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标题: 射频同轴连接器的失效原因分析及可靠性提高方法 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 17:27
标题: 射频同轴连接器的失效原因分析及可靠性提高方法
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。本文针对射频同轴连接器失效模式进行了分析，并就如何提高其可靠性进行了讨论。

射频同轴连接器的品种虽然很多，但无论是螺纹连接型如：N型、SMA、3.5mm，卡口连接型如：BNC、 C，还是推入连接型如：SMB、SSMB、MCX其连接原理大体相同。下面以N型连接器为例，就其失效形式及提高可靠性的方法展开分析。图0-1是N型连接器的结构示意图。

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，应用范围最为广泛。因而本文也将以此为例进行分析。

2.1、内导体固定不牢
为了装配需要，在很多同轴连接器（如N型，3.5mm）中常采用图2-1所示的结构：内导体被在介质支撑处分为两截，然后用螺纹连接起来。

但是由于内导体直径较小，装配时若不在螺纹连接处涂胶加以固定，那么内导体连接强度是很差的，尤其是一些小型射频同轴连接器，如1.85mm同轴连接器内导体的直径仅为Φ0.804mm，其强度可想而知。因此，当连接器在多次连接、断开，在扭力和拉力长期作用下，内导体螺纹可能就会松动、脱落，致使连接失效。

图 2-2也是同轴连接器常用的结构之一（如SMA）：内导体、介质支撑以及外导体依靠胶粘剂固定在一起。这种结构如果在装配时涂胶量不够或胶的连接强度不够，那么在使用过程中，涂胶处因受力可能发生断裂，就会造成内导体转动或者轴向窜动，内导体之间不能形成良好的电接触，连接失效。

改进措施：对于图2-2结构的同轴连接器装配时可在螺纹连接处涂适量的导电胶或螺纹锁固剂以增加螺纹连接的可靠性。而对于图2-3结构，要选用粘结强度较高的胶粘剂，且涂胶时一定要保证胶充满整个涂胶孔；在内导体涂胶处滚花，增加内导体与胶粘剂的接触面积，防止内导体转动；适当调整内导体、外导体、介质支撑的径向尺寸及公差，使内导体与介质支撑、介质支撑与外导体之间的配合为过盈配合，也可使三者装配在一起更加牢固。

2.2、内导体的插孔尺寸或插针尺寸不正确
如果插孔内导体孔径小于规定尺寸，那么当插针内导体的插针进入插孔时就会使得插孔过度扩张，形变量超出其弹性形变范围，产生塑性变形，导致插孔内导体损坏；相反，如果插针直径过小，当插针和插孔配合时，插针与插孔壁之间的间隙过大，两内导体不能紧密接触，接触电阻变大，连接器的电气性能指标会很差。

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。

2.3、插孔内导体弹性差
造成插孔内导体弹性差的原因主要有两个方面，一是插孔内导体开槽部分设计或加工不合理，二是插孔内导体时效处理不当。

2.3.1 插孔内导体开槽部分设计或加工不合理
除了材料本身的弹性，插孔部分的开槽结构的设计和加工也是影响插孔内导体弹性的一个重要原因。

(1) 开槽长度：如果开槽长度过长，插针内导体与插孔内导体配合时二者之间的接触力变小，就可能会导致内导体之间接触不良；开槽长度过短，插针与插孔之间的接触力和插入力太大，造成内导体磨损加剧，甚至导致内导体或介质支撑变形或损坏，且插孔部分的疲劳强度降低，连接器的寿命也会缩短。

(2)开槽宽度：适当增加开槽的宽度可以增大插孔和插针之间的接触力，但随着槽宽的增加，在圆周上插孔与插针的接触面积减少，加剧了传输线的不连续性，影响电气性能。

(3)开槽个数：开槽个数越多，单瓣插孔壁上的分摊的力越小，能有效的减轻插孔和插针配合时对内导体表面的磨损，但同样也会减少插孔与插针的接触面积，加剧传输线的不连续性。

(4)如果插孔内壁留有加工槽时产生的毛刺，会导致连接时插孔内壁不能完全和插针良好接触。改进措施：合理设计插孔内导体开槽长度、开槽宽度以及开槽个数；而在加工插孔上的槽时要将插孔内的毛刺清除干净。

2.3.2 插孔内导体时效处理不当
如果插孔内导体在进行时效强化处理时没能很好的控制温度区间或时效时间，致使其硬度达不到设计值，在多次插拔后收口逐渐松弛，接触压力明显下降，从而导致接触不良。

改进措施：根据材料本身的特性结合实际经验，制定出合理的时效处理工艺，生产时严格执行按工艺进行操作。

2.4、内导体表面镀层脱落或磨损造成接触不良
为保证传输信号质量，一般内导体表面都有金镀层。如果镀层结合力不良，在多次的插拔之后，内导体表面的镀层会产生起泡、甚至剥落，造成连接时插孔和插针内导体接触不良，连接器的电气性能指标变差。而反复的插拔也会导致镀层磨损，表面质量下降。由于信号传输时的肌肤效应，连接器传输信号的频率越高，内导体表面镀层对电气性能的影响就越大。

改进措施：控制镀层质量，保证镀层与基体的结合力；镀硬金合金以提高其耐磨性。

2.5、内导体各部分结构的同轴度超差造成接触不良
内导体属于典型的细长轴类零件，由于刀具的切削力、材料的不均匀性以及加工设备的精度等原因，加工时内导体会不可避免的产生变形，从而造成插针内导体插针部分与内导体外圆不同轴，或者插孔内导体的插孔与其外圆不同轴。如果内导体的各部分结构的不同轴，那么在连接时插孔内导体与插针内导体之间就会产生一个径向的挤压力，若挤压力过大会导致内导体或介质支撑变形，甚至插孔壁断裂。

改进措施：加工时合理选择切削量，或使用精度相对更高一些的设备（如纵切车床）以保证内导体合适的同轴度。

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最基本的要求，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
这种失效最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
4.2.4卡环外圆倒角过大由于这种失效形式在很多文章中都有详细阐述，这里不再进行展开分析。

5、结束语
限于篇幅，本文仅以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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