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射频同轴连接器的失效原因分析以及改进方法
2021-08-06

射频同轴连接器作为无源器件的一个重要组成部分,具有良好的宽带传输特性及多种方便的连接方式,因而被广泛应用于测试仪器、武器系统、通讯设备等产品当中。由于射频同轴连接器的应用几乎渗透到国民经济的各个部门,其可靠性也越来越引起人们的关心和重视。针对射频同轴连接器失效模式进行了分析。

 


N型连接器对连接好后,连接器对的外导体接触面(电气和机械基准面)依靠螺纹的拉力相互顶紧,从而实现较小的接触电阻(5mΩ)。插针内导体的插针部分插入插孔内导体的孔内,并通过插孔壁的弹性保持两个内导体在插孔内导体的口部良好的电接触(接触电阻<3mΩ)。此时插针内导体的台阶面与插孔内导体端面并未顶紧,而是留有<0.1mm的间隙,这个间隙对同轴连接器的电气性能和可靠性有重要影响。N型连接器对的理想连接状态可归纳为以下几点:外导体的良好接触、内导体的良好接触、介质支撑对内导体的良好支撑、螺纹拉力的正确传递。以上连接状态一旦发生改变将导致连接器的失效。下面我们就从这几个要点入手,对连接器的失效原理进行分析,从而找到提高连接器可靠性的正确途径。

 

1、外导体的不良接触导致的失效

 

为保证电气和机械结构的连续性,外导体接触面之间的力一般都很大。以N型连接器为例,当螺套的拧紧力矩Mt为标准的135N.cm时,由公式Mt=KP0×10-3N.m(K为拧紧力矩系数,此处取K=0.12),可以计算出外导体受到的轴向压力P0可达712N,如果外导体的强度较差,就有可能造成外导体连接端面磨损严重甚至变形溃缩。例如SMA连接器阳头外导体连接端面的壁厚较薄,仅0.25mm,所用材料多为黄铜,强度较弱,连接力矩稍大,连接端面就可能被过度挤压产生变形,损坏内导体或介质支撑;且连接器外导体的表面通常都有镀层,较大的接触力会破坏掉连接端面的镀层,导致外导体之间的接触电阻增大,连接器电气性能下降。另外如果射频同轴连接器的使用环境比较恶劣,一段时间后,外导体的连接端面上就会沉积一层灰尘,这层灰尘使外导体之间的接触电阻激增,连接器的插入损耗变大,电气性能指标下降。

 

改进措施:要避免连接端面变形或过度磨损导致外导体不良接触,一方面我们可以选用强度更高的材料来加工外导体,如青铜或不锈钢;另一方面也可以加大外导体连接端面的壁厚,以增加接触面积,这样在施加同样连接力矩的情况下,外导体连接端面单位面积上的压力就会减小。如一种改进型的SMA同轴连接器(美国SOUTHWEST公司的SuperSMA),其介质支撑的外径由普通SMA的Φ4.1mm减小为Φ3.9mm,外导体连接面的壁厚相应增大为0.35mm,机械强度提高,从而增强了连接的可靠性。在存放和使用连接器时要保持外导体连接端面的清洁,如上面有灰尘,可用酒精棉球擦洗干净。需要注意的是擦洗时应避免酒精浸到介质支撑上,且要等酒精挥发完毕后才能使用连接器,否则会因为酒精的混入,引起连接器的阻抗改变。

 

2、内导体的不良接触导致的失效

 

相对于外导体,尺寸较小,强度较差的内导体更容易造成接触不良而导致连接器失效。

 

内导体之间多采用弹性连接方式,如插孔开槽式弹性连接、弹簧爪式弹性连接,波纹管式弹性连接等。其中插孔开槽式弹性连接结构简单,加工成本低廉,装配方便,应用范围*为广泛。

 

改进措施:插孔和插针的配合是否合理,我们可以利用标准规插针和插孔内导体配合时的插入力和保持力的大小来进行衡量。如对于N型连接器,直径Φ1.6760+0.005标准规插针与插孔配合时的插入力应≤9N,而直径Φ1.6000-0.005标准规插针和插孔内导体配合时的保持力≥0.56N。因此我们可以以插入力和保持力作为一个检验标准,通过调整插孔和插针的尺寸和公差,以及插孔内导体的时效处理工艺,使插针与插孔之间的插入力和保持力处于一个合适的范围。

3、介质支撑不能良好的支撑内导体导致的失效

 

介质支撑作为同轴连接器的一个组成部分,起着支撑内导体、保证内外导体之间的相对位置关系等重要作用。其材料的机械强度、热膨胀系数、介电常数、损耗因数、吸水率等特性对连接器的性能都有着重要的影响。足够的机械强度是对介质支撑*基本的要求,在连接器的使用过程中介质支撑要承担来自内导体轴向的压力,如果介质支撑的机械强度太差,在互连时就会产生变形甚至损伤;而如果材料的热膨胀系数过大,当温度变化程度较大时,介质支撑就可能会过度膨胀或收缩变形,造成内导体松动、脱落,或与外导体不同轴,同时还会引起连接器端口尺寸的改变。而吸水率、介电常数、损耗因数则影响连接器的插入损耗、反射系数等电气性能。

 

改进措施:根据连接器的使用环境、工作频率范围等结合材料的特性,选择合适的材料来加工介质支撑。

 

4、螺纹拉力不能传递到外导体导致的失效

 

这种失效*常见的表现形式是螺套脱落,导致螺套脱落的原因主要为:螺套结构设计或加工不合理以及卡环弹性差。

4.1、螺套结构设计或加工不合理

 

4.1.1 螺套卡环槽结构设计或加工不合理

(1)卡环槽槽深太深或太浅;

(2)槽底部不清角;

(3)倒角过大。

4.1.2 螺套卡环槽轴向或径向壁厚太薄

4.2、卡环弹性差

4.2.1卡环径向厚度设计不合理

4.2.2卡环时效强化不合理

4.2.3卡环选材不当


N型同轴连接器为例,对应用范围较为广泛的螺纹连接型射频同轴连接器的几种失效模式进行了分析。不同连接方式也会导致不同失效形式,只有深入分析每种失效模式所对应的机理,才有可能找到提高其可靠性的改进方法,进而促进射频同轴连接器的发展。


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