航空电连接器腐蚀对信号传输影响的仿真分析*

2023-07-05郁大照许振晓

舰船电子工程 2023年3期

郁大照许振晓刘琦

（海军航空大学烟台 264001）

1 引言

在航空电子系统中，连接器通常用于信号传输，尤其是射频连接器。它们的性能与各类电子系统的可靠性密切相关［1］。高温、高湿、高盐的海洋环境使得电连接器接触表面退化问题严重，当信号通过这种退化表面时，波形会衰减和失真［2］，误码率会增加。

低频电连接器主要考虑接触电阻，而射频电连接器随着使用频率的升高，趋肤效应、表面粗糙度等物理效应开始变得重要起来，这就导致射频电连接器的信号完整性问题日益突出［3］。当电连接器腐蚀退化后，会对传输信号产生影响，造成信号失真或误码［4］。李庆娅［5～6］采用电路仿真模拟和理论建模相结合的方法研究了电连接器退化对模拟调制信号在时域波形、相位方面的影响，并用通过加速试验获得的退化电连接器样本进行测试，深入剖析了接触退化对信号传输的影响规律。Ji 等［7～8］根据传输线理论，建立了失效电连接器的等效模型，分析其传输性能，通过研究发现电连接器故障会导致输出波形失真。樊军伟［9］通过实验发现，二氧化硫气体腐蚀斑点和硝酸蒸气腐蚀斑点的腐蚀产物膜层介电常数和电阻率不同，接触电容与膜层的介电常数有关，接触电阻和腐蚀物的电阻率相关，结果表明相对于二氧化硫气体来说，硝酸蒸气对触点的阻抗影响更大。朱剑［10］通过研究隧道电流的生成发现，同轴连接器表面的腐蚀膜层使信号通过接触点时产生非线性变化，并且认为对于大功率信号传输而言，虽然其腐蚀膜层很容易被击穿，但其非线性效应不能忽略。Sun［11～12］研究了同轴连接器的接触故障对误码率的影响，分析了不同接触情况和不同传输频率下的输出波形。以上研究主要围绕陆地环境下电信领域的同轴连接器展开，针对海洋环境下的航空电连接器信号完整性问题的研究相对较少，采用有限元仿真方法的文献也较少，本文以有限元仿真为主要手段，分析了航空电连接器腐蚀对信号传输的影响规律。

对长期服役于海洋环境下的海军飞机来说，电连接器会产生不同程度的腐蚀，特别是敞开部位的连接器腐蚀更为严重［13］。王泗环［14］通过COMSOL仿真研究表明，电连接器腐蚀后，电接触部位的腐蚀层厚度达到14μm。纪锐［15］通过实验发现某型电连接器腐蚀膜层厚度达到8.2μm 时，其插入损耗已经超出设计要求。为系统研究腐蚀膜层对信号传输的影响，本文以在航空电子系统中应用较为广泛的SMA 型射频电连接器为研究对象，在理论分析其腐蚀退化后的等效电路模型的基础上，构建了HFSS 有限元模型，系统研究了接触表面的腐蚀膜层的厚度、介电常数和电导率对该型电连接器传输高频信号的影响。

2 电接触等效电路模型

电连接器作为信号传输的桥梁，影响信号传输的关键因素是插针与插孔的电接触可靠性［16］。由于电连接器接触表面腐蚀、磨损等原因，触点理论上可以看成是由无数微小触点并联组成的接触区［17］。李雪清［18～19］将电接触区域分为导电区、半导体区、绝缘区三部分。

在导电区，电流在接触斑点处收缩，使得该位置的电流线产生弯曲，电流流经路径延长，通过的界面区域减小，从而产生了收缩电阻Rc［20］，其计算公式为

式中，ρ表示基体材料的电阻率，Nc和r分别表示粗糙接触表面微凸体的数目和半径。

在半导体区，腐蚀膜层位于两金属接触面中间，主要包括两部分：第一部分中基体金属通过氧化膜接触，产生了膜层电阻Rf［21］；第二部分中基体金属之间的氧化膜分隔开金属接触面从而产生了膜层电容cf［22］，它们分别表示为

式中，Ar是半导体区实际接触面积，σf是腐蚀膜层电阻率，εf是腐蚀膜层的介电常数，s是腐蚀膜层的平均厚度。

在绝缘区，基体材料之间无直接接触，产生了接触电容Cn［23］：

式中，εo是空气的介电常数，An是接触电容的面积，d是两表面之间的平均距离。

随着接触表面逐渐退化，腐蚀程度逐渐加重，腐蚀膜层覆盖整个接触界面，这样接触表面就可以等效为由膜层电阻Rf和膜层电容cf组成的电路模型［24］，一般情况下电连接器经信号完整性设计后其接触体的特性阻抗与传输线特性阻抗相等，即阻抗匹配［25］，所以在此仅考虑接触面阻抗，如图1 所示。

图1 腐蚀接触表面的等效电路模型

此时接触阻抗为

通过前面的分析可以知道，当触点受到腐蚀时，其接触阻抗主要与频率、腐蚀物的介电常数和电导率、腐蚀膜的面积和厚度相关。接触阻抗变大，导体中的电流就会变小，所以从理论上讲，这些因素也必将对信号传输产生影响。

3 有限元仿真

本节基于HFSS 构建SMA 型射频电连接器的有限元模型，分别研究接触表面的腐蚀膜层厚度、介电常数、电导率对该型电连接器传输高频信号的影响。

3.1 仿真模型构建

本文选用的SMA 型射频电连接器样本，由内导体、中间介质、外导体三部分组成，接触件由插针和插孔构成，连接器关键尺寸如表1 所示。由HFSS建立的实体模型剖面图如图2所示。

表1 电连接器的部分结构尺寸

图2 电连接器剖面图

3.2 材料属性设置

在HFSS 中，所有三维物体模型都要指定其材料属性。从式（5）中可以看出，腐蚀产物的介电常数和电导率直接影响接触阻抗，所以本文重点关注这两个材料属性。模型中的材料属性参数如表2所示，其中腐蚀层的材料属性的参数值为初始值，后面根据仿真要求进行相应修改。

表2 电连接器材料属性

3.3 激励添加及求解

创建激励端口前先设置边界条件，外导体周围设定为理想导体边界，意味着没有能量辐射到外界环境。在连接器两端建立波端口激励，端口阻抗归一化为50Ω。软件会对模型进行自适应网格剖分，扫频方式设置为快速扫频，扫频范围为0.1GHz～2GHz。

3.4 仿真分析

“三高”海洋环境中，基体铜的氧化物较为复杂，有氧化亚铜，有盐雾环境下的氯化铜还有含二氧化硫大气环境下的碱式硫酸铜等。所以在设置材料属性时，通过改变材料的介电常数（ε）和电导率（σ）代表不同的腐蚀产物，改变腐蚀膜层的厚度（s）代表不同的腐蚀程度。

研究接触表面腐蚀膜层的厚度（s）、介电常数（ε）和电导率（σ）对信号传输的影响，共设置了三组仿真分析，每一组中固定其中两个参数，另一个参数设定为不同值，研究其变化对S 参数（回波损耗和插入损耗）和VSWR（电压驻波比）的影响，方案如表3所示。

表3 仿真分析腐蚀膜层参数设置方案

4 仿真结果分析

S 参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。SMA 型电连接器可以等效为一个二端口网络模型，如图3 所示。a1和b1表示端口1 的入射信号和反射信号，a2和b2表示端口2 的入射信号和反射信号。

图3 SMA型电连接器二端口网络模型

根据信号流的流动方向，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议S11<－20dB；S21表示插入损耗或正向传输系数，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是0dB，一般建议S21>－3dB。如果网络是无耗的，那么只要Port1 上的反射很小，就可以满足S21>－3dB 的要求，S21越大，说明信号传输损耗越低，传输的效率也就越高。SMA 型电连接器主要技术参数如表4所示，其中f 表示工作频率。

表4 SMA型电连接器主要技术参数

在仿真中，假设腐蚀膜层均匀分布于接触表面，那么膜层的厚度、腐蚀膜层电导率及介电常数都会影响连接器的传输性能。首先来看一下腐蚀膜层的三个关键参数对回波损耗的影响。

4.1 腐蚀膜层对回波损耗的影响

从仿真结果中可以看出，在有腐蚀的情况下，膜层厚度主要影响回波损耗模值的大小，并没有改变回波损耗的变化趋势，相同工作频率下，膜层厚度变大，回波损耗增加。当膜层厚度为27μm，工作频率为0.1GHz～1GHz，回波损耗大于-20dB；工作频率为1GHz ～2GHz 时，回波损耗小于-20dB，这说明当电连接器腐蚀膜层较厚时，信号频率越高，传输特性越好，与式（5）相符合。

图4 回波损耗与膜层厚度的关系图

图5 回波损耗与介电常数的关系图

从结果中可以看出，随着介电常数的增加，回波损耗逐渐减小。当ε=1 时，该腐蚀膜的回波损耗在整个频率范围均大于-20dB，说明传输性能极差，当ε=10、20和30时，回波损耗的变化规律相似，都在高频段表现出更好的传输性能。

很明显可以看出，腐蚀膜层电导率越大，回波损耗越小。纯金属导体的电导率相当大，但当其腐蚀后变成氧化物和氯化物，金属氧化物的电子都与氧结合形成化合物了，一般来说都不容易导电，是电的不良导体，也就说是：它们一般都是绝缘体。所以电导率越小，瞬时阻抗与特性阻抗相差越大，回波损耗也就越大。

图6 回波损耗与电导率的关系图

4.2 腐蚀膜层对插入损耗的影响

从仿真结果可以看出，当频率超过1GHz时，插入损耗几乎为0dB，表现出相当好的传输性能。当电连接器插针表面出现腐蚀时，对插入损耗的影响主要体现在低频部分，随着膜层厚度增加，插入损耗模值逐渐增大，并且腐蚀膜层越厚，插入损耗模值随频率下降的越快。

图7 插入损耗与膜层厚度的关系图

图8 插入损耗与介电常数的关系图

从关系图中可以看出，将腐蚀膜层的介电常数设定为不同值时，插入损耗的变化规律是相似的，频率越小，插入损耗模值越大。尤其是当ε=1 时，在低频段腐蚀膜层的插入损耗小于－3dB，传输特性较差。

图9 插入损耗与电导率的关系图

与上两张关系图类似，腐蚀膜电导率对插入损耗的影响主要表现在低频段，电导率越高，插入损耗的模值越小，不过各电导率对插入损耗影响的差值达到0.4dB。当信号频率超过0.75Hz，电导率的影响差异就比较小了，最大差值约为0.1dB。另外，当电导率大于1 时，频率对插入损耗的影响较小，基本为直线，

4.3 腐蚀膜层对电压驻波比的影响

仿真分析中，为了检测具有不同特征的腐蚀膜层对信号传输的影响，还可以通过测量SMA 型电连接器的电压驻波比（VSWR）来实现。当信号通过电连接器时，如果有任何阻抗不连续或者瞬时阻抗与特性阻抗不匹配时，就会发生反射，通常用反射系数来表示，VSWR 就是反射系数的函数。它可以用来表述有多少功率反射回传输线，电压驻波比的公式如下：

式（6）中，Γ 是反射系数，它的值是由负载阻抗ZL和特性阻抗Z0共同决定的，如式（7）所示。

如果电连接器没有腐蚀且无损耗，电压驻波比的值为1，意味着信号的被完整的传输到负载。实际中电压驻波比的值总是大于1，其值越小越接近于1 说明性能越好。对于该型射频电连接器，在整个频谱范围内它的电压驻波比应小于1.19。在三维电磁仿真中，将SMA 型电连接器插针表面设定为不同膜层厚度，不同介电常数和不同电导率的腐蚀膜层，分三种情况对电连接器的VSWR进行了模拟，仿真分析中，SMA 型连接器模型的特性阻抗设为50Ω，结果如下。

图10 电压驻波比与膜层厚度的关系图

从结果中可以看出，电连接器没有腐蚀的情况下，其电压驻波比几乎为理想值1，但随着腐蚀膜层厚度增加，其对电压驻波比的损害也越来越大，尤其表现在信号频率小于1GHz的范围内。在低频范围内（小于0.5GHz），传输信号的电压驻波比受频率的影响也较明显，信号频率增加，电压驻波比迅速下降。当频率大于1GHz 时，即使腐蚀膜层的厚度达到30μm，信号的电压驻波比也是符合要求的。