CN111460698B

CN111460698B - 一种连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法

Info

Publication number: CN111460698B
Application number: CN202010046837.5A
Authority: CN
Inventors: 金秋延; 高锦春; 谢刚; 毕凌宇; 周雨奇; 李庆娅; 王文佳
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: CN111460698A

Abstract

本发明公开了一种连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法。本发明包括以下步骤：步骤一)利用不同直径的圆柱棒，将N型射频同轴插孔内导体进行不同程度的退化实验，并测量在不同退化程度下的接触压力和接触电阻；步骤二)根据所建立的接触面积和压力的模型，以及接触电阻和压力模型，建立有限元仿真，得到接触表面的电流密度分布；步骤三)根据接触点的非线性截顶传导数学模型，建立最大传导电流与接触面电流密度之间的模型；步骤四)基于最大电流模型，得到互调产物功率的预测模型。本发明通过插孔内导体的疲劳引起的接触压力减小的机理分析，从实验设计和理论推导的角度对连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法进行研究，该方法适用于分析所有具有相似结构的同轴连接器。

Description

一种连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法

技术领域

本发明涉及一种连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，基于理论建模和有限元仿真等综合分析方法，建立连接器插孔在不同的退化条件下的无源互调产物功率预测方法，属于电接触与通信技术的交叉领域。

背景技术

射频系统中存在的无源器件有波导接头、隔离器、双工器、连接器、同轴电缆等，而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，被认为是引起通信系统无源互调干扰的主要非线性源。同轴连接器接触不稳定带来的无源互调干扰，以及恶劣环境下电接触表面退化引起高频电参数性能下降等问题，成为抑制连接器向高频率、小型化、大功率和高可靠性发展的技术难题，是当前研究的热点，也是提高通信系统可靠性亟待解决的关键问题。

在移动通信基站上，同轴连接器的工作环境恶劣，昼夜温度湿度交替变化、风雨雷电和振动的影响、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。同轴连接器的PIM产生机理复杂，影响因素众多，是一个涉及到力学、电磁学和热力学的多场耦合问题。环境因素的影响使得金属材料发生应力疲劳、表面产生力学变化，加上接触区域的腐蚀污染，导致退化的连接器产生更大的无源互调电平，对整个基站通信带来严重的干扰。因此，对同轴连接器在恶劣环境下的无源互调退化机理的研究，分析连接器产生的互调产物功率随环境因素变化的特点，建立行为模型进行互调功率预测，为防止连接器退化，降低PIM干扰提供理论依据，对连接器工程设计和无源互调科学研究具有重要意义。

在某些实际情况下，由于环境振动和反复插拔的影响，即使外导体被足够的力矩拧紧，中心导体中的接触压力也可能降低。中心导体的应力疲劳对连接器的高频电性能有负面影响，也被认为是PIM的来源之一。因此，研究中心导体中的接触压力对PIM行为的影响，对提高系统的可靠性具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术中存在的连接器插孔内导体退化引起的无源互调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仿真相结合的连接器插孔内导体退化引起的无源互调预测模型。

为达到上述目的，本发明提供如下分析方案：

步骤一)加速试验以及退化量测试

为了在中心导体中产生具有不同接触压力的连接器样品，定制了四个不同直径的圆柱棒，并将其插入四个连接器的插座中。四根圆柱杆的直径分别设计为1.6mm、1.8mm、2.0mm和2.2mm。经过两周的加速后，四根插入的圆柱棒被拔出，观察到插座有不同程度的变形。通过使用一个原始的连接器插针和一个拉力计，可以测量最大静摩擦力的。从而测得接触压力分别3.4N,1.9N和0.3N。其中形变最大的样本已经无法测得压力值。用四点法测量了这些连接器样品的接触电阻。被测装置(DUT)由一对N型阴-阴、阳-阴连接器和两个原始插针组成。因此，测量的电阻R_m是三个接触电阻R_c和一个体电阻R_b的总和。因此，四个样品的接触电阻分别为0.31mΩ、0.64mΩ、4.74mΩ、305mΩ。

步骤二)接触面积和接触电压降建模

连接接触时，由于插座中有四个槽，中心导体上有四个接触区。通过测量不同直径圆柱杆的插入力，导出了接触压力与容器变形的关系，接触压力随变形呈线性增加。因此，采用弹性接触的赫兹理论来表示连接器的接触状态。每个接触区域假设为矩形，由插入深度L和接触宽度a决定。根据弹性接触的赫兹理论，接触宽度可以表示为：

其中P代表接触压力，v₁、v₂代表接触的两种材料的泊松比，E₁、E₂是接触材料的杨氏模量，L代表插针和插孔的纵向接触深度。R₁和R₂分别代表插孔的内径和插针的外径。

对连接结的电压降模型建模，主要通过对同轴线的内导体电流建模，以及与接触电阻的压力模型想结合。内导体上电流可以表示为：

其中μ是材料磁导率，ε是绝缘层介电常数，a、b分别是插孔和插针的内径和外径。因此，电压降的模型可以表示为：

V_drop＝I₀·R(P)

步骤三)有限元仿真，得到接触表面电流密度模型

实际接触宽度a等于FEA模型中的正方形的边长，边长是压力的函数。触点压降也基于前面提出的V-P关系上配置的，它也是触点压力的函数。通过对0.1N到5N压力的参数扫描模拟，得到了接触压力对接触区电流密度的影响，随着接触压力的降低，电流密度增大。电流密度的增加将导致更高的非线性效应。

J_contact＝6.007×10⁸·P^-0.9797

步骤四)非线性传递函数建模与无源互调预测模型

一个分段函数被采用来描述连接器接触点上的传递函数：

利用接触点的功率截顶失真模型，得到最大电流和电流密度的关系：

其中，k₁和k₂可以根据部分实验数据算出。三阶互调产物的电流可以表达为：

因此，三阶互调产物功率预测模型为：

P_IM3＝10·log₁₀(|I₀·i_IM3|²·Z·1000)(dBm)

本发明提出的连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，基于理论建模和有限元仿真等综合分析方法，建立不同插孔退化程度下的无源互调产物功率的预测模型，为环境影响和长期使用后的连接器互调性能的可靠性研究提供理论支撑。本发明主要有以下优点：

1)基于内导体的应力疲劳，对无源互调进行预测。

2)针对内导体压力减小对接触表面电流密度进行有限元建模。

3)基于接触点的截顶失真，建立了非线性传递函数，并进行互调功率预测。

附图说明

图1是本方法的技术路线总体示意图。

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N型射频同轴连接器作为研究对象为例，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的同轴结构作为分析对象，均可用本发明的分析方法进行互调产物功率预测。

如图1所示，本发明中的无源互调预测方法主要包括表面物理建模和非线性数学建模，运用理论分析和有限元仿真相结合的方法，建立适用于同轴连接器的插孔内导体应力疲劳下的无源互调功率预测。

第一步，开展加速试验，对于N型连接器插孔进行不同程度的退化加速。定制四个不同直径的圆柱棒，并将其插入四个连接器的插座中。四根圆柱杆的直径分别设计为1.6mm、1.8mm、2.0mm和2.2mm。经过两周的加速后，四根插入的圆柱棒被拔出，观察到插座有不同程度的变形。通过使用一个原始的连接器插针和一个拉力计，可以测量最大静摩擦力的。从而测得接触压力分别3.4N,1.9N和0.3N。其中形变最大的样本已经无法测得压力值。用四点法测量了这些连接器样品的接触电阻。被测装置(DUT)由一对N型阴-阴、阳-阴连接器和两个原始插针组成。因此，测量的电阻Rm是三个接触电阻Rc和一个体电阻Rb的总和。因此，四个样品的接触电阻分别为0.31mΩ、0.64mΩ、4.74mΩ、305mΩ。

第二步，连接接触时，由于插座中有四个槽，中心导体上有四个接触区。通过测量不同直径圆柱杆的插入力，导出了接触压力与容器变形的关系，接触压力随变形呈线性增加。因此，采用弹性接触的赫兹理论来表示连接器的接触状态。每个接触区域假设为矩形，由插入深度L和接触宽度a决定。根据弹性接触的赫兹理论，接触宽度可以表示为：

对连接结的电压降模型建模，主要通过对同轴线的内导体电流建模，以及与接触电阻的压力模型想结合。内导体上电流可以表示为

V_drop＝I₀·R(P)

第三步，实际接触宽度a等于FEA模型中的正方形的边长，边长是压力的函数。触点压降也基于前面提出的V-P关系上配置的，它也是触点压力的函数。在有限元仿真中，通过对0.1N到5N压力的参数扫描模拟，得到了接触压力对接触区电流密度的影响，随着接触压力的降低，电流密度增大。电流密度的增加将导致更高的非线性效应。

J_contact＝6.007×10⁸·P^-0.9797

第四步，一个分段函数被采用来描述连接器接触点上的传递函数：

因此，三阶互调产物功率预测模型为：

P_IM3＝10·log₁₀(|I₀·i_IM3|²·Z·1000)(dBm)

Claims

1.一种连接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，其特征在于：

定量地给出不同程度退化的连接器插孔衡量方法，基于插孔疲劳引起的接触压力减小对接触面积和接触电阻的影响，建立有限元分析模型，提出了基于电流截顶失真的非线性传递函数，并得到插孔应力疲劳引起的无源互调预测模型，具体实施步骤如下：

第一步，以N型连接器为例，设计直径不同、材质相同的圆柱棒，插入连接器插孔中，通过一段时间的连接，不同直径的木棒将插孔挤压到不同的形变，利用插拔力测量仪对不同退化样本进行插拔力测试，进而得到接触压力，再利用微欧微伏表对退化样本的接触电阻进行测量，通过接触压力和接触电阻两个指标，确定连接器插孔退化程度；

第二步，根据弹性赫兹理论，结合连接器的插孔接触结构，建立压力与接触面积的关系，根据传输电流与接触电阻的乘积关系，得到接触结的电压降模型；

第三步，将压力与接触面积模型，以及压力与电压降模型在有限元模型中进行设定，通过压力的参数扫描仿真，得到不同压力下的接触表面电流密度模型；

第四步，建立基于接触点功率截顶失真的非线性传递函数，将电流密度和最大电流进行数学建模，进而得出互调产物功率模型随着接触压力变化的预测模型。

2.根据权利要求1所述的接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，其特征在于，第一步中要通过加速试验，确定不同退化程度的连接器样本，并进行接触压力和接触电阻测试。

3.根据权利要求1所述的接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，其特征在于，第二步中基于弹性赫兹理论，建立接触压力对接触面积的影响：

其中P代表接触压力，v₁、v₂代表接触的两种材料的泊松比，E₁、E₂是接触材料的杨氏模量，L代表插针和插孔的纵向接触深度，R₁和R₂分别代表插孔的内径和插针的外径；

对连接结的电压降模型建模，主要通过对同轴线的内导体电流建模，以及与接触电阻的压力模型想结合；内导体上电流可以表示为：

其中μ是材料磁导率，ε是绝缘层介电常数，a、b分别是插孔和插针的内径和外径，因此，电压降的模型可以表示为：

V_drop＝I₀·R(P) 。

4.根据权利要求1所述的接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，其特征在于，第三步引入第二步中建立的模型到有限元分析软件中，建立连接器内导体接触部分的横截面模型，仿真不同压力下的接触表面上的电流密度分布，通过付仿真数据的拟合，得到电流密度的压力模型：J_contact ＝ 6.007 × 10⁸ · P^-0.9797 。

5.根据权利要求1所述的接器插孔应力疲劳下的无源互调预测方法，其特征在于，第四步中利用接触点的功率截顶失真模型，得到最大电流和电流密度的关系：

其中，k₁和k₂可以根据部分实验数据算出，三阶互调产物的电流可以表达为：

因此，三阶互调产物功率预测模型为：

P_IM3＝10·log₁₀(|I₀·i_IM3|²·Z·1000)(dBm) 。