主要包括產品在規定使用頻率下的電壓駐波比、插入損耗、相位等要求的范圍內使用，以及在規定的功率范圍內，絕緣耐壓范圍內使用。環境使用要求主要是要滿足規定的溫度，以及宇航環境的要求，長時間通電的壽命要求。正常合理地使用一個連接器，才能避免產品在使用過程中一些明顯的損傷，并且也會減少一些潛在的隱患。對于宇航連接器的使用，可以編制使用說明書或者應用指南予以明確，以減少不當使用。

5 結語

綜上所述，宇航用射頻連接器所有要求均緊緊圍繞高可靠的要求。為了滿足高可靠的要求，必須從連接器的材料、結構和使用過程均選擇最優的方案，避免潛在的隱患。