硬同轴线馈线系统可靠性研究*

宋为民，彭天杰，李 雁，李明荣，栾兆菊

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088;2. 安徽博微长安电子有限公司， 安徽 六安 237010)

硬同轴线馈线系统可靠性研究*

宋为民1,2，彭天杰1，李 雁1，李明荣1，栾兆菊1

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088;2. 安徽博微长安电子有限公司， 安徽 六安 237010)

文中研究了硬同轴线馈线系统的结构特征以及影响硬同轴线馈线系统功率容量的因素。实验结果表明，优化硬同轴线馈线系统的结构设计，如转弯处采用钎焊式切角弯或圆弧弯，接头处采用反刀式接插头以及法兰式接头配合O型密封圈，内导体连接处优先采用焊接式连接，内外导体上预留热涨伸缩缝等措施，均能有效提升硬同轴线馈线系统的可靠性。此外，注重部件装配以及整机装配环节，也可以进一步提高硬同轴线馈线系统的可靠性。

硬同轴线馈线系统；耐功率性能；可靠性

引 言

同轴线馈线系统是由2根同轴的圆柱导体构成的导行系统，内外导体的半径由其传输的电磁波特性阻抗及功率大小决定。硬同轴线馈线系统属于同轴线馈线系统的一种，其外导体是金属管，内导体一般也为金属管或实心导体，内外导体之间的媒介通常为空气，内导体由高频介质垫圈支撑[1]。由于硬同轴线馈线系统属于双导体导行系统，可以传输横电磁波，具有频带宽、损耗低、尺寸小、与微带电路连接方便等特点，因而被广泛应用在功率传输系统中。文中在系统分析硬同轴线馈线系统各部分结构特征以及性能指标的基础上，综合考虑了硬同轴线馈线系统的定位精度、密封防护、尺寸和结构形式特殊性、装配及尺寸补偿等诸多因素，提出了优化零件设计、注重制造和装配环节，从而提高硬同轴线馈线系统的实际功率容量，并最终提高硬同轴线馈线系统的可靠性。

1 功率容量的估算

硬同轴线馈线系统的功率容量直接影响其可靠性，对于传输功率大的硬同轴线馈线系统，其功率容量应该较大；对于传输功率较小的硬同轴线馈线系统，其功率容量可以相应减小。一般情况下，硬同轴线馈线系统的功率容量可以根据其内外导体的尺寸确定，例如，对于内外导体之间绝缘介质为空气的硬同轴线馈线系统，其最大传输功率(击穿功率)可近似地写为

(1)

式中：r1表示硬同轴线馈线系统内导体的外半径，cm；r2表示硬同轴线馈线系统外导体的内半径，cm；E0表示击穿时的场强。

值得注意的是，根据式(1)计算得出的功率容量仅为理想条件或行波状态下硬同轴线馈线系统的击穿功率。在工程实践中，为增加硬同轴线馈线系统的可靠性，实际使用的硬同轴线馈线系统功率容量要远远小于理论最大传输功率。这主要是因为硬同轴线馈线系统的实际功率容量不仅和其尺寸和场强有关，还和许多其他因素有关，如硬同轴线馈线系统的组成材料、结构特征、微波传输通道表面连续性、硬同轴线馈线系统内的气体湿度等。因此，在实践中，通常将硬同轴线馈线系统的最大传输功率乘以各种影响因子，如馈线系统的驻波、脉冲宽度、重复频率、海拔高度、结构特征等因子[2]。在硬同轴线馈线系统中，经常会出现弯曲和分段部分，所以在估算同轴线系统实际功率容量时还应该乘以接头因子。此外，弯曲和分段结构是硬同轴线馈线系统的薄弱环节，它会使同轴线系统的承受功率下降。

根据以上分析可以得出，硬同轴线馈线系统中各种影响因子的实际取值，直接决定了硬同轴线馈线系统的实际功率容量。因此，根据不同的设计特征以及使用环境，优化各个影响因子的数值，从而增加硬同轴线馈线系统的实际功率容量，是提高硬同轴线馈线系统可靠性的切实可行的办法。

2 提高硬同轴线馈线系统可靠性措施

2.1 弯头的优化设计

如上所述，弯曲结构是硬同轴线馈线系统的薄弱环节，它会使同轴线系统的承受功率下降，因此，对弯头的结构进行了改进。通常情况下，弯头一般有3种形式：直角弯、切角弯和圆弧弯。对于切角弯，可以根据内导体连接方式的不同分为钎焊式切角弯和胶结式切角弯。工程实践证明，在大功率传输时，钎焊式切角弯和圆弧弯可以更好地保证硬同轴线馈线系统的可靠性。图1展示了圆弧弯的结构特征，图2展示了钎焊式切角弯的结构特征。钎焊式切角弯的具体实现方法见文献[3]。圆弧弯外导体的整体切削加工难度较大，具体加工中的关键点可参见文献[4]。

图1 圆弧弯示意图

图2 钎焊式切角弯示意图

2.2 接插头结构优化

硬同轴线馈线系统传输的功率大，对接插头连接质量要求较高，如接触电阻尽可能小，无功率泄露和尖角等。硬同轴线馈线系统连接接头可以分为接插头和平接头。接插头是指内导体一个做成插芯，另一个做成插孔，通过插芯和插孔连接。外导体则通过螺纹或卡口连接[5]。硬同轴线馈线系统的内导体通常采取接插头以提高其接触的可靠性，而接插头又可以分为平插和反刀2种方式，如图3和图4所示。平插式接插头尾部采用常见的倒角结构，而反刀式接插头尾部增加了台阶，便于固定。根据反复优化和试验，反刀式结构具有更好的接触性能，尤其是当硬同轴线馈线系统传输较大功率时，反刀式结构避免了因接触不良、多余物、绝缘不良、弹性零件断裂、插孔松弛等失效形式引起的同轴线系统破坏，提高了硬同轴线馈线系统的可靠性。

图3 平插示意图

图4 反刀示意图

2.3 系统气密性和电连续性的提高

为适应野外工作环境和恶劣自然环境，硬同轴线馈线系统除要求具有良好的电连续性以外，还要求具有气密性和水密性。为实现这一使用要求，采用了法兰接头形式配以O型密封圈的方法，如图5所示。图中硬同轴线馈线系统的两端设有法兰结构，在法兰和外导体接触位置，配以密封圈，而内导体和法兰接触处留有间隙。

图5 直同轴线的法兰接头示意图

此外，该结构中绝缘子在轴向和径向都设计为负公差，在螺套拧紧的状态下，绝缘子在外导体内应该可以自由转动以保证外导体连续。若不能自由转动，则此处外导体可能不连续，可以采取修配绝缘子端面的方式使其自由转动。螺套和外导体法兰接头处的连接既保证了密封圈压到位，起到密封作用，又保证了外导体的电连接连续性。此外，可以通过图5所示的2处间隙检查间隙是否满足设计要求，即既满足密封性要求又保证电连续性。

2.4 内导体连接方式优化

在通常情况下，内导体的连接既可以采用导电胶粘合也可以采用焊接的方法。导电胶的主要成分为环氧树脂、银粉、胺类固化剂以及有机溶剂。采用导电胶连接内导体快捷，成本低，但值得注意的是，胶和金属的连接处具有较大的强度梯度，容易产生内应力。而且开关机形成的冷热交变容易使胶体材料疲劳。此外，内导体处在外导体中，散热条件较差，大功率传输产生的热量易使导电胶失效，形成放电间隙，造成打火，烧毁功率传输器件。因此，在进行大功率传输时，硬同轴线馈线系统中内导体的连接优先采用焊接式结构。

2.5 预留热涨伸缩缝

由于硬同轴线馈线系统的内外导体在微波传输时的发热量不同，两者的尺寸和刚度也不同，因此，内外导体的伸缩量也不相同。图6是热仿真的温升变形图。由图6可知，当内导体在温升约60 ℃时，两端固定的内导体将会发生约24/1400mm的变形(表示1 400 mm长度范围内拱起24 mm)，该变形对内导体的破坏极其严重。为了消除该种变形对硬同轴线馈线系统造成的影响，在结构设计时采用了在内外导体上预留热涨伸缩缝，从而保证硬同轴线馈线系统的内外导体均能实现良好的电连续性，如图7所示。

图6 内导体温升变形图

图7 预留热涨伸缩缝示意图

2.6 装配过程控制

装配过程中的一些未知因素也可能造成硬同轴线馈线系统打火，使硬同轴线馈线系统不稳定。因此，设置高功率试验台，可以有效保证硬同轴线馈线系统可靠工作。试验过程中的耐功率测试和温升变化监测，不仅可以验证同轴线系统的电性能，也可以确保装机前的同轴线性能满足指标要求。

为了保证同轴线系统的可靠性，将保证接头处的连续性和密封性作为装配的重点，方法如2.3节所述。接插头的应力松弛现象受温度影响很大，接插头受高温反复冲击可能会加速应力松弛现象，如果加上受力过大，温度场、应力场作用会加快接插头失效[6]。因此，需通过装配顺序、装配工具的设计，检验点的合理设置，防止硬同轴线接插头径向方向受力过大，并保证微波传输通道表面连续性和圆滑过渡，最终确保同轴线系统的可靠性。

3 结束语

文中分析了硬同轴线馈线系统高可靠性工作的影响因素，提高硬同轴线馈线系统的实际功率容量，即提高影响实际功率容量各个因子的数值，是提高其可靠性的基础。具体措施包括优化零件的设计与制造，采用钎焊式切角弯或圆弧弯接头，采用反刀式接插头，内导体连接时避免使用导电胶，预留伸缩缝，注重部件装配以及整机装配等。

[1] 闫润卿, 李英惠. 微波技术基础[M]. 2版. 北京: 北京理工大学出版社, 1997.

[2] 张治强, 秋实, 方进勇, 等. X波段馈源输出窗高功率微波击穿实验装置[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(7): 1595-1598.

[3] 宋为民, 刘炳龙, 李明荣. 大功率同轴线中内导体钎焊连接[J]. 电子工艺技术, 2010, 31(5): 296-299.

[4] 宋为民, 冯德贵. 外导体工艺要点[J]. 金属加工:热加工，2011(8):26-28,30.

[5] 宋为民, 彭天杰，刘炳龙, 等. 硬同轴线接插头工艺优化研究[J]. 电子工艺技术，2011, 32(2): 108-110.

[6] 张新明, 毛新平, 邓至谦, 等. 铍铜带材弯曲应力松弛的力学行为[J]. 中国有色金属学报，2001, 11(6): 988-992.

宋为民(1967-)，男，工程硕士，高级工程师，主要从事雷达工艺总体研究工作。

彭天杰(1974-)，男，工程硕士，高级工程师，主要从事雷达天馈系统结构设计工作。

李 雁(1976-)，女，硕士，高级工程师，主要从事微波工程研究工作。

李明荣(1964-)，男，硕士，研究员级高级工程师，主要从事雷达结构总体研究工作。

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