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军规级和高可靠性同轴电缆组件的关键标准和要求
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军规级和高可靠性同轴电缆组件的关键标准和要求

2022-11-07 16:48:33 来源:《国际线缆与连接》投稿人 冯文飞编译 作者:Pasternack网站

【哔哥哔特导读】经常听“车规级”标准,是不是很少了解“军规级”标准?本文将带你详细了解相关要求。

同轴电缆组件在操作过程中的故障可能代价高昂,而不仅仅是金钱上的。失败的代价也可能相当于生命损失、任务完全失败或基本通信、雷达、定位或干扰系统的停机时间。对于军事、航空航天和其他关键应用,依赖同轴电缆组件的系统出现故障是不可接受的,因此,组件通常需要满足在此类应用中使用的严格军事规范。

然而,高可靠性 (hi-rel) 同轴电缆组件的采购传统上遵循从构建到打印的模式,这意味着新设计和维护设备的程序可能需要数周到数月才能获得新的同轴电缆订单组件到达。由于许多组件在安装过程中损坏,除非公司有库存,否则由于电缆组件的标准运输时间导致程序延迟很常见。预测新程序的确切要求也具有挑战性,因此几乎不可能抢先订购正确数量的组件。

这种情况带来了巨大的挑战,因为技术变革在商业和国防系统中都非常频繁地发生,并且许多政府采取了减少开支同时加快设计和采购周期的举措。这些商业现货 (COTS) 计划虽然在军事供应链的许多方面已经有价值且有效,但由于其独特的要求,直到最近才对同轴电缆组件产生很小的影响。

尽管同轴电缆、连接器、材料和组件有许多 MIL-SPEC 和 hi-rel 标准和资格,但有一个子集更普遍适用。这些标准对材料、工艺和工艺提出了具体要求,以确保交付的特定组件的可追溯性、可靠性能和射频测试报告的质量。以下概述了制造和运输 MIL-SPEC 和 hi-rel 同轴电缆组件所需的标准和流程。

材料控制要求

MIL-DTL-17,前身为 MIL-C-17,是针对具有实心和半实心电介质芯以及一个或多个内导体的柔性和半刚性电缆的最全面标准。本标准的范围规定了广泛的要求分类,包括资格、材料、设计和构造、视觉和机械、操作、标记、重量和工艺(表 1)。

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表 1:一致性检查

MIL-DTL-17 还依赖于其他几个军事、政府和工业标准来补充上述要求分类中的标准(表 2)。此外,该标准详细说明了其他标准中未包含的特定于军事验收标准的方法。

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表 2:材料检验的附加标准

MIL-DTL-17 包括四种主要类型的检验要求:材料检验、合格检验、一致性检验和最终检验。MIL-DTL-17 的材料检查部分提供了用于认证电缆组件中使用的材料的标准文档的详细信息和参考。护套、隔离带、电介质、内导体、外导体和屏蔽材料都包括在内。MIL-DTL-17J(表 3 )中详述的资格检查要求使用政府可接受的实验室设施,并使用通常用于生产合格电缆的设备和程序生产的样品单元。资质审核不合格可被视为拒绝资质认定的理由。

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表3:资质检验报告

对交付产品进行一致性检查,由三个检查组(A、B 和 C)组成,如表 1所示。一致性检验从同一生产周期、同一材料、同一工艺制造的产品的检验批中随机抽取样品。在符合性检查期间,对于 A 组和 B 组检查,如果发现缺陷,则检查批次是否存在类似缺陷,并从批次中移除有缺陷的样品。

然后从剔除的检验批中取出新样品,如果在第二轮样品中发现缺陷,则整个检验批被拒绝。然而,C 组检验是通过 A 组和 B 组检验的样品单元通过的。并且,如果任何样品在 C 组检验期间不合格,则该检验批被视为未通过一致性检验。

交付前,MIL-DTL-17J 要求对电缆批次进行最终检查,其中进行连续性、火花测试、耐电压、绝缘电阻和不圆度护套测量。在半刚性电缆的情况下,在最终检查期间仅测试连续性和耐压性。从检验批次中选择样品单元的方法与一致性检验相同。在失败的情况下,对于非半刚性电缆的火花测试以外的任何事情,该失败都可以被认为是拒绝批次的原因。

MIL-DTL-17 的严格检查和要求使其成为确保组件使用最高质量同轴电缆的有吸引力的标准。因此,MIL-DTL-17 同轴电缆通常用于航空航天和航空电子设备、干扰敌我 (IFF) 雷达、卫星通信、电子对抗 (ECM) 和电子战应用。许多工业应用(例如石油和天然气、建筑和化学系统)也受益于 MIL-DTL-17 同轴电缆,因为这些应用中的故障可能会产生灾难性影响。

MIL-PRF-39012 连接器

对于同轴连接器,柔性和其他同轴传输线连接器的军用认证和一致性规范为 MIL-PRF-39012(当前为 MILPRF-39012F 修订版 3)。同样,与涵盖同轴电缆的 MIL-DTL-17 一样,MIL-PRF-39012 需要多层检查,包括材料鉴定、一致性和定期检查(表 4)。MIL-PRF-39012 中指出了这些检查的详细信息以及对其他适用规范的参考。MIL-PRF-39012 描述了对同轴电缆连接器进行鉴定和检查所需的视觉、机械和电气测试。

连接器

表 4:MIL-PRF-39012F 表 II 的节选 — 资格和检查

由于 MIL-PRF-39012 的严格规范,通过该规范的射频连接器非常适合用于大多数高性能和高可靠性应用,包括卫星通信、雷达、射频仪器和测试设备、室内/室外天线、 CATV、微波无线电和航空航天。此外,该标准涵盖了广泛的常见同轴连接器,例如:BNC、N型、跨国公司、SMA、中小企业、SMC、初中、SSMP、标准作业程序、OSSP、OSMM、SSMA、SC、质量管理协会、UMCC、SSMT、MMCX

无论环境如何,它都需要镀金的吸引触点,以实现最小的插入损耗和最高的电气接触质量。

MIL-PRF-39012 还要求制造商维护质量体系,使规范涵盖的零件能够列在合格产品列表 (QPL) 中。表 5中的几个鉴定检验测试仅在静态设计和制造过程的初始鉴定过程中进行,而一致性检验在交付前进行,除了一些定期检验测试。定期检查包括 C 组检查,并按规定的时间间隔进行。

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表 5:MIL-PRF-39012F 表 III、V 和 VII 的节选

MIL-STD-348

虽然 MIL-PRF-39012 规定了射频连接器的可靠性资格,但 MIL-STD-348 详细说明了射频连接器接口的确切尺寸和几何形状。具体来说,MIL-STD-348 包括其他 MIL-SPEC 文档中引用的射频连接器和适配器:MIL-DTL-3643、MIL-DTL-3650、MIL-STD-3655、MIL-DTL-25516、MILPRF-31031、MIL -PRF-39012、MIL-PRF-49142、MIL-PRF-55339 和 MIL-DTL-83517。本标准中的规范被视为美国射频连接器接口标准,并为所有美国军事部门所接受。MIL-STD-348 是一项基本标准,因为它确保了美国军事服务中射频连接器的互操作性,无论制造商如何。作为射频连接器设计和构造的基础,该标准还为可靠的连接器性能奠定了基础。

SAE AS23053

SAE AS23053(也称为M23053、SAE-AMS-DTL-23053标准,以前被取消的MILDTL-23053标准)是热缩绝缘套管的工业和军用标准。这种类型的绝缘套管通常用于保护同轴电缆和连接器之间的接头,通常会增强同轴电缆组件的环境和机械耐用性。本规范包括证明符合资格要求(见第 4 节和第 7.3 节)、过程检查和统计过程控制检查的规定。

与 SAE AS23053 一致,SAE AS5942 建立了通过间接标记来识别电线和电缆的性能要求,这些标记已应用于电绝缘材料,包括热缩套管、环绕标签和“捆绑”标签以及任何其他类型的用于间接标记的材料。

本规范包括用于制作标记的工艺和方法,包括冲击油墨标记、热转印、激光标记、烫印等。但是,SAE AS5942 不包括电线和电缆上的直接标记。因此,SAE AS5942 涵盖了通常安装在同轴电缆组件上的热缩套管,但不包括组件的外绝缘护套。

QPL 电缆和连接器 (MIL-STD-790) 是由美国国防部 (DOD) 建立的系统,旨在简化并向购买者保证他们购买的产品符合适用规范的基本资格要求。QPL 和合格产品数据库 (QPD) 是为政府活动提供经批准的供应商来源的列表。为了符合许多军用标准,制造商必须将其产品提交给 QPL。

压接工具、电线端接通用规范

SAE AS22520 取代 MIL-DTL-22520,规定了在连接同轴连接器和其他电气连接器、组件和系统的可拆卸触点时使用的检查量具、附件和压接工具的要求。该标准对于确保同轴连接器的互操作性以及军用和工业标准同轴连接器内一致的引脚位置和几何形状非常重要。

J-STD 焊接(IPC J-STD-001 和 IPC J-STD-006)

自 MIL-STD-2000 取消以来,J-STD 焊接成为焊接的行业和军用标准。J-STD 由印刷电路协会 (IPC) 运营,该协会定期发布一系列标准的更新。对于焊接同轴电缆组件,特别是同轴电缆连接器部件,J-STD-001 和 J-STD-006 最适用于军事和航空航天应用。J-STD-001(目前为 J-STD-001G)包括用于生产高质量焊接互连和组件的方法和验证标准。

J-STD-006(现为 J-STD-006B)与修订 1 和 2,规定了电子焊接应用的电子级焊料合金、助焊剂和非助焊剂条、焊带和粉末焊料的命名、要求和测试方法,以及用于“特殊”电子级焊料。具体而言,J-STD 适用于将同轴电缆的中心引脚、外导体和屏蔽连接到同轴连接器时的焊料类型和使用方法。

鉴于军用级同轴组件所处的恶劣环境,任何低于高质量焊接连接的东西都可能导致组件引脚和/或外导体/屏蔽连接的电气或机械性能出现故障。与 J-STD 焊接连接相比,压接/夹紧型同轴连接器也更容易受到腐蚀和因拉扯或弯曲而导致的故障。

批次可追溯性

为了满足国防部以及其他航空航天和航空电子国家机构的要求,制造商必须实施批次可追溯性。这使制造商可以将零件的所有组件追溯到其原始来源。这是一项有价值的资格,因为在零件发生故障时,组件可追溯性可以确定故障的根本原因,而不是报废整个组件,而是可以修改故障组件的来源或其制造过程。

对于极其复杂的系统,例如现代军事和航空航天系统,批次可追溯性对于诊断和预防故障至关重要。对于射频同轴电缆组件而言,这意味着连接、电缆、护套、屏蔽、绝缘热缩等的每个组件都可以在组件出现故障时单独追溯到其来源。

100% 测试和测试报告

尽管数据表是衡量同轴电缆组件的标称、最小和最大性能的有效工具,但数据表并未提供有关给定电缆实际性能的信息。拥有每个同轴电缆组件的测试报告可提供性能证明和质量保证,并有助于在组件出现故障时进行追溯。这只有在每个同轴电缆组件在交付前都经过测试时才有可能。尽管许多军用标准都要求进行一致性检查,但拥有组件的实际测试报告(包括射频性能测试图)可以额外保证每个同轴电缆组件都符合或超过军用和工业标准。

IPC/WHMA-A-620 工艺标准

IPC/线束制造商协会 WHMA-A-620 标准是确定电缆和线束组件可接受的工艺质量的唯一行业共识标准。本标准详细说明了电缆组件的材料、方法、测试和验收标准的实践和要求。IPC/WHMA-A-620 的第 1.17 (1-5) 节专门处理电缆组件和线束的工艺/处理,并侧重于确保最佳质量同时减少制造过程中缺陷的方法。

Hi-Rel 同轴组件特性

无论是用于军事、航空航天、通信、工业、移动、实验室还是科学用途,可靠的电缆组件对于电缆组件故障和维护成本过高的应用越来越受到重视。尽管需要高可靠性同轴电缆组件的应用是多种多样的,但对于大多数这些应用来说,有几个共同的特性是理想的。这些特性包括商业可用性、增强的屏蔽、耐用的护套材料、宽工作温度范围、电缆的温度调节、密封连接器、卓越的组装和测试报告。

屏蔽

许多常见的同轴电缆组件使用单个屏蔽层作为外导体,对于柔性同轴电缆,该屏蔽层通常是可以涂覆的编织金属线。如果在单屏蔽电缆组件上施加任何应力或压力,编织屏蔽的物理变形可能会导致电气性能大幅变化,甚至可能导致故障。因此,首选使用双屏蔽同轴电缆,尤其是在恶劣的安装和操作环境中的应用,以帮助确保可靠的电气性能。此外,对同轴电缆进行双重屏蔽可以防止在存在大功率电磁能和射频信号的情况下出现信号泄漏和外部干扰。

例如,在带有发射器和接收器的设备柜中,各种频率相对较高的射频信号很可能通过同轴电缆组件传导。如果使用不当的屏蔽,信号可能会从电缆组件中泄漏并与其他发射器和接收器或其他无线电组件产生干扰(或至少干扰本底噪声)。相反,屏蔽不良的电缆组件可能只会略微衰减外部干扰信号,从而导致潜在的接收器过载或干扰信号的进入。

夹套

Hi-Rel 同轴电缆组件有几种常见的护套材料和组装方法。三种主要材料是聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(PFA)和氟化乙烯丙烯(FEP)。这些氟塑料材料在用作同轴电缆护套时具有许多类似的优点。但是,在某些领域,FEP 比 PTFE 或 PFA 更具优势。即,FEP 具有较低的熔点和固化温度,使这些装配护套更容易制造。

FEP 也表现出与 PTFE 和 PFA 相似的耐腐蚀性,但表现出增强的耐洗涤剂性。与 PFA 相比,PTFE 和 FEP 都具有更好的耐候性。所有三种氟塑料都具有相似的介电常数,但与 PTFE 相比,FEP 表现出优异的介电强度。此外,FEP 具有比 PTFE 和 PFA 高得多的耗散因数和与 PTFE 相当的耐电弧性。

工作温度范围

汽车和工业工作温度范围很大,但通常不足以用于军事和航空航天应用。许多材料和组装方法无法在军用规范要求的宽工作温度范围内保持规定的性能。暴露在冷却能力有限的恶劣环境中,通常是在包含发热射频电子设备的机柜中,这是高可靠性同轴电缆组件的常见情况。

因此,旨在确保高于平均工作温度的电缆组件和制造方法有助于在较长的使用寿命内实现可靠的性能,并降低因环境压力而导致的退化风险。电子和电气元件的工作温度范围通常如下。实际工作温度范围取决于电缆类型:

商用:0°C 至 85°C

工业:-40° C 至 100° C

汽车:-40° C 至 125° C

扩展:-40° C 至 125° C

军用:-55° C 至 125° C

温度调节电缆

组装前在温度室中对电缆进行热预处理,以提高电缆的电气和机械稳定性。工业温度室经过编程,可多次循环预切电缆,从低温到高温极端温度到“预老化”,并在电缆组件构造之前稳定电缆。

密封垫片

密封垫圈虽然不是电气性质的,但可确保同轴电缆组件的长期运行可靠性。这些垫圈有助于防止湿气、化学物质和碎屑对环境的侵入,在最好的情况下会增加插入损耗,在最坏的情况下会导致电缆损坏。硅橡胶垫圈是密封垫圈的标准,往往提供多年免维护的环境保护。

商用现货 (COTS) 组件越来越受到军事和政府机构的追捧,以减少采购时间、降低定制组件的高成本并开发更具竞争力的采购流程。但是,COTS 组件仍必须符合严格的 MIL-SPEC 和行业标准,才能用于军事或政府用途。此外,即使使用 MIL-SPEC 电缆和连接器,组装过程也必须满足各种其他军用标准。尽管有同轴电缆组件供应商专门设计符合军事和政府标准的产品,但他们的组件很少在冗长的报价和订购过程之外提供。

直到最近,射频行业一直是军事、航空航天、政府、科学、卫星通信和大型通信网络应用的供应商。因此,制造和供应 RF 组件、设备和组件的模式传统上是构建到打印或基于报价的订购系统。这在很大程度上就是同轴电缆组件的采购过程。该方法的主要重点是实现 100% 的所需功能,并针对特定应用定制组件。

制作符合 MIL-SPEC 的同轴电缆组件

满足 MIL-SPEC 资格和检查并非易事。当它试图在下订单后数小时内实现军用标准电缆的订单时,这一过程面临双重挑战。Pasternack 通过质量制造步骤的标准化系统以及旨在确保组件和装配级别符合所有相关军事和行业标准的现场测试/检查,使这成为可能。这种能力,尤其是批量生产,在同轴电缆组件制造商中是很少见的,因为大多数制造商都致力于在已经很长的订购过程中通过协商的计划交货时间来完成订单。

在 36 个步骤的过程中,其中 5 个步骤专门用于进料流程,31 个步骤涉及订单处理,Pasternack 技术人员和机器将处理、组装和验证同轴电缆组件的每个关键机械和电气特性.

这包括确保引脚和连接器附件符合 J-STD-001 3 类焊接标准,压接按照 SAE AS2250 标准完成,标记符合 SAE AS5941 标准,整体工艺符合 IPC/WHMA- A-620 3 类标准。此外,每个同轴电缆组件都经过 100% 的插针和绝缘体位置连接器测量、插入损耗、VSWR、介电耐压 (DWV) 测试,并进一步目视检查工艺、配置和标记。此外,Pasternack 还进行长度和质量的样品测试。

结论

随着军事和航空航天系统继续电气化,对各种形状和尺寸的高可靠性同轴电缆和连接器组件的需求也在增加。由于互连是系统设计甚至生产的最后步骤之一,互连订单的任何延迟或错误都可能导致在满足合同期限或部署赢得合同所需的可行原型方面遭遇不幸和代价高昂的挫折。

这些电缆的传统采购流程涉及一个漫长的报价、检验、认证、生产和运输过程,可能需要数周甚至数月才能到达电缆组件。设计更改或错误可能会导致程序延迟更长。如果预期的延迟是不可接受的,有时会要求特别豁免以替代未经认证的电缆组件,从而产生可靠性和可追溯性问题。

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