飞机射频同轴电缆组件的外场维护与修理

■ 赵汉武 李斌 王赟/空军工程大学航空机务士官学校 中国人民解放军95389部队

0 引言

射频同轴电缆组件大量应用于飞机通信、导航、雷达、电抗等设备中。在役使用过程中，因为飞机振动、潮湿环境、防护及维护不当等原因，电缆组件中的接头、线芯、屏蔽层等易出现损坏导致性能下降或失效等问题[1，2]；战时，战斗部破片等易造成同轴电缆的断线[3]，在不具备更换条件时，会因为断线无法修理影响战机的再次出动。当前，有关射频同轴电缆组件的研究多集中在其设计制造环节，针对基层使用单位一线的修理与测试的研究与总结较少。因此，总结部队射频同轴电缆组件维护、修理与测试相关的方法，对于针对性地提高其保障能力具有重要指导意义。为此，本文从介绍射频同轴电缆组件与一般电缆的本质区别出发，总结其维护与修理中的常用方法，重点针对战伤抢修以及日常性能检测的方法做出了分析与总结，以期对提高部队该项维护能力有所帮助。

1 射频传输与阻抗匹配

从本质上讲，射频同轴电缆是一种专门用于高频/射频信号的传输线。射频同轴电缆组件是包括射频连接器与同轴电缆在内的一套成品组件。为了高效高质量地传输信号，需要射频馈送的同轴电缆组件与包括收发机、天线在内的所有射频设备之间满足一个基本条件——阻抗均匀/匹配。

所谓阻抗，简单而言就是指该器件上的电压与流经电流的比值。根据理论研究和工程实践需要，飞机上的射频前后端设备（收发机、天线等）的特性阻抗通常为50Ω，因此，要求射频同轴电缆组件的阻抗也最好保持在50Ω，以实现最佳的信号和功率传输。

那么，射频同轴电缆组件的阻抗大小能否在实际使用期间一直保持在50Ω？为此，通过经典的RLCG模型先对同轴电缆本身的阻抗进行分析[4]。图1为射频同轴电缆的模型示例，传输线中的无限小段可以模拟为由四种理想元件（理想电阻R、理想电感L、理想电容C、理想电导G）串并联而成的电路组合，整个传输线则是由无限多个这样的电路串联组合而成，且其特性阻抗Z0由式（1）决定。实践表明，使用该模型基本能够逼真地模拟实际传输线对于各类输入信号的响应情况。

图1 射频同轴电缆的RLCG模型示例

在RLCG模型中，起决定因素的通常是单位长度电容C和单位长度电感L，因此式（1）往往简化为：

对同轴电缆而言，其单位长度的电容和电感主要由以下参数决定：导体间距（外内导体直径比D/d）、内外导体间的绝缘介质材料介电常数（ ）。一般地，有以下近似公式[4]：

例如，同轴电缆受挤压后外导体直径D变小，其电容参数C会变大，阻抗随之变小；当几何尺寸或材料属性沿传输线路有所变化时，传输线的阻抗就会发生变化。这种变化进而会造成阻抗的不均匀/不连续，最终造成线路上出现各种被反射回输入端的信号，称为反射信号。信号反射量增大，也就意味着传输的衰减量变大。

阻抗失配的情况还会出现在射频电缆与射频连接器的接头处。当装配工艺不合格、器件老化、维护不当时，接头处的阻抗失配同样会造成较大的信号反射和衰减，严重时甚至会造成打火、射频系统功能失常等。

2 日常维护

一般来说，飞机上的射频同轴电缆组件在装配出厂交付使用前已经通过专门的手段保证了其阻抗的准确性和稳定性，部队级日常维护的目的是保证其在整个服役期间满足阻抗的质量要求，为达到此目的，可从两方面入手。

一是对射频接头部位的维护与检查。通常射频接头安装完成后，不宜反复拆装（通常N型接头的拆装寿命约500次）。维护时，应检查接头有无松动、变形、氧化、受潮等。有排故需要时，可分解射频同轴接头，查看屏蔽网的断丝、覆盖情况，查看插针/插孔的焊接、锈蚀氧化情况等。对于日常维护中会产生移动的射频接头（如维修口盖上的接头），更需要认真检查，必要时可结合仪器测试的方法。

二是对射频电缆本身的检查。飞机上使用的大多是柔性和半刚性的射频同轴电缆。这类电缆虽然与普通屏蔽电缆外形相似，但在维护时需要注意其对最小弯曲半径的特殊要求。按照标准GJB 1014.3《飞机布线通用要求：安装与防护》，同轴电缆的最小弯曲半径不得影响其电性能，在没有特别说明时，易弯曲同轴电缆的最小弯曲半径为其外径的6倍，半刚性的同轴电缆的最小弯曲半径为其外径的10倍。对于同轴电缆的支撑与保护，必须使用专用的可防止松脱的经浸渍处理过的绑带，不可使用塑料系带；支撑件施加到同轴电缆上的压力不应大于防止同轴电缆滑动所需要的最小力（以防止支撑件勒紧力过大，导致同轴电缆变形）。日常维护中应注意查看同轴电缆的外观有无压痕、磨损等。

3 平时修理与战伤抢修

3.1 平时修理

在平时，排除外力因素，同轴电缆线材本身不太容易出现损伤或者故障。通常容易出现的损伤主要集中在电缆组件的接头部位。由于维护或者设备拆换需要插拔射频接头，根部容易出现屏蔽断丝、线芯脱焊等情况，一般来说，此种情况更换射频接头就可以实现修理。

对基层单位而言，需要建立的能力包括对各种同轴接头的认知，如常见的N型接头、SMA接头等；掌握各种接头的加工工艺，如装接、压接、焊接等。文献[5]提供了多种加工制配射频接头的方法。

如果因维护不当、外力因素导致同轴电缆的线材损伤，一般情况下则需要更换新的同轴电缆组件。对于具备更换条件的，可实施更换；对于电缆较长、敷设较长距离的电缆，如果在现场不具备更换条件，通常需要在大修厂实施更换。

3.2 战伤抢修

在战时，机上同轴电缆的损伤模式较为多样。由于射频同轴电缆通常连接至机身边缘、垂尾、机腹等位置的不同天线，分布较广，因此战时很可能遭遇杆条或破片切割、冲击弯折、高温烧伤等情况[3]。为面向实战，必须做好相关电缆战伤抢修的准备。

射频同轴电缆的抢修可分为以下几种情况：一是具备更换条件的，以更换为主，通过备用电缆更换，或者现场加工制备新的同轴电缆；二是对于分布广泛的、不具备更换条件的射频同轴电缆，中间段出现的单点损伤或者大面积损伤，可实施快速抢修。这方面美军走在了前列，MIL-PRF-32517规定了匹配阻抗接头的相关标准要求，相应的针对美军标射频电缆的修理器材（匹配阻抗型拼接头，见图2）[6]可在市场上采购，而国内相关研究和产品则较为少见。

图2 射频同轴电缆匹配阻抗接头及修理步骤说明

在没有匹配阻抗型拼接头时，可采用替代方案进行应急修理。例如，针对单点损伤，可直接在损伤处增加一对射频对接接头；对于较长的损伤段，可采用两对对接接头加同类射频补充线材实现修理（见图3）。

图3 射频接头对接修理法图示

针对上述应急修理方法，使用矢量网络分析仪对增加对接接头后的同轴电缆组件在0～3GHz范围内的插入损耗增加情况进行了测量。图4是8根经过对接接头修理的射频同轴电缆组件在修理后的插入损耗变化波形图（这8根电缆组件分别由8名来自维修一线的特设或航电专业修理员装配完成）。由图可见，增加对接接头后，同轴电缆组件的整体损耗是增大的，且插入损耗增加量在0～3GHz范围内随频率升高而逐渐增加，但最大插损一般不超过0.3dB，这对于射频功能系统（如电台通信、电子对抗系统等）而言，能够恢复系统的一定功能，增加对接接头带来的损耗基本是可以接受的。

图4 对接接头修理射频断线后的插入损耗实测数据

4 在役检测与测量

4.1 检测内容

针对射频同轴电缆组件的检测与测量，部队基层单位容易走入两个误区：一种是将射频检测复杂化，认为射频检测仪器昂贵、操作要求高，部队无法满足这些条件，因此一概交由工厂负责；另一种是投入了大量资金购买仪器设备，但苦于没有受过相关培训的合适人员，导致仪器设备闲置，修理检测能力同样无从谈起。

以上误区，根本原因在于技术管理者对于部队检测能力的需求针对性了解不够。尽管根据国军标要求，射频同轴电缆涉及到的检测指标达二十余项[7]，但实际装机在役使用中需要关注的指标往往只有几项，也就是说，需要区分基层级在役检测与出厂质量检测的区别。一般来说，对于射频同轴电缆组件的基层级在役检测只需要关注其驻波比或特性阻抗变化指标。

从电磁场理论来看，射频信号在传输线上的传输，实际上是电磁场在同轴电缆内外导体之间的空间上建立和变化的过程，传输线特性阻抗变化，最终影响的是电磁场正向传输和反向传输（即反射）的效果。被反射的信号与正向传输的信号叠加，在传输线上形成驻波，观察传输线上的驻波情况，即可判断出传输线路上的阻抗变化情况。电压驻波比（VSWR）与传输线阻抗（Z）、特性阻抗（Z0）之间的关系可通过反射系数ρ来表示：

从上述两式可以看出，测量传输线路上的阻抗与测量电压驻波比具有一定的等价性。

4.2 检测方法

下面以电压驻波比测试为例，介绍射频同轴电缆组件性能测试的方法。

与出厂检测不同，在役检测通常采用时域而非频域测量的方法，可采用的仪器如矢量网络分析仪、时域反射分析仪等，或采用近年来市场上推出的用于外场的天线馈线测试仪，如罗德施瓦茨公司的ZPH测试仪（见图5）以及国内电科思仪公司的3680A/B天馈线测试仪等。

所谓时域测量，是指沿传输线逐点分析线路上的驻波情况。时域测量与常见的频域测量的对比效果如图6所示。

图6a）为频域分析图，其中横坐标表示频率，纵坐标表示电压驻波比的大小，波形反映的是整个传输线组件（也可扩展到前后端设备、天线等）在不同频率点上的驻波情况，如图中M1标记点表示的是在2.01066MHz时，整根线的驻波比为3.13。这种频域分析方法较为常用，但多用于设计制造领域的质量控制检测，对于在役检测的针对性不强。

图6b）为时域测量图，其中横坐标表示的是传输线从起点到终点的各个不同位置，波形反映的是不同位置的驻波比。如其中的M2标记点对应的是图5中的A处射频转接头（距离测试点1.245m处）驻波明显变大（1.31），其他两处驻波峰值（M1和M3标记点）分别对应测试起点和测试终点的射频连接器。从波形峰值对比上可以明显判断出，A处的射频转接头存在问题。因此，对于基层使用维护单位来说，进行时域测量对于查找射频线路上的损伤点更具有意义。

5 总结

射频同轴电缆组件在飞机上应用广泛，功能重要。当前部队缺少针对高频同轴电缆组件的修理与检测规范。针对此问题，本文从理论分析和实践指导两个角度，分析了射频电缆组件出现损伤的原因，介绍了平时维护和修理的一般方法；针对战时抢修，提出了对接接头修理的方法，并给出了实证数据；最后针对射频电缆组件的在役检测给出了时域测量驻波比查找损伤点的方法，以期对提高航空兵部队基层级的维护与修理能力有所帮助。