石鵬，宋陳娟，周大敏

（中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

射頻同軸連接器的主要功能是在電子系統(tǒng)、設(shè)備及元（部）件之間起機械連接和傳輸射頻信號的作用。作為武器裝備系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件，大功率射頻同軸連接器的可靠性直接決定了所在設(shè)備的可靠性和安全性，也直接反映了武器裝備的技術(shù)發(fā)展水平。

隨著整機設(shè)備逐漸向小型化、集成化、模塊化等方向發(fā)展的趨勢，受安裝空間及位置的限制，必要時須采用90o彎頭的射頻同軸連接器。這種90o彎頭連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大，尤其在需要傳輸大功率信號時，如何確保射頻同軸連接器在傳輸大功率信號時的穩(wěn)定性，保證整機設(shè)備的可靠性和安全性就顯得尤為重要。

本文通過對90o彎頭L29-J型射頻同軸連接器在功率耐受試驗中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進行分析，提出解決措施，同時通過功率試驗驗證，證明改進措施的可行性和有效性。

1 用戶需求、試驗過程及失效現(xiàn)象描述

1.1 用戶需求

如圖1所示，為配接某型號大功率射頻電纜的90o彎頭L29-J型射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，配接相應的大功率射頻電纜之后形成被測電纜組件如圖2所示。用戶提出的射頻同軸連接器基本需求為：工作頻段0.05～2GHz；功率耐受18000m，90℃，2000W@500MHz連續(xù)波；電壓駐波比≤1.15；插入損耗≤0.1dB；絕緣電阻≥5000MΩ；介質(zhì)耐電壓≥3000V（交流有效值）。

1.2 試驗過程及失效現(xiàn)象描述

首先將被測電纜組件接入功率測試系統(tǒng)中[1]，被測電纜組件在試驗箱內(nèi)連接方案如圖3所示，然后按試驗條件逐步進行功率試驗。

（1）試驗條件1：進行常溫常壓狀態(tài)下，2000W@500MHz連續(xù)波的功率試驗。當加載2000W@500MHz功率試驗進行30分鐘后，停止試驗。打開試驗箱對被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器進行觀察和檢測，被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器的外觀均正常。

對被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器進行常溫常壓條件下，介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻的測試。①介質(zhì)耐電壓測試結(jié)果顯示：被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器在3000V（交流有效值）條件下測試時，均通過測試；②絕緣電阻測試結(jié)果顯示：被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器均通過絕緣電阻≥5000MΩ的絕緣電阻測試。

（2）試驗條件2：進行18000m，2000W@500MHz連續(xù)波的功率試驗。當試驗箱在達到規(guī)定氣壓條件后，保壓2h，加載2000W@500MHz功率。當加載功率試驗進行10min左右時，功率源監(jiān)測出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，功率設(shè)備無法正常運行。排除功率源的原因后，打開試驗箱對被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器進行觀察和檢測，被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器的外觀均正常，界面連接處無打火、燒焦現(xiàn)象。

對被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器進行常溫常壓條件下，介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻的測試。①介質(zhì)耐電壓測試結(jié)果顯示：只有被測電纜組件在3000V（交流有效值）條件下測試時，未通過測試；②測絕緣電阻測試結(jié)果顯示：被測電纜組件、測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器均通過絕緣電阻≥5000MΩ的絕緣電阻測試。通過介質(zhì)耐壓和絕緣電阻的測試結(jié)果，可以排除測試電纜及測試轉(zhuǎn)接器的問題。

2 功率失效現(xiàn)象定位及分析

2.1 失效現(xiàn)象定位

射頻同軸連接器在進行大功率信號傳輸時，其發(fā)生功率耐受失效的主要原因有電擊穿和熱失效兩種。電擊穿是指連接器在工作時傳輸通道內(nèi)的工作電壓超過了介質(zhì)的耐電壓，從而發(fā)生電弧、閃絡(luò)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般會在峰值功率過載時出現(xiàn)。熱失效是指連接器在長時間工作時，由于能量在傳輸通道上的損耗造成了連接器的溫度上升，超過連接器中零部件所能承受的溫度從而發(fā)生形變，導致產(chǎn)品性能下降，并最終“燒毀”（內(nèi)導體熔斷、焊料熔化、絕緣介質(zhì)碳化等）的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般會在平均功率過載時出現(xiàn)。

為了確定被測電纜組件發(fā)生失效的具體位置，將L29-JW-XX型射頻同軸連接器外殼上的蓋板旋開，發(fā)現(xiàn)連接器外殼、蓋板及射頻電纜的絕緣介質(zhì)處，均發(fā)現(xiàn)有焦黑現(xiàn)象，如圖4所示。

通過觀察表明，被測電纜組件的功率失效位置發(fā)生在彎頭連接器內(nèi)部，被測組件失效現(xiàn)象為電擊穿，即連接器的工作電壓超過了介質(zhì)的耐電壓，從而發(fā)生電弧、閃絡(luò)的現(xiàn)象。

2.2 理論分析與仿真驗證

按照同軸線傳輸理論，在常溫常壓條件下射頻同軸連接器可以承受的最大峰值功率，可以用擊穿功率計算公式進行計算[2]：

式中：P為擊穿功率，εr為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)，D為外導體內(nèi)徑，d為內(nèi)導體外徑，Emax為絕緣介質(zhì)的最大擊穿電強度。

由于射頻同軸連接器所能承受的峰值功率隨著海拔高度的升高存在一定的降額，因此，在設(shè)計射頻同軸連接器時需要考慮海拔高度變化帶來的功率降額影響，傳輸功率隨海拔高度的降額如表1所示[3]。

表1 峰值功率隨海拔高度的降額

根據(jù)L29-JW-XX型射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)，我們在HFSS軟件中建立連接器傳輸通道的模型，仿真常溫常壓環(huán)境下的連接器加載2000W功率時的電場強度分布，如圖6（a）。根據(jù)仿真結(jié)果，此時連接器的電場強度最大值遠小于空氣的耐擊穿場強3×106V/m，可以保證產(chǎn)品在常溫常壓狀態(tài)下承受2000W@500MHz的功率條件。當設(shè)置端口功率為33.3kW時，仿真結(jié)果如圖6（b）所示，此時連接器的電場強度最大值為1.1×106V/m。參考帕申曲線中（如圖5所示），空氣擊穿場強Ub與氣壓P和平面間隙距離d的關(guān)系，在平面間隙一定的條件下，當氣壓為7.4kPa（海拔高度對應為18000m）時，空氣的擊穿場強約3.5×105V/m，參照同軸線傳輸功率隨海拔高度的降額設(shè)計經(jīng)驗，連接器所能承受的理論峰值功率小于2kW。

2.3 改進措施及驗證

針對峰值功率失效的現(xiàn)象及原因，提高射頻同軸連接器的耐峰值功率能力的常用方法主要包括：①增大內(nèi)外導體之間的直線距離，提升電擊穿場強；②增強絕緣介質(zhì)的耐電壓擊穿強度，提升電擊穿場強；③確保裝配過程中保持必要的潔凈度，避免污染。綜合考慮連接器的結(jié)構(gòu)及性能要求，我們采用增強絕緣介質(zhì)的耐電壓擊穿強度，提升電擊穿場強的方案，在L29-JW-XX型射頻同軸連接器的90o轉(zhuǎn)角處增加聚四氟乙烯介質(zhì)的包裹，如圖7(a)所示。同時在HFSS軟件中建模，進行電場強度的仿真。

根據(jù)仿真結(jié)果圖7（b）所示，此時連接器的電場強度最大值為1.4×106V/m，由于增加了聚四氟乙烯材料，其擊穿場強約為8.7×107V/m[4]，使得連接器的耐擊穿場強增大，增加了產(chǎn)品的耐峰值功率強度。

根據(jù)分析結(jié)果，對裝配電纜組件進行測試驗證，其電性能測試結(jié)果如圖8（a）所示，滿足用戶提出的使用要求，并按照同樣的試驗條件1及試驗條件2，進行功率試驗驗證。試驗過程中，被測組件未出現(xiàn)飛弧、燒焦和擊穿的現(xiàn)象，試驗后被測電纜組件產(chǎn)品電性能測試也滿足用戶需求，如圖8（b）所示。通過增加聚四氟乙烯絕緣子包裹的90o彎頭結(jié)構(gòu)進行耐功率試驗[5]。

3 結(jié)語

通過對90o彎頭L29-J型射頻同軸連接器進行設(shè)計結(jié)構(gòu)改進，使產(chǎn)品滿足低氣壓大功率、高溫低氣壓功率試驗等要求，提升了產(chǎn)品的耐功率性能及可靠性。由于大功率90o彎頭連接器在整機設(shè)備中使用頻次較高，其耐功率能力決定了整機設(shè)備的輸出功率，因此，提升其耐功率能力具有重要意義。