航天用射频同轴连接器质量保证及总规范研究

易晓东 李胜超 李建强 朱宝英

（1 中国航天标准化与产品保证研究院， 北京， 100071；2 郑州航天电子技术有限公司， 郑州， 450066）

引言

射频同轴连接器作为微波系统信号传输的重要元器件， 被广泛应用于航天型号。 随着航天技术不断发展， 航天用射频同轴连接器也逐步向高性能、 集成化、 微型化的趋势发展， 其产品设计、 结构、 工艺和生产过程控制等各个环节都直接关系到航天型号的质量和可靠性。 目前航天用射频同轴连接器总规范以参考现有的国军标为主， 缺乏对宇航特殊环境适应性要求的考核， 以及根据宇航级产品质量保证等级设置相应质量保证规定的考虑。

本文从国内外航天用射频同轴连接器质量保证现状、 产品特点、 主要失效模式及失效机理、质量保证及总规范设计等4 个方面进行研究， 提出科学适用的产品总规范及质量保证要求。

1 国内外射频同轴连接器质量保证规范

射频同轴连接器是航天器中重要电子元器件之一， 对可靠性要求极高， 国外一直非常重视航天用射频同轴连接器的研究。 如美国MCC、 法国RADIALL 等公司都已相继推出了具有良好空间适应性的高可靠射频同轴连接器及电缆组件。其质量可靠性高， 特别是抗辐照、 微放电及热真空释气等空间适应性均符合要求， 产品设计、 生产、 质量保证、 应用等各个环节都较为成熟。1964 年， 美军标发布了MIL-C-39012 《射频同轴连接器总规范》， 1982 年修订为MIL-C-39012C。 欧空局同样发布了航天用射频同轴连接器及电缆组件的通用规范ESCC 3402。 其他如民用标准IEC 169 系列射频连接器标准则为指导性标准， 属于非强制性标准， 很少被直接引用。

经过多年努力， 国内研制射频同轴连接器的整体水平与国外差距逐渐缩小， 但高精密产品与国外仍有一定差距。 目前国内具备航天型号用射频同轴连接器及电缆组件研制能力的生产厂， 研制以N、 BNC、 TNC、 SMA、 SMP、 SSMA 等系列为主的射频同轴连接器。 1989 年， 国家军用标准 《射频同轴连接器总规范》 发布， 2002 年，《射频同轴连接器通用规范》 经修订发布， 但该规范基本上参考美军标MIL-C-39012C， 且适用范围主要是针对可靠性相对较低的普通军用射频同轴连接器。 2003 年， 国家军用标准 《柔软和半硬电缆用高可靠射频同轴连接器通用规范》 发布， 在规范中增加了热真空释气、 可燃性等部分宇航元器件的考核要求， 但仍然缺乏系统性和全面性， 2011 年该规范修订后发布为 《高可靠射频同轴连接器通用规范》。 目前国内还没有制定专门的宇航级射频同轴连接器总规范标准， 虽根据用户需求制定了部分航天用产品详细规范， 但仍然以参照 《射频同轴连接器通用规范》 或 《高可靠射频同轴连接器通用规范》 为主， 在宇航特殊环境适应性考核及宇航级产品质量保证等方面存在不足， 从而影响宇航系统的整体可靠性和安全性。

2 产品特点分析

射频同轴连接器按连接方式可分为卡口式（内卡口、 外卡口）、 螺纹式 （右旋螺纹、 左旋螺纹）、 推入式 （直插式、 带止动式、 自锁式） 和法兰连接式； 按尺寸大小可分为标准型 （N、 QN等）、 小型 （BNC、 TNC 等）、 超小型 （SMA、SMB、 SMC、 MCX、 BMA、 SAA 等） 和微型（SSMA、 SSMB、 MMCX 等）。 射频同轴连接器主要用于微波系统信号传输， 其产品最高工作频率及主要特点见表1。

表1 射频同轴连接器最高工作频率及主要特点

射频同轴连接器的结构主要分为界面、 主体和后端口， 如图1 所示。 界面是指连接器之间连接互换的部分， 由国际标准或国家军用标准规定， 关系到连接的通用性、 可靠性和机械、 电气指标； 主体是指连接器结构与安装等用户辅助功能部分， 关系到连接的实用性、 可靠性和电气指标； 后端口是指连接器与被传输线的匹配部分，关系到连接的实用性、 可靠性和电气指标。

图1 射频同轴连接器结构示意图

3 主要失效模式及失效机理分析

结合航天用射频同轴连接器在航天型号的使用履历， 其主要失效模式表现为连接失效、 反射失效、 电接触失效、 污染失效等。 连接失效的原因可能包括插头插座配对失误、 连接螺母脱落、内导体松动或脱落及锁紧机构脱落等； 反射失效的原因可能包括反射增大， 如外界环境温度剧烈变化， 介质伸出或缩进量超出规定值导致反射增大， 以及开路、 短路等； 电接触失效的原因可能包括插针插孔不接触、 内导体表面磨损、 镀层起皮脱落或氧化存在多余物、 插针插孔超差接触不良等情况； 污染失效的原因可能包括介质老化、介质内含有杂质以及装配时零件存在多余物， 或金属毛刺尖角嵌入绝缘体以及绝缘子开裂等。 上述几种常见的失效模式并不是孤立的， 相互间常常是有密切联系的。 以电接触失效为例， 若插针插孔间不接触或接触不良， 不仅接触电阻激增，同时也可能导致反射失效。 同样， 连接失效， 也将导致反射失效。 所以， 任一种失效都可能导致整个连接器的失效[1]。

典型失效案例分析 （某TNC 插头连接器连接螺母脱落问题）： 某TNC 插头连接器在航天产品装配时， 在力矩扳手拧紧连接螺母的过程中， 连接螺母从壳体上脱落， 导致连接器失效。 通过对失效的连接器进行失效分析， 问题定位在连接螺母卡簧槽加工时个别零件尺寸超差， 卡簧槽口部倒角过大引起， 如图2 所示。 该卡簧槽为内槽孔尺寸， 零件加工完成后不可直观检测， 属于难检尺寸， 且在初始编制零件加工工艺时， 未识别出该风险点。 作为对比， 合格连接螺母卡簧槽剖切图如图3 所示。

图2 失效连接螺母卡簧槽剖切图

图3 合格连接螺母卡簧槽剖切图

4 质量保证及总规范设计

4.1 架构设计

对射频同轴连接器的主要失效模式及机理分析后可以看出， 尽管失效模式很多， 但从失效机理归纳起来不外乎设计缺陷、 制造缺陷或使用不当所致， 所以提高连接器可靠性应严格控制连接器的原材料选用、 结构设计、 生产制造、 质量检验、 产品使用等各个环节。

航天用射频同轴连接器总规范主要从以上几个方面进行设计， 在架构上， 正文分为6 章， 第1章为范围； 第2 章为引用文件； 第3 章为一般要求，包括生产线认证和产品鉴定、 产品控制与要求、材料及表面处理要求、 设计和结构要求、 电性能、机械性能、 环境适应性、 产品评估等； 第4 章为质量保证规定， 包括承制方筛选、 鉴定检验、 质量一致性检验、 使用方监制验收和补充筛选等；第5 章为交货准备； 第6 章为说明事项。

4.2 质量保证设计

连接器结构设计与工艺水平直接影响产品质量和可靠性， 虽然质量检验是产品最终使用可靠性的有力拦截性保障[2]， 但是检验不是目的，只是手段， 最终还是要严格过程控制管理， 建立过程确认文件 （PID）， 做好射频同轴连接器关键重要环节点的识别、 确认以及质量管控措施。 此外， 随着连接件从仿制向正向研制发展， 设计师十分关注国产连接器在实际应用环境中的功能性能、 环境适应性以及型号装机应用， 以下主要从质量检验考核试验项目、 生产过程控制、 产品评估、 产品应用等4 个方面进行研究。

4.2.1 质量检验考核试验项目

航天用射频同轴连接器的质量检验考核试验项目主要针对连接器功能性能、 可靠性、 环境适应性进行设计， 设置标准判据， 确定连接器是否满足标准规范要求。

功能性能测试包括连接器电性能和机械性能的全参数测试。 电性能测试项目一般包括介质耐电压、 绝缘电阻、 接触电阻、 电压驻波比、 射频插入损耗、 屏蔽效果、 耐射频高电位电压等； 机械性能测试项目一般包括啮合力和分离力、 插合特性、 中心接触件的固定性、 连接器的耐久性、连接机构的耐力矩、 连接机构保持力、 安全丝孔强度等。

正常高水位加风浪和地震超高计算得防浪墙顶高位539.61 m，设计洪水位和校核洪水时计算的防浪墙顶高程分别为539.6 m和541.14 m。结果表明，校核洪水位工况为坝顶高程的控制工况。防浪墙顶高程为541.2 m，工程防洪能力满足规范要求。

环境适应性考核应包括连接器在温度、 力学、 盐雾、 霉菌以及真空、 辐照等空间特殊环境下的适应性考核。 考核项目一般包括温度冲击、耐湿、 高频振动、 随机振动、 冲击 （规定脉冲）、电晕电平、 盐雾 （腐蚀）、 防霉、 热真空释气（非金属材料）、 可燃性 （非金属材料）、 气味（非金属材料）、 毒性 （非金属材料）、 真空放电、 微放电、 耐辐照等。

可靠性考核是在功能性能测试和环境适应性考核之外， 针对连接器的结构／工艺／材料等进行考核。 考核项目一般包括外观及机械检查、 气密封 （仅对气密封连接器）、 漏泄 （仅对充气或耐气候密封连接器）、 非磁性材料的导磁率、 镀层质量、 制样镜检 （仅对密封／焊接型／环氧灌封产品）、 X 射线检查 （仅对密封／焊接型产品）、 破坏性物理分析 （DPA） 等。

4.2.2 生产过程控制

a） 过程识别文件 （PID）

PID 是对产品生产过程控制提出具体要求的文件， 由承制方完成并征得使用方认可。 PID 是对连接器的生产、 试验和检验程序等与生产相关的所有细节进行确认。 通过建立全过程的PID 体系， 可以使得连接器生产具有个体一致性、 批次稳定性和全程可追溯性， 以确定通过鉴定合格的连接器建立一个准确基准， 使后继生产的产品状态与通过鉴定批产品的状态一致， 作为产品内在品质的保证。 所有与连接器生产过程有关的步骤或过程 （应细到不可再分） 都应在PID 中体现。

PID 一般包括： 生产流程； 生产流程中各工序的依据性规范； 所有的检验要求； 产品结构的详细说明， 应附图； 试验程序和方法； 关键原材料控制方法； 承制方组织结构。

b） 生产工艺控制

c） 关键重要环节点识别及控制

射频同轴连接器研制生产过程中， 应对关键工序及特殊工序进行识别确认， 在生产中对过程控制严格按照相关要求执行。 针对射频同轴连接器的结构特点、 功能形式、 失效模式， 一般设定内导体的加工为关键工序， 严格控制零件尺寸；设定表面处理、 热处理、 塑压、 玻璃封结、 环氧灌封等特殊工序为关键工序。 除此之外， 生产厂应根据产品结构特点、 并结合本单位的工艺能力保证情况， 将产品存在的失效风险点、 合格率低的工序同样设置为关键工序， 建立核心要素清单， 进行风险管理。

4.2.3 产品评估

在国产连接器应用特别是替代进口产品的过程中， 设计师十分关注连接器在实际应用环境中的功能性能和环境适应性， 所以结合型号实际应用环境条件对连接器进行评估十分重要。 目前航天用射频同轴连接器评估主要包括连接器功能性能分析、 结构分析和极限试验。

a） 功能性能分析。 针对连接器的全性能参数进行测试分析， 分析不同条件下 （允许工作条件） 的测试及结果分析， 如全温度条件下射频插入损耗的测试特性曲线、 不同配合倾斜条件下射频插入损耗的测试特性曲线等。

b） 结构分析。 按相关标准规定进行结构分析， 以查明设计和结构工艺、 所用材料、 固有可靠性状况、 工艺质量和潜在危险。 如存在宇航禁用的结构、 工艺或设计， 则连接器不可用。

c） 极限试验。 按相关标准规定开展极限试验。 一般采用高加速应力和持续应力的方法， 通过连接器在热、 力、 电等应力作用下特性的变化， 分析连接器应用中所关注的相关功能、 性能和可靠性与规范之间要求的裕度和余量， 以及在设计、 材料或工艺方面的潜在缺陷， 综合评价连接器极限能力。 试验项目应包括电应力、 温度应力、 机械应力等。 某SMP 系列射频同轴连接器极限评估试验项目见表2。

表2 某SMP 系列射频同轴连接器极限评估试验项目

4.2.4 产品应用

连接器的正确使用直接关系到产品的可靠性， 即使一个高可靠性的航天用射频同轴连接器， 由于选型错误、 使用不当或超过其额定的承受能力， 同样会变成 “不可靠”。 因此产品总规范还应针对连接器选型和适配、 安装和操作要求、 产品典型应用、 使用注意事项等进行说明。

5 小结

本文通过调研国内外射频同轴连接器总规范现状， 分析连接器主要特点和主要失效模式及机理， 在此基础上对航天用射频同轴连接器总规范架构及质量保证进行了研究， 并重点围绕质量检验考核试验项目、 生产过程控制、 产品评估及产品应用等进行研究， 明确质量保证要求， 为航天用射频同轴连接器质量保证及总规范制定提供了重要技术基础。