孫百生 章繼高
摘 要 基于現場搜集的連接器，分析了可能導致電接觸不良的因素，并且根據電接觸理論結合高頻傳輸的特點建立了通信系統中電觸點的物理模型.最后以光通信系統中數字配線架（DDF）上的同軸連接器為例，探討了電觸點故障導致誤碼率增高的可能性.
關鍵詞 同軸連接器；電接觸；誤碼率；接觸阻抗
分類號 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年來我國的信息科學飛速發展，光通信與計算機網的發展更是迅猛.但有些數字通信網工作一段時間后誤碼率增高.研究發現，引起誤碼率增高的重要原因之一是系統中DDF上的連接器電接觸不良.這種不良引起誤碼率高的特點是不穩定、時好時壞、再現性差.影響電接觸性能的因素很多［1］.如觸點材料、接觸壓力、接觸表面粗糙度、鍍層質量、磨損及環境條件（腐蝕氣體、灰塵、溫度和濕度）等.但哪些因素怎樣導致DDF上連接器電接觸不良，電觸點不良怎樣影響信號傳輸而導致誤碼率增高，這些都是我國特有（環境等）條件下產生的新問題.本文指出了一些可能導致DDF接觸不良的因素，根據經典電接觸理論，結合高頻（高速率）信號傳輸的特點建立了適用于通信系統中的電觸點的新物理模型，并初步探討了電觸點故障導致誤碼率增高的可能性.
1 環境等因素對電接觸的影響
研究表明，對DDF電接觸可靠性影響較大的因素是環境與連接器本身的質量（加工精度、接觸表面鍍層及裝配質量）、微動和插拔磨損等.圖1和圖2為從某通信站現場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.同時從表2中還發現有典型的塵土成份如鈣、鉀等.通過長期暴露實驗及對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 電觸點等效電路
根據經典電接觸理論，由于微觀接觸表面凸凹不平等因素，任一接觸點的兩個接觸對間都有一接觸電阻存在［3］.經典電接觸理論是在直流下建立這一結論的.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優劣的標準，也是分析電接觸點影響的唯一模型.但在通信系統中用直流接觸電阻作為分析電接觸點影響的模型是不合適的.因在高頻或高速率數字信號傳輸時，由于趨膚效應，使得接觸對間的有效導電面積減小，從而使接觸電阻進一步提高，即在通信系統中應用交流接觸電阻而不是直流接觸電阻.尤其是由于接觸對的表觀（名義）接觸面中非導電面積要比導電面積大得多，加之兩接觸對間的平均距離非常小，因此在高頻或高速率數字電路中，其寄生電容效應不能忽略（對于類似于在DDF上使用的同軸連接器有較大表觀接觸面的電接觸對更是如此）.如絕緣膜層或灰塵顆粒將接觸對完全隔離開，則觸點的兩個接觸對就構成了真正的電容器.換言之，任一接觸點的兩個接觸對間在高頻時，都應考慮有一寄生接觸電容.當然，電流的收縮效應也將導致電感的變化.但可以證明電感的變化非常小，一般可以忽略不計［3］.
綜合上述分析，在衡量或判斷通信系統中的電接觸點優劣，或分析電接觸點對信號傳輸的影響時，應將電接觸點等效成一接觸（交流）電阻與一接觸電容相并聯的電路，即將電接觸點等效成一接觸阻抗.
為驗證這一結論，針對同軸連接器作了下述實驗.兩段0.5m長的同軸電纜(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(模擬實際工作負載)，分別在同軸連接器接觸表面無腐蝕和有腐蝕物(模擬環境影響)條件下，在另一端測試線路阻抗。
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際上就是接觸表面腐蝕物導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.進一步的實驗表明，接觸表面腐蝕物導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、機械電氣特性及接觸壓力等因素密切相關.定量的分析正在進行中.但通過上述實驗結果足以說明在通信系統中分析電接觸對信號傳輸的影響時，將觸點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
為使得維護管理工作(測試、調度等)方便，數字通信系統中，PCM終端機，數字復用設備， 在電路連接時均經過DDF［4］.如果考慮到一個連接頭內外各有兩對接點；連接器內外導線間存在有分布電容C和電導G；則一個連接頭的等效電路如圖5所示.其中，Cji為第i個接觸對分布電容; Rji為第i個接觸對接觸電阻與導線分布體電阻之和(i=1,2,3,4)；L為分布電感；G和C分別為內外導線之間的分布漏電導和分布電容.DDF架上連接兩個設備的連接器一般為4個連接頭，其影響可用4個上述四端網絡相串聯來等效進行分析.復用設備由電纜與連接器DDF連接構成的信道.
4 電觸點故障（阻抗）對數字信號傳輸的影響
由于傳輸的數字信號速率PDH系統至少為2 Mbit/s,高時可達140 Mbit/s或更高（SDH系統）,而設備與DDF間一般在幾米、幾十米甚至有時高達幾百米，電纜長度已與所傳信號基頻波長相近，因此分析信號在設備經過DDF到設備間的傳輸時應將傳輸電纜看作傳輸線.而DDF上的同軸連接器一般僅長幾十毫米，因此其等效電路可作為集總參數看待.為使問題簡便又不失一般性， 先假定僅有一個接觸頭不良；參考圖6，為使問題簡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度都為l，下面分析信號E經過電纜和連接器傳輸后受到的影響.設電纜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)；則根據傳輸線理論［5］有如下邊值問題：Aij為取決觸點等效網絡中電參數的常數
初始條件：假定所有初始條件都為零.
為使問題簡單又不失一般性，同時也為了強調接觸不良的影響，可假定：信號源內阻，終端負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.因為數字信號可由階躍函數疊加表示，因此這里討論階躍電壓的響應.在上述條件下則有以下形式的解：觸點僅有接觸電阻Rj時,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, 接觸電阻和電容同時存在時， 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影響時，接收端得到的信號幅度是信號源幅度的一半，無形變，但有時延.當僅有接觸電阻存在時，接收端得到的信號幅度將減小，當接觸電阻大于傳輸線特性阻抗的兩倍時，接收端得到的信號幅度將減小一半以上，從而將產生誤碼.當僅有接觸電容存在時，信號波形將發生變化.此種變化的影響比較復雜，一般來說可能在兩種情況下導致誤碼.以矩形脈沖信號為例，一種是在上升前沿后信號衰減，在判別時刻時如衰減過半則導致誤碼.一種是下降沿后拖尾.當此拖尾幅度在下一位“零”碼的判別時刻超過判別電壓時也將導致誤碼.當接觸電阻與接觸電容同時存在時將使傳輸的信號畸變（幅度減小、 波形變化），達到一定程度就將導致誤碼.上述分析是在信號源內阻，負載阻抗與傳輸線特性阻抗匹配， 傳輸線無損耗， 僅有一個觸點等理想的最簡單的條件下推出的結果.當上述條件不滿足時即更一般的情況（如阻抗不匹配、傳輸線有損耗、多個電接觸點同時有影響)時，問題將變得非常復雜.但有一點是顯而易見的，即在一般情況下信號的畸變將可能更大，從而導致誤碼的可能性也將更大.
作者簡介: 孫百生 48歲，男，教授
作者單位：北京郵電大學機械電子工程系，北京 100876
參考文獻
1 章繼高，李家樾.電接觸理論與設計技術.電子機械技術（專輯），1984
2 蘆娜，周怡林，章繼高.連接器鍍金層的質量分析.見：連接器與開關第5屆學術會議論文集.石家莊: 1998.40～44
3 Holm R.Electric contacts——Theory and Application.4th Edition， Berlin: Springer Verlag, 1967
4 王廷堯.光通信設備基礎.天津：天津科學技術出版社，1992
5 Georges Metzger. Transmission lines with pulse excitation. Translated by Robert McDonough.London: Berkeley Square House
