射頻同軸連接器的失效原因分析
射頻同軸連接器作為無(wú)源器件的一個(gè)重要組成部分，具有良好的寬帶傳輸特性及多種方便的連接方式，因而被廣泛應(yīng)用于測(cè)試儀器、武器系統(tǒng)、通訊設(shè)備等產(chǎn)品當(dāng)中。由于射頻同軸連接器的應(yīng)用幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，其可靠性也越來(lái)越引起人們的關(guān)心和重視。本文針對(duì)射頻同軸連接器失效模式進(jìn)行了分析，并就如何提高其可靠性進(jìn)行了討論。
上海雅馳射頻同軸連接器的品種雖然很多，但無(wú)論是螺紋連接型如：N型、SMA、3.5mm，卡口連接型如：BNC、C，還是推入連接型如：SMB、SSMB、MCX其連接原理大體相同。下面以N型連接器為例，就其失效形式及提高可靠性的方法展開(kāi)分析。
N型連接器對(duì)連接好后，連接器對(duì)的外導(dǎo)體接觸面（電氣和機(jī)械基準(zhǔn)面）依靠螺紋的拉力相互頂緊，從而實(shí)現(xiàn)較小的接觸電阻(＜5mΩ）。插針內(nèi)導(dǎo)體的插針部分 插入插孔內(nèi)導(dǎo)體的孔內(nèi)，并通過(guò)插孔壁的彈性保持兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體在插孔內(nèi)導(dǎo)體的口部良好的電接觸(接觸電阻<3mΩ）。此時(shí)插針內(nèi)導(dǎo)體的臺(tái)階面與插孔內(nèi)導(dǎo) 體端面并未頂緊，而是留有<0.1mm的間隙，這個(gè)間隙對(duì)同軸連接器的電氣性能和可靠性有重要影響。N型連接器對(duì)的理想連接狀態(tài)可歸納為以下幾點(diǎn)： 外導(dǎo)體的良好接觸、內(nèi)導(dǎo)體的良好接觸、介質(zhì)支撐對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的良好支撐、螺紋拉力的正確傳遞。以上連接狀態(tài)一旦發(fā)生改變將導(dǎo)致連接器的失效。下面我們就從這幾個(gè)要點(diǎn)入手，對(duì)連接器的失效原理進(jìn)行分析，從而找到提高連接器可靠性的正確途徑。
1、外導(dǎo)體的不良接觸導(dǎo)致的失效
為保證電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，外導(dǎo)體接觸面之間的力一般都很大。以N型連接器為例，當(dāng)螺套的擰緊力矩Mt為標(biāo)準(zhǔn)的135N.cm時(shí)，由公式 Mt=KP0×10-3N.m(K為擰緊力矩系數(shù)，此處取K=0.12)，可以計(jì)算出外導(dǎo)體受到的軸向壓力P0可達(dá)712N，如果外導(dǎo)體的強(qiáng)度較差，就有 可能造成外導(dǎo)體連接端面磨損嚴(yán)重甚至變形潰縮。例如SMA連接器陽(yáng)頭外導(dǎo)體連接端面的壁厚較薄，僅0.25mm，所用材料多為黃銅，強(qiáng)度較弱，連接力矩稍大，連接端面就可能被過(guò)度擠壓產(chǎn)生變形，損壞內(nèi)導(dǎo)體或介質(zhì)支撐；且連接器外導(dǎo)體的表面通常都有鍍層，較大的接觸力會(huì)破壞掉連接端面的鍍層，導(dǎo)致外導(dǎo)體之間的接觸電阻增大，連接器電氣性能下降。另外如果射頻同軸連接器的使用環(huán)境比較惡劣，一段時(shí)間后，外導(dǎo)體的連接端面上就會(huì)沉積一層灰塵，這層灰塵使外導(dǎo)體之間的接觸電阻激增，連接器的插入損耗變大，電氣性能指標(biāo)下降。
改進(jìn)措施：要避免連接端面變形或過(guò)度磨損導(dǎo)致外導(dǎo)體不良接觸，一方面我們可以選用強(qiáng)度更高的材料來(lái)加工外導(dǎo)體，如青銅或不銹鋼；另一方面也可以加大外導(dǎo)體連接端面的壁厚，以增加接觸面積，這樣在施加同樣連接力矩的情況下，外導(dǎo)體連接端面單位面積上的壓力就會(huì)減小。如一種改進(jìn)型的SMA同軸連接器，其介質(zhì)支撐的外徑由普通SMA的Φ4.1mm減小為Φ3.9mm，外導(dǎo)體連接面的壁厚相應(yīng)增大為 0.35mm，機(jī)械強(qiáng)度提高，從而增強(qiáng)了連接的可靠性。在存放和使用連接器時(shí)要保持外導(dǎo)體連接端面的清潔，如上面有灰塵，可用酒精棉球擦洗干凈。需要注意 的是擦洗時(shí)應(yīng)避免酒精浸到介質(zhì)支撐上，且要等酒精揮發(fā)完畢后才能使用連接器，否則會(huì)因?yàn)榫凭幕烊?，引起連接器的阻抗改變。
2、內(nèi)導(dǎo)體的不良接觸導(dǎo)致的失效
相對(duì)于外導(dǎo)體，尺寸較小，強(qiáng)度較差的內(nèi)導(dǎo)體更容易造成接觸不良而導(dǎo)致連接器失效。
內(nèi)導(dǎo)體之間多采用彈性連接方式，如插孔開(kāi)槽式彈性連接、彈簧爪式彈性連接，波紋管式彈性連接等。其中插孔開(kāi)槽式彈性連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低廉，裝配方便，應(yīng)用范圍最為廣泛。因而本文也將以此為例進(jìn)行分析。
2.1、內(nèi)導(dǎo)體固定不牢
為了裝配需要，在很多同軸連接器中內(nèi)導(dǎo)體被在介質(zhì)支撐處分為兩截，然后用螺紋連接起來(lái)。
但是由于內(nèi)導(dǎo)體直徑較小，裝配時(shí)若不在螺紋連接處涂膠加以固定，那么內(nèi)導(dǎo)體連接強(qiáng)度是很差的，尤其是一些小型射頻同軸連接器，如1.85mm同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體的直徑僅為Φ0.804mm，其強(qiáng)度可想而知。因此，當(dāng)連接器在多次連接、斷開(kāi)，在扭力和拉力長(zhǎng)期作用下，內(nèi)導(dǎo)體螺紋可能就會(huì)松動(dòng)、脫落，致使連接失效。
內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)支撐以及外導(dǎo)體依靠膠粘劑固定在一起。這種結(jié)構(gòu)如果在裝配時(shí)涂膠量不夠或膠的連接強(qiáng)度不夠，那么在使用過(guò)程中，涂膠處因受力可能發(fā)生斷裂，就會(huì)造成內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)或者軸向竄動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)體之間不能形成良好的電接觸，連接失效。
改進(jìn)措施：對(duì)于同軸連接器裝配時(shí)可在螺紋連接處涂適量的導(dǎo)電膠或螺紋鎖固劑以增加螺紋連接的可靠性。要選用粘結(jié)強(qiáng)度較高的膠粘劑，且涂膠時(shí)一定要保證膠充滿(mǎn)整個(gè)涂膠孔；在內(nèi)導(dǎo)體涂膠處滾花，增加內(nèi)導(dǎo)體與膠粘劑的接觸面積，防止內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)；適當(dāng)調(diào)整內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、介質(zhì)支 撐的徑向尺寸及公差，使內(nèi)導(dǎo)體與介質(zhì)支撐、介質(zhì)支撐與外導(dǎo)體之間的配合為過(guò)盈配合，也可使三者裝配在一起更加牢固。
3、介質(zhì)支撐不能良好的支撐內(nèi)導(dǎo)體導(dǎo)致的失效
介質(zhì)支撐作為同軸連接器的一個(gè)組成部分，起著支撐內(nèi)導(dǎo)體、保證內(nèi)外導(dǎo)體之間的相對(duì)位置關(guān)系等重要作用。其材料的機(jī)械強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)、損耗因數(shù)、吸水率等特性對(duì)連接器的性能都有著重要的影響。足夠的機(jī)械強(qiáng)度是對(duì)介質(zhì)支撐最基本的要求，在連接器的使用過(guò)程中介質(zhì)支撐要承擔(dān)來(lái)自?xún)?nèi)導(dǎo)體軸向的壓力，如果介質(zhì)支撐的機(jī)械強(qiáng)度太差，在互連時(shí)就會(huì)產(chǎn)生變形甚至損傷；而如果材料的熱膨脹系數(shù)過(guò)大，當(dāng)溫度變化程度較大時(shí)，介質(zhì)支撐就可能會(huì)過(guò)度膨脹或收縮變形，造成內(nèi)導(dǎo)體松動(dòng)、脫落，或與外導(dǎo)體不同軸，同時(shí)還會(huì)引起連接器端口尺寸的改變。而吸水率、介電常數(shù)、損耗因數(shù)則影響連接器的插入損耗、反射系數(shù)等電氣性能。
改進(jìn)措施：根據(jù)連接器的使用環(huán)境、工作頻率范圍等結(jié)合材料的特性，選擇合適的材料來(lái)加工介質(zhì)支撐。
4、螺紋拉力不能傳遞到外導(dǎo)體導(dǎo)致的失效
這種失效最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式是螺套脫落，導(dǎo)致螺套脫落的原因主要為：螺套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或加工不合理以及卡環(huán)彈性差。
上海雅馳射頻同軸連接器的品種雖然很多，但無(wú)論是螺紋連接型如：N型、SMA、3.5mm，卡口連接型如：BNC、C，還是推入連接型如：SMB、SSMB、MCX其連接原理大體相同。下面以N型連接器為例，就其失效形式及提高可靠性的方法展開(kāi)分析。
N型連接器對(duì)連接好后，連接器對(duì)的外導(dǎo)體接觸面（電氣和機(jī)械基準(zhǔn)面）依靠螺紋的拉力相互頂緊，從而實(shí)現(xiàn)較小的接觸電阻(＜5mΩ）。插針內(nèi)導(dǎo)體的插針部分 插入插孔內(nèi)導(dǎo)體的孔內(nèi)，并通過(guò)插孔壁的彈性保持兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體在插孔內(nèi)導(dǎo)體的口部良好的電接觸(接觸電阻<3mΩ）。此時(shí)插針內(nèi)導(dǎo)體的臺(tái)階面與插孔內(nèi)導(dǎo) 體端面并未頂緊，而是留有<0.1mm的間隙，這個(gè)間隙對(duì)同軸連接器的電氣性能和可靠性有重要影響。N型連接器對(duì)的理想連接狀態(tài)可歸納為以下幾點(diǎn)： 外導(dǎo)體的良好接觸、內(nèi)導(dǎo)體的良好接觸、介質(zhì)支撐對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的良好支撐、螺紋拉力的正確傳遞。以上連接狀態(tài)一旦發(fā)生改變將導(dǎo)致連接器的失效。下面我們就從這幾個(gè)要點(diǎn)入手，對(duì)連接器的失效原理進(jìn)行分析，從而找到提高連接器可靠性的正確途徑。
1、外導(dǎo)體的不良接觸導(dǎo)致的失效
為保證電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，外導(dǎo)體接觸面之間的力一般都很大。以N型連接器為例，當(dāng)螺套的擰緊力矩Mt為標(biāo)準(zhǔn)的135N.cm時(shí)，由公式 Mt=KP0×10-3N.m(K為擰緊力矩系數(shù)，此處取K=0.12)，可以計(jì)算出外導(dǎo)體受到的軸向壓力P0可達(dá)712N，如果外導(dǎo)體的強(qiáng)度較差，就有 可能造成外導(dǎo)體連接端面磨損嚴(yán)重甚至變形潰縮。例如SMA連接器陽(yáng)頭外導(dǎo)體連接端面的壁厚較薄，僅0.25mm，所用材料多為黃銅，強(qiáng)度較弱，連接力矩稍大，連接端面就可能被過(guò)度擠壓產(chǎn)生變形，損壞內(nèi)導(dǎo)體或介質(zhì)支撐；且連接器外導(dǎo)體的表面通常都有鍍層，較大的接觸力會(huì)破壞掉連接端面的鍍層，導(dǎo)致外導(dǎo)體之間的接觸電阻增大，連接器電氣性能下降。另外如果射頻同軸連接器的使用環(huán)境比較惡劣，一段時(shí)間后，外導(dǎo)體的連接端面上就會(huì)沉積一層灰塵，這層灰塵使外導(dǎo)體之間的接觸電阻激增，連接器的插入損耗變大，電氣性能指標(biāo)下降。
改進(jìn)措施：要避免連接端面變形或過(guò)度磨損導(dǎo)致外導(dǎo)體不良接觸，一方面我們可以選用強(qiáng)度更高的材料來(lái)加工外導(dǎo)體，如青銅或不銹鋼；另一方面也可以加大外導(dǎo)體連接端面的壁厚，以增加接觸面積，這樣在施加同樣連接力矩的情況下，外導(dǎo)體連接端面單位面積上的壓力就會(huì)減小。如一種改進(jìn)型的SMA同軸連接器，其介質(zhì)支撐的外徑由普通SMA的Φ4.1mm減小為Φ3.9mm，外導(dǎo)體連接面的壁厚相應(yīng)增大為 0.35mm，機(jī)械強(qiáng)度提高，從而增強(qiáng)了連接的可靠性。在存放和使用連接器時(shí)要保持外導(dǎo)體連接端面的清潔，如上面有灰塵，可用酒精棉球擦洗干凈。需要注意 的是擦洗時(shí)應(yīng)避免酒精浸到介質(zhì)支撐上，且要等酒精揮發(fā)完畢后才能使用連接器，否則會(huì)因?yàn)榫凭幕烊?，引起連接器的阻抗改變。
2、內(nèi)導(dǎo)體的不良接觸導(dǎo)致的失效
相對(duì)于外導(dǎo)體，尺寸較小，強(qiáng)度較差的內(nèi)導(dǎo)體更容易造成接觸不良而導(dǎo)致連接器失效。
內(nèi)導(dǎo)體之間多采用彈性連接方式，如插孔開(kāi)槽式彈性連接、彈簧爪式彈性連接，波紋管式彈性連接等。其中插孔開(kāi)槽式彈性連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低廉，裝配方便，應(yīng)用范圍最為廣泛。因而本文也將以此為例進(jìn)行分析。
2.1、內(nèi)導(dǎo)體固定不牢
為了裝配需要，在很多同軸連接器中內(nèi)導(dǎo)體被在介質(zhì)支撐處分為兩截，然后用螺紋連接起來(lái)。
但是由于內(nèi)導(dǎo)體直徑較小，裝配時(shí)若不在螺紋連接處涂膠加以固定，那么內(nèi)導(dǎo)體連接強(qiáng)度是很差的，尤其是一些小型射頻同軸連接器，如1.85mm同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體的直徑僅為Φ0.804mm，其強(qiáng)度可想而知。因此，當(dāng)連接器在多次連接、斷開(kāi)，在扭力和拉力長(zhǎng)期作用下，內(nèi)導(dǎo)體螺紋可能就會(huì)松動(dòng)、脫落，致使連接失效。
內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)支撐以及外導(dǎo)體依靠膠粘劑固定在一起。這種結(jié)構(gòu)如果在裝配時(shí)涂膠量不夠或膠的連接強(qiáng)度不夠，那么在使用過(guò)程中，涂膠處因受力可能發(fā)生斷裂，就會(huì)造成內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)或者軸向竄動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)體之間不能形成良好的電接觸，連接失效。
改進(jìn)措施：對(duì)于同軸連接器裝配時(shí)可在螺紋連接處涂適量的導(dǎo)電膠或螺紋鎖固劑以增加螺紋連接的可靠性。要選用粘結(jié)強(qiáng)度較高的膠粘劑，且涂膠時(shí)一定要保證膠充滿(mǎn)整個(gè)涂膠孔；在內(nèi)導(dǎo)體涂膠處滾花，增加內(nèi)導(dǎo)體與膠粘劑的接觸面積，防止內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)；適當(dāng)調(diào)整內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、介質(zhì)支 撐的徑向尺寸及公差，使內(nèi)導(dǎo)體與介質(zhì)支撐、介質(zhì)支撐與外導(dǎo)體之間的配合為過(guò)盈配合，也可使三者裝配在一起更加牢固。
3、介質(zhì)支撐不能良好的支撐內(nèi)導(dǎo)體導(dǎo)致的失效
介質(zhì)支撐作為同軸連接器的一個(gè)組成部分，起著支撐內(nèi)導(dǎo)體、保證內(nèi)外導(dǎo)體之間的相對(duì)位置關(guān)系等重要作用。其材料的機(jī)械強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)、損耗因數(shù)、吸水率等特性對(duì)連接器的性能都有著重要的影響。足夠的機(jī)械強(qiáng)度是對(duì)介質(zhì)支撐最基本的要求，在連接器的使用過(guò)程中介質(zhì)支撐要承擔(dān)來(lái)自?xún)?nèi)導(dǎo)體軸向的壓力，如果介質(zhì)支撐的機(jī)械強(qiáng)度太差，在互連時(shí)就會(huì)產(chǎn)生變形甚至損傷；而如果材料的熱膨脹系數(shù)過(guò)大，當(dāng)溫度變化程度較大時(shí)，介質(zhì)支撐就可能會(huì)過(guò)度膨脹或收縮變形，造成內(nèi)導(dǎo)體松動(dòng)、脫落，或與外導(dǎo)體不同軸，同時(shí)還會(huì)引起連接器端口尺寸的改變。而吸水率、介電常數(shù)、損耗因數(shù)則影響連接器的插入損耗、反射系數(shù)等電氣性能。
改進(jìn)措施：根據(jù)連接器的使用環(huán)境、工作頻率范圍等結(jié)合材料的特性，選擇合適的材料來(lái)加工介質(zhì)支撐。
4、螺紋拉力不能傳遞到外導(dǎo)體導(dǎo)致的失效
這種失效最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式是螺套脫落，導(dǎo)致螺套脫落的原因主要為：螺套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或加工不合理以及卡環(huán)彈性差。
4.1、螺套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或加工不合理
4.1.1 螺套卡環(huán)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或加工不合理
(1)卡環(huán)槽槽深太深或太淺；
(2)槽底部不清角；
(3)倒角過(guò)大。
4.1.2 螺套卡環(huán)槽軸向或徑向壁厚太薄
4.2、卡環(huán)彈性差
4.2.1卡環(huán)徑向厚度設(shè)計(jì)不合理
4.2.2卡環(huán)時(shí)效強(qiáng)化不合理
4.2.3卡環(huán)選材不當(dāng)
4.2.4卡環(huán)外圓倒角過(guò)大由于這種失效形式在很多文章中都有詳細(xì)闡述，這里不再進(jìn)行展開(kāi)分析。