薄液膜對航空射頻連接器信號傳輸影響的分析

許振曉，郁大照，周猛蛟，劉 琦，3

（1.海軍航空大學，山東煙臺 264001；2.西北橡膠塑料研究設(shè)計院有限公司，陜西西安 710089；3. 92279部隊，山東煙臺 264003）

海洋環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧和高強度太陽輻照的“四高”特點，這對服役于沿?；蚺炆系能娪蔑w機來說，其機體結(jié)構(gòu)和機載部附件很容易發(fā)生腐蝕[1]。位于飛機起落架艙、發(fā)動機艙等敞開部位的電連接器若經(jīng)常發(fā)生腐蝕，會引發(fā)飛機系統(tǒng)故障[2]，這主要是因為：電連接器具有典型的呼吸效應特性，潮濕空氣一旦進入電連接器內(nèi)部，濕氣不易揮發(fā)，導致插頭內(nèi)部積水，形成薄液膜，造成導體接觸件銹蝕短路或接觸不良。電連接器導體如果受潮氧化，接觸電阻將增大從而使信號衰減[3]；潮濕、鹽霧、霉菌等可使金屬元件腐蝕，使非金屬產(chǎn)生漏電通道，從而導致其絕緣或介電性能下降，信號的能量損耗增加[4]。無論薄液膜還是其引發(fā)的腐蝕，都會對電連接器信號傳輸產(chǎn)生影響。

對于海洋環(huán)境下的電連接器腐蝕問題，國內(nèi)外均開展了相關(guān)研究。史林軍通過仿真和實驗的方法證明薄液膜厚度與電化學反應中電解質(zhì)溶液的電阻和氧擴散的路徑相關(guān)[5]；趙葦航將Ce3+添加到氯化鈉薄液膜中，采用極化曲線和電化學噪聲方法進行研究，發(fā)現(xiàn)Ce3+會在一定程度上影響金屬表面的腐蝕規(guī)律[6]；譚曉明在模擬的海洋環(huán)境條件下開展加速腐蝕試驗，研究航空電連接器的接觸電阻和絕緣電阻的變化規(guī)律[7]；郁大照以飛機典型電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)故障件和線纜及微動開關(guān)在我南海環(huán)境暴曬實驗結(jié)果為依據(jù)，研究了海洋環(huán)境下電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的腐蝕故障規(guī)律和電氣性能變化規(guī)律[8]；劉琦根據(jù)典型航空裝備南海服役環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計海洋環(huán)境加速腐蝕試驗環(huán)境譜，基于此環(huán)境譜開展航空電連接器在實驗室加速試驗條件下的外觀腐蝕、接觸電阻、絕緣電阻和耐壓強度的變化行為和機理研究[9]；Meyyappan 對連接器在腐蝕性環(huán)境中進行頻繁插拔后的接觸電阻的變化情況進行了研究[10]；Martens 等以銅為基底，鎳為中間鍍層，金為外面鍍層建立了接觸系統(tǒng)，并將其暴露在腐蝕環(huán)境中，分析了微孔腐蝕機理和接觸電阻發(fā)生的變化[11-14]。以上文獻主要從薄液膜特性與電化學腐蝕速率、電連接器腐蝕對接觸電阻及絕緣電阻的影響2 個維度開展了系列研究，但對電連接器內(nèi)部薄液膜的形成及對信號傳輸影響的研究卻較少。

本文以飛機上廣泛使用的某型射頻電連接器為研究對象，在分析內(nèi)導體空隙內(nèi)薄液膜發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，建立射頻電連接器的高頻結(jié)構(gòu)仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）有限元模型，通過對比薄液膜在內(nèi)導體空隙內(nèi)發(fā)展的各個階段的插入損耗和電壓駐波比，全過程分析薄液膜變化以及由其產(chǎn)生的腐蝕膜層對射頻電連接器信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 射頻連接器內(nèi)部薄液膜發(fā)展過程分析

射頻連接器由插針和插孔組成，兩者組合后由內(nèi)向外依次是內(nèi)導體、中間介質(zhì)和外導體，如圖1所示。

圖1 射頻連接器側(cè)視圖和完好接觸剖面圖Fig.1 Side view and intact contact section of RF connector

由于內(nèi)導體接觸面積遠遠小于外導體的，且內(nèi)導體中間的空腔容易積聚潮氣，因此，內(nèi)導體部分更容易發(fā)生電接觸故障，從而影響信號傳輸。

高濕加鹽霧的海洋環(huán)境為薄液膜的形成提供了條件，電連接器加工工藝水平問題和導體插拔磨損為薄液膜的發(fā)展提供了必要條件，薄液膜又為電連接器內(nèi)導體接觸表面腐蝕退化創(chuàng)造了條件，最終導致電連接器傳輸?shù)男盘柊l(fā)生顯著變化。薄液膜在射頻電連接器內(nèi)導體間隙內(nèi)的發(fā)展可以分為4 個階段，如圖2所示。

圖2 射頻電連接器內(nèi)部薄液膜發(fā)展過程Fig.2 Development process of thin liquid film in RF electrical connector

第1 階段：內(nèi)導體間隙生成階段。在射頻電連接器的加工制造中，由于機械誤差，插座和插頭裝配時不可避免地存在導體間隙。一般設(shè)計上保證外導體間隙為零，允許內(nèi)導體有1個小的間隙，這個間隙的存在會導致射頻電連接器阻抗不連續(xù)。隨著設(shè)計和加工技術(shù)的改進，射頻電連接器內(nèi)導體的間隙寬度逐漸趨近于零，即便這樣，在斷開后重新裝配時，若維護人員未安裝到位或者導體內(nèi)腔進入了雜質(zhì)，仍然可以導致內(nèi)導體間隙大量存在。

第2階段：薄液膜生成階段。高濕、高鹽的空氣通過射頻電連接器的裝配縫隙進入內(nèi)導體間隙之后，很難排出。工作環(huán)境溫度發(fā)生變化后，潮氣逐漸轉(zhuǎn)化成具有腐蝕性的薄液膜。薄液膜的介電常數(shù)和電導率與連接器的導體材料不同，引起阻抗變化，信號傳輸?shù)奖∫耗r，會增加反射，影響信號傳輸質(zhì)量。

第3 階段：薄液膜發(fā)展階段。隨著插針與插孔磨損的增加和插孔開槽式彈性連接結(jié)構(gòu)的疲勞軟化，插針和插孔接觸面之間形成間隙。外界高鹽潮濕空氣不斷侵入電連接器導體內(nèi)腔，導致插針和插孔接觸面之間逐漸形成薄液膜。這個階段，薄液膜將射頻電連接器內(nèi)導體之間的電氣連接分隔開，使得接觸界面電參數(shù)發(fā)生變化，這種變化也會對信號傳輸造成影響。

第4 階段：接觸界面腐蝕膜層生成階段。射頻電連接器內(nèi)導體接觸件為銅合金基體鍍鎳再鍍金[15]。薄液膜中的氯離子具有較強的破壞作用，其半徑僅為0.181 nm，能夠很容易穿透金屬的鈍化膜[16]。在鍍金層的缺陷處，具有較強腐蝕性的薄液膜可直接接觸到鍍鎳層，在氯離子的作用下，鎳的鈍化膜破裂，發(fā)生溶解。隨著腐蝕的持續(xù)發(fā)展，基體銅合金開始腐蝕，腐蝕產(chǎn)物堆積，體積逐漸膨脹，最終導致鍍金層破損甚至脫落。射頻電連接器內(nèi)導體接觸界面的嚴重退化會對信號傳輸產(chǎn)生較壞影響。

薄液膜在射頻電連接器內(nèi)的導體空隙內(nèi)生成和發(fā)展的過程中，傳輸信號的導體材料在逐漸發(fā)生變化，不同的材料有不同的傳輸特性，傳輸阻抗發(fā)生了變化，高頻信號通過射頻電連接器時，插入損耗和電壓駐波比也會有相應變化。下面通過有限元方法，仿真薄液膜在發(fā)展過程中每個階段對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

2 射頻連接器受薄液膜腐蝕的有限元仿真分析

本節(jié)將重點根據(jù)射頻電連接器在有薄液膜情況下，根據(jù)其插入損耗和電壓駐波比會發(fā)生變化的情況來進行詳細仿真分析和模擬，最終得出薄液膜對射頻連接器信號傳輸?shù)母g影響規(guī)律。

2.1 仿真模型構(gòu)建

射頻電連接器的主要尺寸如表1 所示，a、b、c和d分別表示內(nèi)導體外徑、外導體內(nèi)徑、插入段半徑和間隙寬度。在HFSS 中建立的實體模型剖面圖，如圖3所示。

表1 電連接器的部分結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Partial structural dimensions of the electrical connector

圖3 電連接器剖面圖Fig.3 Sectional view of the electrical connector

2.3 邊界條件設(shè)置及求解

HFSS中常用的邊界條件求解類型包括輻射邊界條件（Radiation）、理想磁邊界條件（Perfect H）、理想導體邊界條件（Perfect E）等。為了使仿真過程更接近真實物理環(huán)境，需要在建立的結(jié)構(gòu)模型外部添加1 個空氣盒子，并將其設(shè)置為輻射邊界條件，相當于自由空間。由于射頻同軸連接器輻射較弱，因此，空氣盒子的范圍不需要太大[17]。

對于射頻電連接器，端口設(shè)置為波端口激勵。通過仿真分析，可以得到電連接器內(nèi)部的電場、磁場和電流分布，散射參數(shù)（S參數(shù)）和電壓駐波比。本文設(shè)定射頻電連接器仿真的頻率范圍為0～20 GHz，步長為0.5 GHz，選擇插值掃頻方式。

2.4 仿真流程

仿真過程中，針對薄液膜在電連接器導體內(nèi)發(fā)展的每個階段，更改其結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，按照上面3步進行設(shè)置，進而得到信號通過射頻電連接器的插入損耗和電壓駐波比，并進行結(jié)果對比，以此來分析薄液膜在整個發(fā)展過程中對信號傳輸?shù)挠绊懀鐖D4所示。

圖4 仿真流程圖Fig.4 Flow chart of simulation

2.2 材料屬性設(shè)置

在有限元建模過程中，材料屬性是影響信號傳輸最為關(guān)鍵的因素，其中，材料的電導率和介電常數(shù)尤為重要。電導率是用來描述物質(zhì)中電荷流動難易程度的參數(shù)，在介質(zhì)中，該量與電場強度之積等于傳導電流密度。介電常數(shù)又稱電容率，是表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的1個重要數(shù)據(jù)，常用ε表示；相對介電常數(shù)又稱相對電容率，是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場中儲存靜電能的相對能力。

該模型中，各個構(gòu)件的材料屬性參數(shù)如表2 所示?？紤]到海洋環(huán)境特點，將薄液膜成分定義為海水。腐蝕膜層材料為氧化鎳，其導電性極差，仿真中將其電導率設(shè)定為0.01 S·m-1。

表2 電連接器材料屬性Tab.2 Material properties of the electrical connector

3 射頻連接器受薄液膜腐蝕仿真結(jié)果分析

通常情況下，用散射參數(shù)和電壓駐波比來表征射頻信號通過電連接器的變化情況。射頻電連接器可以等效成1個二端口網(wǎng)絡(luò)[18]，如圖5所示。

圖5 射頻電連接器二端口網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Two port network model of RF electrical connector

由其物理意義可知，S21越大越好，在理想情況下，S21=0 dB，S11越小越好。

電壓駐波比就是反射系數(shù)S11的函數(shù)，它一般用來表述有多少能量反射回端口1，其公式如下：

如果信號從端口1完整地傳輸?shù)蕉丝?，即反射系數(shù)為0，電壓駐波比為1，這是理想狀態(tài)。而實際中，電壓駐波比總是大于1，其值越小說明傳輸通道的損耗越小，傳輸性能越好。本文所研究的射頻電連接器主要性能指標如表3所示。

表3 某型射頻電連接器主要性能指標Tab.3 Main technical parameters of the electrical connector

下面通過對比薄液膜發(fā)展的每個階段的仿真結(jié)果（插入損耗和電壓駐波比）來分析薄液膜變化對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3.1 間隙形成對信號傳輸影響

理想狀態(tài)下，射頻電連接器內(nèi)導體之間沒有間隙（不包括插孔空腔），但由于存在制造工藝水平和電連接器擰緊力矩不達標等情況，容易造成間隙的出現(xiàn)，這給信號傳輸帶來不良影響。仿真中，間隙寬度設(shè)定為0.200 mm（如表1所示）。圖6是內(nèi)導體有無間隙的結(jié)果對比圖，其中，橫坐標為頻率（Freq），縱坐標分別是插入損耗（S21）和電壓駐波比（VSWR），圖7、8 和9的坐標軸設(shè)置與本節(jié)相同。

圖6 內(nèi)導體有無間隙結(jié)果對比圖Fig.6 Comparison chart of inner conductor with and without clearance

從圖6可以看出，內(nèi)導體之間形成間隙后，對射頻電連接器的傳輸性能產(chǎn)生相應影響，插入損耗和電壓駐波比都發(fā)生了明顯的變化。在圖6 a）中，有間隙的曲線完全位于無間隙的下方，說明從整體上看，間隙損害了射頻電連接器的傳輸性能，這是由于間隙導致能量損耗增大，輸出端接收到的能量減少。隨著頻率的增加，2 條曲線之間的距離越來越大，說明頻率越高，間隙對插入損耗的影響越大。在圖6 b）中，有間隙與無間隙的曲線對比相當明顯，有間隙的曲線完全位于無間隙的上方，說明從整體上看，間隙導致射頻電連接器電壓駐波比增大，損害了其傳輸性，這是因為間隙導致電連接器在內(nèi)導體連接處阻抗不連續(xù)，使部分信號發(fā)生了反射。隨著頻率的增加，間隙對電壓駐波比的影響明顯增大，說明間隙形成之后，電壓駐波比在高頻段更敏感。

3.2 薄液膜生成對信號傳輸?shù)挠绊?/h3>

潮濕鹽霧進入射頻電連接器內(nèi)部后，在內(nèi)導體之間形成薄液膜，取代上節(jié)中分析的空氣間隙，薄液膜的介電常數(shù)和電導率與空氣不同（參數(shù)見表2），對電磁場的傳播會產(chǎn)生一定影響。圖7是薄液膜生成后與空氣間隙的仿真結(jié)果對比圖。

圖7 薄液膜生成與空氣間隙結(jié)果對比圖Fig.7 Comparison chart of results with liquid film formation and air gap

從圖7 中可以看出，潮濕鹽霧在射頻電連接器內(nèi)導體的間隙內(nèi)形成薄液膜，對信號傳輸造成一定影響，但沒有圖6所示對比明顯。在圖7 a）中，薄液膜生成的插入損耗曲線完全位于空氣間隙曲線下方，說明薄液膜增大了插入損耗，導致信號能量損失增加，損害了射頻電連接器的傳輸性能。當頻率小于10 GHz時，2條曲線基本重合，說明薄液膜和空氣間隙對插入損耗的影響沒有太大區(qū)別。隨著傳輸信號的頻率增大，兩者的對比越來越明顯，2條曲線之間的間距逐漸增大，說明頻率越高，薄液膜對插入損耗的影響越大。

在圖7 b）中，2 條曲線在頻率為16.5 GHz 時出現(xiàn)交點，說明薄液膜對電壓駐波比的影響比較復雜。在低頻段，薄液膜生成的曲線位于空氣間隙的下方，說明薄液膜的生成反而減小了信號的反射，這在一定程度上抵消了內(nèi)導體之間因間隙導致的阻抗不匹配對信號反射的影響。當頻率大于16.5 GHz時，薄液膜的曲線位于空氣間隙的上方，說明在高頻段，與空氣間隙相比，薄液膜對信號的反射作用更為明顯，導致信號傳輸質(zhì)量下降。

3.3 薄液膜發(fā)展對信號傳輸?shù)挠绊?/h3>

隨著射頻電連接器使用時間的增加，受插拔次數(shù)和振動、溫度等外界因素的影響，插針和插孔之間磨損逐漸增多，插孔開槽式結(jié)構(gòu)件逐漸疲勞軟化，這就為薄液膜繼續(xù)向?qū)w內(nèi)部發(fā)展提供了條件。

隨著潮濕鹽霧的侵入，射頻電連接器插針和插孔接觸面之間也會形成薄液膜，薄液膜的發(fā)展也會對信號傳輸造成一定影響。仿真中，假設(shè)薄液膜均勻分布在插針和插孔之間，厚度設(shè)定為20 μm。薄液膜發(fā)展階段與生成階段插入損耗和電壓駐波比的對比結(jié)果，如圖8所示。

圖8 薄液膜發(fā)展與薄液膜生成結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison chart of results with liquid film development and liquid film formation

從圖8 中可以看出，隨著薄液膜向插針和插孔之間的間隙發(fā)展，信號傳輸質(zhì)量也發(fā)生了變化。2 張圖都反映出薄液膜對信號傳輸?shù)挠绊懺诓煌念l段表現(xiàn)出不同的差異。在圖8 a）中，除了點m13之外，薄液膜發(fā)展的曲線整體上位于薄液膜生成之下，這說明接觸間隙的薄液膜又進一步增加了能量損耗，導致輸出端口的信號能量減小。薄液膜發(fā)展使插入損耗整體上隨頻率增加呈下降趨勢。當頻率為20 GHz 時，點m11與m12的差值達到0.101 6，為所測頻段的最大差值，但整條曲線出現(xiàn)了2個波谷和3個波峰；當頻率為7 GHz 時，點m5 與m6 的差值為0.069 9；當頻率為14 GHz 時，點m7 與m8 的差值為0.036 9，這2 個點插入損耗惡化比較嚴重；當頻率為9 GHz 時，點m13 位于薄液膜生成曲線的上方，傳輸效果反而變好。在圖8 b）中，薄液膜發(fā)展的曲線整體上隨頻率增加呈上升趨勢，但在m3和m5這2個點出現(xiàn)了2個波峰，說明電壓駐波比惡化較為嚴重。薄液膜發(fā)展的電壓駐波比曲線大部分位于薄液膜生成曲線的上方，但在12～18.2 GHz 范圍內(nèi)，前者位于后者的下方，表現(xiàn)出較小的反射。當頻率為15 GHz 時，點m7 與m8 的差值為0.013 8。在其他頻段，薄液膜發(fā)展的電壓駐波比都較高或者兩者接近，傳輸特性相對較差。

3.4 腐蝕膜層對信號傳輸?shù)挠绊?/h3>

薄液膜為射頻電連接器內(nèi)部電化學腐蝕提供了條件，腐蝕性介質(zhì)氯離子半徑極小，透過鍍金層的微孔，逐漸腐蝕鍍鎳層和基底銅，致使不同金屬間發(fā)生電化學反應，最終鍍金層脫落，鎳和銅的腐蝕產(chǎn)物堆積在導體接觸表面，影響信號傳輸。為簡化分析仿真，假設(shè)腐蝕膜層均勻分布在插孔表面，厚度為10 μm。下面是腐蝕膜層階段與薄液膜發(fā)展階段的插入損耗和電壓駐波比的結(jié)果對比圖。

從對比圖中可以看出，腐蝕膜層進一步惡化了射頻電連接器的傳輸性能，圖9 a）表現(xiàn)得尤其明顯。在圖9 a）中，腐蝕膜層的插入損耗曲線幾乎完全位于薄液膜曲線的下方，這說明信號電流通過腐蝕膜層的時候產(chǎn)生了較大的能量損耗。在點m1之前，2條曲線規(guī)律較相似，點m1之后，2條曲線表現(xiàn)出較大的差異，在頻率為9 GHz、13 GHz和17 GHz這3個頻點交替出現(xiàn)波峰和波谷，在這3 個頻點插入損耗的差值分別為0.087 1、0.021 5和0.073 6，可以看出，腐蝕膜層對頻率為9 GHz 這個頻點影響最大。在圖9 b）中，除了點m10之后的頻段外，腐蝕膜層的電壓駐波比曲線基本上位于薄液膜的上方，這說明腐蝕膜層導致傳輸線阻抗不匹配，進一步增加了信號反射，導致電壓駐波比增加，信號能量損失增大。該曲線整體上呈上升趨勢，頻率越高，信號反射越明顯。當頻率超過17 GHz后，基本趨平，曲線位于薄液膜曲線的下方，從一定程度上反映出相對較好的高頻特性。

圖9 腐蝕膜層生成前后結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison chart of results before and after the formation of corrosion film

4 結(jié)論

本文首先將薄液膜在射頻電連接器內(nèi)導體空隙內(nèi)的發(fā)展過程分為間隙生成、薄液膜萌生、薄液膜發(fā)展、腐蝕膜層生成4個階段；然后，基于HFSS三維電磁有限元仿真軟件，得到每個階段的插入損耗和電壓駐波比仿真結(jié)果，再分別與上一階段的結(jié)果進行對比，分析薄液膜對信號傳輸?shù)挠绊?，得到如下結(jié)論。

1）從薄液膜的發(fā)展過程可以看出，射頻電連接器的信號傳輸性能逐漸變差，這充分說明海洋環(huán)境對電連接器的影響是不容忽視的。

2）不同階段對信號的影響不盡相同：第1階段主要影響電壓駐波比；第2階段影響相對較?。坏?和第4階段插入損耗和電壓駐波比惡化都比較嚴重。

3）射頻電連接器插拔后應注意防護，防止外來雜質(zhì)進入。維護后，應按規(guī)定力矩將射頻電連接器安裝到位，盡量縮小間隙。同時，在使用和維護中要做好腐蝕防護。

內(nèi)導體接觸性能退化僅是薄液膜變化發(fā)展對射頻電連接器性能影響的1個方面，在高濕鹽霧環(huán)境下，射頻電連接器的絕緣性能也會受到影響。鹽和水分在被污染的絕緣體中結(jié)合，形成電流的泄漏通道，致使絕緣電阻降低，這對信號傳輸?shù)挠绊懖蝗莺鲆暋?/p>