CN117272884A - 一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法。本发明包括：测量带有未退化毛纽扣的传输通道的高频传输性能，建立带有未退化毛纽扣的传输通道的等效电路模型；设计加速实验得到不同退化等级的毛纽扣连接器样本，测量不同退化等级毛纽扣处于压缩状态时的物理尺寸及其表面腐蚀膜的厚度和材料参数；基于测量结果，求解不同退化等级毛纽扣阻抗网络模型中的寄生参数，建立带有不同退化等级毛纽扣的传输通道的等效电路模型，仿真得到高频性能参数；测量带有退化毛纽扣传输通道的高频性能参数，比较待测件的测量值与模型仿真结果，分析毛纽扣退化对传输通道的影响，并预测带有其他退化等级毛纽扣的传输通道高频参数。本发明采用理论分析与实验测试相结合的方法，充分对毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法进行了研究，为指导工程应用提供了理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，运用了理论建模和实验测试等综合分析方法，属于通信电路领域。
背景技术
随着电子设备集成化等级及其传输信号频率不断提高，对电子设备中的电连接质量提出了更高的要求。电路系统中电连接的优劣将直接影响信号完整性，进而影响整个电子系统的稳定性与可靠性。
毛纽扣连接器作为一种弹性接触件，具有免焊、低矮化、高密度等特点，为板级间提供了一个可分离的高密度互连，减少了与焊点有关的可靠性风险，是实现微波模块无焊垂直互联的主要技术之一。但是复杂的环境因素也会造成毛纽扣连接器退化，对系统和产品的可靠性产生负面影响。例如，长期的压力施加会导致毛纽扣发生应力松弛，从而造成其回弹性差、接触电阻增大。腐蚀性气体会导致腐蚀膜附着在毛纽扣金属丝的表面，降低信号传输的质量。此外，毛纽扣还有易脱落、压缩密度不一致、内部金属丝松散等可靠性问题，这都会降低产品的工作寿命。
目前，关于毛纽扣的研究大多是其在产品中的应用以及一些力学方面的基础研究，关于毛纽扣在严苛环境下的信号传输性能和可靠性相关的研究较少。针对以上问题，本发明提出一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法来更加全面了解毛纽扣连接器在严苛环境下退化对信号传输产生的影响，为带有毛纽扣连接器的射频电路的故障定位和诊断提供工程指导。
发明内容
鉴于在上述研究存在的缺陷，本发明提出了一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，包括以下步骤：
测量带有未退化毛纽扣传输通道的高频性能参数，利用电磁场-电路联合仿真方法建立传输通道的等效电路模型，仿真得到高频性能参数。具体实施步骤是：在测量同轴连接器高频参数之前，需要对矢量网络分析仪进行SOLT校准，来消除仪器的大部分误差。然后将带有未退化的毛纽扣的传输通道与矢量网络分析仪连接，获得待测件的高频参数。三传输线结构的毛纽扣能提供更稳定的互连，因此以该拓扑结构为例提取垂直互连处毛纽扣的寄生参数。首先测量未退化毛纽扣处于压缩状态下的物理尺寸，基于测量结果计算未退化毛纽扣的阻抗网络中的寄生电参数，利用电磁场-电路联合仿真方法建立传输通道的等效电路模型，其他寄生参数由带有未退化毛纽扣传输通道的电路模型仿真结果与上一步实测结果拟合得到。
设计加速实验，得到不同退化等级的毛纽扣连接器样本，并测量不同退化等级毛纽扣处于压缩状态时的物理尺寸及其表面腐蚀膜的厚度和材料参数。具体实施步骤是：根据需求设计加速实验，将毛纽扣连接器放置于一定浓度的硝酸蒸汽环境中进行退化，通过控制退化时间得到不同退化等级的毛纽扣连接器样本；将退化的毛纽扣连接器干燥处理，并借助显微镜等和材料特性测量仪器等设备测量不同退化等级的毛纽扣处于压缩状态时的物理尺寸及其表面腐蚀膜的厚度和材料参数。
基于退化毛纽扣的测量结果，求解不同退化等级下毛纽扣阻抗网络模型的寄生参数，建立带有退化毛纽扣连接器的传输通道的等效电路模型，仿真得到高频性能参数。具体实施步骤是：将退化毛纽扣互连处的阻抗网络模型建模为RLC阻抗网络。基于实验测量得到的不同退化等级的毛纽扣表面腐蚀膜厚度以及介电常数等参数，求解阻抗网络模型的寄生参数，定量地分析退化对寄生参数(毛纽扣等效电感，信号毛纽扣和地毛纽扣之间的等效电容，接触电阻、接触电感等)的影响。通过改变等效电路模型中的电参数来仿真得到带有不同退化等级毛纽扣传输通道的高频电参数。毛纽扣的连接器的等效电感L0计算公式为：
a＝μ0Hde/2π b＝Hde/Rcp c＝Hde/(Rcp+d)
LS＝Lself-M1 LG＝Lself-2M1+M2 L0_De＝LS+LG/2
其中Hde＝Hun-2Hf表示压缩状态下退化毛纽扣的实际高度。Hun和Hde分别表示在压缩状态下退化前后的毛纽扣的高度。Hf是腐蚀膜厚度。Rcp是压缩状态下的毛纽扣半径。d表示信号毛纽扣和接地毛纽扣之间的距离。μ0为真空磁导率。Lself是毛纽扣的自感。信号毛纽扣与接地毛纽扣之间、接地毛纽扣和接地毛纽扣之间存在互感M1和M2。LS和LG分别是信号毛纽扣和接地毛纽扣的电感。L0表示三传输线结构毛纽扣的等效电感。上述公式同样适用于三传输线结构的未退化毛纽扣连接器的电感参数L0提取(Hf＝0)。
未退化的信号毛纽扣和接地毛纽扣之间的等效电容计算C0_Un公式为：
退化的信号毛纽扣和接地毛纽扣之间的等效电容计算C0_Δe公式为：
退化毛纽扣表面腐蚀物的等效电容Cf、电阻Rf计算公式为：
其中：Rair是介质中空气孔的半径，ε0和εf是真空和腐蚀物的相对介电常数，Csub是信号毛纽扣和接地毛纽扣之间介质材料部分产生的电容值。此外，不同退化等级毛纽扣的接触电阻和体电阻可作为整体被数字万用表测量得到。由于退化毛纽扣内部金属丝之间的接触点可以被视为由接触电阻和接触电感组成的退化电触点的阻抗网络，接触电感对信号传输的影响不能被忽略。毛纽扣内部金属丝和接触点是随机分布的，毛纽扣的金属丝表面腐蚀产物也是随机分布的，很难数值模拟或精确定量计算该接触电感，因此通过仿真结果与实验结果拟合的方法提取出接触电感值。
测量带有退化毛纽扣传输通道的高频性能参数，比较待测件的测量值与模型仿真结果，分析毛纽扣退化对传输通道的影响，并预测带有其他退化等级毛纽扣的传输通道高频参数。具体实施步骤是：设计并加工测试夹具，将带有不同退化等级毛纽扣放置于测试夹具中，测试夹具提供法向力将毛纽扣连接器压缩至与支撑件相同的高度以获得待测件，然后将待测件与矢量网络分析仪连接，测量待测件的高频电参数，使用矢量网络分析仪测试前需要进行SOLT校准；比较测量结果与模型仿真结果，拟合效果良好表明所建立的等效电路模型的有效性和准确性。因此，通过改变等效电路模型中的电阻、电容、电感等寄生参数，并对模型进行仿真，即可对带有不同退化等级毛纽扣传输通道高频传输性能进行预测。
本发明与现有技术相比有以下优点：
(1)本发明提出了退化毛纽扣连接器的等效阻抗网络模型的建立方法，求解了退化毛纽扣连接器的寄生电感、电容、电阻等参数，定量分析毛纽扣退化对以上参数的影响，以分析导致高频信号传输质量下降的主要原因。
(2)本发明测量了带有不同退化等级毛纽扣传输通道的高频性能参数并将待测件的实测值与电路仿真结果相比较，分析了毛纽扣退化对传输通道高频性能影响，运用提出的模型预测带有其他退化等级的毛纽扣传输通道的高频性能参数。
附图说明
图1是本发明的整体技术路线图。
图2是本发明的带有退化前后毛纽扣连接器传输通道的等效电路模型。
图3是本发明的退化毛纽扣互连结构的示意图和等效阻抗网络。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明进行详细阐述。
本实施例结合图1-3说明本发明方案的具体流程，该方法包括：
步骤101：测量带有未退化毛纽扣连接器的传输通道的高频性能参数。测量高频参数前需对矢量网络分析仪校准。
步骤102：建立带有未退化毛纽扣传输通道的等效电路模型。具体实施步骤是：测量压缩状态下未退化毛纽扣连接器的物理尺寸，计算未退化毛纽扣的等效阻抗网络中的寄生参数。建立传输通道除毛纽扣连接器外其他结构的电磁场模型，利用电磁场-电路联合仿真方法建立带有未退化毛纽扣传输通道的等效电路模型，如图2所示。
步骤103：设计加速实验，得到不同退化等级的毛纽扣连接器样本。借助显微镜等和材料特性测量仪器等设备测量不同退化等级的毛纽扣处于压缩状态时的物理尺寸以及其表面腐蚀膜的厚度和材料参数。
步骤104：基于测量得到的退化毛纽扣表面的腐蚀膜厚度、介电常数等参数求解毛纽扣阻抗网络模型的寄生参数，如图3所示，定量地分析毛纽扣退化对寄生参数(等效电感，信号毛纽扣和地毛纽扣之间的等效电容，接触电阻、接触电感等)的影响，建立带有退化毛纽扣传输通道的等效电路模型，如图2所示，通过改变等效电路模型中的寄生参数来仿真得到带有不同退化等级毛纽扣传输通道的高频电参数。
步骤105：对矢量网络分析仪进行SOLT校准，然后将其与待测件相连，测量带有退化毛纽扣传输通道的高频性能参数。
步骤106：比较带有退化样本的传输通道测量值与模型的仿真结果，并根据提出的模型预测带有其他退化等级毛纽扣传输通道的高频参数。
Claims (5)
1.一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，包括以下步骤：
测量带有未退化毛纽扣连接器的传输通道的高频性能参数，利用电磁场-电路联合仿真方法建立传输通道的等效电路模型，仿真得到高频性能参数；
设计加速实验，得到不同退化等级的毛纽扣连接器样本，并测量不同退化等级毛纽扣处于压缩状态时的物理尺寸及其表面腐蚀膜的厚度和材料参数；
基于退化毛纽扣的测量结果，求解不同退化等级下毛纽扣阻抗网络模型的寄生参数，建立带有退化毛纽扣连接器的传输通道等效电路模型，仿真得到高频性能参数；
测量带有退化毛纽扣传输通道的高频性能参数，比较待测件的测量值与模型仿真结果，分析毛纽扣退化对传输通道的影响，并预测带有其他退化等级毛纽扣的传输通道高频参数。
2.根据权利要求1所述的一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，先对矢量网络分析仪进行SOLT校准，然后将带有未退化毛纽扣的传输通道与矢量网络分析仪相连接，测量其高频性能参数；计算未退化毛纽扣的寄生电参数，并利用电磁场-电路联合仿真方法建立带有未退化毛纽扣传输通道的等效电路模型，其他寄生参数由带有未退化毛纽扣传输通道的电路仿真结果与实测结果拟合所得。
3.根据权利要求1所述的一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，其特征在于，设计加速实验，得到不同退化等级的毛纽扣连接器样本；借助夹具将不同退化等级的毛纽扣连接器压缩至与支撑件相同的高度以获得压缩状态下的测试样本；利用电子显微镜和材料特性测量仪器等设备测量不同退化等级的毛纽扣处于压缩状态时的物理尺寸以及其表面腐蚀膜的厚度和材料参数。
4.根据权利要求1所述的一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，其特征在于，基于测量得到的退化毛纽扣样本的物理尺寸和材料参数，求解不同退化等级毛纽扣阻抗网络模型中的寄生电阻、电感、电容等参数，建立带有退化毛纽扣连接器传输通道的等效电路模型，仿真得到高频性能参数。
5.根据权利要求1所述的一种毛纽扣连接器退化对传输通道高频性能影响的预测方法，其特征在于，设计并加工测试夹具，测量带有退化毛纽扣传输通道的高频性能参数，比较带有不同退化等级毛纽扣传输通道的测量值与模型的仿真结果，定量的分析毛纽扣连接器的退化等级对传输通道高频电参数的影响，并借助提出的相关模型预测带有其他退化等级毛纽扣的传输通道的高频性能参数。
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