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 煙臺 264001）

1 引言

在航空電子系統中，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的可靠性密切相關［1］。高溫、高濕、高鹽的海洋環境使得電連接器接觸表面退化問題嚴重，當信號通過這種退化表面時，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、表面粗糙度等物理效應開始變得重要起來，這就導致射頻電連接器的信號完整性問題日益突出［3］。當電連接器腐蝕退化后，會對傳輸信號產生影響，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合的方法研究了電連接器退化對模擬調制信號在時域波形、相位方面的影響，并用通過加速試驗獲得的退化電連接器樣本進行測試，深入剖析了接觸退化對信號傳輸的影響規律。Ji 等［7～8］根據傳輸線理論，建立了失效電連接器的等效模型，分析其傳輸性能，通過研究發現電連接器故障會導致輸出波形失真。樊軍偉［9］通過實驗發現，二氧化硫氣體腐蝕斑點和硝酸蒸氣腐蝕斑點的腐蝕產物膜層介電常數和電阻率不同，接觸電容與膜層的介電常數有關，接觸電阻和腐蝕物的電阻率相關，結果表明相對于二氧化硫氣體來說，硝酸蒸氣對觸點的阻抗影響更大。朱劍［10］通過研究隧道電流的生成發現，同軸連接器表面的腐蝕膜層使信號通過接觸點時產生非線性變化，并且認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境下電信領域的同軸連接器展開，針對海洋環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的影響規律。

對長期服役于海洋環境下的海軍飛機來說，電連接器會產生不同程度的腐蝕，特別是敞開部位的連接器腐蝕更為嚴重［13］。王泗環［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到14μm。紀銳［15］通過實驗發現某型電連接器腐蝕膜層厚度達到8.2μm 時，其插入損耗已經超出設計要求。為系統研究腐蝕膜層對信號傳輸的影響，本文以在航空電子系統中應用較為廣泛的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上，構建了HFSS 有限元模型，系統研究了接觸表面的腐蝕膜層的厚度、介電常數和電導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的橋梁，影響信號傳輸的關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，觸點理論上可以看成是由無數微小觸點并聯組成的接觸區［17］。李雪清［18～19］將電接觸區域分為導電區、半導體區、絕緣區三部分。

在導電區，電流在接觸斑點處收縮，使得該位置的電流線產生彎曲，電流流經路徑延長，通過的界面區域減小，從而產生了收縮電阻Rc［20］，其計算公式為

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目和半徑。

在半導體區，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生了膜層電容cf［22］，它們分別表示為

式中，Ar是半導體區實際接觸面積，σf是腐蝕膜層電阻率，εf是腐蝕膜層的介電常數，s是腐蝕膜層的平均厚度。

在絕緣區，基體材料之間無直接接觸，產生了接觸電容Cn［23］：

式中，εo是空氣的介電常數，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信號完整性設計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

此時接觸阻抗為

通過前面的分析可以知道，當觸點受到腐蝕時，其接觸阻抗主要與頻率、腐蝕物的介電常數和電導率、腐蝕膜的面積和厚度相關。接觸阻抗變大，導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生影響。

3 有限元仿真

本節基于HFSS 構建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、電導率對該型電連接器傳輸高頻信號的影響。

3.1 仿真模型構建

本文選用的SMA 型射頻電連接器樣本，由內導體、中間介質、外導體三部分組成，接觸件由插針和插孔構成，連接器關鍵尺寸如表1 所示。由HFSS建立的實體模型剖面圖如圖2所示。

表1 電連接器的部分結構尺寸

圖2 電連接器剖面圖

3.2 材料屬性設置

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，腐蝕產物的介電常數和電導率直接影響接觸阻抗，所以本文重點關注這兩個材料屬性。模型中的材料屬性參數如表2所示，其中腐蝕層的材料屬性的參數值為初始值，后面根據仿真要求進行相應修改。

表2 電連接器材料屬性

3.3 激勵添加及求解

創建激勵端口前先設置邊界條件，外導體周圍設定為理想導體邊界，意味著沒有能量輻射到外界環境。在連接器兩端建立波端口激勵，端口阻抗歸一化為50Ω。軟件會對模型進行自適應網格剖分，掃頻方式設置為快速掃頻，掃頻范圍為0.1GHz～2GHz。

3.4 仿真分析

“三高”海洋環境中，基體銅的氧化物較為復雜，有氧化亞銅，有鹽霧環境下的氯化銅還有含二氧化硫大氣環境下的堿式硫酸銅等。所以在設置材料屬性時，通過改變材料的介電常數（ε）和電導率（σ）代表不同的腐蝕產物，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（ε）和電導率（σ）對信號傳輸的影響，共設置了三組仿真分析，每一組中固定其中兩個參數，另一個參數設定為不同值，研究其變化對S 參數（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設置方案

4 仿真結果分析

S 參數，也就是散射參數，是微波傳輸中的一個重要參數。SMA 型電連接器可以等效為一個二端口網絡模型，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絡模型

根據信號流的流動方向，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，也就是有多少能量被傳輸到目的端（Port2）了，這個值越大越好，理想值是0dB，一般建議S21>－3dB。如果網絡是無耗的，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，傳輸的效率也就越高。SMA 型電連接器主要技術參數如表4所示，其中f 表示工作頻率。

表4 SMA型電連接器主要技術參數

在仿真中，假設腐蝕膜層均勻分布于接觸表面，那么膜層的厚度、腐蝕膜層電導率及介電常數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關鍵參數對回波損耗的影響。

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，回波損耗小于-20dB，這說明當電連接器腐蝕膜層較厚時，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系圖

圖5 回波損耗與介電常數的關系圖

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

很明顯可以看出，腐蝕膜層電導率越大，回波損耗越小。純金屬導體的電導率相當大，但當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合形成化合物了，一般來說都不容易導電，是電的不良導體，也就說是：它們一般都是絕緣體。所以電導率越小，瞬時阻抗與特性阻抗相差越大，回波損耗也就越大。

圖6 回波損耗與電導率的關系圖

4.2 腐蝕膜層對插入損耗的影響

從仿真結果可以看出，當頻率超過1GHz時，插入損耗幾乎為0dB，表現出相當好的傳輸性能。當電連接器插針表面出現腐蝕時，對插入損耗的影響主要體現在低頻部分，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系圖

圖8 插入損耗與介電常數的關系圖

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

圖9 插入損耗與電導率的關系圖

與上兩張關系圖類似，腐蝕膜電導率對插入損耗的影響主要表現在低頻段，電導率越高，插入損耗的模值越小，不過各電導率對插入損耗影響的差值達到0.4dB。當信號頻率超過0.75Hz，電導率的影響差異就比較小了，最大差值約為0.1dB。另外，當電導率大于1 時，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的影響，還可以通過測量SMA 型電連接器的電壓駐波比（VSWR）來實現。當信號通過電連接器時，如果有任何阻抗不連續或者瞬時阻抗與特性阻抗不匹配時，就會發生反射，通常用反射系數來表示，VSWR 就是反射系數的函數。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，它的值是由負載阻抗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到負載。實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，在整個頻譜范圍內它的電壓駐波比應小于1.19。在三維電磁仿真中，將SMA 型電連接器插針表面設定為不同膜層厚度，不同介電常數和不同電導率的腐蝕膜層，分三種情況對電連接器的VSWR進行了模擬，仿真分析中，SMA 型連接器模型的特性阻抗設為50Ω，結果如下。

圖10 電壓駐波比與膜層厚度的關系圖

從結果中可以看出，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，尤其表現在信號頻率小于1GHz的范圍內。在低頻范圍內（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。當頻率大于1GHz 時，即使腐蝕膜層的厚度達到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的關系圖

圖12 電壓駐波比與電導率的關系圖

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

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

5 結語

1）腐蝕層越厚，電連接器的傳輸特性越差；腐蝕層的介電常數和電導率越大，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，高頻信號都表現出較好的傳輸性能，基本能滿足其技術指標要求，這跟膜層電容發揮的作用有關，因為電容具有阻低頻通高頻的特點。

3）電連接器的電氣性能與信號頻率關系密切。