航天级射频同轴互连器件关键考量要素

Peter McNeil, Pasternack, an Infinite Brand

过去十五年，航天技术行业已发生剧变。如今，既有来自NASA、ESA等机构的传统或"旧航天"应用——这些应用要求极其严格且预期产量较低，也有新兴航天技术公司采用更商业化、更大众化方式研发的"新航天"应用。¹ 众多小型科研机构及新近成立的国家航天组织正以惊人速度展开着多样化任务。² 我们需要意识到，这些应用的共同点是：射频、微波及毫米波技术对于通信和传感任务仍然至关重要。

这些技术为航天器系统及有效载荷提供了关键功能特性。更高频率和更高密度的应用意味着射频系统空间占位更小、互连密度更高。同轴电缆、连接器及组件对于连接空间系统与有效载荷部件必不可少。然而，它们也可能对某些最敏感的太空设备造成多种故障模式。这使同轴互连器件满足太空航天级性能与可靠性标准成为设计人员和系统的首要任务。这些卫星平台和有效载荷具有多种不同形态规格，也给各个应用带来独特挑战。

图1a展示的是1U规格PhoneSat航天器；图1b为12U规格CAPSTONE航天器；图1c是3U规格CLICK航天器；图1d则是6U规格PTD-3航天器。这些航天器均已实际入轨运行，虽均属立方星（CubeSat）类别，但尺寸与空间占位差异导致互连器件的考量要素与技术要求存在显著区别。

图1 (a) 1U规格PhoneSat航天器。 (b) 12U规格CAPSTONE航天器。 (c) 3U规格CLICK航天器。 (d) 6U规格PTD-3航天器。资料来源：NASA and Terrain Orbital.²

何谓航天级？

太空应用及平台存在诸多不同类型。较常见的类型包括：

• 深空探测
• 空间站
• 各类轨道卫星
• 运载火箭
• 探测车及其他采样与实验移动平台
• 月球基地及探测载具与居住系统
• 火星任务及居住设施

对传统应用而言，组件归类为航天级历来意味着其必须满足极端严苛的材料选型、供应链管理、工艺制程、质控体系、验证流程与制造标准。此类要求通常由主导航天项目的国家航天机构或政府确立。这些实践积淀了庞大知识体系，涵盖各类材料、材料组合及制造方法在太空环境与微重力工况下的运行特性。尽管众多新兴航天项目未完全沿袭传统航天项目的严苛标准，但既有项目积累的知识仍对判定太空环境最优实施方案具有关键价值。

新航天项目通常不像传统航天应用那样有着相同的严苛要求。任务周期更短，任务目标也可能没那么关键。这使得质量标准可以适当放宽，并为这些任务拓展了可用的材料选择和制造工艺方案。这种做法通常能降低大多数零部件的成本——因为关键航天项目的严格标准即便是在大规模量产时，成本也仍会居高不下。随着新航天项目能够放宽部分质量要求和标准，并提高产量，系统可以采用传统航天级组件（如同轴组件和连接器）。这种模式的优势在于：更高产量加上放宽的质量控制要求，最终可以转化为更低的成本。

无论任务类型如何，太空都存在固有风险，必须采取措施确保组件满足任务要求。首要考虑因素是组件能否承受与发射相关的冲击、振动和加速度应力。其次，材料和结构必须能够适应太空的真空和微重力环境。几乎所有材料在低压环境下都会释放气体。气体释放速率和这些释放气体的成分会显著影响材料在太空中的适用性。一个重要考虑因素是，材料释气何时开始影响组件或其他组件的运行。

尽管真空中的环境温度极低，但射频组件仍可能通过多种方式受热。这些方式包括太阳辐射或来自其他太空平台及有效载荷组件的废热。因此，航天级组件必须在广泛温度范围内可靠运行，并承受这些温度区间的反复循环变化。温度波动是导致许多组件故障的重要原因之一，因为热循环会导致组件材料和结构的尺寸变化。对于太空系统而言，辐射冷却可能是唯一的热量排出方式。这种冷却方式在散热效率上比传导或对流更慢、效果更差，这引发了关于组件承受极端温度时长的问题。

太空生存性最关键的考量因素之一，是组件或系统抵御宇宙辐射和太阳活动（通常称为"空间天气"）的能力。这类空间天气可能包含高能粒子风暴、宽频电磁辐射，以及剧烈的电磁场现象。电磁辐射的主要威胁在于高能X射线和伽马射线可能穿透防护层，与系统内部组件发生相互作用。这尤其会对使用半导体和集成电路的有源电子元件构成严重威胁。当辐射强度达到一定水平时，可能引发内部故障，若未做好充分的抗辐射加固，甚至可能损毁有源器件。值得注意的是，这种威胁不仅限于有源器件。高能电磁辐射同样会导致无源射频组件的材料和结构性能退化乃至损坏。

轨道距地球表面的距离会显著影响实际的空间环境。传统航天任务多运行于外层轨道、月球轨道、大椭圆轨道（HEO）或地球同步轨道（GEO）。这些轨道距离地球表面相对较远，位于地球磁层保护范围之外，因此在这些轨道上的空间站及有效载荷更容易受到空间天气的影响。

相比之下，新兴航天任务则多集中于中地轨道（MEO）和近地轨道（LEO）。这些轨道比外层轨道或地球同步轨道更接近地球，因而能获得更多的空间天气防护。但相应地，这些航天器需要更高的运行速度和更精确的定位能力在轨道维持机动。其中，近地轨道是最为拥挤的空间区域，不仅聚集了大量活跃卫星，还存在严重的空间碎片问题。这使得近地轨道任务发生碰撞损毁的风险远高于地球同步轨道和外层轨道任务。图2展示了不同轨道类型的距离范围示意图。

图2 轨道分类示意图。资料来源：NASA illustration by Robert Simmon.3

太空任务成功的关键要素

轨道位置、预期任务寿命、性能指标、测控标准以及地区监管机构的要求，在很大程度上决定了航天任务的具体需求。以国家级航天机构为代表，其性能标准和组织规范通常极为严苛。此外还存在大量周期短、规模小的教育类、科学探索类及政府资助的航天任务，包括立方星（CubeSat）和小型卫星（SmallSat）项目。这类任务往往需要多个机构协同完成，各参与方需求各异且预算通常有限。而新兴航天企业的加入使情况更加复杂化——这些商业公司致力于为消费者、非政府用户及政府用户提供前所未有的新型服务。值得注意的是，这些新兴航天公司通常设有不对外公开的内部标准和质量控制体系。其采购模式倾向于从大量商用产品中筛选符合任务要求的产品，这与传统航天领域向认证供应商定制专用零部件的做法形成鲜明对比。

航天产品需满足的核心技术要求包括：

•  空间占位与重量
•  物理强度
•  工作温度范围
•  宇宙辐射与空间天气耐受性
•  闪络特性
•  材料释气性
•  残余磁性
•  材料及可追溯性
•  制造环境
•  质量等级（IPC标准3级）
•  电气特性

卫星平台或有效载荷的尺寸限制将直接影响技术方案与架构选择。微波及毫米波高频段带来的小型化优势，特别适合对尺寸重量敏感的应用场景。这正是微波与毫米波频段在天地通信及星间链路中备受青睐的原因——既能满足频谱管制要求，又可实现设备微型化。但需注意，随着电子元器件尺寸的不断缩小，在设计和制造过程中必须格外谨慎，确保每个元件都能承受与发射及在轨生存相关的冲击、振动和加速度载荷。

元器件的工作温度范围与存储温度范围同样是决定其是否适用于航天应用的关键因素。根据轨道类型及电子部件暴露情况，即便满足-55℃至125℃军用温度标准也可能不足。航天级器件通常要求-65℃至150℃的工作范围，部分特殊应用甚至需突破该区间。为此必须谨慎选择材料与工艺，确保在极端温差下的可靠性，必要时需采用老化等温度稳定化处理。特别要注意不同材料热膨胀系数的匹配问题，通过科学的层叠结构设计来满足工况需求。

航天级元器件普遍采用铜/铍铜基材镀银或镀金工艺——银镀层保障优异的导电性能，金镀层则提供卓越的化学惰性。此类金属镀层必须符合严苛的质量标准来保证可靠性及有效性，包括：行业标准工艺方法、质量检测规范以及接触镀层厚度指标。不锈钢部件通常需进行钝化处理以增强耐腐蚀性，并要求采用无磁合金材料。

闪络现象是指绝缘体表面发生的非预期放电，常见于电子元器件密闭空间内（如含气隙且介质层极薄的同轴电缆组件）。其主要诱因是低压电弧放电。避免此类问题需通过：严格的元器件筛选、系统级防护设计，以消除可能引发电弧或燃烧的条件。航天材料的选型与制造工艺需遵循ASTM E-595等释气标准，该标准明确规定了总质量损失率（TML）和可凝挥发物收集（CVCM）率的测试方法。航天应用通常要求极低的TML与CVCM值，这意味着材料产生的颗粒物、空间碎片和释气量极少。若忽视这些因素，可能导致性能劣化甚至闪络等灾难性故障。为最大限度降低此类风险，多数航天应用需实施严格的生产设施与工艺流程质控措施，重点控制制造环境中元器件接触颗粒污染物的风险。

IPC-A-620是一项重要标准，尤其适用于同轴电缆及其他线缆线束组件。该标准规定了这些电气组件制造的工艺要求和质量标准。IPC-A-620被公认为此类组件工艺水平的黄金准则。其中Class 3级别是该标准的最高等级，最符合航天应用要求。该标准还考量了所用材料及组件材料成分的可追溯性。部分航天应用要求使用经认证的供应商清单和材料，而其他应用则仅需满足特定的可追溯性和兼容性等级。制造商通常认为乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）是航天级同轴电缆的理想护套材料。这种材料具有高熔点、良好的耐化学性、优异的电气性能以及抗高能辐射特性。抗高能辐射能力是同轴组件选材的关键考量因素，因为某些材料在高能辐射环境下会发生性能退化，从而导致互连故障。

电气特性

与大多数电气组件一样，同轴电缆组件、连接器和电缆都需要在标称工况和实际运行条件下满足性能要求。对于航天应用的同轴组件，其运行条件通常比军用或工业应用更为严苛。正因如此，航天级或拟用于航天应用的组件往往会提供更详细的技术参数表，包含更完整的数据表格和曲线图，以展示组件在更宽泛的运行参数范围内的性能表现。

航天应用需要考虑的一些关键电气特性包括：

•  相位稳定性
•  相速度
•  屏蔽效能
•  插入损耗

相位稳定性在各类物理和环境条件下的表现，对太空应用同轴组件尤为关键。虽然该参数通常仅被视为测试量测应用的考量指标，但由于太空应用的工作温度范围极宽及其他特殊因素，相位稳定性已成为多数航天任务的核心技术要求。电缆或组件中的相速度会直接影响系统信号延迟和时序特性，这些参数对太空通信网络至关重要。鉴于太空辐射环境中存在高能粒子和外部电磁干扰，其对电磁屏蔽的要求远高于地面应用。射频屏蔽效能用于衡量外部信号能量在组件工作频段内的渗透程度，航天应用的射频屏蔽效能通常要求达到100dB或更高。

发射成本与质量直接相关，因此航天应用对射频和直流功率预算有着严格限制。这使得低损耗、高效率组件成为优选方案，以最大限度减小电源系统的体积、重量、直流功耗和射频发射功率。采用低损耗航天级同轴互连器件，既能降低任务所需的发射功率，又可缓解组件发热问题。

工艺要求

同轴电缆、连接器及其他器件的性能对航天应用固然至关重要，但制造工艺和操作规范同样不容忽视。若器件制造不当，将直接影响任务性能和使用寿命。NASA已发布航天组件工艺标准，其中明确列举了航天应用同轴电缆及连接器的禁用制造工艺范例⁴。

图3a箭头标示处展示了一个不合格的焊点案例。该连接器与刚性/半刚性电缆护套之间的焊端未形成完整环绕焊周的全浸润、凹形、光滑连续的焊角。图3b展示了不符合NASA-STD-8739.4标准[19.6.2.f.3条款]的中心接触件组装案例，图示可见中心接触件的位置/朝向不符合正确对接要求。

图3c为违反制造或工程文档要求错误组装的电缆组件。如红色箭头所示，制造过程中中心引脚压接工具过度压接连接器本体，导致介质材料压溃。图3d展示的是弯曲半径不合格的电缆案例，其弯曲程度低于最小推荐半径，造成护套波纹状拉伸。此情况可能导致介质材料冷流变形，进而引发电缆组件损耗增加及/或短路故障。

图3 (a) 不合格焊点示例 (b) 中心接触件装配不当 (c) 连接器组装不规范 (d) 电缆弯曲半径超标

航天级同轴互连器件的获取比以往更加便捷

过去，采购航天级同轴电缆组件和连接器需要与制造商进行合同谈判。这一过程可能耗时冗长，采购周期和资质认证往往需要数年时间。虽然耗时，但这种时间跨度对传统航天应用尚可接受。然而，这对新航天或敏捷航天项目已不再适用。许多新航天应用依赖于超大规模近地轨道星座。每次发射都包含多颗卫星，且发射间隔时间大幅缩短。这些在轨卫星的性能表现将直接驱动后续卫星及发射任务的升级改进。这种"边实验边认证"的流程给研发和认证周期带来了巨大压力。该流程产生的结果也促使传统航天应用中那些更为严苛的要求逐步放宽。

这导致对航天级同轴互连器件及其他组件的需求日益增长，这些组件如今已能实现电商化采购速度。随着符合航天级标准的标准化同轴互连器件日益普及，其价格正获得规模经济效益，不再受制于专用合同的高成本负担。这些同轴互连组件可按需采购，且交付周期极短，某些情况下甚至支持当日发货。这种便捷性使研发航天平台与技术的工程师和科学家能够快速迭代，彻底摆脱了传统航天级组件合同制造固有的漫长交付周期。

结论

空间技术领域的进步与投资增长正推动航天产业快速发展。除传统大型航天机构外，越来越多的商业企业、新成立的航天机构和科研组织正加入这一领域。这为消费者和企业提供了关键的连接解决方案，同时促进了对恒星、近地小行星、月球及地球现象的研究。同轴互连器件（包括同轴电缆组件和连接器）对现代航天通信与传感系统至关重要，无论是空间平台还是有效载荷都依赖其性能。值得庆幸的是，随着航天应用日益普及，航天级同轴互连器件的可获得性正同步提升，足以满足新时代太空探索与服务需求。

资料来源

1.      “Payload Test Requirements,” NASA, Web: standards.nasa.gov/standard/NASA/NASA-STD-7002.

2.      “2.0 Complete Spacecraft Platforms,” NASA, March 3, 2024, Web: nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/platforms/.

3.      H. Riebeek, “Catalog of Earth Satellite Orbits,“ NASA Earth Observatory, September 2009,Web: earthobservatory.nasa.gov/features/OrbitsCatalog.

4.      “NASA Workmanship Standards,” NASA, Web:workmanship.nasa.gov/lib/insp/2%20books/links/sections/404%20Coaxial.html.