孙百生 章继高

　　摘　要　基于现场搜集的连接器，分析了可能导致电接触不良的因素，并且根据电接触理论结合高频传输的特点建立了通信系统中电触点的物理模型.最后以光通信系统中数字配线架（DDF）上的同轴连接器为例，探讨了电触点故障导致误码率增高的可能性.
　　关键词　同轴连接器；电接触；误码率；接触阻抗
　　分类号　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年来我国的信息科学飞速发展，光通信与计算机网的发展更是迅猛.但有些数字通信网工作一段时间后误码率增高.研究发现，引起误码率增高的重要原因之一是系统中DDF上的连接器电接触不良.这种不良引起误码率高的特点是不稳定、时好时坏、再现性差.影响电接触性能的因素很多［1］.如触点材料、接触压力、接触表面粗糙度、镀层质量、磨损及环境条件（腐蚀气体、灰尘、温度和湿度）等.但哪些因素怎样导致DDF上连接器电接触不良，电触点不良怎样影响信号传输而导致误码率增高，这些都是我国特有（环境等）条件下产生的新问题.本文指出了一些可能导致DDF接触不良的因素，根据经典电接触理论，结合高频（高速率）信号传输的特点建立了适用于通信系统中的电触点的新物理模型，并初步探讨了电触点故障导致误码率增高的可能性.

1　环境等因素对电接触的影响
　　研究表明，对DDF电接触可靠性影响较大的因素是环境与连接器本身的质量（加工精度、接触表面镀层及装配质量）、微动和插拔磨损等.图1和图2为从某通信站现场收集的失效连接器插针和插孔接触表面的扫描电子显微镜图像.从图中可看到在接触表面有大量腐蚀物.
　　用X射线能谱仪分析腐蚀物成份，结果如表1和表2所示.从表中可看到在镀金表面有铜、镍、 硫和氯等元素，表明腐蚀物可能是镍和铜的硫化物、硫酸物、氯化物和氧化物（因氧的原子序数小于11，故表上没有）.这表明尽管接触表面镀有金层，因镀金质量不好［2］或因磨损使基底材料（插针为黄铜，插孔为锡磷青铜）受到腐蚀.生成物覆盖到接触表面影响接触性能.同时从表2中还发现有典型的尘土成份如钙、钾等.通过长期暴露实验及对失效样品的分析研究表明，腐蚀和尘土等可能是引起DDF电接触不良的重要原因.

2　电触点等效电路
　　根据经典电接触理论，由于微观接触表面凸凹不平等因素，任一接触点的两个接触对间都有一接触电阻存在［3］.经典电接触理论是在直流下建立这一结论的.而迄今为止，直流接触电阻的大小一直是衡量或判断电接触点优劣的标准，也是分析电接触点影响的唯一模型.但在通信系统中用直流接触电阻作为分析电接触点影响的模型是不合适的.因在高频或高速率数字信号传输时，由于趋肤效应，使得接触对间的有效导电面积减小，从而使接触电阻进一步提高，即在通信系统中应用交流接触电阻而不是直流接触电阻.尤其是由于接触对的表观（名义）接触面中非导电面积要比导电面积大得多，加之两接触对间的平均距离非常小，因此在高频或高速率数字电路中，其寄生电容效应不能忽略（对于类似于在DDF上使用的同轴连接器有较大表观接触面的电接触对更是如此）.如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.换言之，任一接触点的两个接触对间在高频时，都应考虑有一寄生接触电容.当然，电流的收缩效应也将导致电感的变化.但可以证明电感的变化非常小，一般可以忽略不计［3］.
　　综合上述分析，在衡量或判断通信系统中的电接触点优劣，或分析电接触点对信号传输的影响时，应将电接触点等效成一接触（交流）电阻与一接触电容相并联的电路，即将电接触点等效成一接触阻抗.
　　为验证这一结论，针对同轴连接器作了下述实验.两段0.5m长的同轴电缆(特性阻抗为75Ω)用同轴连接器将其连接起来，一端接75 Ω电阻(模拟实际工作负载)，分别在同轴连接器接触表面无腐蚀和有腐蚀物(模拟环境影响)条件下，在另一端测试线路阻抗。

　　可以看出，在腐蚀前后线路阻抗变化很大.由于其它条件都没变，所以腐蚀前后线路阻抗的差值实际上就是接触表面腐蚀物导致的同轴连接器接触阻抗的增加.从图3中可看出，接触阻抗随频率增加而略有降低，表明其呈容性.从图4中可看出，接触阻抗的大小与接触位置有关.进一步的实验表明，接触表面腐蚀物导致的同轴连接器接触阻抗的大小还与腐蚀物的厚度、均匀性、机械电气特性及接触压力等因素密切相关.定量的分析正在进行中.但通过上述实验结果足以说明在通信系统中分析电接触对信号传输的影响时，将触点等效成一接触阻抗要比仅仅等效成一接触电阻更趋合理.

3　DDF与同轴连接器等效电路
　　为使得维护管理工作(测试、调度等)方便，数字通信系统中，PCM终端机，数字复用设备， 在电路连接时均经过DDF［4］.如果考虑到一个连接头内外各有两对接点；连接器内外导线间存在有分布电容C和电导G；则一个连接头的等效电路如图5所示.其中，Cji为第i个接触对分布电容; Rji为第i个接触对接触电阻与导线分布体电阻之和(i=1,2,3,4)；L为分布电感；G和C分别为内外导线之间的分布漏电导和分布电容.DDF架上连接两个设备的连接器一般为4个连接头，其影响可用4个上述四端网络相串联来等效进行分析.复用设备由电缆与连接器DDF连接构成的信道.

4　电触点故障（阻抗）对数字信号传输的影响
　　由于传输的数字信号速率PDH系统至少为2 Mbit/s,高时可达140 Mbit/s或更高（SDH系统）,而设备与DDF间一般在几米、几十米甚至有时高达几百米，电缆长度已与所传信号基频波长相近，因此分析信号在设备经过DDF到设备间的传输时应将传输电缆看作传输线.而DDF上的同轴连接器一般仅长几十毫米，因此其等效电路可作为集总参数看待.为使问题简便又不失一般性， 先假定仅有一个接触头不良；参考图6，为使问题简单突出连接器的影响，假定左右两边的电缆都是均匀传输线长度都为l，下面分析信号E经过电缆和连接器传输后受到的影响.设电缆1和电缆2上的电压、电流分别为v1=v1(x,t)、i1=i1(x,t)和v2=v2(x,t)、i2=i2(x,t)；则根据传输线理论［5］有如下边值问题：Aij为取决触点等效网络中电参数的常数
　　初始条件：假定所有初始条件都为零.
　　为使问题简单又不失一般性，同时也为了强调接触不良的影响，可假定：信号源内阻，终端负载阻抗和两段传输线的特性阻抗相等，即阻抗匹配；并假定电缆为理想传输线：R=G=0.因为数字信号可由阶跃函数叠加表示，因此这里讨论阶跃电压的响应.在上述条件下则有以下形式的解：触点仅有接触电阻Rj时,v2(l,t)=AE(t-2l)，A=1/(2+Rj/Zc);理想情况下,Rj=0,A=1/2;仅有接触电容时, 接触电阻和电容同时存在时， 其中,为电缆特性阻抗。

5　讨　论
　　可以看出，理想情况下即无触点影响时，接收端得到的信号幅度是信号源幅度的一半，无形变，但有时延.当仅有接触电阻存在时，接收端得到的信号幅度将减小，当接触电阻大于传输线特性阻抗的两倍时，接收端得到的信号幅度将减小一半以上，从而将产生误码.当仅有接触电容存在时，信号波形将发生变化.此种变化的影响比较复杂，一般来说可能在两种情况下导致误码.以矩形脉冲信号为例，一种是在上升前沿后信号衰减，在判别时刻时如衰减过半则导致误码.一种是下降沿后拖尾.当此拖尾幅度在下一位“零”码的判别时刻超过判别电压时也将导致误码.当接触电阻与接触电容同时存在时将使传输的信号畸变（幅度减小、 波形变化），达到一定程度就将导致误码.上述分析是在信号源内阻，负载阻抗与传输线特性阻抗匹配， 传输线无损耗， 仅有一个触点等理想的最简单的条件下推出的结果.当上述条件不满足时即更一般的情况（如阻抗不匹配、传输线有损耗、多个电接触点同时有影响)时，问题将变得非常复杂.但有一点是显而易见的，即在一般情况下信号的畸变将可能更大，从而导致误码的可能性也将更大.

　　作者简介: 孙百生 48岁，男，教授
　　作者单位：北京邮电大学机械电子工程系，北京 100876

　　参考文献
　　1　章继高，李家樾.电接触理论与设计技术.电子机械技术（专辑），1984
　　2　芦娜，周怡林，章继高.连接器镀金层的质量分析.见：连接器与开关第5届学术会议论文集.石家庄: 1998.40～44
　　3　Holm R.Electric contacts——Theory and Application.4th Edition， Berlin: Springer Verlag, 1967
　　4　王廷尧.光通信设备基础.天津：天津科学技术出版社，1992
　　5　Georges Metzger. Transmission lines with pulse excitation. Translated by Robert McDonough.London: Berkeley Square House