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(yè)的發(fā)展，射頻電纜組件在音頻、視頻領(lǐng)域和微波系統(tǒng)中起著重要的作用，尤其射頻半剛電纜組件以其優(yōu)越的電氣性能、環(huán)境適應(yīng)性及機械結(jié)構(gòu)可靠性，被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。本文提出的小型射頻穩(wěn)相半剛電纜組件，是按照用戶要求開發(fā)的一款集成兩路射頻信號為一體的高性能射頻穩(wěn)相半剛電纜組件。

2 研制過程

(一)技術(shù)指標(biāo)

該射頻穩(wěn)相半剛電纜組件的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

(二)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜的選用及連接方式：

依據(jù)產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)，選用型號為UT-085C-LL的2#半剛穩(wěn)相電纜，該電纜的機械結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 UT-085CC-LL電纜結(jié)構(gòu)

該產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)中對重量和衰減有較高要求，而電纜的這兩項指標(biāo)往往對整個產(chǎn)品的重量和衰減起到?jīng)Q定性作用，所以需要對其進(jìn)行考慮，UT-085C-LL電纜的技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 UT-085C-LL電纜技術(shù)指標(biāo)

UT-085C-LL電纜外導(dǎo)體和中心導(dǎo)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(dǎo)體和中心導(dǎo)體與連接器連接方式只能采用焊接形式。中心連接器設(shè)計：

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

該產(chǎn)品設(shè)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(jié)構(gòu)，只能從連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手來確保電纜斜出線，經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)設(shè)計分析后，采用圖1所示的外導(dǎo)體裝線孔傾斜的設(shè)計方式實現(xiàn)電纜的傾斜出線，且該設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠加工實現(xiàn)。

圖1 中心連接器及外導(dǎo)體裝線孔斜開結(jié)構(gòu)圖

兩側(cè)連接器設(shè)計：

依據(jù)產(chǎn)品的外形尺寸圖，確定兩側(cè)連接器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，對接端采用彈性插針結(jié)構(gòu)。

圖2 兩側(cè)連接器外形結(jié)構(gòu)圖

該產(chǎn)品設(shè)計過程中所使用的材料及其重量如表5所示。

表5 兩側(cè)連接器材料及重量

依據(jù)使用要求，兩端連接器對接端采用彈性插針結(jié)構(gòu)(如圖3(a)所示)，該插針與φ1.0的標(biāo)準(zhǔn)試驗剛性插孔測分離力，分離力應(yīng)為0.5N～1.5N；依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求，兩側(cè)連接器的裝線孔同樣采用傾斜設(shè)計的方式，如圖3(b)所示。

(a)彈性插針結(jié)構(gòu)圖

(b) 兩側(cè)連接器外導(dǎo)體裝線孔斜開結(jié)構(gòu)圖圖3 彈性插針及斜開結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)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(shù)指標(biāo)要求。

(三)性能仿真

考慮到該小型半剛電纜組件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在連接器設(shè)計時，通過仿真對整套電纜組件建立模型，并設(shè)置端口、邊界條件、網(wǎng)格剖分、計算精度以及頻率范圍等參數(shù)。通過仿真將影響電纜組件電壓駐波比的幾個關(guān)鍵尺寸一一進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 仿真模型及結(jié)果

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

圖5 電纜組件結(jié)構(gòu)圖

3 工藝控制

由于電纜組件中間及兩側(cè)所使用連接器尾部蓋板均采用與外導(dǎo)體過盈配合的裝配方式，在劇烈振動或惡劣環(huán)境條件下存在脫出的風(fēng)險，因此壓配蓋板后需要從工藝角度增強蓋板與外導(dǎo)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(dǎo)體配合處搪錫處理

由于用戶對電纜組件的空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸。因此，我們根據(jù)電纜組件的應(yīng)用方式、結(jié)構(gòu)形式和空間位置的要求，在保證下線一致性的基礎(chǔ)上，設(shè)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(jié)構(gòu)，每道工序都采用專用焊接定位工裝，并經(jīng)過嚴(yán)格檢驗，再轉(zhuǎn)入下道工序；在焊接完成后，還需用模擬安裝夾具進(jìn)行電纜組件安裝，以確保其空間結(jié)構(gòu)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(diào)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(yīng)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(zhì)的相對介電常數(shù)；

l——每度對應(yīng)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(dǎo)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(jìn)行定位、剝線，然后焊接電纜芯線，測量電纜組件性能，當(dāng)性能滿足技術(shù)要求后，再進(jìn)行外導(dǎo)體焊接。

因此，相等長度的電纜，剝線尺寸稍有超差，就會導(dǎo)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(jìn)行定位、剝線，然后焊接電纜芯線，測量電纜組件性能，當(dāng)性能滿足技術(shù)要求后，再進(jìn)行外導(dǎo)體焊接。

4 產(chǎn)品性能測試及結(jié)構(gòu)驗證

(一)性能測試

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對該半剛電纜組件的相位、駐波和插入損耗進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)如表6所示，測試結(jié)果均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。

表6 產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)

對上述進(jìn)行測試的電纜組件重量進(jìn)行測試，結(jié)果其重量均≤2.7g<4g，不但滿足要求，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求的重量指標(biāo)。

(二)結(jié)構(gòu)驗證

為了確定電纜組件設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性、高低溫環(huán)境下性能的穩(wěn)定性及耐腐蝕形，對該電纜組件分別進(jìn)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(guī)定對電纜組件進(jìn)行高頻振動試驗。在三個互相垂直的方向上進(jìn)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(nèi)、外導(dǎo)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(yōu)于1μs的檢測儀(例如瞬時中斷檢測儀)，監(jiān)視試驗過程中受試組件內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的電氣連續(xù)性。試驗過程中未發(fā)現(xiàn)內(nèi)外導(dǎo)體超過1μs的電氣中斷，無外觀或機械損傷現(xiàn)象，符合試驗要求。

按GJB360B-2009方法107的條件B規(guī)定進(jìn)行試驗，試驗溫度為-55℃～+125℃，極限溫度下各保持0.25h，循環(huán)次數(shù)5次。試驗后將電纜組件恢復(fù)至環(huán)境溫度，產(chǎn)品的外觀無損傷，電性能及機械性能符合技術(shù)要求。

按GJB360B-2009方法101的條件B(48h)規(guī)定進(jìn)行試驗。暴露后，應(yīng)按GJB360A-1996方法101的規(guī)定將組件進(jìn)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(xiàn)象。試驗后，電纜組件無腐蝕、斑點現(xiàn)象，符合試驗要求。

通過上述試驗確定了該小型半剛射頻穩(wěn)相電纜組件結(jié)構(gòu)可靠、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強，可使用于各種高可靠性微波設(shè)備中。

5 結(jié)論

本文介紹了一款小型半剛射頻穩(wěn)相電纜組件的設(shè)計過程、結(jié)構(gòu)特征，通過對實物進(jìn)行產(chǎn)品性能測試和結(jié)構(gòu)驗證，證明了該電纜組件設(shè)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(guān)鍵點及其控制措施，指出了射頻電纜組件的結(jié)構(gòu)及性能不僅僅是設(shè)計的問題，還需要工藝來保證。本文設(shè)計的小型半剛射頻穩(wěn)相電纜組件性能和可靠性滿足技術(shù)要求，且經(jīng)使用，效果良好。