一种航空用低损耗稳相电缆的研制

周正平， 丁春风， 张雪群

(江苏通光电子线缆股份有限公司，江苏海门226103)

0 引言

为确保航空相控雷达阵、卫星跟踪站、电子对抗等设备的精确定位，必须有专门的低损耗稳相电缆与之配套。据悉，一种主要用于航天的低损耗稳相电缆已于数年前研制成功。

相对于普通射频电缆，它明显提高了频率使用范围、衰减、驻波及相位性能等;与目前比较高端的低损耗电缆相比，它的优势是相位稳定性更好。

这类电缆的导体一般采用单根镀银软圆铜线;绝缘由多层微孔聚四氟乙烯带绕包而成，根据绝缘外径和带厚的匹配性，绝缘搭盖率一般设定为50.0%或67.0%;外导体是由镀银铜扁带绕包外加镀银软圆铜线编织双层屏蔽结构组成;护套由聚全氟乙丙烯树脂挤制而成。

本文以一种导体结构为1/0.93 mm的航空航天用低损耗稳相电缆为例，介绍了该电缆的结构、在生产中要控制的重点和相关试验方法。

1 产品设计及试制

1.1 电缆结构

图1 是型号为TGSFW-50-2.5A1的航空用低损耗稳相电缆结构示意图，图2是其照片，表1是其结构参数。

图1 航空用低损耗稳相电缆结构示意图

图2 航空用低损耗稳相电缆照片

表1 航空用低损耗稳相电缆结构参数

1.2 生产控制重点

(1)内导体。航空用低损耗稳相电缆参照GJB 973A—2004标准设计，除了导体的基本机械性能要求外，还考虑射频信号在内导体中传输时产生集肤效应，即信号仅仅在电缆的内导体外表面和外导体内表面进行有效传输。基于性能的要求，首先选择镀银软圆铜线作为内导体，为了满足电缆的高频性能要求，在内导体设计时增加银层厚度的要求，一般要求银层厚度不小于10 μm。

(2)绝缘。微孔聚四氟乙烯带是航空用低损耗稳相电缆关键材料，通过对产品的研究，制定了微孔聚四氟乙烯带主要性能指标，见表2。

表2 微孔聚四氟乙烯带主要性能指标

在工艺上，通过多次反复试验，制定生产时的温度和湿度环境要求，工艺数据也进行数字化处理，在文件中规定节距公差、绕包张力数据，以求最优的绕包工艺。

(3)外导体。外导体采用镀银铜扁带绕包和镀银软圆铜线编织的双层结构。由于航空用低损耗稳相电缆与实心电缆相比，为了达到低损耗和相位稳定性的目的，采用微孔聚四氟乙烯带，绝缘强度作出极大牺牲，因此加大了镀银铜扁带绕包难度，如何攻克镀银铜扁带绕包工艺是生产航空用低损耗稳相电缆的关键，铜带的绕包搭盖率一般控制在40%以上，任何弯曲都会影响驻波性能，所以在生产时需要进行如下控制:首先是调整绕包的进线角度到最佳状态，这个角度在各种设备间存在差异，只能在生产中摸索，如果进线角度不好会造成绝缘和屏蔽层的间隙;其次是选用大外径的导轮以减少弯曲;第三建议进行低速生产。

(4)护套。航空用低损耗稳相电缆温度使用范围较宽，因此只能选择聚全氟乙丙烯或可熔性聚四氟乙烯材料，但从材料的成本考虑，聚全氟乙丙烯已能满足其使用要求，但比可熔性聚四氟乙烯廉价，因此是该类电缆最理想的护套材料。

2 标准依据

目前国内航空用低损耗稳相电缆参照GJB 973A—2004、GB/T 17737.1—2000、GJB 150A—2009、GJB 360B—2009以及国外厂家的技术资料各自进行设计，未形成统一的国家标准，唯一可参考的是正在报批中的军用稳相电缆的国家军用标准。

3 主要性能指标

在比较国外厂家技术要求的基础上，结合客户需求，确定TGSFW-50-2.5A1型航空用低损耗稳相电缆的主要技术指标如下:

(1)衰减。电缆在1个标准大气压，水平面及25℃的测试条件下，安装完微波组件后测试10 m电缆的衰减，换算出每米的衰减值，典型的衰减指标见表3。

表3 电缆典型的衰减指标

(2)电压驻波比。同衰减测试一样，安装完微波组件后测试10 m电缆的电压驻波比，各频段电缆的最大电压驻波比见表4。

表4 各频段电缆的最大电压驻波比

(3)相位稳定性。相位稳定性分为机械相位稳定性和温度相位稳定性，主要考核电缆在高低温和弯曲、振动条件下产生的性能变化对整机的影响。一般要求电缆在温度范围为－55～100℃，测试频率点为10 GHz条件下的相位—温度变化系数最大值应不大于700 ppm;在测试频率范围为0.05～26.5 GHz，芯棒直径为18 mm的弯曲条件下最大机械相位变化值为3°。

(4)相位一致性。该试验的目的是考核电缆的批次稳定性，在相同频率和温度点下，两根相同长度的电缆的相位—温度变化系数测试值相差应不大于200 ppm。

(5)温度冲击。在－55℃和120℃两个温度点各存放0.5 h，以此循环5次，试验后电缆的衰减、驻波、相位要求仍符合上述的技术要求。

(6)抗老化。在150℃的试验条件下保持168 h，恢复常温后，试验后电缆的衰减、驻波、相位要求仍符合上述的技术要求。

(7)低气压。为考核电缆受气压破坏的能力，按GJB 360B的方法105试验条件进行试验，试验后电缆的衰减、驻波仍符合上述的技术要求。

4 主要试验方法

(1)衰减。按GJB 973A—2004第4.7.9条的规定进行试验。评估的是电缆传输信号的能力，衰减越小，电缆的传输性能效果越佳。

(2)电压驻波比。按 GJB 973A—2004第4.7.10条的规定进行试验。评估的是输入阻抗与传输线的特性阻抗的匹配性，理想的比例为1∶1，但几乎不可能达到。

(3)相位稳定性

1)温度相位稳定性。按IEC 61196-1-111的规定进行试验。

试样在试验前应进行－55～100℃的6个温度循环预处理。截取不小于3 m长的1个电缆试样，将电缆两端配接SMA连接器，制成电缆组件，在电缆上距离两端连接器端面L1不小于0.15 m处做标记，两标记间的长度L2为2.70 m，如图3所示。

图3 电缆标记示意图

将试验箱温度设定为25℃，达到设定温度后至少保持10 min。将试样与矢量网络分析仪连接，读取任一相邻的波峰或波谷的频率f1和f2，被测电缆段在测量频率f(10 GHz)的总相位为:

式中:Φ25℃，f为被测电缆在25℃时频率f下的总相位;f为测量频率(10 GHz)。

在25℃时，将测试电缆接入矢量网络分析仪并校零，调整试验箱温度，按从低到高依次在－55℃、－40℃、－25℃、0℃、15℃、20℃、25℃、50℃、85℃和100℃，测量各温度点的相位值T，;

计算在频率点 f、温度为25℃时的相位25℃，与在频率点f下各测试温度点的相位值T，的差值:

式中:△T，为在频率下，25℃时相位值与各测量温度点的相位值的差值。当测量值出现跨越180°相位变化时，应重新计算出真实的相位差值。

然后计算相位随温度变化系数ηT，f:

在频率下，相位随温度变化以ppm表示。

最后把各点绘制成ηT，f(ppm)—T(℃)曲线图，见图4。

2)机械相位稳定性。按IEC 61196-1-111的规定进行试验。

图4 ηT，f—T 曲线图

试验前在成品电缆上截取不小于3 m长的1个电缆试样，将电缆两端配接SMA连接器，制成电缆组件;

把试样弯曲成U形并连接到矢量网络分析仪，将仪器相位系统校零，U形的最小弯曲半径为25 mm;

将直径为18mm的芯棒置于试样上方，将试样绕芯棒顺时针弯曲180°，待矢量网络分析仪中显示的相位随频率的变化曲线稳定后，记录并保存相位与频率的变化曲线1;

将试样的位置恢复至弯曲前的位置规定，然后将直径为18 mm的芯棒置于试样下方，将试样绕芯棒逆时针弯曲180°，待矢量网络分析仪中显示的相位随频率的变化曲线稳定后，记录并保存相位与频率的变化曲线2;

最后测试的机械相位变化值在±3°范围内。

(4)相位一致性。按温度相位稳定性试验方法同时对两根相同长度的电缆进行测试，在同一图中，按各测试温度点下的相位随温度的变化，分别作出两根电缆的ηT，f—T曲线，比较两曲线各温度点的相位随温度变化最大差值。

(5)温度冲击。按 GJB 360B—2009方法107的规定进行试验，在－55℃和120℃两个温度点各存放0.5 h，循环5次，以此评估电缆在恶劣的高低温环境下电性能的变化。

(6)抗老化。按GJB 973A—2004第4.7.17条的规定进行试验;在150℃的试验条件下保持168 h，和温度冲击试验一样，该试验是评估电缆在长时间高温环境下电性能的变化。

(7)低气压。按GJB 360B的方法105试验条件进行试验，因该类电缆会在航空器中大量使用，故电缆需考核高空低气压的环境下电性能的变化。

5 结束语

航空用低损耗稳相电缆在国外已被广泛应用于国防等尖端领域，而目前国内处于刚刚起步阶段。随着地区局势紧张和局部战争的接连爆发，处于尖端领域的航空用低损耗稳相电缆长期受到欧美国家的出口限制。为摆脱该类电缆对国外的依赖，国家在2009年提出航空用低损耗稳相电缆国产化的要求，国内电缆厂商纷纷投入资金进行研发。

本文结合公司在航空用低损耗稳相电缆试制过程中出现的问题及对试验方法的理解，和大家一起探讨，希望以此推进航空用低损耗稳相电缆国产化的进程。

［1］GB/T 17737.1—2000 射频电缆第1部分 总规范［S］.

［2］GJB 150A—2009 军用装备实验室环境试验方法［S］.

［3］GJB 360B—2009 电子及电气元件试验方法［S］.

［4］GJB 973A—2004 柔软和半硬射频电缆通用规范［S］.

［5］IEC 61196-1-111 Electrical test methods-test for stability of phase constant［S］.