航空電連接器腐蝕對信號傳輸影響的仿真分析*

郁大照 許振曉 劉 琦

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

在航空電子系統(tǒng)中，連接器通常用于信號傳輸，尤其是射頻連接器。它們的性能與各類電子系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)［1］。高溫、高濕、高鹽的海洋環(huán)境使得電連接器接觸表面退化問題嚴(yán)重，當(dāng)信號通過這種退化表面時(shí)，波形會衰減和失真［2］，誤碼率會增加。

低頻電連接器主要考慮接觸電阻，而射頻電連接器隨著使用頻率的升高，趨膚效應(yīng)、表面粗糙度等物理效應(yīng)開始變得重要起來，這就導(dǎo)致射頻電連接器的信號完整性問題日益突出［3］。當(dāng)電連接器腐蝕退化后，會對傳輸信號產(chǎn)生影響，造成信號失真或誤碼［4］。李慶婭［5～6］采用電路仿真模擬和理論建模相結(jié)合的方法研究了電連接器退化對模擬調(diào)制信號在時(shí)域波形、相位方面的影響，并用通過加速試驗(yàn)獲得的退化電連接器樣本進(jìn)行測試，深入剖析了接觸退化對信號傳輸?shù)挠绊懸?guī)律。Ji 等［7～8］根據(jù)傳輸線理論，建立了失效電連接器的等效模型，分析其傳輸性能，通過研究發(fā)現(xiàn)電連接器故障會導(dǎo)致輸出波形失真。樊軍偉［9］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二氧化硫氣體腐蝕斑點(diǎn)和硝酸蒸氣腐蝕斑點(diǎn)的腐蝕產(chǎn)物膜層介電常數(shù)和電阻率不同，接觸電容與膜層的介電常數(shù)有關(guān)，接觸電阻和腐蝕物的電阻率相關(guān)，結(jié)果表明相對于二氧化硫氣體來說，硝酸蒸氣對觸點(diǎn)的阻抗影響更大。朱劍［10］通過研究隧道電流的生成發(fā)現(xiàn)，同軸連接器表面的腐蝕膜層使信號通過接觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生非線性變化，并且認(rèn)為對于大功率信號傳輸而言，雖然其腐蝕膜層很容易被擊穿，但其非線性效應(yīng)不能忽略。Sun［11～12］研究了同軸連接器的接觸故障對誤碼率的影響，分析了不同接觸情況和不同傳輸頻率下的輸出波形。以上研究主要圍繞陸地環(huán)境下電信領(lǐng)域的同軸連接器展開，針對海洋環(huán)境下的航空電連接器信號完整性問題的研究相對較少，采用有限元仿真方法的文獻(xiàn)也較少，本文以有限元仿真為主要手段，分析了航空電連接器腐蝕對信號傳輸?shù)挠绊懸?guī)律。

對長期服役于海洋環(huán)境下的海軍飛機(jī)來說，電連接器會產(chǎn)生不同程度的腐蝕，特別是敞開部位的連接器腐蝕更為嚴(yán)重［13］。王泗環(huán)［14］通過COMSOL仿真研究表明，電連接器腐蝕后，電接觸部位的腐蝕層厚度達(dá)到14μm。紀(jì)銳［15］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某型電連接器腐蝕膜層厚度達(dá)到8.2μm 時(shí)，其插入損耗已經(jīng)超出設(shè)計(jì)要求。為系統(tǒng)研究腐蝕膜層對信號傳輸?shù)挠绊?，本文以在航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的SMA 型射頻電連接器為研究對象，在理論分析其腐蝕退化后的等效電路模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了HFSS 有限元模型，系統(tǒng)研究了接觸表面的腐蝕膜層的厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率對該型電連接器傳輸高頻信號的影響。

2 電接觸等效電路模型

電連接器作為信號傳輸?shù)臉蛄?，影響信號傳輸?shù)年P(guān)鍵因素是插針與插孔的電接觸可靠性［16］。由于電連接器接觸表面腐蝕、磨損等原因，觸點(diǎn)理論上可以看成是由無數(shù)微小觸點(diǎn)并聯(lián)組成的接觸區(qū)［17］。李雪清［18～19］將電接觸區(qū)域分為導(dǎo)電區(qū)、半導(dǎo)體區(qū)、絕緣區(qū)三部分。

在導(dǎo)電區(qū)，電流在接觸斑點(diǎn)處收縮，使得該位置的電流線產(chǎn)生彎曲，電流流經(jīng)路徑延長，通過的界面區(qū)域減小，從而產(chǎn)生了收縮電阻Rc［20］，其計(jì)算公式為

式中，ρ表示基體材料的電阻率，Nc和r分別表示粗糙接觸表面微凸體的數(shù)目和半徑。

在半導(dǎo)體區(qū)，腐蝕膜層位于兩金屬接觸面中間，主要包括兩部分：第一部分中基體金屬通過氧化膜接觸，產(chǎn)生了膜層電阻Rf［21］；第二部分中基體金屬之間的氧化膜分隔開金屬接觸面從而產(chǎn)生了膜層電容cf［22］，它們分別表示為

式中，Ar是半導(dǎo)體區(qū)實(shí)際接觸面積，σf是腐蝕膜層電阻率，εf是腐蝕膜層的介電常數(shù)，s是腐蝕膜層的平均厚度。

在絕緣區(qū)，基體材料之間無直接接觸，產(chǎn)生了接觸電容Cn［23］：

式中，εo是空氣的介電常數(shù)，An是接觸電容的面積，d是兩表面之間的平均距離。

隨著接觸表面逐漸退化，腐蝕程度逐漸加重，腐蝕膜層覆蓋整個(gè)接觸界面，這樣接觸表面就可以等效為由膜層電阻Rf和膜層電容cf組成的電路模型［24］，一般情況下電連接器經(jīng)信號完整性設(shè)計(jì)后其接觸體的特性阻抗與傳輸線特性阻抗相等，即阻抗匹配［25］，所以在此僅考慮接觸面阻抗，如圖1 所示。

圖1 腐蝕接觸表面的等效電路模型

此時(shí)接觸阻抗為

通過前面的分析可以知道，當(dāng)觸點(diǎn)受到腐蝕時(shí)，其接觸阻抗主要與頻率、腐蝕物的介電常數(shù)和電導(dǎo)率、腐蝕膜的面積和厚度相關(guān)。接觸阻抗變大，導(dǎo)體中的電流就會變小，所以從理論上講，這些因素也必將對信號傳輸產(chǎn)生影響。

3 有限元仿真

本節(jié)基于HFSS 構(gòu)建SMA 型射頻電連接器的有限元模型，分別研究接觸表面的腐蝕膜層厚度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率對該型電連接器傳輸高頻信號的影響。

3.1 仿真模型構(gòu)建

本文選用的SMA 型射頻電連接器樣本，由內(nèi)導(dǎo)體、中間介質(zhì)、外導(dǎo)體三部分組成，接觸件由插針和插孔構(gòu)成，連接器關(guān)鍵尺寸如表1 所示。由HFSS建立的實(shí)體模型剖面圖如圖2所示。

表1 電連接器的部分結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 電連接器剖面圖

3.2 材料屬性設(shè)置

在HFSS 中，所有三維物體模型都要指定其材料屬性。從式（5）中可以看出，腐蝕產(chǎn)物的介電常數(shù)和電導(dǎo)率直接影響接觸阻抗，所以本文重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)材料屬性。模型中的材料屬性參數(shù)如表2所示，其中腐蝕層的材料屬性的參數(shù)值為初始值，后面根據(jù)仿真要求進(jìn)行相應(yīng)修改。

表2 電連接器材料屬性

3.3 激勵添加及求解

創(chuàng)建激勵端口前先設(shè)置邊界條件，外導(dǎo)體周圍設(shè)定為理想導(dǎo)體邊界，意味著沒有能量輻射到外界環(huán)境。在連接器兩端建立波端口激勵，端口阻抗歸一化為50Ω。軟件會對模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，掃頻方式設(shè)置為快速掃頻，掃頻范圍為0.1GHz～2GHz。

3.4 仿真分析

“三高”海洋環(huán)境中，基體銅的氧化物較為復(fù)雜，有氧化亞銅，有鹽霧環(huán)境下的氯化銅還有含二氧化硫大氣環(huán)境下的堿式硫酸銅等。所以在設(shè)置材料屬性時(shí)，通過改變材料的介電常數(shù)（ε）和電導(dǎo)率（σ）代表不同的腐蝕產(chǎn)物，改變腐蝕膜層的厚度（s）代表不同的腐蝕程度。

研究接觸表面腐蝕膜層的厚度（s）、介電常數(shù)（ε）和電導(dǎo)率（σ）對信號傳輸?shù)挠绊?，共設(shè)置了三組仿真分析，每一組中固定其中兩個(gè)參數(shù)，另一個(gè)參數(shù)設(shè)定為不同值，研究其變化對S 參數(shù)（回波損耗和插入損耗）和VSWR（電壓駐波比）的影響，方案如表3所示。

表3 仿真分析腐蝕膜層參數(shù)設(shè)置方案

4 仿真結(jié)果分析

S 參數(shù)，也就是散射參數(shù)，是微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)。SMA 型電連接器可以等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3 所示。a1和b1表示端口1 的入射信號和反射信號，a2和b2表示端口2 的入射信號和反射信號。

圖3 SMA型電連接器二端口網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)信號流的流動方向，那么S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個(gè)值越小越好，一般建議S11<－20dB；S21表示插入損耗或正向傳輸系數(shù)，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩耍≒ort2）了，這個(gè)值越大越好，理想值是0dB，一般建議S21>－3dB。如果網(wǎng)絡(luò)是無耗的，那么只要Port1 上的反射很小，就可以滿足S21>－3dB 的要求，S21越大，說明信號傳輸損耗越低，傳輸?shù)男室簿驮礁?。SMA 型電連接器主要技術(shù)參數(shù)如表4所示，其中f 表示工作頻率。

表4 SMA型電連接器主要技術(shù)參數(shù)

在仿真中，假設(shè)腐蝕膜層均勻分布于接觸表面，那么膜層的厚度、腐蝕膜層電導(dǎo)率及介電常數(shù)都會影響連接器的傳輸性能。首先來看一下腐蝕膜層的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對回波損耗的影響。

4.1 腐蝕膜層對回波損耗的影響

從仿真結(jié)果中可以看出，在有腐蝕的情況下，膜層厚度主要影響回波損耗模值的大小，并沒有改變回波損耗的變化趨勢，相同工作頻率下，膜層厚度變大，回波損耗增加。當(dāng)膜層厚度為27μm，工作頻率為0.1GHz～1GHz，回波損耗大于-20dB；工作頻率為1GHz ～2GHz 時(shí)，回波損耗小于-20dB，這說明當(dāng)電連接器腐蝕膜層較厚時(shí)，信號頻率越高，傳輸特性越好，與式（5）相符合。

圖4 回波損耗與膜層厚度的關(guān)系圖

圖5 回波損耗與介電常數(shù)的關(guān)系圖

從結(jié)果中可以看出，隨著介電常數(shù)的增加，回波損耗逐漸減小。當(dāng)ε=1 時(shí)，該腐蝕膜的回波損耗在整個(gè)頻率范圍均大于-20dB，說明傳輸性能極差，當(dāng)ε=10、20和30時(shí)，回波損耗的變化規(guī)律相似，都在高頻段表現(xiàn)出更好的傳輸性能。

很明顯可以看出，腐蝕膜層電導(dǎo)率越大，回波損耗越小。純金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率相當(dāng)大，但當(dāng)其腐蝕后變成氧化物和氯化物，金屬氧化物的電子都與氧結(jié)合形成化合物了，一般來說都不容易導(dǎo)電，是電的不良導(dǎo)體，也就說是：它們一般都是絕緣體。所以電導(dǎo)率越小，瞬時(shí)阻抗與特性阻抗相差越大，回波損耗也就越大。

圖6 回波損耗與電導(dǎo)率的關(guān)系圖

4.2 腐蝕膜層對插入損耗的影響

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)頻率超過1GHz時(shí)，插入損耗幾乎為0dB，表現(xiàn)出相當(dāng)好的傳輸性能。當(dāng)電連接器插針表面出現(xiàn)腐蝕時(shí)，對插入損耗的影響主要體現(xiàn)在低頻部分，隨著膜層厚度增加，插入損耗模值逐漸增大，并且腐蝕膜層越厚，插入損耗模值隨頻率下降的越快。

圖7 插入損耗與膜層厚度的關(guān)系圖

圖8 插入損耗與介電常數(shù)的關(guān)系圖

從關(guān)系圖中可以看出，將腐蝕膜層的介電常數(shù)設(shè)定為不同值時(shí)，插入損耗的變化規(guī)律是相似的，頻率越小，插入損耗模值越大。尤其是當(dāng)ε=1 時(shí)，在低頻段腐蝕膜層的插入損耗小于－3dB，傳輸特性較差。

圖9 插入損耗與電導(dǎo)率的關(guān)系圖

與上兩張關(guān)系圖類似，腐蝕膜電導(dǎo)率對插入損耗的影響主要表現(xiàn)在低頻段，電導(dǎo)率越高，插入損耗的模值越小，不過各電導(dǎo)率對插入損耗影響的差值達(dá)到0.4dB。當(dāng)信號頻率超過0.75Hz，電導(dǎo)率的影響差異就比較小了，最大差值約為0.1dB。另外，當(dāng)電導(dǎo)率大于1 時(shí)，頻率對插入損耗的影響較小，基本為直線，

4.3 腐蝕膜層對電壓駐波比的影響

仿真分析中，為了檢測具有不同特征的腐蝕膜層對信號傳輸?shù)挠绊?，還可以通過測量SMA 型電連接器的電壓駐波比（VSWR）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)信號通過電連接器時(shí)，如果有任何阻抗不連續(xù)或者瞬時(shí)阻抗與特性阻抗不匹配時(shí)，就會發(fā)生反射，通常用反射系數(shù)來表示，VSWR 就是反射系數(shù)的函數(shù)。它可以用來表述有多少功率反射回傳輸線，電壓駐波比的公式如下：

式（6）中，Γ 是反射系數(shù)，它的值是由負(fù)載阻抗ZL和特性阻抗Z0共同決定的，如式（7）所示。

如果電連接器沒有腐蝕且無損耗，電壓駐波比的值為1，意味著信號的被完整的傳輸?shù)截?fù)載。實(shí)際中電壓駐波比的值總是大于1，其值越小越接近于1 說明性能越好。對于該型射頻電連接器，在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)它的電壓駐波比應(yīng)小于1.19。在三維電磁仿真中，將SMA 型電連接器插針表面設(shè)定為不同膜層厚度，不同介電常數(shù)和不同電導(dǎo)率的腐蝕膜層，分三種情況對電連接器的VSWR進(jìn)行了模擬，仿真分析中，SMA 型連接器模型的特性阻抗設(shè)為50Ω，結(jié)果如下。

圖10 電壓駐波比與膜層厚度的關(guān)系圖

從結(jié)果中可以看出，電連接器沒有腐蝕的情況下，其電壓駐波比幾乎為理想值1，但隨著腐蝕膜層厚度增加，其對電壓駐波比的損害也越來越大，尤其表現(xiàn)在信號頻率小于1GHz的范圍內(nèi)。在低頻范圍內(nèi)（小于0.5GHz），傳輸信號的電壓駐波比受頻率的影響也較明顯，信號頻率增加，電壓駐波比迅速下降。當(dāng)頻率大于1GHz 時(shí)，即使腐蝕膜層的厚度達(dá)到30μm，信號的電壓駐波比也是符合要求的。

圖11 電壓駐波比與介電常數(shù)的關(guān)系圖

圖12 電壓駐波比與電導(dǎo)率的關(guān)系圖

當(dāng)介電常數(shù)等于1，電連接器傳輸信號的電壓駐波比完全不符合要求，信號將嚴(yán)重失真。當(dāng)介電常數(shù)大于10，電壓駐波比的變化規(guī)律比較相似，且值也接近，隨著頻率的增加，電壓駐波比逐漸減小，當(dāng)信號頻率超過0.40GHz，全部符合參數(shù)要求。

腐蝕膜層的電導(dǎo)率對電壓駐波比的影響也主要體現(xiàn)在低頻段，電導(dǎo)率越大，電壓駐波比越小。電導(dǎo)率直接影響膜層電阻的大小，電導(dǎo)率越大，電阻越小，對信號的影響就越小。

5 結(jié)語

1）腐蝕層越厚，電連接器的傳輸特性越差；腐蝕層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率越大，電連接器的傳輸特性越好。

2）腐蝕膜層對低頻和高頻信號的影響不同。對于本文所研究的幾種情況，高頻信號都表現(xiàn)出較好的傳輸性能，基本能滿足其技術(shù)指標(biāo)要求，這跟膜層電容發(fā)揮的作用有關(guān)，因?yàn)殡娙菥哂凶璧皖l通高頻的特點(diǎn)。

3）電連接器的電氣性能與信號頻率關(guān)系密切。