提升射频同轴连接器功率耐受能力的分析及验证

石鹏，宋陈娟，周大敏

（中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

射频同轴连接器的主要功能是在电子系统、设备及元（部）件之间起机械连接和传输射频信号的作用。作为武器装备系统的关键基础元件，大功率射频同轴连接器的可靠性直接决定了所在设备的可靠性和安全性，也直接反映了武器装备的技术发展水平。

随着整机设备逐渐向小型化、集成化、模块化等方向发展的趋势，受安装空间及位置的限制，必要时须采用90º弯头的射频同轴连接器。这种90º弯头连接器的结构设计难度较大，尤其在需要传输大功率信号时，如何确保射频同轴连接器在传输大功率信号时的稳定性，保证整机设备的可靠性和安全性就显得尤为重要。

本文通过对90º弯头L29-J型射频同轴连接器在功率耐受试验中出现的失效现象进行分析，提出解决措施，同时通过功率试验验证，证明改进措施的可行性和有效性。

1 用户需求、试验过程及失效现象描述

1.1 用户需求

如图1所示，为配接某型号大功率射频电缆的90º弯头L29-J型射频同轴连接器的结构设计方案，配接相应的大功率射频电缆之后形成被测电缆组件如图2所示。用户提出的射频同轴连接器基本需求为：工作频段0.05～2GHz；功率耐受18000m，90℃，2000W@500MHz连续波；电压驻波比≤1.15；插入损耗≤0.1dB；绝缘电阻≥5000MΩ；介质耐电压≥3000V（交流有效值）。

1.2 试验过程及失效现象描述

首先将被测电缆组件接入功率测试系统中[1]，被测电缆组件在试验箱内连接方案如图3所示，然后按试验条件逐步进行功率试验。

（1）试验条件1：进行常温常压状态下，2000W@500MHz连续波的功率试验。当加载2000W@500MHz功率试验进行30分钟后，停止试验。打开试验箱对被测电缆组件、测试电缆及测试转接器进行观察和检测，被测电缆组件、测试电缆及测试转接器的外观均正常。

对被测电缆组件、测试电缆及测试转接器进行常温常压条件下，介质耐电压、绝缘电阻的测试。①介质耐电压测试结果显示：被测电缆组件、测试电缆及测试转接器在3000V（交流有效值）条件下测试时，均通过测试；②绝缘电阻测试结果显示：被测电缆组件、测试电缆及测试转接器均通过绝缘电阻≥5000MΩ的绝缘电阻测试。

（2）试验条件2：进行18000m，2000W@500MHz连续波的功率试验。当试验箱在达到规定气压条件后，保压2h，加载2000W@500MHz功率。当加载功率试验进行10min左右时，功率源监测出现全反射现象，功率设备无法正常运行。排除功率源的原因后，打开试验箱对被测电缆组件、测试电缆及测试转接器进行观察和检测，被测电缆组件、测试电缆及测试转接器的外观均正常，界面连接处无打火、烧焦现象。

对被测电缆组件、测试电缆及测试转接器进行常温常压条件下，介质耐电压、绝缘电阻的测试。①介质耐电压测试结果显示：只有被测电缆组件在3000V（交流有效值）条件下测试时，未通过测试；②测绝缘电阻测试结果显示：被测电缆组件、测试电缆及测试转接器均通过绝缘电阻≥5000MΩ的绝缘电阻测试。通过介质耐压和绝缘电阻的测试结果，可以排除测试电缆及测试转接器的问题。

2 功率失效现象定位及分析

2.1 失效现象定位

射频同轴连接器在进行大功率信号传输时，其发生功率耐受失效的主要原因有电击穿和热失效两种。电击穿是指连接器在工作时传输通道内的工作电压超过了介质的耐电压，从而发生电弧、闪络现象，这种现象一般会在峰值功率过载时出现。热失效是指连接器在长时间工作时，由于能量在传输通道上的损耗造成了连接器的温度上升，超过连接器中零部件所能承受的温度从而发生形变，导致产品性能下降，并最终“烧毁”（内导体熔断、焊料熔化、绝缘介质碳化等）的现象，这种现象一般会在平均功率过载时出现。

为了确定被测电缆组件发生失效的具体位置，将L29-JW-XX型射频同轴连接器外壳上的盖板旋开，发现连接器外壳、盖板及射频电缆的绝缘介质处，均发现有焦黑现象，如图4所示。

通过观察表明，被测电缆组件的功率失效位置发生在弯头连接器内部，被测组件失效现象为电击穿，即连接器的工作电压超过了介质的耐电压，从而发生电弧、闪络的现象。

2.2 理论分析与仿真验证

按照同轴线传输理论，在常温常压条件下射频同轴连接器可以承受的最大峰值功率，可以用击穿功率计算公式进行计算[2]：

式中：P为击穿功率，εr为绝缘介质的相对介电常数，D为外导体内径，d为内导体外径，Emax为绝缘介质的最大击穿电强度。

由于射频同轴连接器所能承受的峰值功率随着海拔高度的升高存在一定的降额，因此，在设计射频同轴连接器时需要考虑海拔高度变化带来的功率降额影响，传输功率随海拔高度的降额如表1所示[3]。

表1 峰值功率随海拔高度的降额

根据L29-JW-XX型射频同轴连接器的结构，我们在HFSS软件中建立连接器传输通道的模型，仿真常温常压环境下的连接器加载2000W功率时的电场强度分布，如图6（a）。根据仿真结果，此时连接器的电场强度最大值远小于空气的耐击穿场强3×106V/m，可以保证产品在常温常压状态下承受2000W@500MHz的功率条件。当设置端口功率为33.3kW时，仿真结果如图6（b）所示，此时连接器的电场强度最大值为1.1×106V/m。参考帕申曲线中（如图5所示），空气击穿场强Ub与气压P和平面间隙距离d的关系，在平面间隙一定的条件下，当气压为7.4kPa（海拔高度对应为18000m）时，空气的击穿场强约3.5×105V/m，参照同轴线传输功率随海拔高度的降额设计经验，连接器所能承受的理论峰值功率小于2kW。

2.3 改进措施及验证

针对峰值功率失效的现象及原因，提高射频同轴连接器的耐峰值功率能力的常用方法主要包括：①增大内外导体之间的直线距离，提升电击穿场强；②增强绝缘介质的耐电压击穿强度，提升电击穿场强；③确保装配过程中保持必要的洁净度，避免污染。综合考虑连接器的结构及性能要求，我们采用增强绝缘介质的耐电压击穿强度，提升电击穿场强的方案，在L29-JW-XX型射频同轴连接器的90º转角处增加聚四氟乙烯介质的包裹，如图7(a)所示。同时在HFSS软件中建模，进行电场强度的仿真。

根据仿真结果图7（b）所示，此时连接器的电场强度最大值为1.4×106V/m，由于增加了聚四氟乙烯材料，其击穿场强约为8.7×107V/m[4]，使得连接器的耐击穿场强增大，增加了产品的耐峰值功率强度。

根据分析结果，对装配电缆组件进行测试验证，其电性能测试结果如图8（a）所示，满足用户提出的使用要求，并按照同样的试验条件1及试验条件2，进行功率试验验证。试验过程中，被测组件未出现飞弧、烧焦和击穿的现象，试验后被测电缆组件产品电性能测试也满足用户需求，如图8（b）所示。通过增加聚四氟乙烯绝缘子包裹的90º弯头结构进行耐功率试验[5]。

3 结语

通过对90º弯头L29-J型射频同轴连接器进行设计结构改进，使产品满足低气压大功率、高温低气压功率试验等要求，提升了产品的耐功率性能及可靠性。由于大功率90º弯头连接器在整机设备中使用频次较高，其耐功率能力决定了整机设备的输出功率，因此，提升其耐功率能力具有重要意义。