CN108761241B - 一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，包括以下步骤：通过扫描电子显微镜和能谱分析方法，确定连接器结构和材料特性，实现非线性效应的定性分析；进行利用微欧微伏表进行电压‑电流曲线测试，实现连接器直流下的非线性效应定量测试分析；对利用无源互调测试仪，进行三阶互调功率进行测试，实现对连接器高频下的非线性效应定量测试分析；采用隧道效应、趋肤效应以及高频电接触理论，建立接触电阻非线性模型、高频等效电路模型和非线性传递函数，实现连接器非线性效应的理论分析。本发明结合实验测试和理论建模，从定性和定量的角度对连接器的非线性效应进行全面分析。该方法适用于所有通信系统中同轴连接器的非线性效应分析。

Description

一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法

技术领域

本发明涉及一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，基于理论建模和实验测量等综合分析方法，建立直流输入和高频情况下的连接器接触电阻非线性模型和高频互调产物测试方法，属于电接触与通信技术的交叉领域。

背景技术

射频通信系统内的无源器件主要包括波导接头、隔离器、双工器、连接器、同轴电缆等。而射频同轴连接器是整个系统内用量最大，种类最多，却又最容易发生故障的薄弱环节。

射频同轴连接器由内导体(接触件)、绝缘体(基座)和外导体(外壳)组成。其中内导体是连接器完成电连接功能的核心零件。一般由阳性接触件和阴性接触件组成接触对，通过阴、阳接触件的插合完成电连接。绝缘体的作用是使接触件按所需要的位置和间距排列，并保证接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能。外壳是连接器的外罩，它为内装的绝缘安装板和插针提供机械保护，并提供插头和插座插合时的对准，进而将连接器固定到设备上。

射频连接器通过金属接触完成连接，通常被认为是线性的，但在大功率通过的情况下，将会显现出非线性效应。

特别是在接触不良、磁性材料使用不当、金属镀层质量不佳等情况下，无源互调现象十分严重，对通信信号产生强烈干扰。另外,许多连接器的使用环境为野外,温度湿度交替变化、风雨雷电振动的影响、灰尘和腐蚀性气体相互作用,这些都使得连接器因环境因素的综合作用而失效，进一步带来更加严重的无源互调问题。而产生无源互调的根本原因就是连接器的非线性效应所引起的。因此，连接器的无源互调问题的分析是目前通信领域密切关注并亟待解决的问题，对于射频通信系统中同轴连接器非线性效应的研究更是具有十分重要的应用前景和实用价值。

目前，对射频同轴连接器的非线性效应的研究工作主要是定性的分析，基本上得出了避免使用磁性材料，适当增加接触压力、维持洁净的接触界面以及对连接器增加使用防护措施等结论，但是对于设计低互调连接器的原理和方法的理论性研究还较为罕见，也缺少针对性的实验测量数据的支撑。

针对同轴连接器的互调测试也是研究非线性效应问题的一大障碍。利用传统的分立仪器搭建测试网络的办法进行的三阶互调产物测试具有很大的误差，仪器自身的非线性以及仪器之间相互连接带来的非线性问题使得测量结果不准确。因此需要采用专业的集成化的无源互调仪进行精确测量，从而实现对同轴连接器的非线性问题进行准确分析。

发明内容

针对上述现有技术中存在的射频同轴连接器非线性效应分析的片面性与局限条件，本发明的目的在于提供一套完整的理论与实验测量相结合，直流与高频不同情况下的射频同轴连接器接触电阻非线性和高频传输函数非线性模型的分析与建立。

为达到上述目的，本发明提供如下分析方案：

一种射频同轴连接器的非线性效应分析方法，具体实现步骤如下：

第一步，将所选射频同轴连接器进行电镜扫描和能谱检测，探测厚度1微米范围内的材料成分和所占比重，初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强，选取线性度良好的射频同轴连接器执行第二步；

第二步，利用微欧微伏表对射频同轴连接器进行接触电阻测量，从1mA的电流档位步进到1A的电流档位，测试电压的变化曲线，得到直流情况下的接触电阻非线性变化曲线图，根据数据拟合的方法得到电压-电流的非线性函数关系，定量分析出射频同轴连接器在直流情况下的接触电阻非线性变化规律；

第三步，利用无源互调仪在设定通信频段内，将两输入功率按照设定间隔增长，对射频同轴连接器进行测量，得出不同输入功率对三阶互调产生的影响；维持无源互调仪两输入功率之和相同，改变输入功率之比，得到三阶互调输出功率与输入功率之比的关系；根据不同输入功率对三阶互调产生的影响以及三阶互调输出功率与输入功率之比的关系定量分析得出射频同轴连接器在高频情况下的高频电接触阻抗网络的非线性变化规律；

第四步，根据隧道效应理论，建立接触点的隧道电流和接触表面膜层的数学关系模型，利用泰勒级数展开的方法，从理论上分析电流密度的谐波模型，得到表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型；根据趋肤效应理论，将射频同轴连接器内导体等效为圆柱模型，得到接触面积随着频率升高而减小的模型，进而得到表面接触面积减小引起的非线性电阻模型；将根据隧道效应理论和趋肤效应理论建立的两个模型相结合，得到表面退化引起的污染膜厚度增加、接触面积减小模型，进而建立退化引起的接触电阻的非线性模型，将接触电阻非线性变化规律带入模型得到低频段的接触电阻的非线性模型；根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型，根据高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，将电阻、电容的非线性模型引入阻抗网络，得到高频下接触阻抗的非线性模型，将高频电接触阻抗网络的非线性变化规律带入模型得到高频电接触阻抗网络的非线性模型。

其中，第一步中初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强的具体方法为：

分析射频同轴连接器是否含有铁磁性材料成分，若含有铁磁性材料，则非线性较强；观察内导体接触表面是否光洁，洁净的接触表面具有较好的线性度；观察F头连接器内导体的材料弹性系数和开槽宽度与内导体外径尺寸决定接触压力的大小，接触压力较小会导致非线性度增加，初步定性判定出连接器的非线性程度大小，若测试样本满足无铁磁性材料、表面洁净以及接触良好，则连接器的线性度良好；若样本含有铁磁性材料、表面污染或接触不稳定，则具有较强的非线性效应。

其中，第三步中设定通信频段为900MHz和1800MHz情况下，两输入功率同时从30dBm按照1dB增长的间隔，增加到46dBm。

其中，第三步中选取的无源互调仪自身剩余互调值在-163dBc以下，测试之前，先用-110dBm的标准件进行仪器校准，使得无源互调仪的测量精度在±0.5dB以下。

其中，第二步中对电压-电流曲线测量必须每一个电流值进行一次归零校准，避免仪器非线性引起的测量误差。

其中，第三步无源互调仪在测试过程中必须使用专用力矩扳手控制连接器测试时的扭力大小，保持一致的接触压力。

其中，第四步中退化引起的接触电阻的非线性模型为：

其中，f是当前频率，V表示接触节点的电压差，ω＝2πf，μ是导磁率，γ是电导率，α为圆柱导体截面的半径,λ为污染的面积比上总面积，J(s)为表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型。

其中，第四步中的根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型为:

其中ε_f、ε₀分别是膜层和真空中的电导率，s、d分别是膜层厚度和接触平均间隙，A_c、A_n分别是接触面积和未接触的面积。

其中，第四步中的高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，接触阻抗的非线性模型表示为：

其中X_f＝1+R_fjωC_c，X_c＝R_cjωC_n。

R_c是接触电阻，R_f表示膜层电阻,C_c是接触电容,C_n是非接触电容，λ为污染的面积比上总面积。

本发明与现有技术相比主要有以下优点：

1)多角度衡量射频同轴连接器非线性效应特征与影响。

2)定量地给出了直流输入与高频情况下的射频同轴连接器的测试方法与衡量标准。

3)采用完备的理论体系建立了接触电阻的非线性模型与高频传输函数的非线性模型。

4)避免非必要误差的引入，通过理论分析与实验测量的结合，建立连接器接触电阻非线性模型和高频非线性传输函数模型，形成了一套完整的非线性分析方法，为设计低互调射频同轴连接器提高理论支撑。

附图说明

图1是本方法的技术路线总体示意图。

图2是本方法的低频伏安曲线测试环境搭建示意图。

图3是本方法的高频无源互调测试环境搭建示意图。

图4是射频连接器接触高频等效电路模型。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明作进一步的详细描述。以下描述案例以射频同轴N和SMA型转接器的非线性效应分析为例，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化的射频同轴连接器作为分析对象，均可用本发明的分析方法进行射频同轴连接器的非线性分析。

如图1所示，本发明中的分析方法主要包括材料、结构的定性分析，低频非线性的测量定量分析和高频非线性的互调测量定量分析，最后运用理论分析和实验测量相结合的方法，建立连接器接触电阻的非线性模型和高频非线性传输函数模型。

第一步，定性分析

对于结构、材料的定性分析，需要用到SEM扫面电镜和EDS能谱分析仪。通过对接触导体的微观界面的观察，可以确定微观接触表面的粗糙度和表面洁净程度。通过能谱分析仪还能够观察精确测量出镀层材料的成分和比重。

具体主要从材料和结构特性初步判定连接器的非线性程度：将所选型同轴连接器样本制样，进行电镜扫描和能谱检测，探测厚度1微米范围内的材料成分和所占比重，分析是否含有铁磁性材料(如，铁、钴、镍等金属)，如果含有镍等镀层基地，则属于非线性较强的器件。观察内导体接触表面是否光洁，污染和粗糙的接触面会导致非线性增强，F头连接器内导体的材料弹性系数和开槽宽度与内导体外径尺寸决定接触压力的大小。若接触压力过小，松动的连接会导致非线性效应，但是如果接触力过大会导致金属磨损严重，金属碎屑同样会引起非线性效应，此步骤旨在初步定性判定连接器的非线性程度大小。

第二步，直流定量分析

测量连接器的低频非线性，需要用到微欧微伏表测量不同电流档下的电压的变化。微欧微伏表的原理如图2所示，是一个恒定的电流源产生恒定直流电流，在被测的接触部分两端接电压表。由于电压表内阻很大，电流全部从被测件(即接触部分)通过，此时的电压表读数与电流的比值就是接触电阻的阻值。微欧微伏表提供1mA、10mA、100mA和1A四个恒定的电流档，测量电压范围从2mV到2000mV，而连接器的接触电阻通常在10mΩ以下，因此能够准确地测量被测连接器电压与电流的关系曲线。该方法集成了恒流源与电压表与恒定的接触压力，测试简单易行，虽然对于每一个测试样本只有4个变化的电流档位，但是已经满足测量接触电阻的非线性变化的功能。但值得注意的是，对于每一次测量，更换档位后需要进行仪器校准，否则会引入仪器的非线性，造成测试误差。

第三步，高频定量分析

测量连接器的高频非线性，需要用到无源互调仪测量不同频段三阶互调功率的变化。无源互调仪的原理如图3所示，由两个信号发生器分别产生两路不同频率的信号，经功率放大器将信号放大到指定的输入功率值，经合路器将两路信号合成一路，经过一个双工滤波器后将信号输入到被测件。在本案例中，被测件是一个同轴公转母和一个同轴母转母相连的N型转接器，一端接互调仪，另一端接低互调的负载。该方法测量的是被测件的反射互调，因此，仪器内部通过双工器接收到产生的三阶互调频率处的信号功率，径低噪声放大后让频谱分析仪接收，进而测量出三阶互调产物的功率。该测试仪内部组成为低互调设计，其自身剩余互调值在-163dBc以下，测试之前，先用-110dBm的标准件进行仪器校准，使测量结果不受仪器本身的干扰。分别测试在通信频段900MHz和1800MHz情况下，两输入功率同时从30dBm步进式改变到46dBm，从测量结果能够发现互调产物功率与输入功率之间呈线性增长的关系，并且能够通过数据拟合得到线性变化的斜率，但是不同的无源互调源表现出来斜率不同，其根本原因需要从接触模型进行进一步探讨。若两个输入功率同时等于43dBm，该输入功率下的三阶互调产物功率值是衡量一个连接器是否符合低互调标准的重要准则，通常在通信系统中的对于互调指标高的地方必须使用该互调值在-145dBc以下的射频同轴连接器。维持两输入功率之和相同(30W)，改变输入功率之比，得到三阶互调产物输出功率与输入功率之比的关系，从而定量地综合地分析出高频情况下的射频同轴连接器的非线性变化规律。

第四步，理论分析与建模

根据隧道效应理论和趋肤效应理论，得到非线性电阻的产生机理，并且可以建立污染对于连接器的接触电阻随频率非线性变换的关系模型。其中隧道电流密度可以表达为：

其中，

J表示电流密度，e＝电子电荷，h＝普朗克常数，s＝膜层厚度，m＝电子有效质量，

＝金属功函数，V＝膜层电压。

趋肤深度则表达为频率的函数：

其中，f是当前频率，ω＝2πf，μ是导磁率(μ₀是真空中的导磁率)，γ是电导率。根据隧道效应和趋肤效应可以分析出接触电阻的非线性变化，以及不同污染水平下的接触电阻随频率变化的非线性模型。污染对于连接器的接触电阻随频率非线性变换的关系模型：

其中，f是当前频率，V表示接触节点的电压差，ω＝2πf，μ是导磁率，γ是电导率，α为圆柱导体截面的半径,λ为污染的面积比上总面积。在这个模型中的接触点面积和实际接触个数随着趋肤深度的改变会发生变化，而趋肤深度是频率的函数，因此接触电阻随着频率的改变会产生非线性效应。

在高频分析中，需要将连接器的接触面进行等效电路法分析，得出其阻抗网络随频率变化的关系，并且得到其中各参数与连接器表面粗糙度、接触压力、膜层厚度等之间的定量关系，再根据所建立的非线性传递函数的规律，得到高频下的射频连接器非线性效应模型。通常将非线性的传递函数用幂函数的方式展开：

其中，I是电流，V表示电压，a_i表示各项系数。用幂函数模拟非线性的传递只能粗略地刻画非线性器件的数学表达，但是不能从根本上阐述产生非线性的原因和影响因素，因此需要针对射频连接器的接触面建立等效电路模型，从物理机理的层面上解决非线性效应问题。如图4所示，将射频同轴连接器接触表面等效成一个阻抗网络，其中各参数与连接器表面粗糙度、接触压力、膜层厚度等之间的定量关系。其等效阻抗值可有下式计算：

其中，R_c表示收缩电阻，可由Holm定义的公式确定：

C_n是非接触区电容，可由平行班电容公式决定：

当射频连接器接触面产生污染后，会形成一个小的并行的阻抗网络，由膜层电阻和接触电容决定，其计算为：

其中，R_f为膜层电阻，由膜层的电阻率和膜层厚度决定：

C_C是由于污染膜作为介质的接触电容，由膜层厚度和接触面积决定：

以上各式中的ρ₁、ρ₂表示接触面金属的电阻率，N_c为实际接触点个数，ε₀、ε_r分别表示空气和膜层的介电常数，d表示间隔距离，s表示膜层厚度，A_n表示宏观视觉接触面积，A*表示实际接触面积与视觉接触面积之比。

将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型为:

高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，接触阻抗的非线性模型表示为：

其中X_f＝1+R_fjωC_c，X_c＝R_cjωC_n。

R_c是接触电阻，R_f表示膜层电阻,C_c是接触电容,C_n是非接触电容。λ为污染的面积比上总面积。

通过完善的实验测量和理论建模，能够彻底分析由于同轴连接器的非线性效应带来的无源互调等一系列问题。对于低互调的设计与通信技术相关指标的修正有指导意义。

Claims (8)

1.一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，具体实现步骤如下：

第一步，将所选射频同轴连接器进行电镜扫描和能谱检测，探测厚度1微米范围内的材料成分和所占比重，初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强，选取线性度良好的射频同轴连接器执行第二步；

第二步，利用微欧微伏表对射频同轴连接器进行接触电阻测量，从1mA的电流档位步进到1A的电流档位，测试电压的变化曲线，得到直流情况下的接触电阻非线性变化曲线图，根据数据拟合的方法得到电压-电流的非线性函数关系，定量分析出射频同轴连接器在直流情况下的接触电阻非线性变化规律；其中，对电压-电流曲线测量必须每一个电流值进行一次归零校准，避免仪器非线性引起的测量误差；

第三步，利用无源互调仪在设定通信频段内，将两输入功率按照设定间隔增长，对射频同轴连接器进行测量，得出不同输入功率对三阶互调产生的影响；维持无源互调仪两输入功率之和相同，改变输入功率之比，得到三阶互调输出功率与输入功率之比的关系；根据不同输入功率对三阶互调产生的影响以及三阶互调输出功率与输入功率之比的关系定量分析得出射频同轴连接器在高频情况下的高频电接触阻抗网络的非线性变化规律；

其中，被测射频同轴连接器是一个同轴公转母和一个同轴母转母相连的N型转接器，一端接无源互调仪，另一端接低互调的负载，测量的是被测射频同轴连接器的反射互调，因此，仪器内部通过双工器接收到产生的三阶互调频率处的信号功率，经低噪声放大后让频谱分析仪接收，进而测量出三阶互调产物的功率；所述无源互调仪内部组成为低互调设计，其自身剩余互调值在-163dBc以下，测试之前，先用-110dBm的标准件进行仪器校准，使测量结果不受仪器本身的干扰；

第四步，根据隧道效应理论，建立接触点的隧道电流和接触表面膜层的数学关系模型，利用泰勒级数展开的方法，从理论上分析电流密度的谐波模型，得到表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型；根据趋肤效应理论，将射频同轴连接器内导体等效为圆柱模型，得到接触面积随着频率升高而减小的模型，进而得到表面接触面积减小引起的非线性电阻模型；将根据隧道效应理论和趋肤效应理论建立的两个模型相结合，得到表面退化引起的污染膜厚度增加和接触面积减小模型，进而建立退化引起的接触电阻的非线性模型，将接触电阻非线性变化规律带入模型得到低频段的接触电阻的非线性模型；根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度三者之间的非线性模型，根据高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，将电阻和电容的非线性模型引入阻抗网络，得到高频下接触阻抗的非线性模型，将高频电接触阻抗网络的非线性变化规律代 入模型得到高频电接触阻抗网络的非线性模型。

2.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第一步中初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强的具体方法为：

分析射频同轴连接器是否含有铁磁性材料成分，若含有铁磁性材料，则非线性较强；观察内导体接触表面是否光洁，洁净的接触表面具有较好的线性度；观察F头连接器内导体的材料弹性系数和开槽宽度与内导体外径尺寸决定接触压力的大小，接触压力较小会导致非线性度增加，初步定性判定出连接器的非线性程度大小，若测试样本满足无铁磁性材料、表面洁净以及接触良好，则连接器的线性度良好；若样本含有铁磁性材料、表面污染或接触不稳定，则具有较强的非线性效应。

3.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第三步中设定通信频段为900MHz和1800MHz情况下，两输入功率同时从30dBm按照1dBm 增长的间隔，增加到46dBm。

4.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第三步中选取的无源互调仪自身剩余互调值在-163dBc以下，测试之前，先用-110dBm的标准件进行仪器校准，使得无源互调仪的测量精度在±0.5dB以下。

5.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第三步无源互调仪在测试过程中必须使用专用力矩扳手控制连接器测试时的扭力大小，保持一致的接触压力。

6.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第四步中退化引起的接触电阻的非线性模型为：

其中，f是当前频率，V表示接触节点的电压差，ω＝2πf，μ是导磁率，γ是电导率，α为圆柱导体截面的半径,λ为污染的面积比上总面积，J(s)为表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型。

7.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第四步中的根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型为:

其中ε_f、ε₀分别是膜层和真空中的电导率，s、d分别是膜层厚度和接触平均间隙，A_c、A_n分别是接触面积和未接触的面积。

8.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第四步中的高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，接触阻抗的非线性模型表示为：

其中X_f＝1+R_fjωC_c，X_c＝R_cjωC_n，ω＝2πf；

f是当前频率，R_c是接触电阻，R_f表示膜层电阻,C_c是接触电容,C_n是非接触电容，λ为污染的面积比上总面积。

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