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計院有限公司，陜西西安 710089；3. 92279部隊，山東煙臺 264003）

海洋環境具有高溫、高濕、高鹽霧和高強度太陽輻照的“四高”特點，這對服役于沿海或艦上的軍用飛機來說，其機體結構和機載部附件很容易發生腐蝕[1]。位于飛機起落架艙、發動機艙等敞開部位的電連接器若經常發生腐蝕，會引發飛機系統故障[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部，濕氣不易揮發，導致插頭內部積水，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的腐蝕，都會對電連接器信號傳輸產生影響。

對于海洋環境下的電連接器腐蝕問題，國內外均開展了相關研究。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溶液的電阻和氧擴散的路徑相關[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，發現Ce3+會在一定程度上影響金屬表面的腐蝕規律[6]；譚曉明在模擬的海洋環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律[7]；郁大照以飛機典型電氣線路互聯系統故障件和線纜及微動開關在我南海環境暴曬實驗結果為依據，研究了海洋環境下電氣線路互聯系統的腐蝕故障規律和電氣性能變化規律[8]；劉琦根據典型航空裝備南海服役環境數據，設計海洋環境加速腐蝕試驗環境譜，基于此環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，并將其暴露在腐蝕環境中，分析了微孔腐蝕機理和接觸電阻發生的變化[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，在分析內導體空隙內薄液膜發展過程的基礎上，建立射頻電連接器的高頻結構仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）有限元模型，通過對比薄液膜在內導體空隙內發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生的腐蝕膜層對射頻電連接器信號傳輸的影響。

1 射頻連接器內部薄液膜發展過程分析

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

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

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

高濕加鹽霧的海洋環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展提供了必要條件，薄液膜又為電連接器內導體接觸表面腐蝕退化創造了條件，最終導致電連接器傳輸的信號發生顯著變化。薄液膜在射頻電連接器內導體間隙內的發展可以分為4 個階段，如圖2所示。

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

第1 階段：內導體間隙生成階段。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。一般設計上保證外導體間隙為零，允許內導體有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。隨著設計和加工技術的改進，射頻電連接器內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腔進入了雜質，仍然可以導致內導體間隙大量存在。

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導體間隙之后，很難排出。工作環境溫度發生變化后，潮氣逐漸轉化成具有腐蝕性的薄液膜。薄液膜的介電常數和電導率與連接器的導體材料不同，引起阻抗變化，信號傳輸到薄液膜時，會增加反射，影響信號傳輸質量。

第3 階段：薄液膜發展階段。隨著插針與插孔磨損的增加和插孔開槽式彈性連接結構的疲勞軟化，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導體之間的電氣連接分隔開，使得接觸界面電參數發生變化，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，發生溶解。隨著腐蝕的持續發展，基體銅合金開始腐蝕，腐蝕產物堆積，體積逐漸膨脹，最終導致鍍金層破損甚至脫落。射頻電連接器內導體接觸界面的嚴重退化會對信號傳輸產生較壞影響。

薄液膜在射頻電連接器內的導體空隙內生成和發展的過程中，傳輸信號的導體材料在逐漸發生變化，不同的材料有不同的傳輸特性，傳輸阻抗發生了變化，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，仿真薄液膜在發展過程中每個階段對信號傳輸的影響。

2 射頻連接器受薄液膜腐蝕的有限元仿真分析

本節將重點根據射頻電連接器在有薄液膜情況下，根據其插入損耗和電壓駐波比會發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的腐蝕影響規律。

2.1 仿真模型構建

射頻電連接器的主要尺寸如表1 所示，a、b、c和d分別表示內導體外徑、外導體內徑、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 電連接器的部分結構尺寸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境，需要在建立的結構模型外部添加1 個空氣盒子，并將其設置為輻射邊界條件，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，端口設置為波端口激勵。通過仿真分析，可以得到電連接器內部的電場、磁場和電流分布，散射參數（S參數）和電壓駐波比。本文設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發展的每個階段，更改其結構的材料參數，按照上面3步進行設置，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，并進行結果對比，以此來分析薄液膜在整個發展過程中對信號傳輸的影響，如圖4所示。

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

2.2 材料屬性設置

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

該模型中，各個構件的材料屬性參數如表2 所示。考慮到海洋環境特點，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果分析

通常情況下，用散射參數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個二端口網絡[18]，如圖5所示。

圖5 射頻電連接器二端口網絡模型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S11的函數，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完整地傳輸到端口2，即反射系數為0，電壓駐波比為1，這是理想狀態。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展的每個階段的仿真結果（插入損耗和電壓駐波比）來分析薄液膜變化對信號傳輸的影響。

3.1 間隙形成對信號傳輸影響

理想狀態下，射頻電連接器內導體之間沒有間隙（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，這給信號傳輸帶來不良影響。仿真中，間隙寬度設定為0.200 mm（如表1所示）。圖6是內導體有無間隙的結果對比圖，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的坐標軸設置與本節相同。

圖6 內導體有無間隙結果對比圖Fig.6 Comparison chart of inner conductor with and without clearance

從圖6可以看出，內導體之間形成間隙后，對射頻電連接器的傳輸性能產生相應影響，插入損耗和電壓駐波比都發生了明顯的變化。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導體連接處阻抗不連續，使部分信號發生了反射。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的影響

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

圖7 薄液膜生成與空氣間隙結果對比圖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導體的間隙內形成薄液膜，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，導致信號傳輸質量下降。

3.3 薄液膜發展對信號傳輸的影響

隨著射頻電連接器使用時間的增加，受插拔次數和振動、溫度等外界因素的影響，插針和插孔之間磨損逐漸增多，插孔開槽式結構件逐漸疲勞軟化，這就為薄液膜繼續向導體內部發展提供了條件。

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，薄液膜的發展也會對信號傳輸造成一定影響。仿真中，假設薄液膜均勻分布在插針和插孔之間，厚度設定為20 μm。薄液膜發展階段與生成階段插入損耗和電壓駐波比的對比結果，如圖8所示。

圖8 薄液膜發展與薄液膜生成結果對比圖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展，信號傳輸質量也發生了變化。2 張圖都反映出薄液膜對信號傳輸的影響在不同的頻段表現出不同的差異。在圖8 a）中，除了點m13之外，薄液膜發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個點出現了2個波峰，說明電壓駐波比惡化較為嚴重。薄液膜發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，前者位于后者的下方，表現出較小的反射。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的影響

薄液膜為射頻電連接器內部電化學腐蝕提供了條件，腐蝕性介質氯離子半徑極小，透過鍍金層的微孔，逐漸腐蝕鍍鎳層和基底銅，致使不同金屬間發生電化學反應，最終鍍金層脫落，鎳和銅的腐蝕產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展階段的插入損耗和電壓駐波比的結果對比圖。

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生了較大的能量損耗。在點m1之前，2條曲線規律較相似，點m1之后，2條曲線表現出較大的差異，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果對比圖Fig.9 Comparison chart of results before and after the formation of corrosion film

4 結論

本文首先將薄液膜在射頻電連接器內導體空隙內的發展過程分為間隙生成、薄液膜萌生、薄液膜發展、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果，再分別與上一階段的結果進行對比，分析薄液膜對信號傳輸的影響，得到如下結論。

1）從薄液膜的發展過程可以看出，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階段影響相對較小；第3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，防止外來雜質進入。維護后，應按規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。

內導體接觸性能退化僅是薄液膜變化發展對射頻電連接器性能影響的1個方面，在高濕鹽霧環境下，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合，形成電流的泄漏通道，致使絕緣電阻降低，這對信號傳輸的影響不容忽視。