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高频电接触失效机理及可靠性研究

李庆娅  
【摘要】:连接器是通信系统中起连接作用的基础元器件,它被广泛应用于航空航天、新能源汽车、通信与数据传输、医疗等各个领域,同时,随着5G和6G通信技术的发展以及频率和信息传输速率的提高,使得连接器在性能方面的需求与日俱增。连接器经常暴露于外部自然环境或工作于复杂严苛的环境中,则会不可避免地受到这些环境因素的影响,导致性能发生恶化,降低连接器的可靠性,进而造成系统性能恶化。因此,对连接器的环境适应性及可靠性提出了新的要求和挑战。本文对高频电接触失效机理及可靠性进行研究,从理论建模、模拟仿真、实验测试相结合的方法开展了电接触失效对时频域特征变化的影响、电接触失效对调制信号传输的影响、电接触失效引起的电磁辐射特性、以及环境应力作用下的可靠性预计这四个内容的研究,全方位多层次地探索了电接触失效引起的一系列可靠性问题。该研究成果为连接器结构的优化设计及不同场合下型号的选取提供了一定的参考,且可适用于存在有电接触环节的其它器件的理论研究中,因此具有重要的理论与实际应用价值。本文主要研究工作及创新内容如下:1.从微观失效物理及等效电路模型的角度出发,建立了电接触失效特征与宏观时域和频域参数的关系模型,研究了电接触表面性能退化对射频信号传输的影响。依据实际故障连接器的结构、尺寸、材料等特性,建立存在故障连接器接触表面的等效电路模型。针对不同退化环境设计加速试验方案并进行试验,获得不同退化等级的连接器样品,分析不同退化程度的连接器接触表面微观形貌特征,探索等效电路模型中各参数的产生机理。根据连接器在时域中测试的反射电压、时域阻抗,以及在频域中的传输阻抗和散射参数,结合电路仿真,研究等效电路模型中各参数随连接器接触表面退化的变化规律和范围,分析不同退化程度的连接器对时频域参数的影响。2.从信号传输的角度揭示了电接触失效对模拟和数字调制信号的影响机理。基于电接触失效机理及传输线理论,建立失效接触表面及故障连接器的等效模型,采用理论建模及电路仿真模拟相结合的方法探索连接器退化对模拟调制信号AM、FM在时域波形、相位以及数字调制信号QPSK、π/4-DQPSK在星座图、误码率、误差矢量幅度方面的影响。设计并实施加速实验,获得不同等级的故障连接器样本,采用由信号源和示波器搭建的实验平台进行测试,实验和仿真结果的对比发现其一致性较好,进而从理论及实验测试的角度深层次地剖析接触退化对信号传输的影响机理并得到其影响规律。3.从电磁场的角度研究了接触失效产生的电磁泄漏信号,建立了互联装置中电接触的退化特征与电磁辐射特性的关系模型。针对搭建的互联装置,建立等效模型,分析接触失效对高频参数的影响。同时将连接器的内导体建模为泄漏源,依据连接器的实际物理尺寸及张量计算法推导得到泄漏源在时域中产生的辐射电磁场,并结合近场探头的传递函数获得电磁泄漏信号的解析表达式,从理论计算及实验测试的角度阐述了接触不良产生的电磁泄漏机理。采用近场探头测试由于接触不良产生的泄漏信号,并与理论计算结果进行对比,据此证明理论建模及实验测试方法均可较好阐释电接触失效引起的电磁辐射机理。4.基于电接触的失效机理,提出了一种适合于评估电连接器可靠性的性能预测方法,分别选取接触电阻和高频散射参数这两个性能退化量来评估连接器的可靠性。对于寿命预测,首次考虑温度和颗粒物浓度应力的作用,进行可靠性建模,采用均匀设计方法确定加速试验方案并实施试验,测量接触电阻值并以此数据来估计可靠性方程中的未知参数,得到电连接器在温度和颗粒物浓度综合应力下的寿命模型,据此预测其可靠寿命。对于高频性能预测,基于轻微和严重两种退化等级的高频散射参数,选取训练和测试数据,采用BP和Elman神经网络预测连接器不同退化等级下的高频参数,并选择MSE评判预测精度,比较两种神经网络预测的准确性。


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