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文档简介
电接触频率对信号传输的影响
0同轴连接器电接触问题的研究近年来,通信和计算机网络的快速发展导致了许多新的研究问题,其中之一就是电接触故障。电接触故障不仅会引起很多问题,有时甚至导致整个电子或通信系统失效。实践证明,通信系统中数字配线架上的同轴连接器的接触故障仍是引起数字通信系统高误码率的主要原因之一。由于频率的因素,在通信系统中,电接触作为一个机电元件应等效为一个阻抗。基于这个新的接触模型,在理想电路(无损耗且阻抗匹配电路即传输线无损耗且源端和负载端的阻抗相等并与传输线的特性阻抗匹配)、阻抗不匹配电路(传输线无损耗且源端或负载端的阻抗与传输线的特性阻抗不匹配)和有损耗电路(传输线有损耗且源端和负载端的阻抗相等并与传输线的特性阻抗匹配)中,电接触故障对数字信号传输的影响已有理论方面的研究[1~3]。本文在这些研究结果基础上,利用计算机仿真进一步研究了电接触故障对信号传输的影响与传输信号频率的关系。1过滤和接触电容的选择根据经典电接触理论,实际接触表面或承载面Ab比视在表面小好几个数量级。由于部分承载面又往往覆盖有腐蚀膜层等绝缘物,因此Ab中只有一部分参与导电,这部分接触面称为导电面。因为导电面是由许多面积非常小的接触斑点构成的,当电流经过这些小接触面时会发生收缩现象(尤其对同轴连接器),加之两接触对之间的平均距离非常小,所以在传输高速率数字信号时寄生电容不能忽略。如果绝缘膜层或灰尘颗粒将接触对完全隔离开,则触点的两个接触对就构成了真正的电容器。同时,由于电流的收缩效应也将导致原电路电感的增加,但与电路本身的电感相比,由电流收缩引起的电感很小,可以忽略。综合以上分析,在高频时,可将电接触的影响等效成一接触电阻Rj与一接触电容Cj相并联的电路。如图1所示。为便于维护管理工作例如测试、调度等,数字通信系统中,各数字复用设备在电路连接时均采用DDF(数字分配架)。复用设备间信号传输等效电路如图2所示。将图1代入图2中,可以得到电接触阻抗对信号传输影响的等效图,如图3所示。为简便起见,假设图3处于以下情况:a)输入信号为方波且高电平为2V、低电平为0V,输入信号频率为1MHz~1GHz范围内变化;b)电缆1和电缆2的长度及特性阻抗都相等。2特性阻抗匹配的电路设计中有损耗且源端或负载为突出频率的影响因素,仿真在以下3种情况下分别进行:a)理想电路(无损耗且阻抗匹配电路即传输线无损耗且源端和负载端的阻抗相等并与传输线的特性阻抗匹配)中;b)阻抗不匹配电路(传输线无损耗且源端或负载端的阻抗与传输线的特性阻抗不匹配)中;c)有损耗电路(传输线有损耗且源端和负载端的阻抗相等并与传输线的特性阻抗匹配)中。因为构成接触阻抗的接触电阻和接触电容都对信号传输有影响,因此,在这3种情况中又分接触阻抗仅有接触电阻构成、接触阻抗由接触电容构成和接触阻抗中接触电阻和接触电容共存这3种情况。2.1接触电容区的信号频率对输出信号幅值的影响1)仅有接触电阻存在在这种情况下,图3中的Cj为0;Rj分别取1Ψ、10Ψ、100Ψ、1kΨ、10kΨ,通过改变输入信号的频率,可以得到负载端输出信号的幅值在不同接触电阻值下随输入信号频率的变化,如图4所示。从图4可以看出,在理想电路中,仅有接触电阻存在时,输出信号的幅值只与接触电阻的大小有关,与输入信号频率无关。也就是说这种情况下电接触故障对信号传输的影响也信号频率无关。2)仅有接触电容存在在这种情况下,图3中的Rj为0;Cj分别取1pF、10pF、100pF、1nF、10nF,通过改变输入信号的频率,可以得到负载端输出信号的幅值在不同接触电容值下随输入信号频率的变化,如图5所示。从图5可以看出,在理想电路中,仅有接触电容存在时,输出信号的幅值不仅与接触电容的大小有关,而且与输入信号频率有关,并随频率的提高其幅值均匀增大即衰减减小。3)接触电阻和接触电容共存在这种情况下,为简化操作,将接触电阻值固定,只改变接触电容的大小。通过改变输入信号的频率,可以得到负载端输出信号的幅值在不同接触电容值下随输入信号频率的变化,如图6所示。从图6可以看出,在理想电路中,接触电阻和接触电容共存时,输出信号的幅值不仅与接触电阻和接触电容的大小有关,而且与输入信号频率有关,并随频率的提高其幅值呈曲线增大即衰减减小。2.2号频率对输出信号的影响由于阻抗不匹配会使信号产生多重反射,引起电压和电流波形失真严重,这种情况下,电接触对信号传输的影响与输入信号频率的关系也会变得更复杂。1)仅有接触电阻存在在这种情况下,图3中的Cj为0;Rj分别取1Ψ10Ψ、100Ψ、1kΨ、10kΨ,通过改变输入信号的频率,可以得到负载端输出信号的幅值在不同接触电阻值下随输入信号频率的变化,如图7所示。从图7可以看出,在阻抗不匹配电路中,仅有接触电阻存在时,输出信号的幅值除与接触电阻的大小有关,还随频率的变化波动,但随频率的变化输出信号的幅值变化不大。2)仅有接触电容存在在这种情况下,图3中的Rj为0;Cj分别取1pF、10pF、100pF、1nF、10nF,通过改变输入信号的频率,可以得到负载端输出信号的幅值在不同接触电容值下随输入信号频率的变化,如图8所示。从图8可以看出,在阻抗不匹配电路中,仅有接触电容存在时,输出信号的幅值不仅与接触电容大小有关,而且与输入信号频率有关。随频率的提高幅值均匀增大,并且随频率的变化其幅值波动。3)接触电阻和接触电容共存在这种情况下,同样将接触电阻值固定,只改变接触电容的大小。通过改变输入信号的频率,可以得到负载端输出信号的幅值在不同接触电容值下随输入信号频率的变化,如图9所示。从图9可以看出,在阻抗不匹配电路中,接触电阻和接触电容共存时,输出信号的幅值不仅与接触电阻和接触电容的大小有关,而且与输入信号频率有关。随频率的提高幅值呈曲线增大,并且随频率的变化其幅值波动严重。2.3仅有接触电容存在时1)仅有接触电阻存在同样的办法可以得到这种情况下负载端输出信号的幅值在不同接触电阻值下随输入信号频率的变化,如图10所示。从图10可以看出,在有损耗电路中,仅有接触电阻存在时,输出信号的幅值只与接触电阻的大小有关,与输入信号频率无关。也就是说,这种情况下电接触故障对信号传输的影响和理想电路中同种情况下相同。2)仅有接触电容存在同样,这种情况下负载端输出信号的幅值在不同接触电容值下随输入信号频率的变化如图11所示。从图11可以看出,在有损耗电路中,仅有接触电容存在时,输出信号的幅值不仅与接触电容的大小有关,而且与输入信号频率有关并随频率的提高幅值均匀增大即衰减均匀减小。这也与理想电路中同种情况下相同。3)接触电阻和接触电容共存在这种情况下,采用同样的方法得到负载端输出信号的幅值在固定电阻值和不同接触电容值下随输入信号频率的变化,如图12所示。从图12可以看出,在有损耗电路中,接触电阻和接触电容共存时,输出信号的幅值不仅与接触电阻和接触电容的大小有关,而且与输入信号频率有关,并随频率的提高其幅值呈曲线增大即衰减呈曲线减小。这也与理想电路中同种情况下相同。3抗不匹配情况下输出信号幅值的影响因素通过计算机仿真和分析,可以得到以下结论:a)在理想线路和有损耗电路中,频率对信号传输的影响相同。仅有接触电阻时,电接触故障对信号传输的影响与频率无关;仅有接触电容时,输出信号的幅值随频率提高衰减均匀减小;接触电阻和接触电容共存时,输出信号的幅值随频率提高衰减减小,但呈曲线减小。因此,若接触阻抗中包含接触电容,则频率就会影响输出信号幅值的大小,频率越高,衰减越小,在这种情况下应尽量提高输入信号频率;若接触阻抗只包含接触电阻,则信号的衰减与频率无关,只需控制接触电阻的大小以减小衰减。b)在阻抗不匹配情况下,输出信号的幅值除有上述相同的趋势外,还随频率的变
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