射频同轴连接器的失效原因分析及可靠性提高方法

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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。

 

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