航天用射頻同軸連接器質量保證及總規范研究

易曉東 李勝超 李建強 朱寶英

（1 中國航天標準化與產品保證研究院， 北京， 100071；2 鄭州航天電子技術有限公司， 鄭州， 450066）

引言

射頻同軸連接器作為微波系統信號傳輸的重要元器件， 被廣泛應用于航天型號。 隨著航天技術不斷發展， 航天用射頻同軸連接器也逐步向高性能、 集成化、 微型化的趨勢發展， 其產品設計、 結構、 工藝和生產過程控制等各個環節都直接關系到航天型號的質量和可靠性。 目前航天用射頻同軸連接器總規范以參考現有的國軍標為主， 缺乏對宇航特殊環境適應性要求的考核， 以及根據宇航級產品質量保證等級設置相應質量保證規定的考慮。

本文從國內外航天用射頻同軸連接器質量保證現狀、 產品特點、 主要失效模式及失效機理、質量保證及總規范設計等4 個方面進行研究， 提出科學適用的產品總規范及質量保證要求。

1 國內外射頻同軸連接器質量保證規范

射頻同軸連接器是航天器中重要電子元器件之一， 對可靠性要求極高， 國外一直非常重視航天用射頻同軸連接器的研究。 如美國MCC、 法國RADIALL 等公司都已相繼推出了具有良好空間適應性的高可靠射頻同軸連接器及電纜組件。其質量可靠性高， 特別是抗輻照、 微放電及熱真空釋氣等空間適應性均符合要求， 產品設計、 生產、 質量保證、 應用等各個環節都較為成熟。1964 年， 美軍標發布了MIL-C-39012 《射頻同軸連接器總規范》， 1982 年修訂為MIL-C-39012C。 歐空局同樣發布了航天用射頻同軸連接器及電纜組件的通用規范ESCC 3402。 其他如民用標準IEC 169 系列射頻連接器標準則為指導性標準， 屬于非強制性標準， 很少被直接引用。

經過多年努力， 國內研制射頻同軸連接器的整體水平與國外差距逐漸縮小， 但高精密產品與國外仍有一定差距。 目前國內具備航天型號用射頻同軸連接器及電纜組件研制能力的生產廠， 研制以N、 BNC、 TNC、 SMA、 SMP、 SSMA 等系列為主的射頻同軸連接器。 1989 年， 國家軍用標準 《射頻同軸連接器總規范》 發布， 2002 年，《射頻同軸連接器通用規范》 經修訂發布， 但該規范基本上參考美軍標MIL-C-39012C， 且適用范圍主要是針對可靠性相對較低的普通軍用射頻同軸連接器。 2003 年， 國家軍用標準 《柔軟和半硬電纜用高可靠射頻同軸連接器通用規范》 發布， 在規范中增加了熱真空釋氣、 可燃性等部分宇航元器件的考核要求， 但仍然缺乏系統性和全面性， 2011 年該規范修訂后發布為 《高可靠射頻同軸連接器通用規范》。 目前國內還沒有制定專門的宇航級射頻同軸連接器總規范標準， 雖根據用戶需求制定了部分航天用產品詳細規范， 但仍然以參照 《射頻同軸連接器通用規范》 或 《高可靠射頻同軸連接器通用規范》 為主， 在宇航特殊環境適應性考核及宇航級產品質量保證等方面存在不足， 從而影響宇航系統的整體可靠性和安全性。

2 產品特點分析

射頻同軸連接器按連接方式可分為卡口式（內卡口、 外卡口）、 螺紋式 （右旋螺紋、 左旋螺紋）、 推入式 （直插式、 帶止動式、 自鎖式） 和法蘭連接式； 按尺寸大小可分為標準型 （N、 QN等）、 小型 （BNC、 TNC 等）、 超小型 （SMA、SMB、 SMC、 MCX、 BMA、 SAA 等） 和微型（SSMA、 SSMB、 MMCX 等）。 射頻同軸連接器主要用于微波系統信號傳輸， 其產品最高工作頻率及主要特點見表1。

表1 射頻同軸連接器最高工作頻率及主要特點

射頻同軸連接器的結構主要分為界面、 主體和后端口， 如圖1 所示。 界面是指連接器之間連接互換的部分， 由國際標準或國家軍用標準規定， 關系到連接的通用性、 可靠性和機械、 電氣指標； 主體是指連接器結構與安裝等用戶輔助功能部分， 關系到連接的實用性、 可靠性和電氣指標； 后端口是指連接器與被傳輸線的匹配部分，關系到連接的實用性、 可靠性和電氣指標。

圖1 射頻同軸連接器結構示意圖

3 主要失效模式及失效機理分析

結合航天用射頻同軸連接器在航天型號的使用履歷， 其主要失效模式表現為連接失效、 反射失效、 電接觸失效、 污染失效等。 連接失效的原因可能包括插頭插座配對失誤、 連接螺母脫落、內導體松動或脫落及鎖緊機構脫落等； 反射失效的原因可能包括反射增大， 如外界環境溫度劇烈變化， 介質伸出或縮進量超出規定值導致反射增大， 以及開路、 短路等； 電接觸失效的原因可能包括插針插孔不接觸、 內導體表面磨損、 鍍層起皮脫落或氧化存在多余物、 插針插孔超差接觸不良等情況； 污染失效的原因可能包括介質老化、介質內含有雜質以及裝配時零件存在多余物， 或金屬毛刺尖角嵌入絕緣體以及絕緣子開裂等。 上述幾種常見的失效模式并不是孤立的， 相互間常常是有密切聯系的。 以電接觸失效為例， 若插針插孔間不接觸或接觸不良， 不僅接觸電阻激增，同時也可能導致反射失效。 同樣， 連接失效， 也將導致反射失效。 所以， 任一種失效都可能導致整個連接器的失效[1]。

典型失效案例分析 （某TNC 插頭連接器連接螺母脫落問題）： 某TNC 插頭連接器在航天產品裝配時， 在力矩扳手擰緊連接螺母的過程中， 連接螺母從殼體上脫落， 導致連接器失效。 通過對失效的連接器進行失效分析， 問題定位在連接螺母卡簧槽加工時個別零件尺寸超差， 卡簧槽口部倒角過大引起， 如圖2 所示。 該卡簧槽為內槽孔尺寸， 零件加工完成后不可直觀檢測， 屬于難檢尺寸， 且在初始編制零件加工工藝時， 未識別出該風險點。 作為對比， 合格連接螺母卡簧槽剖切圖如圖3 所示。

圖2 失效連接螺母卡簧槽剖切圖

圖3 合格連接螺母卡簧槽剖切圖

4 質量保證及總規范設計

4.1 架構設計

對射頻同軸連接器的主要失效模式及機理分析后可以看出， 盡管失效模式很多， 但從失效機理歸納起來不外乎設計缺陷、 制造缺陷或使用不當所致， 所以提高連接器可靠性應嚴格控制連接器的原材料選用、 結構設計、 生產制造、 質量檢驗、 產品使用等各個環節。

航天用射頻同軸連接器總規范主要從以上幾個方面進行設計， 在架構上， 正文分為6 章， 第1章為范圍； 第2 章為引用文件； 第3 章為一般要求，包括生產線認證和產品鑒定、 產品控制與要求、材料及表面處理要求、 設計和結構要求、 電性能、機械性能、 環境適應性、 產品評估等； 第4 章為質量保證規定， 包括承制方篩選、 鑒定檢驗、 質量一致性檢驗、 使用方監制驗收和補充篩選等；第5 章為交貨準備； 第6 章為說明事項。

4.2 質量保證設計

連接器結構設計與工藝水平直接影響產品質量和可靠性， 雖然質量檢驗是產品最終使用可靠性的有力攔截性保障[2]， 但是檢驗不是目的，只是手段， 最終還是要嚴格過程控制管理， 建立過程確認文件 （PID）， 做好射頻同軸連接器關鍵重要環節點的識別、 確認以及質量管控措施。 此外， 隨著連接件從仿制向正向研制發展， 設計師十分關注國產連接器在實際應用環境中的功能性能、 環境適應性以及型號裝機應用， 以下主要從質量檢驗考核試驗項目、 生產過程控制、 產品評估、 產品應用等4 個方面進行研究。

4.2.1 質量檢驗考核試驗項目

航天用射頻同軸連接器的質量檢驗考核試驗項目主要針對連接器功能性能、 可靠性、 環境適應性進行設計， 設置標準判據， 確定連接器是否滿足標準規范要求。

功能性能測試包括連接器電性能和機械性能的全參數測試。 電性能測試項目一般包括介質耐電壓、 絕緣電阻、 接觸電阻、 電壓駐波比、 射頻插入損耗、 屏蔽效果、 耐射頻高電位電壓等； 機械性能測試項目一般包括嚙合力和分離力、 插合特性、 中心接觸件的固定性、 連接器的耐久性、連接機構的耐力矩、 連接機構保持力、 安全絲孔強度等。

正常高水位加風浪和地震超高計算得防浪墻頂高位539.61 m，設計洪水位和校核洪水時計算的防浪墻頂高程分別為539.6 m和541.14 m。結果表明，校核洪水位工況為壩頂高程的控制工況。防浪墻頂高程為541.2 m，工程防洪能力滿足規范要求。

環境適應性考核應包括連接器在溫度、 力學、 鹽霧、 霉菌以及真空、 輻照等空間特殊環境下的適應性考核。 考核項目一般包括溫度沖擊、耐濕、 高頻振動、 隨機振動、 沖擊 （規定脈沖）、電暈電平、 鹽霧 （腐蝕）、 防霉、 熱真空釋氣（非金屬材料）、 可燃性 （非金屬材料）、 氣味（非金屬材料）、 毒性 （非金屬材料）、 真空放電、 微放電、 耐輻照等。

可靠性考核是在功能性能測試和環境適應性考核之外， 針對連接器的結構／工藝／材料等進行考核。 考核項目一般包括外觀及機械檢查、 氣密封 （僅對氣密封連接器）、 漏泄 （僅對充氣或耐氣候密封連接器）、 非磁性材料的導磁率、 鍍層質量、 制樣鏡檢 （僅對密封／焊接型／環氧灌封產品）、 X 射線檢查 （僅對密封／焊接型產品）、 破壞性物理分析 （DPA） 等。

4.2.2 生產過程控制

a） 過程識別文件 （PID）

PID 是對產品生產過程控制提出具體要求的文件， 由承制方完成并征得使用方認可。 PID 是對連接器的生產、 試驗和檢驗程序等與生產相關的所有細節進行確認。 通過建立全過程的PID 體系， 可以使得連接器生產具有個體一致性、 批次穩定性和全程可追溯性， 以確定通過鑒定合格的連接器建立一個準確基準， 使后繼生產的產品狀態與通過鑒定批產品的狀態一致， 作為產品內在品質的保證。 所有與連接器生產過程有關的步驟或過程 （應細到不可再分） 都應在PID 中體現。

PID 一般包括： 生產流程； 生產流程中各工序的依據性規范； 所有的檢驗要求； 產品結構的詳細說明， 應附圖； 試驗程序和方法； 關鍵原材料控制方法； 承制方組織結構。

b） 生產工藝控制

c） 關鍵重要環節點識別及控制

射頻同軸連接器研制生產過程中， 應對關鍵工序及特殊工序進行識別確認， 在生產中對過程控制嚴格按照相關要求執行。 針對射頻同軸連接器的結構特點、 功能形式、 失效模式， 一般設定內導體的加工為關鍵工序， 嚴格控制零件尺寸；設定表面處理、 熱處理、 塑壓、 玻璃封結、 環氧灌封等特殊工序為關鍵工序。 除此之外， 生產廠應根據產品結構特點、 并結合本單位的工藝能力保證情況， 將產品存在的失效風險點、 合格率低的工序同樣設置為關鍵工序， 建立核心要素清單， 進行風險管理。

4.2.3 產品評估

在國產連接器應用特別是替代進口產品的過程中， 設計師十分關注連接器在實際應用環境中的功能性能和環境適應性， 所以結合型號實際應用環境條件對連接器進行評估十分重要。 目前航天用射頻同軸連接器評估主要包括連接器功能性能分析、 結構分析和極限試驗。

a） 功能性能分析。 針對連接器的全性能參數進行測試分析， 分析不同條件下 （允許工作條件） 的測試及結果分析， 如全溫度條件下射頻插入損耗的測試特性曲線、 不同配合傾斜條件下射頻插入損耗的測試特性曲線等。

b） 結構分析。 按相關標準規定進行結構分析， 以查明設計和結構工藝、 所用材料、 固有可靠性狀況、 工藝質量和潛在危險。 如存在宇航禁用的結構、 工藝或設計， 則連接器不可用。

c） 極限試驗。 按相關標準規定開展極限試驗。 一般采用高加速應力和持續應力的方法， 通過連接器在熱、 力、 電等應力作用下特性的變化， 分析連接器應用中所關注的相關功能、 性能和可靠性與規范之間要求的裕度和余量， 以及在設計、 材料或工藝方面的潛在缺陷， 綜合評價連接器極限能力。 試驗項目應包括電應力、 溫度應力、 機械應力等。 某SMP 系列射頻同軸連接器極限評估試驗項目見表2。

表2 某SMP 系列射頻同軸連接器極限評估試驗項目

4.2.4 產品應用

連接器的正確使用直接關系到產品的可靠性， 即使一個高可靠性的航天用射頻同軸連接器， 由于選型錯誤、 使用不當或超過其額定的承受能力， 同樣會變成 “不可靠”。 因此產品總規范還應針對連接器選型和適配、 安裝和操作要求、 產品典型應用、 使用注意事項等進行說明。

5 小結

本文通過調研國內外射頻同軸連接器總規范現狀， 分析連接器主要特點和主要失效模式及機理， 在此基礎上對航天用射頻同軸連接器總規范架構及質量保證進行了研究， 并重點圍繞質量檢驗考核試驗項目、 生產過程控制、 產品評估及產品應用等進行研究， 明確質量保證要求， 為航天用射頻同軸連接器質量保證及總規范制定提供了重要技術基礎。