CN105957599A - 宇航用大功率射频同轴电缆组件 - Google Patents

Abstract

一种宇航用大功率射频同轴电缆组件，包括电缆和两个插针射频连接器，两个插针射频连接器之间通过电缆连接；电缆的绝缘介质层、屏蔽层和外护套依次包裹在芯线周向外侧，绝缘介质层的两端部伸出屏蔽层及外护套的端面外侧，芯线的两端部伸出绝缘介质层的端面外侧；插针射频连接器的内导体外侧设有绝缘层和外导体，内导体一端部伸出绝缘层的端面外侧，内导体另一端面开有安装孔，绝缘层对应电缆绝缘介质层两侧端部轮廓的环槽；电缆绝缘介质层插入插针射频连接器的绝缘层中，即便电缆和连接器的绝缘介质发生回缩，产生真空隙，但内、外导体之间在径向上并未通过真空隙直接相对，不但有效增加了爬电距离，也可以阻止微放电现象发生。

Description

宇航用大功率射频同轴电缆组件

技术领域

本发明涉及一种宇航用大功率射频同轴电缆组件。

背景技术

在微波系统中，射频同轴电缆组件是一种必不可少的元件，品种多、用途广，广泛应用于包括机载、航空、航天等多个领域。而在航天领域中，严酷的环境使得整机对电缆组件的要求更加复杂多样，因此，产品的设计需要进行综合分析，以保证其性能优良、质量稳定可靠，满足在整机条件下系统设备的使用要求。该产品兼具低电压驻波比、低损耗、功率容量大、环境适应性强等特点，在其他工程中也可以使用。

电缆及连接器的绝缘介质在受到高低温变化时，介质会形成一定的回缩现象，在绝缘介质接触的端面就会形成一个真空隙，真空隙使内导体与外导体形成微放电现象或造成电击穿发生。而且电缆组件在传输大功率射频信号时，能量损耗主要由内导体损耗产生，因此热量主要集中在内导体上。采用空气介质结构时，内导体上的热量无法通过热传导直接传输到外壳上，散热效果不理想。尤其是在宇航环境的真空状态下，热辐射效果有所降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构合理、安全系数高的宇航用大功率射频同轴电缆组件。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种宇航用大功率射频同轴电缆组件，包括电缆和两个插针射频连接器，两个插针射频连接器之间通过电缆连接；

电缆包括芯线、绝缘介质层、屏蔽层和外护套，绝缘介质层、屏蔽层和外护套依次包裹在芯线周向外侧，绝缘介质层的两侧端部沿电缆的轴向方向伸出屏蔽层及外护套的端面外侧，芯线的两侧端部沿电缆的轴向方向伸出绝缘介质层的端面外侧；

插针射频连接器至少包括内导体、外导体、绝缘层，内导体周向外侧依次设有绝缘层和外导体，内导体的一侧端部沿其轴向方向伸出外导体及绝缘层的端面外侧，内导体另一侧端面开有契合电缆芯线两侧端部轮廓的安装孔，绝缘层对应电缆绝缘介质层两侧端部轮廓的环槽；

装配时，插针射频连接器的外导体与电缆的屏蔽层之间连接，电缆两侧的绝缘介质层端部分别伸入两个插针射频连接器绝缘介质层的环槽内，电缆两侧的芯线端部分别伸入两个插针射频连接器内导体的安装孔内且芯线与内导体接触。

采用这样的结构后，电缆绝缘介质层插入插针射频连接器的绝缘层中，即便电缆和连接器的绝缘介质发生回缩，产生真空隙，但内、外导体之间在径向上并未通过真空隙直接相对，不但有效增加了一定的爬电距离，也可以阻止微放电现象发生。

为了更清楚的理解本发明的技术内容，以下将本宇航用大功率射频同轴电缆组件简称为本组件。

本组件的插针射频连接器还包括连接套，连接套套装在外导体外侧，连接套沿内导体轴向方向伸出外导体的端面外侧，连接套与内导体之间有间隙；采用这样的结构后，连接套可以起到与外部插孔射频连接器连接定位的作用。

本组件插针射频连接器的外导体与电缆的屏蔽层之间焊接；采用这样的结构后，可以提高外导体与电缆屏蔽层之间连接的可靠性。

本组件插针射频连接器的内导体选择铍青铜材质；采用这样的结构后，铍青铜材料加工成型后经过固熔、收口、时效处理使其具有一定的弹性、硬度和耐高温性能。

电缆芯线端部与插针射频连接器内导体接触连接，相比常规焊接连接，可以在保证二者导通的情况下，提升产品的耐高温性能，从而提升其平均功率耐受性能。

本组件插针射频连接器的绝缘层选用聚四氟乙烯材料；采用这样的结构后，聚四氟乙烯的使用温度可达到200℃，保证本组件使用时的耐热性。

附图说明

图1是本组件实施例的结构示意图。

图2是本组件实施例插针射频连接器的结构示意图之一。

图3是本组件实施例插针射频连接器的结构示意图之二。

图4是本组件实施例插针射频连接器的部分剖视图。

图5是本组件实施例插针射频连接器与电缆装配时的部分剖视图。

图6是图5的使用状态图。

具体实施方式

如图1至5所示(图3省略了插针射频连接器2的连接套24)

本组件包括电缆1和两个插针射频连接器2。

电缆1包括芯线11、绝缘介质层12、屏蔽层13和外护套14，绝缘介质层12、屏蔽层13和外护套14依次包裹在芯线11周向外侧，绝缘介质层12的两侧端部沿电缆1的轴向方向伸出屏蔽层13及外护套14的端面外侧，芯线11的两侧端部沿电缆1的轴向方向伸出绝缘介质层12的端面外侧。

插针射频连接器2包括内导体21、外导体23、绝缘层22和连接套24，内导体21选择铍青铜材质，内导体21周向外侧依次设有绝缘层22和外导体23，内导体21的一侧端部沿其轴向方向伸出绝缘层22的端面外侧，内导体21另一侧端面开有契合电缆1芯线11两侧端部轮廓的安装孔21a，安装孔21a具有一定的收口，方便安装孔21a与芯线11端部实现紧密的插接配合，绝缘层22对应电缆1绝缘介质层12两侧端部轮廓的环槽22a，绝缘层22外径大于电缆1的绝缘介质层12外径，绝缘层22选用聚四氟乙烯材料；

插针射频连接器2采用填充结构，绝缘层22与内、外导体23之间为紧配合，不存在真空隙(腔)。

连接套24通过螺纹配合套装在外导体23外侧，连接套24沿内导体21轴向方向伸出外导体23的端面外侧，连接套24包裹在内导体21外侧，但连接套24与内导体21端部之间有间隙，连接套24伸出外导体23端面外的长度不小于内导体21伸出绝缘层22端面外的长度(本实施例中外导体在内导体周向位置外侧，外导体与内导体在轴线所在平面投影不重合，内导体的位置通过连接套及绝缘介质层固定，但此特征只是针对本组件的使用工况设定，并一定要使用此限制技术特征，如果外导体与内导体在轴线所在平面投影重合也是可以的，即内导体周向外侧依次包裹有绝缘层和外导体)。

装配时，插针射频连接器2的外导体23与电缆1的屏蔽层13焊接，所用到的焊料均为高温材料，电缆1两侧的绝缘介质层12端部分别伸入两个插针射频连接器2绝缘层22的环槽22a内，电缆1两侧的芯线11端部分别伸入两个插针射频连接器2内导体21的安装孔21a内，并且芯线11与内导体21接触导通。

与常规产品的齐端面切除电缆1介质不同，本产品在电缆1剥线时及端面精修时，采用一种特殊的、保留介质的剥线形式。装配时，电缆1绝缘介质层12插入插针射频连接器2的绝缘层22中。

如图6所示

在本电缆1和连接器的绝缘介质发生回缩，产生真空隙3，但内、外导体23之间在径向上并未通过真空隙3直接相对，不但有效增加了一定的爬电距离，也可以阻止微放电现象发生。

另外，1、本组件截止频率要求符合《GJB5246-2004射频连接器界面》截止频率是由外导体、内导体和绝缘层的外径尺寸决定，可由下式对相关尺寸进行计算：

$f_C=\frac{C_0}{{\mathrm{\λ}}_c}\≈\frac{2C_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}\mathrm{\π}(D+d)}\≈\frac{190.85}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(D+d)}---\left(1\right)$

其中，C0≈300000km/s；

λc----波长，mm；

d------内导体直径，mm；

D------外导体内径，mm；

εr----绝缘材料的介电常数。

d＝2.8mm，D＝9.1mm，εr＝2.1进行理论计算。

经过理论计算，fc＝7.63GHz，可以满足技术指标要求6GHz。

2、本组件需要满足低驻波、低损耗的性能要求

电压驻波比是考核射频同轴电缆组件性能的一项重要指标，它反映的是传输通道上的回波损耗，也就是传输能量在传输过程中的损耗，在大功率微波元器件中，将直接影响产品的功率容量，因此，必须进行非常准确的计算、仿真来得到最优结构设计。

首先，尽可能的实现阻抗的匹配与连续。在设计时，应尽量减少阻抗不连续点，对于一些结构上不可避免的阻抗不连续点，应采用合理的方法进行改善。

其次，利用经验公式，对产品内部阻抗不连续部分的进行计算，确定补偿段的尺寸。

最后，通过软件对计算得到的结构进行微波仿真，对计算结果进行优化。

AnsoftHFSS软件仿真步骤：

1)模型建立：材质的设定，端口的设置；

2)参数的设置及优化；

3)模型的转化：将优化计算得到的数据用于产品的设计当中，根据生产工艺能力状况对内、外导体进行合理拆分，并考虑调节余量，得到最终的设计结果。

用仿真优化设计技术设计出的连接器与实际会产生一定的差距，必须通过试验验证、利用时域分析优化设计法进行进一步的优化。

本组件的优点为：

1、低驻波、低损耗结构设计技术：该产品的工作频率范围为0.05GHz～6GHz，电压驻波≤1.25。本项目产品的使用环境为宇航环境，存在真空、辐照、温度变化大等特殊情况，应综合考虑各种环境因素对功率容量的影响。

2、功率容量热设计技术：该产品功率容量165W@2GHz，环境温度+85℃，真空度优于10^-3Pa)，通过计算、仿真优化电性能，对结构设计进行创新，使产品的热设计更加合理。

3、全介质填充结构设计：通过全介质填充结构设计，有效抑制真空微放电的发生。

以上所述的仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种宇航用大功率射频同轴电缆组件，包括电缆和两个插针射频连接器，两个插针射频连接器之间通过电缆连接；

其特征为：

电缆包括芯线、绝缘介质层、屏蔽层和外护套，绝缘介质层、屏蔽层和外护套依次包裹在芯线周向外侧，绝缘介质层的两侧端部沿电缆的轴向方向伸出屏蔽层及外护套的端面外侧，芯线的两侧端部沿电缆的轴向方向伸出绝缘介质层的端面外侧；

插针射频连接器至少包括内导体、外导体、绝缘层，内导体周向外侧依次设有绝缘层和外导体，内导体的一侧端部沿其轴向方向伸出外导体及绝缘层的端面外侧，内导体另一侧端面开有契合电缆芯线两侧端部轮廓的安装孔，绝缘层对应电缆绝缘介质层两侧端部轮廓的环槽；

装配时，插针射频连接器的外导体与电缆的屏蔽层之间连接，电缆两侧的绝缘介质层端部分别伸入两个插针射频连接器绝缘介质层的环槽内，电缆两侧的芯线端部分别伸入两个插针射频连接器内导体的安装孔内且芯线与内导体接触。

2.根据权利要求1所述的宇航用大功率射频同轴电缆组件，其特征是：

所述的插针射频连接器还包括连接套，连接套套装在外导体外侧，连接套沿内导体轴向方向伸出外导体的端面外侧，连接套与内导体之间有间隙。

3.根据权利要求1所述的宇航用大功率射频同轴电缆组件，其特征是：

所述的插针射频连接器的外导体与电缆的屏蔽层之间焊接。

4.根据权利要求1所述的宇航用大功率射频同轴电缆组件，其特征是：

所述插针射频连接器的内导体选择铍青铜材质。

5.根据权利要求1所述的宇航用大功率射频同轴电缆组件，其特征是：

所述插针射频连接器的绝缘层选用聚四氟乙烯材料。