CN110806506B - 一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统及方法 - Google Patents

一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统及方法，其采用单频信号激励待测接触元件，利用调零单元将反射信号中由其他结构产生的响应扣除以提高测量灵敏度，通过测量调零单元输出信号的幅度和相位，计算待测接触元件的接触阻抗。本发明提取的电接触元件的接触阻抗能够用于射频系统阻抗失配、无源互调和辐射杂散干扰等问题的仿真设计以及评估不同接触元件电连接质量的优劣，从而指导射频系统设计。

Description

一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统及方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，特别涉及一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统及方法。
背景技术
电接触是指以确保将电流从一个导体传向另一个导体为目的，导体与导体之间由接触而产生的电气连接。在射频技术领域，电接触产生的接触阻抗和非线性效应是影响射频系统信号传输质量和可靠性的重要的因素之一。
在射频系统中，由于电连接的需要，会采用多种接触元件包括弹片、泡棉、导电胶和连接器等。如图1所示，给出了弹片和同轴连接器两种接触情况，标号①、②和③指出了电接触发生的三个位置。由于制造工艺、装配和使用环境等因素的影响，这些接触元件的接触界面存在粗糙结构、氧化物和沾污物等，或者接触元件本身由金属颗粒和粘接剂等组成，在其接触界面将引起寄生阻抗和非线性等界面效应。通常接触界面引起的寄生阻抗相比于系统特征阻抗要小很多，所以在系统基本电性能设计时电接触引起的寄生阻抗通常被忽略，然而由接触阻抗和非线性效应结合引起的非线性干扰包括无源互调和辐射杂散等问题是射频系统可靠性设计的关键问题。由于电接触元件引起的寄生接触阻抗与射频系统无源互调和辐射杂散等非线性问题密切相关，因此，射频频段接触元件的接触阻抗测量是进行高性能射频系统设计和检测接触元件电连接质量的重要方法。
在低频系统应用中，通常采用接触电阻衡量接触元件的电连接质量，可以采用直流四线法测量接触电阻。在射频系统中，必须要考虑趋肤深度的影响，并且，在高频下接触界面的粗糙结构和表面膜层将引起寄生电感和电容也需要考虑，因此传统的接触电阻测量无法满足射频频段的需求。
发明内容
本发明提供了一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统及方法，目的是为解决射频通讯系统中弹片、泡棉和连接器等接触元件的电连接质量检测问题。本发明采用单频信号激励待测接触元件，利用调零单元将反射信号中由其他结构产生的响应扣除以提高测量灵敏度，根据待测接触元件和标样，计算待测接触元件的接触阻抗。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统，包括信号源模块、耦合器、调零单元和幅相检测模块；其中，
信号源模块，用于根据接触阻抗测量频率范围产生输入定向耦合器的激励信号和输入幅相检测模块的参考信号；
耦合器，用于产生调零单元输入信号并获取待测接触元件产生的反射信号；
调零单元，用于测量接触元件引起的反射信号；
幅相检测模块，用于对调零单元输出信号测量获得调零信号幅度和相位参数。
本发明进一步的改进在于，信号源模块包括射频信号源、环形器、耦合器a、衰减器a、负载a和负载b，其中，射频信号源的输出与环形器一端连接；环形器的另外两端分别与负载a、耦合器a的一端连接；耦合器a的剩余端口分别与衰减器a的一端、负载b和耦合器b的一端连接；衰减器a的另一端与AD8302芯片的一端连接。
本发明进一步的改进在于，调零单元包括3dB电桥a、3dB电桥b、功率计a、功率计b、衰减器b、移相器和合路器，其中，3dB电桥a的三个端口分别与耦合器b的一端、功率计a和衰减器b的一端连接；衰减器b的另一端依次连接移相器和合路器的一端；3dB电桥b的三个端口分别与耦合器b的另一端、合路器的另一端和功率计b连接。
本发明进一步的改进在于，耦合器b的输入端与信号源模块中的耦合器a的输出端口连接，耦合器b输入端信号为aIN，耦合器b的耦合端口和隔离端口分别与调零单元中的3dB电桥a和3dB电桥b的输入端连接；若待测接触元件为单端口元件，则耦合器b的直通端口与待测接触元件端口连接；若待测接触元件为双端口元件，则耦合器b的直通端口与待测接触元件的一端连接，待测接触元件的另一端与负载c连接。
本发明进一步的改进在于，幅相检测模块包括耦合器c、负载d、频谱仪、低噪声放大器、滤波器、AD8302芯片和万用表，其中，耦合器c的四个端口分别与合路器的输出端、负载d、频谱仪和低噪声放大器的一端连接；低噪声放大器的另一端依次与滤波器和AD8302芯片的另一端连接；AD8302芯片的电压输出端与万用表连接。
一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量方法，该方法基于上述一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统，包括：
将标样连接到耦合器b的直通端口，利用信号源输出频率为f的交流信号，通过反复调节衰减器b的衰减量和移相器的相移量，使得频谱仪记录的信号幅度达到最小值，并记录下此时万用表读数，利用万用表读数计算合路器输出端口信号为y0；
将标样连接断开，将待测接触元件连接到耦合器b的直通端口，记录通过万用表得到的读数，并利用万用表读数计算合路器输出端口信号为y；
通过
Figure BDA0002244622290000031
计算待测接触元件的接触阻抗Zc，其中Z0为系统特征阻抗，S41和S34分别为耦合器b的输入端口-隔离端口S参数和耦合端口-隔离端口S参数；
通过改变信号源输出信号的频率f，获得待测接触元件在不同频率下的接触阻抗Zc。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统，包括信号源、定向耦合器、调零单元和幅相检测等模块，通过调零信号幅度和相位的变化量计算接触元件的接触阻抗，极大地提高了射频频段的低阻抗测试灵敏度。
本发明提供的一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量方法，通过校准阶段的调零过程，降低了系统的输出噪声，从而能够在射频频段获得毫欧级的阻抗测量灵敏度，能够分辨微弱扭力矩和接触压强变化等对接触阻抗的影响。并且，本发明提出一种射频频段电接触元件的接触阻抗高灵敏测量方法，具有如下显著特点：
(1)当接触元件处于系统回路中时，也可以测量，无需将接触元件分离出来采用特殊工装单独测量，从而能够保证测得的接触阻抗与实际系统工作时呈现的阻抗一致；
(2)可测量射频接触阻抗随扭力矩或接触压力的变化关系，并且可以在100MHz～2.5GHz频率范围内测量接触阻抗随频率的变化关系。
(3)射频频段接触阻抗测量灵敏度高，可测量小于10mΩ的接触阻抗。
附图说明
图1为弹片和同轴连接器两种接触元件的接触情况示意图，其中，图1(a)为弹片连接接触结构，图1(b)为同轴连接器接触结构，①、②和③为主要的接触位置；
图2为射频接触阻抗的测量系统的具体实现电路图；
图3为一种DIN母头和DIN公头连接的射频接触阻抗测量结果，其中，图3(a)为计算得到的不同扭力矩下的合路器输出信号幅度，图3(b)为计算得到的不同扭力矩下的接触阻抗。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
本发明公开了一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统，如图2所示，包括信号源模块、耦合器、调零单元和幅相检测模块；其中，信号源模块，用于根据接触阻抗测量频率范围产生输入定向耦合器的激励信号和输入幅相检测模块的参考信号；耦合器，用于产生调零单元输入信号并获取待测接触元件产生的反射信号；调零单元，用于测量接触元件引起的反射信号；幅相检测模块，用于对调零单元输出信号测量获得调零信号幅度和相位参数。
所述信号源模块包括射频信号源、环形器、耦合器a、衰减器a、负载a和负载b，其中，所述射频信号源的输出与所述环形器一端连接；所述环形器的另外两端分别与所述负载a、所述耦合器a的一端连接；所述耦合器a的剩余端口分别与所述衰减器a的一端、所述负载b和所述耦合器b的一端连接；所述衰减器a的另一端与所述AD8302芯片的一端连接。所述调零单元包括3dB电桥a、3dB电桥b、功率计a、功率计b、衰减器b、移相器和合路器，其中，所述3dB电桥a的三个端口分别与所述耦合器b的一端、所述功率计a和所述衰减器b的一端连接；所述衰减器b的另一端依次连接所述移相器和所述合路器的一端；所述3dB电桥b的三个端口分别与所述耦合器b的另一端、所述合路器的另一端和所述功率计b连接。
所述耦合器b的输入端与所述信号源模块中的耦合器a的输出端口连接，所述耦合器b输入端信号为aIN，所述耦合器b的耦合端口和隔离端口分别与所述调零单元中的3dB电桥a和3dB电桥b的输入端连接。若待测接触元件为单端口元件，则所述耦合器b的直通端口与待测接触元件端口连接；若待测接触元件为双端口元件，则所述耦合器b的直通端口与待测接触元件的一端连接，待测接触元件的所述幅相检测模块包括耦合器c、负载d、频谱仪、低噪声放大器、滤波器、AD8302芯片和万用表，其中，所述耦合器c的四个端口分别与所述合路器的输出端、所述负载d、所述频谱仪和所述低噪声放大器的一端连接；所述低噪声放大器的另一端依次与所述滤波器和所述AD8302芯片的另一端连接；所述AD8302芯片的电压输出端与所述万用表连接。
所述耦合器b的耦合度为30dB，耦合器a和耦合器c的耦合度均为3dB。
本发明还公开了一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量方法，使用上述的一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统，具体方法包括：
将标样连接到耦合器b的直通端口，利用信号源输出频率为f的交流信号，通过反复调节衰减器b的衰减量和移相器的相移量，使得频谱仪记录的信号幅度达到最小值，并记录下此时万用表读数，利用万用表读数计算合路器输出端口信号为y0。
将标样连接断开，将待测接触元件连接到耦合器b的直通端口，记录通过万用表得到的读数，并利用万用表读数计算合路器输出端口信号为y。
通过
Figure BDA0002244622290000061
计算所述待测接触元件的接触阻抗Zc，其中Z0为系统特征阻抗，S41和S34分别为耦合器b的输入端口-隔离端口S参数和耦合端口-隔离端口S参数。
通过改变信号源输出信号的频率f，获得待测接触元件在不同频率下的接触阻抗Zc。
实施例
本实施例中，系统中信号源采用Agilent公司的N9310A信号，测试中输出信号功率设定为20dBm，频率设定为728MHz，耦合器b输入端信号功率为17dBm，待测接触元件为DIN型母头和DIN型公头构成的连接结构，如示意图1(b)所示。
通过上述系统和测试方法，记录该连接结构在不同扭力矩下万用表读数，并计算得到的合路器输出信号幅度如图3(a)所示，计算得到的该接触元件的接触阻抗如图3(b)所示。根据该测试结果表明，本发明公开的测量系统和测试方法的射频阻抗测试灵敏度可达到10mΩ。

Claims (1)

1.一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量方法，其特征在于，该方法基于一种用于射频频段电接触元件的接触阻抗测量系统，该系统包括信号源模块、耦合器、调零单元和幅相检测模块；其中，
信号源模块，用于根据接触阻抗测量频率范围产生输入定向耦合器的激励信号和输入幅相检测模块的参考信号；
耦合器，用于产生调零单元输入信号并获取待测接触元件产生的反射信号；
调零单元，用于测量接触元件引起的反射信号；
幅相检测模块，用于对调零单元输出信号测量获得调零信号幅度和相位参数；
信号源模块包括射频信号源、环形器、耦合器a、衰减器a、负载a和负载b，其中，射频信号源的输出与环形器一端连接；环形器的另外两端分别与负载a、耦合器a的一端连接；耦合器a的剩余端口分别与衰减器a的一端、负载b和耦合器b的一端连接；衰减器a的另一端与AD8302芯片的一端连接；
调零单元包括3dB电桥a、3dB电桥b、功率计a、功率计b、衰减器b、移相器和合路器，其中，3dB电桥a的三个端口分别与耦合器b的一端、功率计a和衰减器b的一端连接；衰减器b的另一端依次连接移相器和合路器的一端；3dB电桥b的三个端口分别与耦合器b的另一端、合路器的另一端和功率计b连接；
耦合器b的输入端与信号源模块中的耦合器a的输出端口连接，耦合器b输入端信号为aIN，耦合器b的耦合端口和隔离端口分别与调零单元中的3dB电桥a和3dB电桥b的输入端连接；若待测接触元件为单端口元件，则耦合器b的直通端口与待测接触元件端口连接；若待测接触元件为双端口元件，则耦合器b的直通端口与待测接触元件的一端连接，待测接触元件的另一端与负载c连接；
幅相检测模块包括耦合器c、负载d、频谱仪、低噪声放大器、滤波器、AD8302芯片和万用表，其中，耦合器c的四个端口分别与合路器的输出端、负载d、频谱仪和低噪声放大器的一端连接；低噪声放大器的另一端依次与滤波器和AD8302芯片的另一端连接；AD8302芯片的电压输出端与万用表连接；
该方法包括：
将标样连接到耦合器b的直通端口，利用信号源输出频率为f的交流信号，通过反复调节衰减器b的衰减量和移相器的相移量，使得频谱仪记录的信号幅度达到最小值，并记录下此时万用表读数，利用万用表读数计算合路器输出端口信号为y0；
将标样连接断开，将待测接触元件连接到耦合器b的直通端口，记录通过万用表得到的读数，并利用万用表读数计算合路器输出端口信号为y；
通过
Figure FDA0002632101950000021
计算待测接触元件的接触阻抗Zc，其中aIN为信号源模块输入到耦合器b的输入信号，Z0为系统特征阻抗，S41和S34分别为耦合器b的输入端口-隔离端口S参数和耦合端口-隔离端口S参数；
通过改变信号源输出信号的频率f，获得待测接触元件在不同频率下的接触阻抗Zc。
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