接触压力对同轴连接器无源互调的影响

摘要

本文提出并阐述了一种新型的行为模型，该模型阐述了接触压力对被动互调(PIM)性能的影响。基于结构分析和接触面建模，我们建立了典型同轴连接器中心导体的有限元分析模型。仿真结果确定了接触区域中的电流密度。通过使用电接触点中的非线性电流截断失真模型，数学预测了三阶互调(IM3)功率。

我们设计并进行了加速测试，以生产具有不同接触压力的连接器样品。这些样品是通过PIM分析仪在900 MHz频段内测量的。在预测和测量之间获得了良好的一致性，从而验证了PIM分析方法和结果。

索引词

同轴连接器，接触压力，电流失真，电接触，无源互调(PIM)。

一、引言

同轴连接器通常被认为是通信系统中无源互调(PIM)失真的主要因素。有人提出了一种对多个PIM源的效果进行建模的方法，从而可以预测具有多个连接器的网络的PIM。有人研究了由于扭矩不足和接触不良而引起的连接器的PIM。

在某些实际情况下，由于环境振动以及反复插入和拔出的影响，即使通过足够的扭矩拧紧外部导体，中央导体中的接触压力也可能会降低。中心导体的应力疲劳会对连接器的高频电性能产生负面影响，也可以视为PIM的来源之一。因此，研究中心导体接触压力对PIM行为的影响对系统的可靠性具有重要的价值。

根据电接触理论，减小的接触压力将导致接触面积的减小和接触阻抗的增大。接触结之间的电压降随着压力的降低而增加。因此，对于中心导体中的连接，接触压力决定了接触区域中的电流密度分布。由于截断的失真模型，PIM产品的功率随接触点电流的增加而增加。因此，非线性源于触点中的电流畸变。

本文从理论上提出并通过实验验证了表示接触压力对PIM性能的影响的行为模型。设计了加速测试以生产具有不同接触压力的连接器样品。通过测量这些样品并分析接触结构，开发了有限元分析(FEA)模型来确定接触压力对接触区域中电流密度分布的影响。通过使用当前截断的非线性失真模型，提供了三阶互调(IM3)功率的预测表达式。在900 MHz频段内进行了一系列PIM测试。通过比较预测结果和实验结果验证了所提出的模型。

二、不同接触压力的连接器样品

为了在中心导体中产生具有不同接触压力的连接器样品，需要定制四个直径不同的圆柱条并将其插入四个连接器的插座中，如图1所示。

图1.不同接触压力下的加速测试和退化的连接器样品。 测量这些样品的接触电阻和接触压力。

四个圆柱杆的直径分别设计为1.6毫米、1.8毫米、2.0毫米和2.2毫米。经过两周的加速后，将四个插入的杆拉出，观察到插座变形程度不同。通过使用原始的连接器销和拉力计，可以测量样品。为了简化计算，摩擦系数等于1。因此，然后使用滑动摩擦力与正压力的关系分别为3.4、1.9和0.3 N来计算样品1-3的接触压力。样品4的位移大于销的直径，接触压力难以测量，趋于零。

这些连接器样品的接触电阻是通过四点法测量的。被测设备(DUT)由一对n型母对母和公对母连接器以及两个原始引脚组成。

因此，测得的电阻Rm是三个接触电阻Rc和体电阻Rb之和。因此，四个样品的接触电阻分别为0.31、0.64、4.74和305 m。考虑到流过中心导体的电流是恒定的，可以通过将电阻乘以电流来计算电压降。然后，通过拟合测量压力和计算电压的数据，提出电压-压力(V-P)关系，并将其应用于FEA仿真配置中。

三、 接触区域的电流密度分析

如图2(a)所示，当连接器连接时，由于插座中的四个插槽，中心导体上有四个接触区。 我们设计并生产了具有不同半径的气缸条。

通过测量不同直径的圆柱杆的插入力，得出了接触压力与插座变形之间的关系，如图2(b)所示。

图2.被用作DUT的连接型n型连接器对(母对母和母对母)的横截面(a)。不同直径的气缸杆的测量结果(b)。

图3.圆柱凹槽中圆柱体的赫兹接触模型。半径为R1的圆柱体代表销，而半径为R2的圆柱体代表同轴连接器的插座。

接触压力随变形呈线性增加。 因此，采用赫兹弹性接触理论来表示连接器的接触状态。 每个接触区域均假定为矩形，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，如图3所示，接触宽度可以表示为：

其中R1是引脚的外半径，R2是插座的内半径。v1和v2以及E1和E2是两种接触材料的泊松比和杨氏模量。插入深度L配置为3mm。FEA模型的逻辑框架图如图4(a)所示。

接触面积和电压降通过接触压力建模，在FEA仿真中考虑了这一点。实际的接触宽度a等于正方形的边长，它是压力的函数。接触结的压降(Vp–Vr)是根据先前提出的V–P关系配置的，这也是接触压力的函数。通过使用从0.1到5 N的压力的参数扫描模拟，获得了接触压力对接触区域中电流密度的影响，如图4(b)所示。随着接触压力的降低，电流密度增加。电流密度的增加将导致更高的非线性效应，这在第4节中进行了数学建模。