硬同軸線饋線系統(tǒng)可靠性研究*

宋為民，彭天杰，李 雁，李明榮，欒兆菊

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088;2. 安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司， 安徽 六安 237010)

硬同軸線饋線系統(tǒng)可靠性研究*

宋為民1,2，彭天杰1，李 雁1，李明榮1，欒兆菊1

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088;2. 安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司， 安徽 六安 237010)

文中研究了硬同軸線饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征以及影響硬同軸線饋線系統(tǒng)功率容量的因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化硬同軸線饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如轉(zhuǎn)彎處采用釬焊式切角彎或圓弧彎，接頭處采用反刀式接插頭以及法蘭式接頭配合O型密封圈，內(nèi)導(dǎo)體連接處優(yōu)先采用焊接式連接，內(nèi)外導(dǎo)體上預(yù)留熱漲伸縮縫等措施，均能有效提升硬同軸線饋線系統(tǒng)的可靠性。此外，注重部件裝配以及整機(jī)裝配環(huán)節(jié)，也可以進(jìn)一步提高硬同軸線饋線系統(tǒng)的可靠性。

硬同軸線饋線系統(tǒng)；耐功率性能；可靠性

引 言

同軸線饋線系統(tǒng)是由2根同軸的圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)，內(nèi)外導(dǎo)體的半徑由其傳輸?shù)碾姶挪ㄌ匦宰杩辜肮β蚀笮Q定。硬同軸線饋線系統(tǒng)屬于同軸線饋線系統(tǒng)的一種，其外導(dǎo)體是金屬管，內(nèi)導(dǎo)體一般也為金屬管或?qū)嵭膶?dǎo)體，內(nèi)外導(dǎo)體之間的媒介通常為空氣，內(nèi)導(dǎo)體由高頻介質(zhì)墊圈支撐[1]。由于硬同軸線饋線系統(tǒng)屬于雙導(dǎo)體導(dǎo)行系統(tǒng)，可以傳輸橫電磁波，具有頻帶寬、損耗低、尺寸小、與微帶電路連接方便等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在功率傳輸系統(tǒng)中。文中在系統(tǒng)分析硬同軸線饋線系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)特征以及性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，綜合考慮了硬同軸線饋線系統(tǒng)的定位精度、密封防護(hù)、尺寸和結(jié)構(gòu)形式特殊性、裝配及尺寸補(bǔ)償?shù)戎T多因素，提出了優(yōu)化零件設(shè)計(jì)、注重制造和裝配環(huán)節(jié)，從而提高硬同軸線饋線系統(tǒng)的實(shí)際功率容量，并最終提高硬同軸線饋線系統(tǒng)的可靠性。

1 功率容量的估算

硬同軸線饋線系統(tǒng)的功率容量直接影響其可靠性，對(duì)于傳輸功率大的硬同軸線饋線系統(tǒng)，其功率容量應(yīng)該較大；對(duì)于傳輸功率較小的硬同軸線饋線系統(tǒng)，其功率容量可以相應(yīng)減小。一般情況下，硬同軸線饋線系統(tǒng)的功率容量可以根據(jù)其內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸確定，例如，對(duì)于內(nèi)外導(dǎo)體之間絕緣介質(zhì)為空氣的硬同軸線饋線系統(tǒng)，其最大傳輸功率(擊穿功率)可近似地寫(xiě)為

(1)

式中：r1表示硬同軸線饋線系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)體的外半徑，cm；r2表示硬同軸線饋線系統(tǒng)外導(dǎo)體的內(nèi)半徑，cm；E0表示擊穿時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。

值得注意的是，根據(jù)式(1)計(jì)算得出的功率容量?jī)H為理想條件或行波狀態(tài)下硬同軸線饋線系統(tǒng)的擊穿功率。在工程實(shí)踐中，為增加硬同軸線饋線系統(tǒng)的可靠性，實(shí)際使用的硬同軸線饋線系統(tǒng)功率容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論最大傳輸功率。這主要是因?yàn)橛餐S線饋線系統(tǒng)的實(shí)際功率容量不僅和其尺寸和場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)，還和許多其他因素有關(guān)，如硬同軸線饋線系統(tǒng)的組成材料、結(jié)構(gòu)特征、微波傳輸通道表面連續(xù)性、硬同軸線饋線系統(tǒng)內(nèi)的氣體濕度等。因此，在實(shí)踐中，通常將硬同軸線饋線系統(tǒng)的最大傳輸功率乘以各種影響因子，如饋線系統(tǒng)的駐波、脈沖寬度、重復(fù)頻率、海拔高度、結(jié)構(gòu)特征等因子[2]。在硬同軸線饋線系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)彎曲和分段部分，所以在估算同軸線系統(tǒng)實(shí)際功率容量時(shí)還應(yīng)該乘以接頭因子。此外，彎曲和分段結(jié)構(gòu)是硬同軸線饋線系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，它會(huì)使同軸線系統(tǒng)的承受功率下降。

根據(jù)以上分析可以得出，硬同軸線饋線系統(tǒng)中各種影響因子的實(shí)際取值，直接決定了硬同軸線饋線系統(tǒng)的實(shí)際功率容量。因此，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)特征以及使用環(huán)境，優(yōu)化各個(gè)影響因子的數(shù)值，從而增加硬同軸線饋線系統(tǒng)的實(shí)際功率容量，是提高硬同軸線饋線系統(tǒng)可靠性的切實(shí)可行的辦法。

2 提高硬同軸線饋線系統(tǒng)可靠性措施

2.1 彎頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如上所述，彎曲結(jié)構(gòu)是硬同軸線饋線系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，它會(huì)使同軸線系統(tǒng)的承受功率下降，因此，對(duì)彎頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。通常情況下，彎頭一般有3種形式：直角彎、切角彎和圓弧彎。對(duì)于切角彎，可以根據(jù)內(nèi)導(dǎo)體連接方式的不同分為釬焊式切角彎和膠結(jié)式切角彎。工程實(shí)踐證明，在大功率傳輸時(shí)，釬焊式切角彎和圓弧彎可以更好地保證硬同軸線饋線系統(tǒng)的可靠性。圖1展示了圓弧彎的結(jié)構(gòu)特征，圖2展示了釬焊式切角彎的結(jié)構(gòu)特征。釬焊式切角彎的具體實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。圓弧彎外導(dǎo)體的整體切削加工難度較大，具體加工中的關(guān)鍵點(diǎn)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

圖1 圓弧彎示意圖

圖2 釬焊式切角彎示意圖

2.2 接插頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

硬同軸線饋線系統(tǒng)傳輸?shù)墓β蚀?，?duì)接插頭連接質(zhì)量要求較高，如接觸電阻盡可能小，無(wú)功率泄露和尖角等。硬同軸線饋線系統(tǒng)連接接頭可以分為接插頭和平接頭。接插頭是指內(nèi)導(dǎo)體一個(gè)做成插芯，另一個(gè)做成插孔，通過(guò)插芯和插孔連接。外導(dǎo)體則通過(guò)螺紋或卡口連接[5]。硬同軸線饋線系統(tǒng)的內(nèi)導(dǎo)體通常采取接插頭以提高其接觸的可靠性，而接插頭又可以分為平插和反刀2種方式，如圖3和圖4所示。平插式接插頭尾部采用常見(jiàn)的倒角結(jié)構(gòu)，而反刀式接插頭尾部增加了臺(tái)階，便于固定。根據(jù)反復(fù)優(yōu)化和試驗(yàn)，反刀式結(jié)構(gòu)具有更好的接觸性能，尤其是當(dāng)硬同軸線饋線系統(tǒng)傳輸較大功率時(shí)，反刀式結(jié)構(gòu)避免了因接觸不良、多余物、絕緣不良、彈性零件斷裂、插孔松弛等失效形式引起的同軸線系統(tǒng)破壞，提高了硬同軸線饋線系統(tǒng)的可靠性。

圖3 平插示意圖

圖4 反刀示意圖

2.3 系統(tǒng)氣密性和電連續(xù)性的提高

為適應(yīng)野外工作環(huán)境和惡劣自然環(huán)境，硬同軸線饋線系統(tǒng)除要求具有良好的電連續(xù)性以外，還要求具有氣密性和水密性。為實(shí)現(xiàn)這一使用要求，采用了法蘭接頭形式配以O(shè)型密封圈的方法，如圖5所示。圖中硬同軸線饋線系統(tǒng)的兩端設(shè)有法蘭結(jié)構(gòu)，在法蘭和外導(dǎo)體接觸位置，配以密封圈，而內(nèi)導(dǎo)體和法蘭接觸處留有間隙。

圖5 直同軸線的法蘭接頭示意圖

此外，該結(jié)構(gòu)中絕緣子在軸向和徑向都設(shè)計(jì)為負(fù)公差，在螺套擰緊的狀態(tài)下，絕緣子在外導(dǎo)體內(nèi)應(yīng)該可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)以保證外導(dǎo)體連續(xù)。若不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，則此處外導(dǎo)體可能不連續(xù)，可以采取修配絕緣子端面的方式使其自由轉(zhuǎn)動(dòng)。螺套和外導(dǎo)體法蘭接頭處的連接既保證了密封圈壓到位，起到密封作用，又保證了外導(dǎo)體的電連接連續(xù)性。此外，可以通過(guò)圖5所示的2處間隙檢查間隙是否滿足設(shè)計(jì)要求，即既滿足密封性要求又保證電連續(xù)性。

2.4 內(nèi)導(dǎo)體連接方式優(yōu)化

在通常情況下，內(nèi)導(dǎo)體的連接既可以采用導(dǎo)電膠粘合也可以采用焊接的方法。導(dǎo)電膠的主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂、銀粉、胺類固化劑以及有機(jī)溶劑。采用導(dǎo)電膠連接內(nèi)導(dǎo)體快捷，成本低，但值得注意的是，膠和金屬的連接處具有較大的強(qiáng)度梯度，容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。而且開(kāi)關(guān)機(jī)形成的冷熱交變?nèi)菀资鼓z體材料疲勞。此外，內(nèi)導(dǎo)體處在外導(dǎo)體中，散熱條件較差，大功率傳輸產(chǎn)生的熱量易使導(dǎo)電膠失效，形成放電間隙，造成打火，燒毀功率傳輸器件。因此，在進(jìn)行大功率傳輸時(shí)，硬同軸線饋線系統(tǒng)中內(nèi)導(dǎo)體的連接優(yōu)先采用焊接式結(jié)構(gòu)。

2.5 預(yù)留熱漲伸縮縫

由于硬同軸線饋線系統(tǒng)的內(nèi)外導(dǎo)體在微波傳輸時(shí)的發(fā)熱量不同，兩者的尺寸和剛度也不同，因此，內(nèi)外導(dǎo)體的伸縮量也不相同。圖6是熱仿真的溫升變形圖。由圖6可知，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體在溫升約60 ℃時(shí)，兩端固定的內(nèi)導(dǎo)體將會(huì)發(fā)生約24/1400mm的變形(表示1 400 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)拱起24 mm)，該變形對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的破壞極其嚴(yán)重。為了消除該種變形對(duì)硬同軸線饋線系統(tǒng)造成的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了在內(nèi)外導(dǎo)體上預(yù)留熱漲伸縮縫，從而保證硬同軸線饋線系統(tǒng)的內(nèi)外導(dǎo)體均能實(shí)現(xiàn)良好的電連續(xù)性，如圖7所示。

圖6 內(nèi)導(dǎo)體溫升變形圖

圖7 預(yù)留熱漲伸縮縫示意圖

2.6 裝配過(guò)程控制

裝配過(guò)程中的一些未知因素也可能造成硬同軸線饋線系統(tǒng)打火，使硬同軸線饋線系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，設(shè)置高功率試驗(yàn)臺(tái)，可以有效保證硬同軸線饋線系統(tǒng)可靠工作。試驗(yàn)過(guò)程中的耐功率測(cè)試和溫升變化監(jiān)測(cè)，不僅可以驗(yàn)證同軸線系統(tǒng)的電性能，也可以確保裝機(jī)前的同軸線性能滿足指標(biāo)要求。

為了保證同軸線系統(tǒng)的可靠性，將保證接頭處的連續(xù)性和密封性作為裝配的重點(diǎn)，方法如2.3節(jié)所述。接插頭的應(yīng)力松弛現(xiàn)象受溫度影響很大，接插頭受高溫反復(fù)沖擊可能會(huì)加速應(yīng)力松弛現(xiàn)象，如果加上受力過(guò)大，溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)作用會(huì)加快接插頭失效[6]。因此，需通過(guò)裝配順序、裝配工具的設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)點(diǎn)的合理設(shè)置，防止硬同軸線接插頭徑向方向受力過(guò)大，并保證微波傳輸通道表面連續(xù)性和圓滑過(guò)渡，最終確保同軸線系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了硬同軸線饋線系統(tǒng)高可靠性工作的影響因素，提高硬同軸線饋線系統(tǒng)的實(shí)際功率容量，即提高影響實(shí)際功率容量各個(gè)因子的數(shù)值，是提高其可靠性的基礎(chǔ)。具體措施包括優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)與制造，采用釬焊式切角彎或圓弧彎接頭，采用反刀式接插頭，內(nèi)導(dǎo)體連接時(shí)避免使用導(dǎo)電膠，預(yù)留伸縮縫，注重部件裝配以及整機(jī)裝配等。

[1] 閆潤(rùn)卿, 李英惠. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 2版. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1997.

[2] 張治強(qiáng), 秋實(shí), 方進(jìn)勇, 等. X波段饋源輸出窗高功率微波擊穿實(shí)驗(yàn)裝置[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2010, 22(7): 1595-1598.

[3] 宋為民, 劉炳龍, 李明榮. 大功率同軸線中內(nèi)導(dǎo)體釬焊連接[J]. 電子工藝技術(shù), 2010, 31(5): 296-299.

[4] 宋為民, 馮德貴. 外導(dǎo)體工藝要點(diǎn)[J]. 金屬加工:熱加工，2011(8):26-28,30.

[5] 宋為民, 彭天杰，劉炳龍, 等. 硬同軸線接插頭工藝優(yōu)化研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2011, 32(2): 108-110.

[6] 張新明, 毛新平, 鄧至謙, 等. 鈹銅帶材彎曲應(yīng)力松弛的力學(xué)行為[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001, 11(6): 988-992.

宋為民(1967-)，男，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)工藝總體研究工作。

彭天杰(1974-)，男，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

李 雁(1976-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事微波工程研究工作。

李明榮(1964-)，男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體研究工作。

Research on Reliability of Rigid Coaxial Line Feeder System

SONG Wei-min1,2，PENG Tian-jie1，LI Yan1，LI Ming-rong1，LUAN Zhao-ju1

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China；2.AnhuiBrainwaveChang′anElectronicsCo.Ltd.,Lu′an237010,China)

In this paper the structure of rigid coaxial line feeder system is studied and the factors which influence the power endurance property of rigid coaxial line feeder system is analyzed. The experiment results show that the reliability of rigid coaxial line feeder system will be improved by modifying its structure，such as using the brazing cutting angle curved or circularly curved in turning place，using reverse cutting patch plug and flanged joint with O seal ring in the junctions，using welding joint in the inner conductors，reserving aperture for the heat-expansion and cold-contraction in the inner and outer conductors and so on. Besides，the reliability of rigid coaxial line feeder system will be also improved by assembling the parts and overall units carefully.

rigid coaxial line feeder system; power endurance property; reliability

2012-09-04

TN956

A

1008-5300(2013)02-0052-03