孫百生 章繼高
摘 要 基于現(xiàn)場(chǎng)搜集的連接器，分析了可能導(dǎo)致電接觸不良的因素，并且根據(jù)電接觸理論結(jié)合高頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)建立了通信系統(tǒng)中電觸點(diǎn)的物理模型.最后以光通信系統(tǒng)中數(shù)字配線架（DDF）上的同軸連接器為例，探討了電觸點(diǎn)故障導(dǎo)致誤碼率增高的可能性.
關(guān)鍵詞 同軸連接器；電接觸；誤碼率；接觸阻抗
分類號(hào) TM50
Effects of the Electric Contact Failure of DDF in Optical
Communication System
Sun Baisheng Zhang Jigao
(Department of Mechanical and Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876)
Abstract Based on the contact theory and the analysis of the failed connectors collected on spots, The factors which can result in contacts failure and proposes a new physical model of contacts in high frequency is discussed. The theoretical studies of the relationship between the contact failure of DDF and the error codes in optical communication systems are given.
Key words coaxial connectors; contact failure; error code rate; contact impedance
近30年來我國(guó)的信息科學(xué)飛速發(fā)展，光通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)的發(fā)展更是迅猛.但有些數(shù)字通信網(wǎng)工作一段時(shí)間后誤碼率增高.研究發(fā)現(xiàn)，引起誤碼率增高的重要原因之一是系統(tǒng)中DDF上的連接器電接觸不良.這種不良引起誤碼率高的特點(diǎn)是不穩(wěn)定、時(shí)好時(shí)壞、再現(xiàn)性差.影響電接觸性能的因素很多［1］.如觸點(diǎn)材料、接觸壓力、接觸表面粗糙度、鍍層質(zhì)量、磨損及環(huán)境條件（腐蝕氣體、灰塵、溫度和濕度）等.但哪些因素怎樣導(dǎo)致DDF上連接器電接觸不良，電觸點(diǎn)不良怎樣影響信號(hào)傳輸而導(dǎo)致誤碼率增高，這些都是我國(guó)特有（環(huán)境等）條件下產(chǎn)生的新問題.本文指出了一些可能導(dǎo)致DDF接觸不良的因素，根據(jù)經(jīng)典電接觸理論，結(jié)合高頻（高速率）信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)建立了適用于通信系統(tǒng)中的電觸點(diǎn)的新物理模型，并初步探討了電觸點(diǎn)故障導(dǎo)致誤碼率增高的可能性.
1 環(huán)境等因素對(duì)電接觸的影響
研究表明，對(duì)DDF電接觸可靠性影響較大的因素是環(huán)境與連接器本身的質(zhì)量（加工精度、接觸表面鍍層及裝配質(zhì)量）、微動(dòng)和插拔磨損等.圖1和圖2為從某通信站現(xiàn)場(chǎng)收集的失效連接器插針和插孔接觸表面的掃描電子顯微鏡圖像.從圖中可看到在接觸表面有大量腐蝕物.
用X射線能譜儀分析腐蝕物成份，結(jié)果如表1和表2所示.從表中可看到在鍍金表面有銅、鎳、 硫和氯等元素，表明腐蝕物可能是鎳和銅的硫化物、硫酸物、氯化物和氧化物（因氧的原子序數(shù)小于11，故表上沒有）.這表明盡管接觸表面鍍有金層，因鍍金質(zhì)量不好［2］或因磨損使基底材料（插針為黃銅，插孔為錫磷青銅）受到腐蝕.生成物覆蓋到接觸表面影響接觸性能.同時(shí)從表2中還發(fā)現(xiàn)有典型的塵土成份如鈣、鉀等.通過長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)及對(duì)失效樣品的分析研究表明，腐蝕和塵土等可能是引起DDF電接觸不良的重要原因.
2 電觸點(diǎn)等效電路
根據(jù)經(jīng)典電接觸理論，由于微觀接觸表面凸凹不平等因素，任一接觸點(diǎn)的兩個(gè)接觸對(duì)間都有一接觸電阻存在［3］.經(jīng)典電接觸理論是在直流下建立這一結(jié)論的.而迄今為止，直流接觸電阻的大小一直是衡量或判斷電接觸點(diǎn)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，也是分析電接觸點(diǎn)影響的唯一模型.但在通信系統(tǒng)中用直流接觸電阻作為分析電接觸點(diǎn)影響的模型是不合適的.因在高頻或高速率數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，使得接觸對(duì)間的有效導(dǎo)電面積減小，從而使接觸電阻進(jìn)一步提高，即在通信系統(tǒng)中應(yīng)用交流接觸電阻而不是直流接觸電阻.尤其是由于接觸對(duì)的表觀（名義）接觸面中非導(dǎo)電面積要比導(dǎo)電面積大得多，加之兩接觸對(duì)間的平均距離非常小，因此在高頻或高速率數(shù)字電路中，其寄生電容效應(yīng)不能忽略（對(duì)于類似于在DDF上使用的同軸連接器有較大表觀接觸面的電接觸對(duì)更是如此）.如絕緣膜層或灰塵顆粒將接觸對(duì)完全隔離開，則觸點(diǎn)的兩個(gè)接觸對(duì)就構(gòu)成了真正的電容器.換言之，任一接觸點(diǎn)的兩個(gè)接觸對(duì)間在高頻時(shí)，都應(yīng)考慮有一寄生接觸電容.當(dāng)然，電流的收縮效應(yīng)也將導(dǎo)致電感的變化.但可以證明電感的變化非常小，一般可以忽略不計(jì)［3］.
綜合上述分析，在衡量或判斷通信系統(tǒng)中的電接觸點(diǎn)優(yōu)劣，或分析電接觸點(diǎn)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，應(yīng)將電接觸點(diǎn)等效成一接觸（交流）電阻與一接觸電容相并聯(lián)的電路，即將電接觸點(diǎn)等效成一接觸阻抗.
為驗(yàn)證這一結(jié)論，針對(duì)同軸連接器作了下述實(shí)驗(yàn).兩段0.5m長(zhǎng)的同軸電纜(特性阻抗為75Ω)用同軸連接器將其連接起來，一端接75 Ω電阻(模擬實(shí)際工作負(fù)載)，分別在同軸連接器接觸表面無腐蝕和有腐蝕物(模擬環(huán)境影響)條件下，在另一端測(cè)試線路阻抗。
可以看出，在腐蝕前后線路阻抗變化很大.由于其它條件都沒變，所以腐蝕前后線路阻抗的差值實(shí)際上就是接觸表面腐蝕物導(dǎo)致的同軸連接器接觸阻抗的增加.從圖3中可看出，接觸阻抗隨頻率增加而略有降低，表明其呈容性.從圖4中可看出，接觸阻抗的大小與接觸位置有關(guān).進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，接觸表面腐蝕物導(dǎo)致的同軸連接器接觸阻抗的大小還與腐蝕物的厚度、均勻性、機(jī)械電氣特性及接觸壓力等因素密切相關(guān).定量的分析正在進(jìn)行中.但通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以說明在通信系統(tǒng)中分析電接觸對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，將觸點(diǎn)等效成一接觸阻抗要比僅僅等效成一接觸電阻更趨合理.
3 DDF與同軸連接器等效電路
為使得維護(hù)管理工作(測(cè)試、調(diào)度等)方便，數(shù)字通信系統(tǒng)中，PCM終端機(jī)，數(shù)字復(fù)用設(shè)備， 在電路連接時(shí)均經(jīng)過DDF［4］.如果考慮到一個(gè)連接頭內(nèi)外各有兩對(duì)接點(diǎn)；連接器內(nèi)外導(dǎo)線間存在有分布電容C和電導(dǎo)G；則一個(gè)連接頭的等效電路如圖5所示.其中，Cji為第i個(gè)接觸對(duì)分布電容; Rji為第i個(gè)接觸對(duì)接觸電阻與導(dǎo)線分布體電阻之和(i=1,2,3,4)；L為分布電感；G和C分別為內(nèi)外導(dǎo)線之間的分布漏電導(dǎo)和分布電容.DDF架上連接兩個(gè)設(shè)備的連接器一般為4個(gè)連接頭，其影響可用4個(gè)上述四端網(wǎng)絡(luò)相串聯(lián)來等效進(jìn)行分析.復(fù)用設(shè)備由電纜與連接器DDF連接構(gòu)成的信道.
4 電觸點(diǎn)故障（阻抗）對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠绊?BR> 由于傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)速率PDH系統(tǒng)至少為2 Mbit/s,高時(shí)可達(dá)140 Mbit/s或更高（SDH系統(tǒng)）,而設(shè)備與DDF間一般在幾米、幾十米甚至有時(shí)高達(dá)幾百米，電纜長(zhǎng)度已與所傳信號(hào)基頻波長(zhǎng)相近，因此分析信號(hào)在設(shè)備經(jīng)過DDF到設(shè)備間的傳輸時(shí)應(yīng)將傳輸電纜看作傳輸線.而DDF上的同軸連接器一般僅長(zhǎng)幾十毫米，因此其等效電路可作為集總參數(shù)看待.為使問題簡(jiǎn)便又不失一般性， 先假定僅有一個(gè)接觸頭不良；參考圖6，為使問題簡(jiǎn)單突出連接器的影響，假定左右兩邊的電纜都是均勻傳輸線長(zhǎng)度都為l，下面分析信號(hào)E經(jīng)過電纜和連接器傳輸后受到的影響.設(shè)電纜1和電纜2上的電壓、電流分別為v1=v1(x,t)、i1=i1(x,t)和v2=v2(x,t)、i2=i2(x,t)；則根據(jù)傳輸線理論［5］有如下邊值問題：Aij為取決觸點(diǎn)等效網(wǎng)絡(luò)中電參數(shù)的常數(shù)
初始條件：假定所有初始條件都為零.
為使問題簡(jiǎn)單又不失一般性，同時(shí)也為了強(qiáng)調(diào)接觸不良的影響，可假定：信號(hào)源內(nèi)阻，終端負(fù)載阻抗和兩段傳輸線的特性阻抗相等，即阻抗匹配；并假定電纜為理想傳輸線：R=G=0.因?yàn)閿?shù)字信號(hào)可由階躍函數(shù)疊加表示，因此這里討論階躍電壓的響應(yīng).在上述條件下則有以下形式的解：觸點(diǎn)僅有接觸電阻Rj時(shí),v2(l,t)=AE(t-2l)，A=1/(2+Rj/Zc);理想情況下,Rj=0,A=1/2;僅有接觸電容時(shí), 接觸電阻和電容同時(shí)存在時(shí)， 其中,為電纜特性阻抗。
5 討 論
可以看出，理想情況下即無觸點(diǎn)影響時(shí)，接收端得到的信號(hào)幅度是信號(hào)源幅度的一半，無形變，但有時(shí)延.當(dāng)僅有接觸電阻存在時(shí)，接收端得到的信號(hào)幅度將減小，當(dāng)接觸電阻大于傳輸線特性阻抗的兩倍時(shí)，接收端得到的信號(hào)幅度將減小一半以上，從而將產(chǎn)生誤碼.當(dāng)僅有接觸電容存在時(shí)，信號(hào)波形將發(fā)生變化.此種變化的影響比較復(fù)雜，一般來說可能在兩種情況下導(dǎo)致誤碼.以矩形脈沖信號(hào)為例，一種是在上升前沿后信號(hào)衰減，在判別時(shí)刻時(shí)如衰減過半則導(dǎo)致誤碼.一種是下降沿后拖尾.當(dāng)此拖尾幅度在下一位“零”碼的判別時(shí)刻超過判別電壓時(shí)也將導(dǎo)致誤碼.當(dāng)接觸電阻與接觸電容同時(shí)存在時(shí)將使傳輸?shù)男盘?hào)畸變（幅度減小、 波形變化），達(dá)到一定程度就將導(dǎo)致誤碼.上述分析是在信號(hào)源內(nèi)阻，負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗匹配， 傳輸線無損耗， 僅有一個(gè)觸點(diǎn)等理想的最簡(jiǎn)單的條件下推出的結(jié)果.當(dāng)上述條件不滿足時(shí)即更一般的情況（如阻抗不匹配、傳輸線有損耗、多個(gè)電接觸點(diǎn)同時(shí)有影響)時(shí)，問題將變得非常復(fù)雜.但有一點(diǎn)是顯而易見的，即在一般情況下信號(hào)的畸變將可能更大，從而導(dǎo)致誤碼的可能性也將更大.
作者簡(jiǎn)介: 孫百生 48歲，男，教授
作者單位：北京郵電大學(xué)機(jī)械電子工程系，北京 100876
參考文獻(xiàn)
1 章繼高，李家樾.電接觸理論與設(shè)計(jì)技術(shù).電子機(jī)械技術(shù)（專輯），1984
2 蘆娜，周怡林，章繼高.連接器鍍金層的質(zhì)量分析.見：連接器與開關(guān)第5屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.石家莊: 1998.40～44
3 Holm R.Electric contacts——Theory and Application.4th Edition， Berlin: Springer Verlag, 1967
4 王廷堯.光通信設(shè)備基礎(chǔ).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1992
5 Georges Metzger. Transmission lines with pulse excitation. Translated by Robert McDonough.London: Berkeley Square House
