军用射频同轴连接器的可靠性初探讲解.docx
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军用射频同轴连接器的可靠性初探讲解
内部资料
军用射频同轴连接器的可靠性初探
中国电子科技集团公司第四十研究所
二OO八年一月
军用射频同轴连接器的可靠性初探
概述
军用射频同轴连接器是按现行军用标准设计、制造、验证的射频同轴连接器，相对民用射频同轴连接器而言，可靠性要求更为突出。
尤其在现代军用电子装备和系统中是直接影响到新型电子器件、关键分系统、乃至整机和系统可靠性的关键基础元件之一。
本文仅从射频同轴连接器军用标准的理解和产品设计中关于介质材料应用技术方面的研究，谈一些个人的体会，供同行参考。
由于仅仅是业内交流，加上认识肤浅，不当之处请予指正。
一、产品标准化体系与可靠性。
1、我国军用电子元器件标准发展过程。
国军标平台
二十世纪八十年代～至今
参加MIL体系，逐步建立我国军用电子元器件标准化体系
起步阶段
二十世纪五十年代～六十年代
以原苏联标准
“七专”平台
二十世纪七十年代
针对航天型号，“七专”技术条件
2、射频同轴连接器的分类
序号
类型（GB7635）
等级
军标中等级
备注
1
通用射频同轴连接器*
2
2
通用
2
标准试验射频同轴连接器
0
无
测量用
3
精密射频同轴连接器*
1
1
测试用
4
大功率射频同轴连接器
／
／
连续波
5
脉冲射频同轴连接器
／
／
脉冲波
6
高压射频同轴连接器
／
／
超高峰值电压
7
低噪声射频同轴连接器
／
／
低噪声电平
8
相位可调射频同轴连接器
／
／
可微调相位
9
耐环境射频同轴连接器*
／
／
耐特殊环境（地面）
10
微带射频同轴连接器*
2
2
同轴/微带、带状线等
11
射频三同轴连接器*
2
2
数据传输
12
硬同轴传输线及硬同轴法兰连接器
1、2
／
硬馈、皱纹管电缆
13
射频同轴连接器转接器*
0、1、2
1、2
同轴转换
14
射频同轴连接器波导转接器
0、1、2
／
同轴/波导转换
15
射频同轴连接器阻抗转换器
／
／
特性阻抗转换
16
视频同轴连接器
2
／
音、视频
17
射频同轴连接器专用零件*
／
／
附件、标准件等
18
其它射频同轴连接器
／
／
非上述类型的
3、现行国军标简介
序号
标准名称
标准号
对应MIL号
备注
1
射频同轴连接器通用规范
GJB681A-2002
MIL-PRF-39012D[1995]
已有E版[2005]
2
同轴、带状或微带传输线用射频同轴连接器总规范
GJB976-90
MIL-C-83517
正在修订
GJB976A-XXXX
MIL-C-83517-SUO1（94）
3
射频同轴连接器转接器总规范
GJB680-89
MIL-C-55339
正在修订
GJB680A-XXXX
MIL-PRF-55339B（97）
4
柔软和半硬电缆用高可靠射频同轴连接器通用规范
GJB5021-2003
MIL-PRF-31031A（1997）
已有B版[2005]
5
射频三同轴连接器总规范
GJB1212-91
MIL-C-49142
正在修订
GJB1212A-XXXX
MIL-PRF-49142A（96）
6
耐环境类小型同轴连接器总规范
GJB1920-94
MIL-C-25516D（93）
7
双芯对称系列射频同轴连接器和附件总规范
GJB2444-95
MIL-C-3655C（84）
8
射频连接器界面
GJB5246-2004
MIL-STO-348A（1998）
4、产品标准的层次
（1）国家军用标准GJB--------
（2）行业军用标准SJ/----------
（3）企业军用标准Q/XX-------
5、国内外先进军用标准的比较（仅对接电缆的射频同轴连接器标准）
●国内现行军用标准
GJB681A-2002射频同轴连接器通用规范
（相当于MIL-PRF-39012D[1995]）
GJB5021-2003柔软和半硬电缆用高可靠射频同轴连接器通用规范
（相当于MIL-PRF-31031A[1997]）
●国外先进标准
MIL-PRF-39012E-2005射频同轴连接器通用规范
MIL-PRF-31031B-2005柔软和半硬电缆用高可靠射频同轴插头和插座
ESA/SCC-3402-1999射频同轴连接器通用规范
●相关标准
NASA-EEE-INST-002（2003）《EEE零件选择、筛选、鉴定和降额指南》第C2章：
“连接器和接触件”。
6、标准的基本架构
一般包括如下内容：
⑴范围（适用范围、等级、分类）
⑵适用文件（支撑本标准的基础文件、法规、标准）
⑶要求（①详细规范，②鉴定[体系]，③材料、镀层、环保，④结构和特征，⑤机械、电气、环境技术指标性要求）
⑷验证（①检验，②设备和条件，③QPL、SPC体系，④鉴定、交收、周期）
⑸包装（产品包装、贮存、运输要求）
⑹说明（①预订用途，②订货要求，③规范替代说明，④元件号对照，⑤工程数据及应用，等等）
⑺附录（补充性、参考性、非强制性内容）
7、先进标准与产品的可靠性增长
●指导可靠性设计，促进产品固有可靠性的增长（一致性）；
●提升可靠性管理水平和质量体系；
●重视使用可靠性；
●不断完善试验方法和验证程序；
●贯穿产品全生命周期的每个环节。
二、可靠性预计与分析
1、国内军用射频同轴连接器可靠性现状
根据信息产业部五所2002～2005年军用电子元器件新品定型鉴定的不合格统计及失效分析报告是反映当前国内军用电子元器件产品质量和可靠性水平的一个重要方面，机电组件的失效是仅次于集成电路居第二位，而机电组件的失效模式中环境试验后的失效率最高（33%），其中连接器主要表现为环境试验后绝缘性能、耐压、电连续性变坏，这些主要是由于材料、加工工艺等问题引起的。
2、GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》简介
GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》
基本失效率λb0.00020-电气同轴连接器
0.00150-通用功率连接器
工作失效率λp=λb·πE·πQ·πT·πP
λp--工作失效率
λb--基本失效率
πE--环境系数
πQ--质量系数
πT--温度系数
πP--接触件系数
[与299B比较，增加了πT，删除了插孔系数πK和插孔结构系数πC]。
三、射频同轴连接器设计中介质材料的基础应用技术
1、介质的高频物理特性：
●介电常数：
ε
●损耗角正切：
tgδ
●介质的高频临界击穿电场强度：
EM
⑴ε的物理意义
①介电常数是标志介质的极化难易程度的一个物理量，它反映了介质对外电场的反作用强弱。
介电常数是按下面方法来定义的：
假如有一个放在真空中的平板电容器，则其电容量为
S：
极板面积（米2）
d：
极间距离（米）
ε0：
真空介电常数
如果同一电容器中填充介电常数为ε的介质，则电容量为C
ε：
也叫做介质的相对介电常数。
任何介质的ε都大于1，而空气的ε≈1。
介质的ε并不是一个固定不变的值，它不仅取决于介质的材料性质和物理状态（如温度、湿度等），而且也取决于外加电场的频率。
②ε-f的关系
图：
ε随f变化的一般规律
上图所示的ε曲线反映了介质介电常数ε随频率f变化的一般规律，对于具体介质，在绝对值和随频率变化范围段虽有不同，但变化规律是大致相近似的。
从图中ε的曲线可见，频率升高，ε下降，这是由于介质在外电场作用之下，开始的瞬间到极化稳定状态的建立需要一定的时间，这个时间称为极化的驰豫时间，位移极化（无极分子介质）约为10-14～10-15秒，而取向极化（有极分子介质）10-3～10-5秒，在静电场或频率较低的交变电场中，各种极化都来得及达到稳定，因此，在这个区域内ε值最大，叫做静电介电常数。
当外电场频率升高，取向取化来不及“跟随”外电场变化，于是就产生了极化不够充分的现象，从而使ε下降。
外电场频率达到一定范围，取向极化实际上不存在，在这段频域内只有原子极化和分子极化占主导地位，ε更小，但都会出现共振现象。
③ε-T的关系
图：
ε-T的关系
ε不仅取决于外电场的频率，而且也跟介质的物理状态有关，ε和随温度（T）的变化规律如图。
从图中可见：
当温度较低时ε值随温度T的升高而增大，这是由于分子的热运动加强，而削弱了物质结构力的作用结果，所以在外电场作用下介质比较容易被极化。
当温度升高到一定数值时，再继续升温，ε值反而有下降的趋势，这是因为，此时的热运动占据了主导地位，反而削弱外电场的作用，因此ε值有所下降。
所以对一定的介质来说，有一个ε（T）最大的变化区域。
（PTFE，在-30℃～+30℃）
（2）tgδ——介质损耗角正切
UR=IRω=2πf：
外电场的角频率
C：
平板电容电容量（C=C0ε）
Q：
品质因素
测量tgδ的方法
①tgδ-f关系
图：
tgδ和f的关系
tgδ值最大点都与ε值下降的区域相对应，呈波动式变化所对应的最大值所对应的频率，叫做张驰频率。
PTFE变化曲线如下：
（3）介质的临界击穿场强
介质的临界击穿场强EM：
指介质被击穿所承受的最小电场强度，也就是E＜EM时，介质不能被击穿，E≥EM时，介质被击穿烧毁。
严格地说，EM是随电场频率、介质温度、湿度等变化的一个参量，通常频率越高，EM值越低，温度越高，E值也越低，在实用过程中一般取E≤0.5EM。
在高频外电场状态下介质的临界击穿场强往往不易测量，因此摸索击穿场强的变化规律，分析造成介质可能降低临界击穿场强的因素，加以预防和保证其安全工作余量是十分重要的，在微波大功率传输中尤其重要，以下几个因素是必须考虑的：
●材料本身的EM值，tgδ，吸水率，热传导系数；
●使用环境的温度、湿度、散热条件、气压；
●外加电场的频率，传输的平均功率，或脉冲波的峰值电压，脉宽及占空比；
●传输线匹配状况是否良好（本身、负载）；
●介质与电极间，介质内部有无空气间隙、气泡（可能产生电晕）；
●固定介质电极的导电率；
●工艺、装配环境、条件要求等等。
2、介质吸收高频电场能量的物理原理
介质在高频电场中，由于其本身高频物理特性（ε、tgδ）吸收电功率，引起发热。
从平板电容器模型的等效电路推导如下：
IC=jωCUU：
高频电压
IR=U/RI0：
总电流
I0=IC+IRIC：
纯电容支路中位移电流
=（1/R+jωC）UIR：
等效电阻支路中的电流
=jωC0（ε-jε″）C：
平板电容器电容量
ω：
ω==2πf：
外电场的角频率
从等效电路可以得出，单位时间内介质所吸收的电能（电功率）为：
P=UI0COSQ=UIR=UICtgδ=ωCU2tgδ（瓦）
平板电容器电极之间电场强度E与极间距离d关系为：
E=100U/dE：
伏/米d（厘米）
而C=εC0、
（法）真空中电容量
（法/米）真空中的介电常数
单位体积的介质所吸收的电功率为：
PV=P/Sd=ωε″E2=0.556fεE2tgδ×10-12（瓦/厘米3）
如果用热量（卡/秒.厘米3）表示：
H=1.33fεE2tgδ×10-13（卡/秒.厘米3）
从Pv（或H）的公式中，不难得出：
介质发热与电场，介质材料自身物理高频参数的基本关系。
即：
介质从高频电场中所吸收的功率与电场强度E的平方成正比，与电场频率f成正比，与介质的损耗因数（ε、tgδ）成正比。
3、同轴传输线（同轴电容器）电场特性
一段同轴传输线，即同轴圆筒电容器，其截面如下图，
（微微法）
l：
电极的长度（厘米）
D：
外导体内径
d：
内导体内径
与平板电容不同之处：
●非均匀电场：
内导体园柱外表面的电场最强，
外导体园柱内表面的电场最弱；
●是一个同轴园等场强的电场。
4.同轴传输线的特性
1单位长度的电容
（法/米）
⑵特性阻抗
（欧）
当Z0为50Ω时,ε=1则D/d≈2.301
ε=2则D/d≈3.25
⑶衰减量最小的同轴线
R0表示单位长度同轴线的电阻,则有
（欧/米）
μ0=4π×10-7亨-真空导磁率
σ:
----导体电阻率（1/欧·米）
f:
----频率（Hz）
衰减常数为
K:
比例系数
设D/d=x
则
求导数,并令一阶导数为零则
xlnx=x+1
解出x=D/d=3.592Z0≈76.5Ω
此时,衰减常数α≈1
图6：
衰减量与D/d的关系
4抗电强度最高的同轴线
求其一阶导数,并令其为零
x=e=2.718
Z0=60Ω
图7：
抗电强度与D/d的关系
5传输功率最大的同轴线
a）最大传输功率与温升的关系
假定温度一定时,功率为
式中K2K3----比例常数
当D/d=1.835,Z0=36.38Ω时,传输功率最大
b）最大功率与抗电强度的关系
代入
中,得
当E一定时,在D/d=1.648,Z0=29.94Ω时,传输功率最大。
交流到此结束！
谢谢各位！
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