连接器常规电性能检验技术

连接器常规电性能检验技术连接器常规电性能检验技术 不论是高频电连接器 还是低频电连接器 绝缘电阻 介质耐压 又称抗电强度 和 接触电阻都是保证电连接器能正常可靠地工作的最基本的电气参数 通常在电连接器产品 技术条件的质量一致性检验 A B 组常规交收检验项目中都列有明确的技术指标要求和试验 方法 这三个检验项目也是用户判别电连接器质量和可靠性优劣的重要依据 但根据笔者 多年来从事电连接器检验的实践发现 目前各生产厂之间以及生产厂和使用厂之间 在具 体执行有关技术条件时尚存在许多不一致和差异 往往由于采用的仪器 测试工装 操作 方法 样品处理和环境条件等因素不同 直接影响到检验准确和一致 我们认为 针对目 前这三个常规电性能检验项目和实际操作中存在的问题进行一些专题研讨 对提高电连接 器检验可靠性是十分有益的 另外 随着电子信息技术的迅猛发展 新一代的多功能自动检测仪正在逐步替代原有 的单参数测试仪 这些新型测试仪器的应用必将大大提高电性能的检测速度 效率和准确 可靠性 1 绝缘电阻检验 1 1 作用原理 绝缘电阻是指在连接器的绝缘部分施加电压 从而使绝缘部分的表面或内部产生漏电 流而呈现出的电阻值 即绝缘电阻 M 加在绝缘体上的电压 V 泄漏电流 A 通过绝缘电阻检验 确定连接器的绝缘性能能否符合电路设计的要求 或在经受高温 潮 湿等环境应力时 其绝缘电阻是否符合有关技术条件的规定 绝缘电阻是设计高阻抗电路的限制因素 绝缘电阻低 意味着漏电流大 这将破坏电 路和正常工作 如形成反馈回路 过大的漏电流所产生的热和直流电解 将使绝缘破坏或 使连接器的电性能变劣 1 2 影响因素 主要受绝缘材料 温度 湿度 污损 试验电压及连续施加测试电压的持续时间等因 素影响 1 2 1 绝缘材料 设计电连接器时选用何种绝缘材料非常重要 它往往影响产品的绝缘电阻能否稳定合 格 如某厂原使用酚醛玻纤塑料和增强尼龙等材料制作绝缘体 这些材料内含极性基因 吸湿性大 在常温下绝缘性能可满足产品要求 而在高温潮湿下则绝缘性能不合格 后采 用特种工程塑料 PES 聚苯醚砜 材料 产品经 200 1000h 和 240h 潮湿试验 绝缘 电阻变化较小 仍在 10 sup 5 sup M 以上 无异常变化 1 2 2 温度 高温会破坏绝缘材料 引起绝缘电阻和耐压性能降低 对金属壳体 高温可使接触件 失去弹性 加速氧化和发生镀层变质 如按 GJB598 生产的耐环境快速分离电连接器系列 II 产品 绝缘电阻规定 25 时应不小于 5000M 而 200 时 则降低至不小于 500M 1 2 3 湿度 潮湿环境引起水蒸气在绝缘体表面的吸引和扩散 容易使绝缘电阻降低到 M 级以下 长期处于高温环境下会引起绝缘体物理变形 分解 逸出生成物 产生呼吸效应及电解腐 蚀及裂纹 如按 GJB2281 生产的带状电缆电连接器 标准大气条件下的绝缘电阻值应不小 于 5000M 而经相对湿度 90 95 温度 40 2 96h 湿热试验后的绝缘电阻降 至不小于 1000M 1 2 4 污损 绝缘体内部和表面的洁净度对绝缘电阻影响很大 由于注塑绝缘体用的粉料或胶接上 下绝缘安装板的胶料中混有杂质 或由于多次插拔磨损残留的金属屑及锡焊端接时残留的 焊剂渗入绝缘体表面 都会明显降低绝缘电阻 如某厂生产的圆形电连接器在成品交收试 验时发现有一个产品接触件之间的绝缘电阻很低 仅 20M 不合格 后经解剖分析发现 这是因注塑绝缘体用的粉料中混有杂质而造成的 后只得将该批产品全部报废 1 2 5 试验电压 绝缘电阻检验时施加的试验电压对测试结果有很大关系 因为试验电压升高时 漏电 流的增加不成线性关系 电流增加的速率大于电压增加的速率 故试验电压升高时测得的 绝缘电阻值将会下降 电连接器产品技术条件引用的试验方法中 对试验电压都有明确的 规定 通常规定为 500V 因此不能用一般欧姆表 直流电桥等电阻测量仪器来测量绝缘 电阻 1 2 6 持续时间 读数时间 由于被测电连接器在测量极之间存在着一定的电容 测量初期电源先要对电容充电 因此在测试时往往会出现绝缘电阻测试仪上指示的电阻值有逐渐上升的趋势 这是正常现 象 不少电连接器试验方法中明确规定 读取绝缘电阻测试仪上的读数必须在电压施加 1min 后进行 2 问题研讨 2 1 检验环境温 湿度的影响 电连接器技术条件通常都规定了产品的使用环境温度和湿度 如温度为 55 125 湿度为 40 2 95 3 笔者认为 检验环境条件和使用环境条件是有区别的 技 术条件规定产品可以在上述温湿度使用环境下工作 并不意味着生产厂在上述使用环境条 件下测试绝缘电阻都应满足正常大气压下的考核指标 如有使用温度上限 125 和 40 2 93 3 湿热环境条件下测绝缘电阻 则应按技术条件规定的高温和湿热环境试 验的考核指标进行考核 而不应按正常大气压下的考核指标进行考核 在实际检验时多次发现 同一批产品在北方气候较干燥的条件下 湿度 80 复验 绝缘电阻仅为 100M 200M 属不合格 遇此情况 有时用酒 精清洗烘干后 刚取出检验是合格的 但放置到次日再复测又不合格 为此 建议生产厂 在产品交收试验时 应将绝缘电阻控制在规定值以上一个恰当水平 保持有一定的裕度 不要将在干燥环境下勉强达到规定值的产品判为合格出厂 以免供需双方因检验气候环境 条件不同造成检验结果不一致而引起争议 为明确检验环境温湿度要求 现在有部分试验方法既规定了测试的环境温湿度 相对 较宽的范围 又规定了出现分歧仲裁时的温湿度要求 相对取中限较窄的范围 如 GJB1217 91 电连接器试验方法 规定 试验的标准大气条件 温度 15 35 湿度 20 80 气压 73 103kPa 仲裁试验的标准大气条件 温度 25 1 湿度 50 2 气压 86 106kPa 2 2 检验工装的影响 电连接器技术条件规定 电连接器所有接触件之间和所有接触件与壳体之间的绝缘电 阻都应符合规定值 又规定其施加电压的持续时间要大于 1min 故许多电连接器生产厂 对其所生产的每一型号规格产品都备有相应的 2 3 个不同编排连接方式的检验工装 头孔配座针工装或头针配座孔工装 通过对其接触件点与点之间 排与排之间和所有 接点与壳体之间并联施加试验电压 检验其绝缘电阻是否合格 这种用检验工装并联施加 电压比单个接点间施加电压条件苛刻 故若用检验工装测试发现绝缘电阻不合格时 允许 不用工装直接用表棒在单点间施加电压进行复测 但现有部分生产厂和绝大多数使用单位 都不用检验工装 而是直接采用与绝缘电阻测试仪相连的两根测试表棒 在每个接触件之 间或接触件与壳体之间搭接 检验其绝缘电阻是否合格 这种不同检验工装的方法有以下 缺点 一是随机性很大 极有可能产生漏检 二是每个接点不可能像有检验工装那样 可 以停留 1min 后再读数 故有可能造成误判 检验的可靠性较差 当然 即使使用检验工装 在检验前必须首先保证工装合格 要保证工装洁净和干燥 其本身绝缘电阻必须合格 且留有充分余量 3 介质耐压检验 3 1 作用原理 介质耐压检验又称抗电强度检验 它是在连接器接触件与接触件之间 接触件与壳体 之间 在规定时间内施加规定的电压 以此来确定连接器额定电压下能否安全工作 能否 耐受由于开关浪涌及其它类似现象所导致的过电位的能力 从而评定电连接器绝缘材料或 绝缘间隙是否合格 如果绝缘体内有缺陷 在施加试验电压后 则必然产生击穿放电或损坏 击穿放电表 现为飞弧 表面放电 火花放电 空气放电 或击穿 击穿放电 现象 过大漏电流可 能引起电参数或物理性能的改变 由于过电位 即使是在低于击穿电压时也可能有损于绝 缘或降低其安全系数 所以应当慎重地进行介质耐压检验 在例行试验中 如果需要连续 施加试验电压时 最好在进行随后的试验时降低电位 3 2 影响因素 主要受绝缘材料 洁净度 湿度 大气压力 接触件间距 爬电距离和耐压持续时间 等因素影响 3 2 1 绝缘材料 设计必须选用恰当的工程塑料制作绝缘体 才能满足预定的耐压性能指标要求 如选 用击穿电压为 16kV mm 的 PES 聚苯醚砜 特种工程塑料 能满足 GJB598 耐环境快 速分离圆形电连接器 YB 系列 II 产品标准大气压下耐压为 1500V 的要求 氟塑料 F4 具有比其它材料更高的介质耐压和绝缘电阻 广泛用于制作射频同轴电连接器绝缘体 3 2 2 洁净度 绝缘体内部和表面洁净度对介质耐压影响很大 笔者在某圆形连接器补充筛选时发现 有一产品要求耐压 1500V 实际测试施加电压至 400V 即在两个接触件之间产生击穿现 象 经与生产厂共同进行解剖分析后认为 击穿发生于绝缘体上 下两个绝缘安装板的胶 接界面 是由于胶粘剂中混有杂质所致 3 2 3 湿度 增加湿度会降低介质耐压 如 J36A 矩形电连接器技术条件规定 正常条件下耐压为 1000V 而经 40 2 93 2 48h 湿热试验后耐压降为 500V 3 2 4 低气压 在空气稀薄的高空 绝缘体材料会放出气体污染接触件 并使电晕产生的趋势增加 耐压性能下降 使电路产生短路故障 故高空使用的非密封电连接器都必须降额使用 如 Y27A 圆形电连接器技术条件规定 正常条件下耐压为 1300V 而在 1 33Pa 低气压条件 下耐压降为 200V 3 2 5 接触件间距 连接器的小型化和高密度的发展 具体体现在矩形电连接器和印制电路电连接器上 要求间距能达到 0 635mm 甚至 0 3mm 外形尺寸中最关键的高度尺寸已减小到 1 1 mm 表面贴装技术 SMT 与小型化的发展有着密切的关系 这就要求我们选用耐 压性能更高的绝缘材料 以满足设计尺寸小型化的要求 3 2 6 爬电距离 它是指接触件与接触件之间 或接触件与壳体之间沿绝缘体表面量得的最短距离 爬 电路离短容易引起表面放电 飞弧 故有部分连接器的绝缘安装板表面插针 孔 安装 孔设计成凹凸台阶形状 以增加爬电距离 提高抵抗表面放电的能力 3 2 7 耐压持续时间 一般电连接器技术条件均规定为电压施加到规定值后持续 1min 应无击穿 飞弧 放 电现象 但许多电连接器生产厂在做成品交收试验时 为提高检测速度 往往采用提高试 验电压 20 缩短耐压持续时间为 5s 或 10s 的方法 笔者认为 它们之间不存在某种 函数关系 从交流耐压击穿机理来分析 击穿主要是由泄漏引起的 即泄漏电流大于规定 值就认为击穿 另一种是热击穿 提高试验电压强加泄漏 热击穿与时间长短没有关系 如国军标 GJ1217 91 电连接器试验方法 规定 试验电压加至规定值后应持续 1min 当有规定时 厂内质量一致性试验时的保持时间可降至最少 5s 笔者在实践中发现按此 规定检验合格出厂的产品 用户在进行 100 补充筛选时 仍发现有个别产品因绝缘体内 部存在缺陷而被击穿 造成上述现象的原因很可能是由于耐持续时间缩短为 5s 在极短时 间内对绝缘体电容充电 还不足以使泄漏电流大于规定值而引起击穿 3 3 问题研讨 3 3 1 测量方法的研究 为保证能在接触件之间或接触件与壳体之间施加高电压并保持 1min 和测量绝缘电 阻一样 必须采用相应的测试工装 头孔配座针或头针配座孔 测试工装可以和测量绝 缘电阻的工装通用 对一般接点点距较大的电连接器可采用两步测量法 即第一步将偶数排所有接点并联 将奇数排所有接点并联 然后测量两并联接点组之间的介质耐压 第二步将全部接点并联 的测量并联点与 地 之间的介质耐压 如某矩形电连接器接点按正等边三角形排列 同排点距为 2 8mm 排距为 2 5mm 邻排点距为 2 87mm 虽然两步测量法没有测量最小 点距 2 8mm 而是测量 2 87mm 但由于介质耐压很高 为 1000V 左右 且裕度大 0 07mm 的壁厚所增加的介质耐压微不足道 两步测量法虽经济 但仍存在不可靠因素 它 无法剔除同排接点间因存在内部缺陷而引起的击穿隐患 故对于高密度 超小型电连接器 而言 由于介质耐压规定值小 裕度也小 尽管接点是按正等边三角形排列 但因其接点 间距小 相邻两点之间的绝缘体壁厚很薄 只要存在很微小的气泡 疏松 杂质等缺陷 都将严重影响介质耐压 因此 必须采用三步测量法 即在前述两步测量法基础上再增加 一步 将所有排的奇数点并联 将所有排的偶数点并联 然后测量两并联接点且之间的介 质耐压 对于可靠性要求高 特别是接点间距 1 5mm 接点间绝缘体壁厚 0 4mm 的 电连接器 应采用三步测量法 全部测量出每个接点与其所有相邻接点之间的介质耐压 才能确保安全可靠 3 3 2 漏电流的设定 在使用耐压测试仪进行介质耐压检验时 漏电流的设定很重要 应严格按产品技术条 件所引用的试验方法设定漏电流阈值 如某矩形电连接器技术条件规定耐压试验时漏电流 不应超过 1mA 而笔者在实际仪器操作时将漏电流设定得太低 为 0 5mA 结果造成仪 器报警的 假击穿 现象 由于大的泄漏电流对连接器或同轴接触件的电参数或物理 特性会产生有害的影响 故试验时泄漏电流的最大值应限制在 5mA 以内 通常产品技术规 定耐压试验时的漏电流不应超过 1mA 也有部分连接器技术条件 如 GJB101 86 小圆 菜快速分离耐环境电连接器总规范 规定耐压试验的最大漏电流不应超过 2mA 3 3 3 检验工装的影响 介质耐压检验工装和绝缘电阻检验工装是通用的 以保证在所有接触件之间和接触件 与壳体之间施加规定电压持续 1min 检测有否放电 飞弧和击穿等现象 但目前有相当 多的电连接器生产厂没有采用上述检验工装 而是用连接仪器的两根表棒随机进行点与点 点与壳体间的耐压检验 这种检验方法可靠性较差 极易产生错检 漏检 3 3 4 绝缘电阻检验不能替代介质耐压检验 有些人认为 绝缘电阻足够高的连接器再进行耐压检验是多此一举 而且耐压检验时 电压很高 操作人员也较危险 对被检连接器也没好处 因此 有不少人不太愿意进行耐 压试验 事实上 绝缘电阻检验与耐压检验之间的区别在于 测量绝缘电阻的电压是直流 而耐压检验是用交流电压 另外 测量绝缘电阻用的电源功率大大低于交流耐压检验的电 源功率 因此 绝缘电阻高的连接器 不一定能承受较高的交流电压 目前测量绝缘电阻 用的兆欧表 虽然测量电压很高 有的达几千伏 但输出功率不大 即使测量端短路 也 仅仅是 10mA 左右 不可能因使用兆欧表不当而引起触电死亡事故 而交流耐压检验功率 往往高得多 必须重视人身及设备的安全 连接器绝缘体的内部缺陷 只有在大功率 高 电压情况下才能发现 绝缘和耐压是不能等同的 清洁干燥的绝缘体尽管有高的绝缘电 阻 但能发生不能经受介质耐压检验的故障 反之 一个脏的 损伤的绝缘体其绝缘电阻 虽然低 但在高电压下也可能不会被击穿 4 接触电阻检验 4 1 作用原理 接触电阻检验目的是确定电流流经接触件的接触表面时产生的电阻 大电流通过高阻 触点时 有可能产生过分的能量消耗 并使触点产生危险的过热现象 在很多应用中要求 接触电阻低且稳定 以使触点上的电压降不致影响电路的精度 在实际测量接触电阻时 常使用按开尔文电桥四端法原理设计的接触电阻测试仪 毫 欧计 其专用夹具夹在被测接触件端接部位两端 故实际测量的总接触电阻 R 由以下三 部分组成 可由下式表示 R R sub c sub R sub f sub R sub p sub 式中 R sub c sub 为集中电阻 它是电流通过接触件界面时因导电截面收缩 或 称集中 而显示出来的电阻 R sub f sub 为膜层电阻 它是由接触表面膜层及其他污 染物所构成的电阻 R sub p sub 为导体电阻 它是插配接触件和引出线本身的欧姆电阻 除用毫欧计外 也可用伏 安计法 安培 电位计法测量接触电阻 4 2 影响因素 主要受接触件材料 正压力 表面状态 使用电压和电流等因素影响 4 2 1 接触件材料 对不同材质制作的同规格插配接触件 电连接器技术条件规定了不同的接触电阻考核 指标 如 GJB101 86 小圆形快速分离耐环境电连接器总规范 规定 直径为 1mm 的插 配接触件接触电阻 铜合金 5m 铁合金 15m 4 2 2 正压力 接触件的正压力是指由彼此接触的表面产生的 并垂直于接触表面的力 随着正压力 增加 接触微点数量及面积也逐渐增加 同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形 由于 集中电阻逐渐减小 而使接触电阻降低 接触正压力主要取决于接触件的几何形状和材料 性能 4 2 3 表面状态 接触表面膜层有两类 一是由于尘埃 松香 油污等在接点表面机械附着沉积而形成 的较松散的表膜 这层表膜由于带有微粒物质极易嵌藏在接触表面的微观凹坑处 使接触 面积缩小 接触电阻增大 且极不稳定 二是由物理吸附及化学吸附所形成的污染膜 对 金属表面主要是化学吸附 它是在物理吸附后伴随电子迁移而产生的 故对一些高可靠性 要求的产品 如航天用电连接器 必须要有洁净的装配生产环境条件 完善的清洗工艺及 必要的结构密封措施 使用单位必须要有良好的贮存和使用操作环境条件 4 2 4 使用电压 使用电压达到一定阈值 会使接触件膜层被击穿 而使接触电阻迅速下降 但由于热 效应加速了膜层附近区域的化学反应 对膜层有一定的修复作用 于是阻值呈现非线性 在阈值电压附近 电压降的微小波动可能会引起电流在二十倍或几十倍变化 使接触电阻 发生很大变化 不了解这种非线性关系 就会在测试和使用接触件时产生错误 4 2 5 电流 当电流超过一定值时 接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热 I 2R 作用会使金 属软化或熔化 从而对集中电阻产生影响 导致接触电阻降低 4 3 问题研讨 4 3 1 低电平接触电阻检验 考虑到接触件膜层在高接触压力下会发生机械击穿 或在高电压 大电流下会发生电 击穿 对某些小体积的连接器设计的接触压力相当小 使用场合仅为 mV 或 mA 级 膜层 电阻不易被击穿 可能影响电信号的传输 故国军标 GJB1217 91 电连接器试验方法 中规定了两种试验方法 即低电平接触电阻试验方法和接触电阻试验方法 其中低电平接 触电阻试验的目的是评定接触件在加上不能改变物理的接触表面或不改变可能存在的不导 电氧化薄膜的电压和电流条件下的接触电阻特性 所加开路试验电压不超过 20mV 而试 验电流应限制在 100mA 在这一电平下的性能足以表现在低电平电激励下的接触界面性能 而接触电阻试验的目的是测量通过规定电流的一对插合接触件两端或接触件与测量规之间 的电阻 而此规定电流要比前者大得多 通常规定为 1A 4 3 2 单孔分离力检验 为确保接触件插合接触可靠 保持稳定的正压力是关键 正压力是接触压力的一种直 接指标 明显影响接触电阻 但鉴于接触件插合状态的正压力很难测量 故一般用测量插 合状态的接触件由静止变为运动的单孔分离力来间接测算正压力 通常电连接器技术条件 规定的分离力要求是用实验方法确定的 其理论值可用下式表达 F F sub N sub 式中 F sub N sub 为正压力 为摩擦系数 由于分离力受正压力和摩擦系数两者制约 故决不能认为分离力大 正压力就大 接 触就可靠 现在随着接触件制作精度和表面镀层质量的提高 将分离力控制在一个恰当的 水平上即可保证接触可靠 笔者在实践中发现 单孔分离力过小 在受振动冲击载荷时有 可能造成信号瞬断 用测单孔分离力评定接触可靠性比测接触电阻有效 因为在实际检验 中接触电阻很少出现不合格 单孔分离力偏低超差的插孔 测量接触电阻往往仍合格 4 3 2 接触电阻检验合格不等于接触可靠 在许多实际应用场合 如汽车 摩托车 火车 动力机械 自动化仪器以及航空 航 天 船舶等 连接器往往都在动态振动环境下使用的 实验证明仅仅检验静态接触电阻 并不能保证动态环境下使用接触可靠 接触电阻检验合格的连接器往往是在进行振动 冲 击 离心等模拟环境试验时仍出现瞬间断电现象 故对一些高可靠性要求的连接器 许多 设计人员都提出最好能 100 对其进行动态振动试验来考核接触可靠性 最近 日本耐可 公司推出了一种与导通仪配套使用的小型台式电动振动台 已成功地应用于许多民用线束 的接触可靠性检验 5 电性能检验仪器的应用与发展 电连接器产业在当今电子化 信息化时代是充满生机 市场需求逐年递增的产业 特 别是近年来电连接器线束组件的发展和使用相当广泛 从普及的家用电器到通信设备 计 算机及外部设备 以及飞机 汽车和军用仪器设备等均大量采用线束组件 为检查线束组件有否存在断路 接触不良 短路 绝缘不良 误配线 接线错误 等常见故障 过去往往采用带指示灯的电源与被检线束连成回路观察指示灯明暗 或用万 用表检查回路电阻是趋向 0 还是趋向 以此来判别电路的通断 这种检验方法 很原始 不仅检测速度慢 还容易错检 漏检 它仅能判别电路通断 尚不能评判连接器 与线束的绝缘电阻和介质耐压是否符合产品安全环境参数的要求 故对一些重要用途的电 连接器 一般产品技术条件都规定要采用绝缘电阻测试仪和耐压测试仪对其进行绝缘 耐 压等安全参数检验 但鉴于目前这类仪器的被检信号输入均只有两个接线端子 故如本文 前面所述 为判别所有接触件之间与接触件与壳体之前的绝缘电阻和介质耐压是否合格 每测一个参数就需更换仪器 并更换与被测样品相配的 2 3 个测试工装 检验速度慢 效率低 近年来 国内部分仪器生产厂虽推出了绝缘耐压两用的测试仪 但基本检验操作程序 仍未发生变化 只是先检验介质耐压 后再检验绝缘电阻 在同台仪器上完成而已 最近 日本耐可公司推出了许多专用于检验电连接器和线束电性能的新型仪器 如 EE30 导通仪 NM 10A 瞬断仪和 NM 30X 多功能自动检测仪等 这些新型仪器内部采用自动逻辑切换及 记忆电路 具有以下特点 1 快速 准确 一次插合即可完成导通 绝缘 耐压和瞬断等电性能自动检测 改变了过去采用单参数测试仪 耐压测试仪 绝缘电阻测试仪和接触电阻测试仪等 需多 次插拔变换仪器和需多次变换 2 3 个测试工装的传统操作方法 2 仪器能在测试前自检 判断仪器是否正常 3 能将被检连接器或线束与记忆的内存信息比较 判断是否合格 4 能自动将检验结果打印输出 以便查询记录 5 许多仪器都备有液晶显示屏 备有红 绿指标灯和语音提示 这类仪器非常适用于连接器和线束组件生产厂的在线检测 也很适用于航空 航天等 重要军事用途产品电装工段的在线检测 尽管目前这类仪器价格比较昂贵 仪器检测的技 术参数范围有些尚不能满足要求 但它的出现标志着今后仪器应用发展的动向和潮流 我 们应引进消化吸收和国产化工作 使这类仪器在连接器和线束组件的生产现场和使用现场 获得更为广泛的应用 利用利用 S 参数对参数对 RF 开关模型进行高频验证开关模型进行高频验证 作者 Joseph Creech S 参数简介参数简介 S 散射 参数用于表征使用匹配阻抗的电气网络 这里的散射是 电流或电压在传输线路中断情况下所受影响的方式 利用 S参数 可以将一个器件看作一个具有输入和相应输出的 黑匣子 这样就 可以进行系统建模而不必关心其实际结构的复杂细节 当今集成电路的带宽不断提高 因而必须在宽频率范围内表征其性 能 传统的低频参数 如电阻 电容和增益等 可能与频率有关 因此可能无法全面描述 IC 在目标频率的性能 此外 要在整个频率 范围内表征一个复杂 IC 的每个参数可能是无法实现的 而使用 S 参 数的系统级表征则可以提供更好的数据 可以使用一个简单的 RF 继电器来演示高频模型验证技术 如图 1 所示 可以将 RF 继电器看作一个三端口器件 一个输入端口 一 个输出端口和一个用于开关电路的控制端口 如果器件性能与控制 端无关 一旦设定后 就可以将继电器简化为一个双端口器件 因 此 可以通过观察输入端和输出端的行为来全面表征该器件 图图 1 RF 继电器模型继电器模型 要理解 S 参数的概念 必须知道一些传输线理论 与大家熟悉的直 流理论相似 在高频时 最大传输功率与电源的阻抗和负载的阻抗 有关 来自一个阻抗为 ZS 的电源的电压 电流和功率 沿着一条阻 抗为 Z0 的传输线路 以波的形式行进到阻抗为 ZL 的负载 如果 ZL Z0 则全部功率都会从电源传输到负载 如果 ZL Z0 则某些功 率会从负载反射回电源 不会发生最大功率传输 入射波和反射波 之间的关系通过反射系数 来表示 它是一个复数 包含关于信号 的幅度和相位信息 如果 Z0 和 ZL 完全匹配 则不会发生反射 0 如果 ZL i 开路 或短路 则 1 表示完全不匹配 所有功率都反射回 ZS 大多数 无源系统中 ZL不与 Z0 完全相等 因此 0 1 要使 大于 1 系统必须包含一个增益元件 但 RF 继电器示例将不考虑这一情况 反射系数可以表示为相关阻抗的函数 因此 可以通过下式计算 1 2 假设传输线路为一个双端口网络 如图 2 所示 在这种表示方法中 可以看出 每个行进波都由两部分组成 从双端口器件的输出端流 到负载的总行进波部分 b2 实际上是由双端口器件的输出端反射的 一部分 a2 和透射器件的一部分 a1 组成 反之 从器件输入端流回 电源的总行进波 b1 则是由输入端反射的一部分 a1 和返回器件的一 部分 a2组成 图图 2 S 参数模型参数模型 根据以上的说明 可以利用 S 参数列出用来确定反射波值的公式 反射波和发射波计算公式分别如式 3 和式 4 所示 3 4 如果 ZS Z0 双端口输入的阻抗 则不会发生反射 a1 0 如 果 ZL Z0 双端口输出的阻抗 则不会发生反射 a2 0 因此 我们可以根据匹配条件定义 S 参数 如下所示 5 6 7 8 其中 S11 输入反射系数 S12 反向透射系数 S21 正向透射系数 S22 反向反射系数 通过这些公式可以完整描述任何双端口系统 正向和反向增益分别 用 S21和 S12 来表征 正向和反向反射功率分别用 S11 和 S22来表征 要在实际系统中求解上述参数 ZS Z0 和 ZL必须匹配 对于大多数 系统 这很容易在宽频率范围内实现 设计和测量传输线路阻抗设计和测量传输线路阻抗 为确保双端口系统具有匹配的阻抗 必须测量 ZS Z0 和 ZL 多数 RF 系统工作在 50 环境下 ZS 和 ZL一般受所用矢量网络分析仪 VNA 的类型限制 但可以设计 Z0 使之与 VNA 阻抗匹配 传输线路设计传输线路设计 传输线路的阻抗由线路上的电感和电容的比值设置 图 3 所示为一 个简单的传输线路模型 图图 3 传输线路的集总元件模型传输线路的集总元件模型 利用计算目标频率时的复阻抗的公式 确定获得特定阻抗所需的 L 和 C 的值 调整 L 和 C 的方式取决于传输线路模型的类型 最常 用的模型是微带线和共平面波导 模型 利用物理参数 例如从走线 到地层的距离 走线宽度和 PCB 基板介电常数等 可以平衡电感和 电容 从而提供所需的阻抗 设计传输线路阻抗的最简单方法是使 用阻抗设计程序 此类程序有很多 测量阻抗测量阻抗 设计并生产出传输线路后 必须测量其阻抗 以验证设计和实施无 误 一种测量阻抗的方法是使用 时域反射 TDR 测量可以反映 PCB 走线的信号完整度 TDR 沿着信号线发送一个快速脉冲 并记录反 射情况 然后利用反射信息计算距离信号源特定长度处的路径阻抗 利用阻抗信息可以找到信号路径中的开路或短路 或者分析特定点 的传输线路阻抗 TDR 的工作原理是 对于一个不匹配的系统 在信号路径上的不同 点 反射会与信号源相加或相减 相长 和相消 干涉 如果系统 本 例中为传输线路 匹配 50 则信号路径上不会发生发射 信号保 持不变 然而 如果信号遇到开路 反射将与信号相加 使之加倍 如果信号遇到短路 反射将通过相减与之抵消 如果信号遇到一个端接电阻 其值稍高于正确的匹配阻抗 则在 TDR 响应中会看到一个凸起 若端接电阻值稍低于匹配阻抗 则在 TDR 响应中会出现一个凹陷 对于容性或感性端接 将看到相似的 响应 因为电容在高频时短路 电感在高频时开路 在所有影响 TDR 响应精度的因素中 最重要的一个是沿信号路径发 送的 TDR 脉冲的上升时间 脉冲的上升时间越快 则 TDR 可以分 辨的特征越小 根据 TDR 设备设定的上升时间 系统可以检测的两个不连续点之间 的最短空间距离为 9 其中 lmin 从信号源到不连续点的最短空间距离 c0 光在真空中的传播速度 trise 系统的上升时间 eff 波在其中行进的介质的有效介电常数 若是检测相对较长的传输线路 20 ps 到 30 ps 的上升时间即足够 但若要检测集成电路器件的阻抗 则需要比这快得多的上升时间 记录 TDR 阻抗测量结果有助于解决传输线路设计的各种问题 如错 误的阻抗 连接器结点引起的不连续以及焊接相关问题等 精确记录精确记录 S 参数参数 一旦完成 PCB 和系统的设计与制造 就必须在设定的功率和一系列 频率下利用 VNA 记录下 S 参数 VNA 应经过校准 确保记录的精 确性 校准技术的选择取决于多种因素 如目标频率范围和待测器 件 DUT 所需的 参考平面等 校准技术校准技术 图 4 显示了双端口系统的完整 12 项误差模型及其系统性影响和误差 源 测量频率范围会影响校准选择 频率越高 则校准误差越大 随着更多误差项变得显著 必须更换校准技术以适应高频影响 图图 4 完整的双端口完整的双端口 12 项误差模型项误差模型 一种广为采用的 VNA 校准技术是 SOLT 短路 开路 负载 透射 校准 也称为 TOSM 透射 开路 短路 匹配 校准 它很容易 实现 只需要一组已知的标准元件 并在正向和反向两种条件下进 行测量 标准元件可以随同 VNA 一起购买 或者从其他制造商购 买 对标准元件进行测量后 就可以确定实测响应与已知响应的差 异 从而计算系统性误差 SOLT 校准将 VNA 测量的参考平面定位于校准期间所用同轴电缆的 端部 SOLT 校准的缺点是 参考平面之间的任何互连 包括 SMA 连接器和 PCB 走线等 都会影响测量 随着测量频率提高 这些会 变成更大的误差源 SOLT 校准只能消除图 4 中显示的 6 个误差项 但它能为低频测量提供精确的结果 并具有容易实施的优点 另一种有用的 VNA 校准技术是 TRL 透射 反射 线路 校准 该技术仅基于短传输线路的特征阻抗 利用两条传输线路彼此相差 较短长度的两组双端口测量结果及两组反射测量结果 就可以确定 完整的 12 项误差模型 可以在 DUT 的 PCB 上设计 TRL 校准套件 以便利用该校准技术消除传输线路设计和互连引起的误差 并将测 量的参考平面从同轴电缆移动到 DUT 引脚 以上两种校准技术各有长处 但 TRL 可以消除更多误差源 因而能 够为高频测量提供更高的精度 然而 TRL 需要精确的传输线路设 计和目标频率下的精确 TRL 标准元件 因此更难以实施 SOLT 的 实施则相对简单 因为大多数 VNA 都带有可以在宽频率范围内使 用的 SOLT 标准套件 PCB 设计和实现设计和实现 为了正确校准 VNA 适当的 PCB 设计至关重要 TRL 等技术可以 补偿 PCB 设计的误差 但无法完全消除误差 例如 设计采用 TRL 校准的 PCB 时 S21 如 RF 继电器的插入损耗等 的值必须很低 为了精确测量 S 参数 需要考虑透射标准的回损 S11 S225 的阻抗匹 配精度 甚至达到这一精度也是勉为其难 这种回损会导致 VNA 指示的插入损耗大于实际存在的插入损耗 因为 VNA 认为 它向 DUT 发送了比实际发送量更大的功率 回损是指阻抗不匹配导致 反射回信号源的输入功率 无论 PCB 走线的设计多么好 总是存在 一定程度的不匹配 大多数 PCB 制造商只能保证 随着要求的插入损耗水平的降低 将有必要减少透射标准贡献给校 准的回损量 而测量频率越高 就越难以做到这一点 要减少 TRL 设计的校准标准的回损 有几点需要特别注意 首先 传输线路设计非常重要 需要与 PCB 制造商密切协调 确保使用正 确的设计 材料和工艺来实现所需的阻抗与频率曲线 连接器件的 选择至关重要 必须能够在相关范围内满意地工作 选定连接器件 后 还有必要确保连接器与 PCB 之间的结点设计良好 如若不然 它可能会破坏同轴电缆与 PCB 传输线路之间所需的 50 阻抗 导 致系统回损增大 许多连接器制造商都会提供高频连接器的正确布 局布线图纸 以及预设计的传输线路设计和 PCB 堆叠 找到一家能 按此设计生产的 PCB 制造商可以大大简化 PCB 设计工作 其次需要考虑 PCB 的装配连接器与 PCB 传输线路之间的结点至关 重要 因此连接器的焊接会对过渡产生重大影响 连接不良或未对 齐的连接器会破坏电感和电容之间的微妙平衡 从而影响结点的阻 抗 图 5 是一个焊接不良的连接器结点示例 图图 5 连接不良的连接不良的 SMA 如果设计程序没有考虑阻焊膜涂层的介电常数 则它也可能会对传 输线路的阻抗产生不利影响 在低频 PCB 中 这不是一个大问题 但随着频率提高 阻焊膜可能会带来麻烦 为了确保透射走线的回损是可接受的 有必要利用 VNA 测量回损 因为系统的参考平面是从连接器到连接器 所以 SOLT 校准应当足 以测量透射走线 一旦确定透射走