中心議題：
- 開槽插孔接觸件設(shè)計(jì)
- 插孔接觸件開槽設(shè)計(jì)
- 插孔接觸件的制造
本文主要對(duì)射頻同軸連接器用開槽插孔接觸件的結(jié)構(gòu)形式、常見的失效模式進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述；按懸臂梁對(duì)“指狀”接觸片進(jìn)行建模分析，簡(jiǎn)單介紹了其強(qiáng)度設(shè)計(jì)步驟、開槽形式、簡(jiǎn)易收口方法所產(chǎn)生的缺陷以及應(yīng)采用的合理的收口方法；介紹了開槽及收口等制造工藝環(huán)節(jié)中應(yīng)注意的問題和方法。
在射頻同軸連接器中，插孔接觸件的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但在某些方面的要求是基本相同的，如：插入力和拔出力、接觸電阻以及機(jī)械壽命符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定等。使用最多的還是開槽插孔接觸件。產(chǎn)品系列、規(guī)格、使用條件不同，開槽插孔接觸件的結(jié)構(gòu)、規(guī)格(內(nèi)、外徑)、開槽數(shù)量、開槽寬度、開槽長(zhǎng)度也不同。在結(jié)構(gòu)上，開槽插孔接觸件有直通形式(圖1a)、錐形補(bǔ)償形式(圖1b)和“刷型”形式(圖1c)等;在規(guī)格上，不同系列的射頻同軸連接器，其插孔接觸件規(guī)格基本不同；在開槽數(shù)量上，有2槽、4槽、6槽、8槽，還有3槽及其它開槽數(shù)。部分50Ω軍用射頻同軸連接器的開槽插孔接觸件的情況見表1。
射頻同軸連接器的品種很多，出現(xiàn)失效的狀況也千差萬別，但從可靠性的角度來看，很多失效的機(jī)理和模式是相同的。航天203所的吳秉鈞老師進(jìn)行了總結(jié)、歸納為：連接失效；反射失效；電接觸失效；污染失效。而在射頻同軸連接器的電接觸失效中，開槽插孔接觸件起著至關(guān)重要的作用，尤其是在微小型射頻同軸連接器中，射頻同軸連接器的電接觸失效大多數(shù)是由開槽插孔接觸件結(jié)構(gòu)、材料、工藝方法等不當(dāng)或不過關(guān)而損壞引起的。開槽插孔接觸件引起的產(chǎn)品失效及分析見表2。
在射頻同軸連接器中，尤其是小型、微小型高性能微波連接器中，開槽插孔接觸件的地位舉足輕重，一方面，插孔接觸件的結(jié)構(gòu)、外徑尺寸與外接觸件、絕緣介質(zhì)一起，決定著射頻同軸連接器的工作頻率范圍、阻抗、反射等主要電氣性能指標(biāo)；另一方面，插孔接觸件的結(jié)構(gòu)、開槽數(shù)量、開槽長(zhǎng)度，又決定著插入力和拔出力、接觸電阻、機(jī)械壽命等性能。
開槽插孔接觸件設(shè)計(jì)
渴望與實(shí)際
在確定插孔接觸件時(shí)，渴望實(shí)現(xiàn)的最理想狀態(tài)(見圖2)為：在與插針插合時(shí)，插拔平滑，對(duì)插針、插孔(鍍層)損傷最?。慌c插針插合后，插針臺(tái)階面與插孔端面緊密接觸、連續(xù)；插合后，插孔外徑與插針柄部直徑相同，阻抗連續(xù)、恒定。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)、制造中，理想狀態(tài)是很難或根本不可能實(shí)現(xiàn)的，例如，由于難免存在尺寸公差，插針臺(tái)階面與插孔端面緊密接觸就很難實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免插合時(shí)損壞開槽插孔接觸件，往往故意留出間隙；同樣由于尺寸公差的原因，插合后很難保證插孔外徑與插針柄部直徑相同，往往存在一定的錐度，見圖3。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，尺寸公差范圍、錐度效應(yīng)和開槽的影響等都是要考慮的因素。
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開槽插孔接觸件設(shè)計(jì)原理--接觸片受力及變形分析
插孔接觸件開槽后，其“指狀”接觸片的受力和變形情況可按懸臂梁進(jìn)行建模分析。下面就以開2槽的TNC插孔接觸件為例進(jìn)行分析。
截面形狀及幾何特性
插孔接觸件開槽后，要進(jìn)行收口處理，與插針插合后，其“指狀”接觸片發(fā)生彈性變形，變形量為(見圖4中的右半部分，虛線所示為未插合時(shí)的插孔的輪廓線)，這樣才能在接觸部位產(chǎn)生正壓力、形成可靠接觸。
截面形狀，如圖4中的左半部分所示，該截面的幾何特性為：
h—從中性層到x軸的距離，單位為mm，可由公式(1)計(jì)算得到。
J —慣性矩，單位為mm4，可按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。
Z—截面模量，單位為mm3，可按公式(3)進(jìn)行計(jì)算。
建模分析
根據(jù)插孔接觸件的結(jié)構(gòu)及插合時(shí)的接觸部位的不同，建立以下三種模型。模型1，一端固定，均布載荷(圖5)。模型2，一端固定，另一端加載(圖6)。模型 3，一端固定，中間加載(圖7)。這三種模型的最大受力及變形情況如表3所示。
模型2與模型3相比，變形段的長(zhǎng)度較大(L>L-a)。這樣，在端部位移相同的情況下，施力點(diǎn)的轉(zhuǎn)角較小，且變形更均勻，有利于提高梁的強(qiáng)度。因此，在射頻同軸連接器的實(shí)際應(yīng)用中[直通形式(圖1a)或“刷型”形式(圖1c)中的口部接觸的情況]，通常采用該種模型進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。
開槽插孔接觸件的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)插孔接觸件時(shí)，為了保證可靠性，重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。
(1)確保指狀接觸部分的強(qiáng)度足夠，即增大模型中梁的E和Z。可以通過選用性能優(yōu)良的材料、增大指狀接觸部分的厚度和減小開槽寬度等來實(shí)現(xiàn)。例如，最典型的標(biāo)準(zhǔn)SMA射頻同軸連接器，其開槽插孔接觸件的指狀接觸部分很薄(受結(jié)構(gòu)尺寸所限)，強(qiáng)度較差，往往是失效的主要模式。(2)注意設(shè)計(jì)和控制開槽的長(zhǎng)度和數(shù)量。開槽的長(zhǎng)度直接決定著模型中梁的長(zhǎng)度;開槽的數(shù)量直接決定著梁的數(shù)量和梁的尺寸。
(3)設(shè)計(jì)插孔接觸件必須滿足射頻同軸連接器的電氣性能要求。
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插孔接觸件“指狀”接觸部分強(qiáng)度設(shè)計(jì)步驟
在設(shè)計(jì)插孔接觸件時(shí)，可以按以下步驟進(jìn)行：
(1)根據(jù)要達(dá)到的插入和拔出力(F )要求，依據(jù)公式(4)確定在插孔的每個(gè)“指狀”接觸片的端部應(yīng)產(chǎn)生的正壓力(W )。
其中：F—要達(dá)到的插入和拔出力;
n —“指狀”接觸片數(shù)量;
μ—插孔與插針之間的摩擦系數(shù);
W—“指狀”接觸片的端部應(yīng)產(chǎn)生的正壓力。
(2)確定每個(gè)“指狀”接觸片的端部應(yīng)產(chǎn)生的正壓力(W )后，選擇材料(同時(shí)還要考慮材料的傳導(dǎo)性、工藝性等因素)，根據(jù)選用材料的許用應(yīng)力σb ，確定每個(gè)“指狀”接觸片所能達(dá)到的最大正應(yīng)力σmax，在確定最大正應(yīng)力σmax時(shí)，應(yīng)考慮安全系數(shù)，一般取2～3.5，即：σb =(2～3.5)σmax 。
(3)確定最大正應(yīng)力σmax后，根據(jù)公式(5)，確定出單個(gè)“指狀”接觸片的截面模量Z 和開槽長(zhǎng)度。
(4)根據(jù)公式(3)，結(jié)合公式(1)、(2)計(jì)算出插孔接觸件的內(nèi)徑、外徑(應(yīng)根據(jù)射頻同軸連接器的阻抗和使用頻率要求先確定外徑，然后再確定內(nèi)徑)。在設(shè)計(jì)時(shí)，由于一般開槽較窄，而且在第二步中考慮了安全系數(shù)，所以槽寬引起的作用計(jì)算時(shí)可忽略。
(5)用計(jì)算得到的插孔接觸件的內(nèi)徑、外徑尺寸，驗(yàn)算能否實(shí)現(xiàn)射頻同軸連接器的電氣性能(阻抗是否為50Ω、上限截止頻率是否達(dá)到要求等)，如果不能實(shí)現(xiàn)，則應(yīng)從第二步開始重新選擇材料或在第三步中重新確定接觸片的截面模量Z 和開槽長(zhǎng)度，或者同時(shí)改變。
插孔接觸件開槽設(shè)計(jì)
“指狀”接觸片斷裂是開槽插孔接觸件最常見的失效形式，因此如何設(shè)計(jì)槽的結(jié)構(gòu)、提高其疲勞強(qiáng)度是設(shè)計(jì)開槽結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。對(duì)于大多數(shù)射頻連接器生產(chǎn)廠家來說，通常將槽設(shè)計(jì)成平底式，如圖9中的(a)所示，這種結(jié)構(gòu)容易加工。一些人會(huì)認(rèn)為該結(jié)構(gòu)容易在槽底存在應(yīng)力集中點(diǎn)，容易斷裂，而采用(b)或(c)所示的圓弧底形式的結(jié)構(gòu)。從機(jī)械方面分析，(b)或(c)所示結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是優(yōu)于(a)，但從工藝實(shí)現(xiàn)方面來看，(b)或 (c)對(duì)刀具、工藝方法的要求更高，尤其是超小型射頻同軸連接器的插孔接觸件。
另外，對(duì)于50Ω的空氣介質(zhì)同軸傳輸線，插孔接觸件上開槽會(huì)對(duì)射頻同軸連接器的阻抗、電壓駐波比產(chǎn)生影響，所引起的特性阻抗偏差、電壓駐波比可分別由公式(6)、(7)計(jì)算得到。
其中，△Z—特性阻抗變化的百分?jǐn)?shù);
N—開槽數(shù)目;
w—插孔接觸件上的槽寬，mm;
d—插孔接觸件的外徑，mm。
其中，S —電壓駐波比;
f —頻率，GHz;
g —間隙寬度，mm;
dg —間隙區(qū)域內(nèi)導(dǎo)體的直徑，mm;
d —內(nèi)導(dǎo)體的直徑，mm;
N —開槽數(shù)量;
w —槽寬，mm。
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由公式(6)和(7)可見，開槽數(shù)量越多、槽寬越大，對(duì)射頻同軸連接器的阻抗、電壓駐波比的影響越大，因此在確定開槽數(shù)量和寬度時(shí)，還要充分考慮這些影響，使其在規(guī)定的范圍內(nèi)。
插孔接觸件的制造
開槽插孔接觸件通常選用彈性及強(qiáng)度較好的錫磷青銅或鈹青銅合金線材或棒材制造。選用錫磷青銅合金時(shí)，工序包括：加工外圓和內(nèi)孔、開槽、收口、預(yù)插、進(jìn)行低溫(175℃～185℃)穩(wěn)定處理、電鍍等;選用鈹青銅合金時(shí)，插孔收口后要進(jìn)行強(qiáng)化熱處理(HV320～HV360)，才能充分發(fā)揮鈹青銅材料的高彈性性能。
開槽
從電氣性能來說，開槽寬度越小越有利于實(shí)現(xiàn)高的電氣性能。但槽寬越小，加工難度越大，且開槽后的后處理(如去除毛刺)難度也越大，尤其是超小型連接器的插孔接觸件。處理不好，往往是射頻同軸連接器失效的原因之一。通常的方法是采用鋸片刀開槽，隨著刀具技術(shù)和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，開槽寬度逐漸減小到0.15mm、0.10mm，甚至更窄。在開槽過程中，應(yīng)注意的問題是保證開槽的對(duì)稱度、直線度，以及毛刺的控制和去除，否則會(huì)嚴(yán)重降低“指狀”接觸片的強(qiáng)度，降低射頻同軸連接器的使用壽命。
由于插孔接觸件通常用鈹銅合金制造，在加工中容易產(chǎn)生毛刺，且難以去除，所以一些廠家采用電加工的方法進(jìn)行加工。由于電加工對(duì)加工部位產(chǎn)生電化腐蝕，且內(nèi)孔中殘留的腐蝕物、冷卻液等雜質(zhì)不容易清除，往往會(huì)對(duì)后續(xù)的熱處理、電鍍(鍍不上或附著力小易脫落)等產(chǎn)生不利影響。
收口
對(duì)于開槽插孔接觸件，要采用機(jī)械方法將其“指狀”接觸片均勻地向中心收口，才能與插合的插針接觸件之間產(chǎn)生符合規(guī)定的分離力(接觸壓力)。精密收口是產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素，直接決定其接觸性能和可靠性。2槽插孔接觸件收口前、收口后、插合狀態(tài)如圖10所示。最佳的收口應(yīng)是準(zhǔn)確控制、形成橢圓形閉合，使插針、插孔接觸表面平滑。插針必須在插入力較小的情況下插入，從而得到較好的電氣性能和可靠性。
正確收口
為了消除簡(jiǎn)易收口方法引起的缺陷和隱患，應(yīng)采用合理的收口裝置和方法，使接觸片的受力及變形均勻，如圖11所示。建議根據(jù)應(yīng)達(dá)到的收口后的直徑，考慮彈性回彈等因素，設(shè)計(jì)制造圓錐形收口裝置(見圖12)或在機(jī)床上旋轉(zhuǎn)收口(見圖13)。
在圖12中，圓錐形收口裝置的錐孔尺寸控制和插孔接觸件的進(jìn)入長(zhǎng)度控制(針對(duì)不同類型的產(chǎn)品可通過多次試驗(yàn)積累得到)是非常重要的，直接決定著接觸件的收口尺寸。當(dāng)然圓錐形收口裝置錐孔的表面應(yīng)足夠光滑，以免收口時(shí)損傷接觸件表面。
在圖13中，插孔接觸件的旋轉(zhuǎn)速度、工具的軸向運(yùn)動(dòng)速度及徑向進(jìn)給速度、滾輪的質(zhì)量是決定收口效果的主要因素。
結(jié)語
在射頻同軸連接器中，插孔接觸件是非常關(guān)鍵的構(gòu)件之一，直接決定著射頻同軸連接器的機(jī)械性能、電氣性能和可靠性。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其強(qiáng)度及結(jié)構(gòu);在制造過程中，尤其是在開槽、收口等關(guān)鍵過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制插孔接觸件的加工和處理質(zhì)量，以及精度。只有注意了這些因素，插孔接觸件，乃至整個(gè)射頻同軸連接器的固有可靠性才能得到保證和提高。
