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提高射频连接器可靠性的几项措施
 
  1 引言
射频连接器的可靠性问题是整机或系统使用单非常关心和重视的问题。这是因为射频连接器作为一种元件应用在整机或系统中,它的可靠性直接影响或决定着整机或系统的可靠性。射频连接器的可靠性与其结构设计、生程过程、生产工艺、选用的材料、质量控制及其是否正确应用有关,在这诸多因素中,当推结构设计是首要的。它在产品的固有可靠性中起决定性作用。因此,在研制设计的每一阶段,或在可靠性增长试验中,都应特别注意如何提高和保证该产品的固有可靠性和使用可靠性。
随着时间的推移、科技的不断发展,经实践的检验和经验积累,设计理论、测量技术也在不断更新完善,早期设计的缺陷和局限性也会逐渐暴露出来,因此,需要采用新概念、新技术、新材料对老产品、老结构进行改进,采取措施提高产品的固有可靠性。 
要提高射频连接器的固有可靠性,必须遵循射频连接器的基本设计原则和特点,在不降低它的电气特性或者说在保证其电气特性不受影响的条件下,采取措施,进行改进。射频连接器的失效表现形式和所有接插元件一样多种多样,但常见的主要失效形式是接触件的接触失效。针对射频连接器在研制、试验和应用过程中暴露出来的接触失效形式,采取一些改进措施,可以收到一定的效果。在结构设计和施加辅助剂方面归纳起来这些措施有:加固法、校准法、平衡法、涂敷润滑法和优选法等。 
2 措施
2.1 加固法
加固法是指在不影响射频连接器的电气特性(如电压驻波比、插入损耗)条件下,针对射频连接器的外导体或内导体容易产生接触失效的部位,采取增设加强筋、不开槽或开窄槽措施进行加固,提高产生失效部位的刚性和机械强度,提高其接触可靠性和机械寿命。
例1 Q9型射频连接器(已废型)和早期BNC型射频连接器(界面结构如图1),在做振动试验和机械寿命试验中,外导体端面弹性开槽部位常出现扭曲、“飞片”现象,致使外导体接触电阻成倍增大,形成失效。针对该种失效形式,采取加固措施,即在端部增设加强筋(界面结构如图2),如目前IEC168-8标准规定的BNC型射频连接器。 
为验证加固前后的效果,针对两种不同的外导体结构,分别抽取按SJ 500-83标准加工的Q9-J5、Q9-KY5各4只和按IEC169-8标准加工的BNC-J5、BNC-KY5各4只和按IEC169-8标准加工的BNC-J5、BNC-KY5各4只在其他条件相同的情况下,由同组人员按每分钟8-10次进行插拔试验。每插拔100次,测试一次内外导体的接触电阻,共插拔2000次。对测试的数据进行整理,接触电阻随插拔次数的变化曲线如图3。

 
              图3 接触电阻与插拔次数关系曲线

从试验结果看,两种产品内导体结构设计类同,接触电阻随插拔次数增加变化也类同一致,接触电阻的变化均不大,均能满足部标和IEC标准的要求,且有很大余量。两种产品外导体的接触电阻随插拔次数的增加变化比较悬殊。Q9在500次内,接触电阻大于2.5mΩ,1000次内,接触电阻小于8mΩ,符合部标,但不符合ICE标准;BNC在500次内,接触电阻小于2.5mΩ,在1000至2000次之内仍小于8mΩ。可见采用加固后的产品可靠性明显提高。 

     
                图4 常规插孔结构设计图

例2 在射频连接器的结构设计中,内导体插孔通常设计成如图4所示的结构形式。在微小型射频连接器使用过程中,如图4结构,往往会出现插孔受损、塌片、断片等现象,造成接触失效。而采用加固法,在满足电气特性的条件下,设计成如图5的结构形式,则可以大大减少插孔被插损坏所造成的接触失效,提高产品的使用可靠性。  

       
             图5 加固后插孔结构设计图

2.2 校准法
校准法或称对准法,是指在一些微小型射频连接器的界面结构设计中,采取缩短插针插配长度和延长螺纹轴向长度,使连接器在连接过程中,连接器插头和插座上的螺纹先接触,让插针与的插孔先对准在一条直线上再接触连接,从而避免插针在连接过程中插坏插孔、造成失效的一种措施(如图6所示)。 

        
            图6 对准法示意图

例如:SMA型连接器和APC-3.5型连接器在连接过程中,容易出现如图7所示的插孔插坏现象。采用对准法后,如2.92mm、K、1.85mm等型连接器,连接状况如图8所示,有效地避免了连接器在连接过程中插坏插孔造成失效的问题。 

        
            图7 SMA、APC-3.5型连接状况

2.3 平衡法
平衡法是指在高低频混装连接器的结构设计中,对其中高频接触件的结构设计,在满足适用频率范围内电气特性(如电压驻波比)的要求下,兼顾高低频整体机械寿命,采取平衡措施,尽可能加强内导体系统插孔的强度,提高高频接触件的固有可靠性。 

         
             图8 2.92mm、K、1.85mm、V型连接状况

由于在高低频混装连接器中,高频接触件外导体内径往往较小,按标称阻抗50Ω或75Ω进行结构设计,其内导体系统的插孔很容易在接插过程中损坏;但在高低频混装连接器中,高频接触件适用频率范围往往要求很低,这样则可舍其频率高端的频率特性,增大插孔外径,提高其机械强度,以提高整件可靠性。 

    
             图9 金属镀层厚度与针孔数关系

例如,在一高低频混装连接器中,高频接触件外导体内径最大可为φ3.1mm,按50Ω阻抗设计,则内导体外径为φ0.94mm,其截止频率约为34GHz,但该产品使用频率不到50MHz,按φ0.94设计插孔,则机械强度很差,常出现插坏插孔造成失效的现象;采用平衡措施,舍其频率高端性能,加大插孔外径,按φ1.4mm设计插孔,保证在0-0.5GHz频率范围内,VSWR≤1.2,满足了使用要求,大大提高了插孔强度,提高了使用可靠性。
2.4 涂敷润滑法
涂敷润滑法是指在射频连接器接触件的镀层表面涂以涂敷剂或润滑剂,以提高接触件的抗腐蚀性和耐磨性能,从而提高接触件的接触可靠性和机械寿命。
按电化学对金、银、锡的腐蚀难易程度进行排列,当然是金最难以腐蚀,锡最易腐蚀。但从实际电镀接点使用状况看,情况恰恰相反,镀金接点被腐蚀的最多,锡镀层则腐蚀较少。原因是作为贵金属的金镀层往往很薄,而作为贱金属的锡镀层较厚。在一般电镀质量情况下,镀层厚度与其针孔数量的关系曲线如图9所示。镀层薄,针孔数多,则易腐蚀;镀层厚,腐蚀难。
为防止接触件镀金层薄、易腐蚀造成接触失效,在接触件镀层表面,涂以涂敷剂或润滑剂,以减少针孔数量,提高耐腐蚀性和耐磨耗性,从而提高接触可靠性。
为证实其涂敷效果,在高温状况下,将使用和不使用涂敷剂的同一种零件别置于SO2、H2S、HNO3气氛下进行暴对比试验,其结果如图10和图11所示。 

 
                 图10未用涂敷剂的镀金连接器气体腐蚀试验图

由图可见,连接器均受到腐蚀气体的影响,但涂敷和不涂敷影响相关差悬殊。未施涂敷剂的接触电阻大幅度增大,SO2的影响尤其显著。而施加涂敷剂后,接触电阻的增加明显被抑制,总的接触电阻值在10mΩ以内。可见在连接器镀金接触件的表面涂以涂敷剂对提高其耐腐蚀性是十分有效的。 

   
               11 使用涂敷剂的镀金连接器气体腐蚀试验

在接触件镀层表面涂敷润滑剂除可以提高抗腐蚀性之外,还可以提高插拔性能和耐磨耗性能,从而提高产品的机械寿命。
常用的涂敷剂和润滑剂有:油性电接触表面润滑保护剂YJ-9201、YX-9202、DJB-823;脂状电接触表面润滑保护剂Z-9203;蜡性电接触表面润滑保护剂LJ-9204、LY-9205、LX-9206;石蜡(CNH2N+2)。日本的牌号有C2000、C9050、C5500、C9312、C9300等。
2.5优选法
优选法是指在射频连接器的连接机构设计中,或者用户在选用连接器时,要根据使用特点,优选适用的连接机构,避免因选用连接机构不当而引起接触失效,从而提高使用可靠性。
常见的射频连接器的连接机构见表1,不同的连接机构具有不同的适用条件和特点,应根据使用特点选用适用的连接机构。
3 结束语
以上列举的几项措施和举例有的已体现在产品标准的界面结构中,有的是两种结构在同一型号产品中并存。作为提高产品固有可靠性的措施,以上所列不是仅有的和唯一的,设计者可根据产品接触件出现的接触失效形式进行具体分析,采用有别于以上措施的方法进行改进,也可参照以上措施的一项或多项联合应用进行改进,以提高产品可靠性。当已有结构可满足使用要求时,不必苛求改变结构。 
以上各项措施针对的不同失效形式,可作为设计者在最初设计产品时的参考,亦可作为连接器出现接触失效时进行失效分析、查找失效原因的线索,亦可在进行可靠性增长试验中采用。