一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法技术

本发明专利技术公开了一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，包括以下步骤：通过扫描电子显微镜和能谱分析方法，确定连接器结构和材料特性，实现非线性效应的定性分析；进行利用微欧微伏表进行电压‑电流曲线测试，实现连接器直流下的非线性效应定量测试分析；对利用无源互调测试仪，进行三阶互调功率进行测试，实现对连接器高频下的非线性效应定量测试分析；采用隧道效应、趋肤效应以及高频电接触理论，建立接触电阻非线性模型、高频等效电路模型和非线性传递函数，实现连接器非线性效应的理论分析。本发明专利技术结合实验测试和理论建模，从定性和定量的角度对连接器的非线性效应进行全面分析。该方法适用于所有通信系统中同轴连接器的非线性效应分析。

A modeling method for nonlinear effects of RF coaxial connectors

The invention discloses a method for modeling the non-linear effect of radio frequency coaxial connector, which includes the following steps: determining the structure and material characteristics of the connector by means of scanning electron microscopy and energy spectrum analysis method, realizing qualitative analysis of the non-linear effect; and testing the voltage-current curve by means of micro-Euclidean microvoltmeter to realize it. Quantitative test and analysis of non-linear effect under DC connector; Quantitative test and analysis of non-linear effect under high frequency by using passive intermodulation tester; Nonlinear model of contact resistance and high frequency electric contact theory are established by using tunnel effect, skin effect and high frequency electric contact theory. The frequency equivalent circuit model and nonlinear transfer function are used to analyze the nonlinear effects of connectors. The present invention comprehensively analyses the non-linear effect of the connector from the qualitative and quantitative point of view, combining the experimental test and theoretical modeling. The method is suitable for nonlinear analysis of coaxial connectors in all communication systems.

【技术实现步骤摘要】
一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法
本专利技术涉及一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，基于理论建模和实验测量等综合分析方法，建立直流输入和高频情况下的连接器接触电阻非线性模型和高频互调产物测试方法，属于电接触与通信技术的交叉领域。
技术介绍
射频通信系统内的无源器件主要包括波导接头、隔离器、双工器、连接器、同轴电缆等。而射频同轴连接器是整个系统内用量最大，种类最多，却又最容易发生故障的薄弱环节。射频同轴连接器由内导体(接触件)、绝缘体(基座)和外导体(外壳)组成。其中内导体是连接器完成电连接功能的核心零件。一般由阳性接触件和阴性接触件组成接触对，通过阴、阳接触件的插合完成电连接。绝缘体的作用是使接触件按所需要的位置和间距排列，并保证接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能。外壳是连接器的外罩，它为内装的绝缘安装板和插针提供机械保护，并提供插头和插座插合时的对准，进而将连接器固定到设备上。射频连接器通过金属接触完成连接，通常被认为是线性的，但在大功率通过的情况下，将会显现出非线性效应。特别是在接触不良、磁性材料使用不当、金属镀层质量不佳等情况下，无源互调现象十分严重，对通信信号产生强烈干扰。另外,许多连接器的使用环境为野外,温度湿度交替变化、风雨雷电振动的影响、灰尘和腐蚀性气体相互作用,这些都使得连接器因环境因素的综合作用而失效，进一步带来更加严重的无源互调问题。而产生无源互调的根本原因就是连接器的非线性效应所引起的。因此，连接器的无源互调问题的分析是目前通信领域密切关注并亟待解决的问题，对于射频通信系统中同轴连接器非线性效应的研究更是具有十分重要的应用前景和实用价值。目前，对射频同轴连接器的非线性效应的研究工作主要是定性的分析，基本上得出了避免使用磁性材料，适当增加接触压力、维持洁净的接触界面以及对连接器增加使用防护措施等结论，但是对于设计低互调连接器的原理和方法的理论性研究还较为罕见，也缺少针对性的实验测量数据的支撑。针对同轴连接器的互调测试也是研究非线性效应问题的一大障碍。利用传统的分立仪器搭建测试网络的办法进行的三阶互调产物测试具有很大的误差，仪器自身的非线性以及仪器之间相互连接带来的非线性问题使得测量结果不准确。因此需要采用专业的集成化的无源互调仪进行精确测量，从而实现对同轴连接器的非线性问题进行准确分析。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的射频同轴连接器非线性效应分析的片面性与局限条件，本专利技术的目的在于提供一套完整的理论与实验测量相结合，直流与高频不同情况下的射频同轴连接器接触电阻非线性和高频传输函数非线性模型的分析与建立。为达到上述目的，本专利技术提供如下分析方案：一种射频同轴连接器的非线性效应分析方法，具体实现步骤如下：第一步，将所选射频同轴连接器进行电镜扫描和能谱检测，探测厚度1微米范围内的材料成分和所占比重，初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强，选取线性度良好的射频同轴连接器执行第二步；第二步，利用微欧微伏表对射频同轴连接器进行接触电阻测量，从1mA的电流档位步进到1A的电流档位，测试电压的变化曲线，得到直流情况下的接触电阻非线性变化曲线图，根据数据拟合的方法得到电压-电流的非线性函数关系，定量分析出射频同轴连接器在直流情况下的接触电阻非线性变化规律；第三步，利用无源互调仪在设定通信频段内，将两输入功率按照设定间隔增长，对射频同轴连接器进行测量，得出不同输入功率对三阶互调产生的影响；维持无源互调仪两输入功率之和相同，改变输入功率之比，得到三阶互调输出功率与输入功率之比的关系；根据不同输入功率对三阶互调产生的影响以及三阶互调输出功率与输入功率之比的关系定量分析得出射频同轴连接器在高频情况下的高频电接触阻抗网络的非线性变化规律；第四步，根据隧道效应理论，建立接触点的隧道电流和接触表面膜层的数学关系模型，利用泰勒级数展开的方法，从理论上分析电流密度的谐波模型，得到表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型；根据趋肤效应理论，将射频同轴连接器内导体等效为圆柱模型，得到接触面积随着频率升高而减小的模型，进而得到表面接触面积减小引起的非线性电阻模型；将根据隧道效应理论和趋肤效应理论建立的两个模型相结合，得到表面退化引起的污染膜厚度增加、接触面积减小模型，进而建立退化引起的接触电阻的非线性模型，将接触电阻非线性变化规律带入模型得到低频段的接触电阻的非线性模型；根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型，根据高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，将电阻、电容的非线性模型引入阻抗网络，得到高频下接触阻抗的非线性模型，将高频电接触阻抗网络的非线性变化规律带入模型得到高频电接触阻抗网络的非线性模型。其中，第一步中初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强的具体方法为：分析射频同轴连接器是否含有铁磁性材料成分，若含有铁磁性材料，则非线性较强；观察内导体接触表面是否光洁，洁净的接触表面具有较好的线性度；观察F头连接器内导体的材料弹性系数和开槽宽度与内导体外径尺寸决定接触压力的大小，接触压力较小会导致非线性度增加，初步定性判定出连接器的非线性程度大小，若测试样本满足无铁磁性材料、表面洁净以及接触良好，则连接器的线性度良好；若样本含有铁磁性材料、表面污染或接触不稳定，则具有较强的非线性效应。其中，第三步中设定通信频段为900MHz和1800MHz情况下，两输入功率同时从30dBm按照1dB增长的间隔，增加到46dBm。其中，第三步中选取的无源互调仪自身剩余互调值在-163dBc以下，测试之前，先用-110dBm的标准件进行仪器校准，使得无源互调仪的测量精度在±0.5dB以下。其中，第二步中对电压-电流曲线测量必须每一个电流值进行一次归零校准，避免仪器非线性引起的测量误差。其中，第三步无源互调仪在测试过程中必须使用专用力矩扳手控制连接器测试时的扭力大小，保持一致的接触压力。其中，第四步中退化引起的接触电阻的非线性模型为：其中，f是当前频率，V表示接触节点的电压差，ω＝2πf，μ是导磁率，γ是电导率，α为圆柱导体截面的半径,λ为污染的面积比上总面积，J(s)为表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型。其中，第四步中的根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型为:其中εf、ε0分别是膜层和真空中的电导率，s、d分别是膜层厚度和接触平均间隙，Ac、An分别是接触面积和未接触的面积。其中，第四步中的高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，接触阻抗的非线性模型表示为：其中Xf＝1+RfjωCc，Xc＝RcjωCn。Rc是接触电阻，Rf表示膜层电阻,Cc是接触电容,Cn是非接触电容，λ为污染的面积比上总面积。本专利技术与现有技术相比主要有以下优点：1)多角度衡量射频同轴连接器非线性效应特征与影响。2)定量地给出了直流输入与高频情况下的射频同轴连接器的测试方法与衡量标准。3)采用完备的理论体系建立了接触电阻的非线性模型与高频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，具体实现步骤如下：第一步，将所选射频同轴连接器进行电镜扫描和能谱检测，探测厚度1微米范围内的材料成分和所占比重，初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强，选取线性度良好的射频同轴连接器执行第二步；第二步，利用微欧微伏表对射频同轴连接器进行接触电阻测量，从1mA的电流档位步进到1A的电流档位，测试电压的变化曲线，得到直流情况下的接触电阻非线性变化曲线图，根据数据拟合的方法得到电压‑电流的非线性函数关系，定量分析出射频同轴连接器在直流情况下的接触电阻非线性变化规律；第三步，利用无源互调仪在设定通信频段内，将两输入功率按照设定间隔增长，对射频同轴连接器进行测量，得出不同输入功率对三阶互调产生的影响；维持无源互调仪两输入功率之和相同，改变输入功率之比，得到三阶互调输出功率与输入功率之比的关系；根据不同输入功率对三阶互调产生的影响以及三阶互调输出功率与输入功率之比的关系定量分析得出射频同轴连接器在高频情况下的高频电接触阻抗网络的非线性变化规律；第四步，根据隧道效应理论，建立接触点的隧道电流和接触表面膜层的数学关系模型，利用泰勒级数展开的方法，从理论上分析电流密度的谐波模型，得到表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型；根据趋肤效应理论，将射频同轴连接器内导体等效为圆柱模型，得到接触面积随着频率升高而减小的模型，进而得到表面接触面积减小引起的非线性电阻模型；将根据隧道效应理论和趋肤效应理论建立的两个模型相结合，得到表面退化引起的污染膜厚度增加、接触面积减小模型，进而建立退化引起的接触电阻的非线性模型，将接触电阻非线性变化规律带入模型得到低频段的接触电阻的非线性模型；根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型，根据高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，将电阻、电容的非线性模型引入阻抗网络，得到高频下接触阻抗的非线性模型，将高频电接触阻抗网络的非线性变化规律带入模型得到高频电接触阻抗网络的非线性模型。...

【技术特征摘要】
1.一种射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，具体实现步骤如下：第一步，将所选射频同轴连接器进行电镜扫描和能谱检测，探测厚度1微米范围内的材料成分和所占比重，初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强，选取线性度良好的射频同轴连接器执行第二步；第二步，利用微欧微伏表对射频同轴连接器进行接触电阻测量，从1mA的电流档位步进到1A的电流档位，测试电压的变化曲线，得到直流情况下的接触电阻非线性变化曲线图，根据数据拟合的方法得到电压-电流的非线性函数关系，定量分析出射频同轴连接器在直流情况下的接触电阻非线性变化规律；第三步，利用无源互调仪在设定通信频段内，将两输入功率按照设定间隔增长，对射频同轴连接器进行测量，得出不同输入功率对三阶互调产生的影响；维持无源互调仪两输入功率之和相同，改变输入功率之比，得到三阶互调输出功率与输入功率之比的关系；根据不同输入功率对三阶互调产生的影响以及三阶互调输出功率与输入功率之比的关系定量分析得出射频同轴连接器在高频情况下的高频电接触阻抗网络的非线性变化规律；第四步，根据隧道效应理论，建立接触点的隧道电流和接触表面膜层的数学关系模型，利用泰勒级数展开的方法，从理论上分析电流密度的谐波模型，得到表面污染膜厚度引起的射频同轴连接器退化的非线性模型；根据趋肤效应理论，将射频同轴连接器内导体等效为圆柱模型，得到接触面积随着频率升高而减小的模型，进而得到表面接触面积减小引起的非线性电阻模型；将根据隧道效应理论和趋肤效应理论建立的两个模型相结合，得到表面退化引起的污染膜厚度增加、接触面积减小模型，进而建立退化引起的接触电阻的非线性模型，将接触电阻非线性变化规律带入模型得到低频段的接触电阻的非线性模型；根据电接触理论，将接触表面等效为极小的平行板电容器，得到等效电容与接触面积与膜层厚度的非线性模型，根据高频下的接触等效为一个接触电阻和电容并联的阻抗网络模型，因此，将电阻、电容的非线性模型引入阻抗网络，得到高频下接触阻抗的非线性模型，将高频电接触阻抗网络的非线性变化规律带入模型得到高频电接触阻抗网络的非线性模型。2.根据权利要求1所述的射频同轴连接器的非线性效应建模方法，其特征在于，第一步中初步定性判定射频同轴连接器的非线性程度大小，按非线性程度判断出射频同轴连接器为线性度良好或非线性效应较强的具体方法为：分析射频同轴连接器是否含有铁磁性材料成分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓明，金秋延，石国超，姜海玲，纪锐，王紫任，李庆娅，谢刚，高锦春，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13