淺析光電混裝連接器的設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)連接器只傳輸單一的信號(hào)類型,隨著未來(lái)連接器朝高密度、小型化、集成化及模塊化方向發(fā)展,對(duì)連接器在單位空間內(nèi)的功能、容量要求不斷提高。國(guó)內(nèi)外軍用系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)部都實(shí)現(xiàn)了集成化和模塊化,例如同一根纜線可以同時(shí)傳輸光、電或者其他信號(hào),方便了產(chǎn)品系統(tǒng)通過(guò)輕便化設(shè)備進(jìn)行在線數(shù)據(jù)檢測(cè)和系統(tǒng)維護(hù),節(jié)省了維護(hù)、維修的成本,節(jié)約了時(shí)間,在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存安全性更強(qiáng)。

基于以上需求,混裝連接器成為了實(shí)現(xiàn)集成化、模塊化的優(yōu)選互連方案。面對(duì)更嚴(yán)苛的使用環(huán)境要求,混裝連接器需要兼容更高的速率、更高的密度,達(dá)到更高的可靠性,這就對(duì)混裝連接器各個(gè)模塊的性能以及整體的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1混裝連接器的設(shè)計(jì)要求

混裝連接器(connectorwithmixedcontact)是含有不同標(biāo)準(zhǔn)、不同形式、不同頻率、不同尺寸和不同用途的接觸件的連接器,廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品領(lǐng)域?；煅b連接器中可以安裝大多常見(jiàn)的接觸件,傳輸如大電流、低頻、高頻、數(shù)字、光纖、光電等各種類型的信號(hào)。

對(duì)于混裝連接器,如何有效地將不同類型、不同尺寸的接觸件設(shè)計(jì)在規(guī)定外形、尺寸的空間內(nèi),如何有效地將不同連接器安裝到印制板、面板等使用環(huán)境中,如何有效地保證連接器的可靠對(duì)接,如何解決連接器不同信號(hào)之間干擾的問(wèn)題等等,都是其在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

2混裝連接器的設(shè)計(jì)

2.1連接器的外形設(shè)計(jì)

連接器按外形可分為圓形和矩形連接器,外形是混裝連接器設(shè)計(jì)的主要條件之一,決定連接器外形的因素主要有:

(1)連接器應(yīng)用環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了連接器的外形、尺寸:如在機(jī)箱內(nèi)部使用的連接器,需滿足AssAC、VITA48標(biāo)準(zhǔn)等等的連接器,有明確的外形、尺寸要求。

(2)連接器的使用空間限制了連接器的外形、尺寸:如機(jī)箱外側(cè)的I/0口連接器,或設(shè)備間互連的連接器,或有規(guī)定的國(guó)軍標(biāo)準(zhǔn),需滿足標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。對(duì)于特殊定制的連接器,就需要根據(jù)具體的空間尺寸和使用環(huán)境確定外形,再根據(jù)連接器需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行連接器接觸件的選擇。機(jī)箱用混裝圓形連接器和矩形連接器如圖1所示。

外殼材料是根據(jù)產(chǎn)品使用的環(huán)境條件、機(jī)械條件進(jìn)行選擇的,對(duì)于混裝有高速、射頻模塊的連接器,需要考慮模塊間的電氣性能的影響。

圖1機(jī)箱用混裝圓形連接器和矩形連接器

2.2連接器的導(dǎo)向設(shè)計(jì)

對(duì)于常見(jiàn)的圓形和矩形、微矩形連接器,連接器的導(dǎo)向可由連接器外殼腔體實(shí)現(xiàn):而對(duì)于性能要求較高或者外殼不具備導(dǎo)向功能的混裝連接器,則需要有專門(mén)的導(dǎo)向模塊保障對(duì)接。

以混裝有光電接觸件的連接器為例,相比于電源、低頻、數(shù)字和射頻模塊,光纖接觸件對(duì)于連接器的對(duì)接的可靠性以及精確度要求更高。影響光纖性能指標(biāo)的有角度的偏移、線芯錯(cuò)位、線芯間隙、連接端面灰塵等。座孔位置角度偏差可能造成無(wú)法對(duì)接,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致插芯碎裂。基座在外殼中傾斜,或者光纖接觸件在基座中傾斜會(huì)造成傾斜損耗,當(dāng)角度>1.59時(shí),插針就會(huì)干涉到基座,MT插芯就會(huì)橫向受力,光學(xué)性能就會(huì)受到影響:需要保證端面的研磨質(zhì)量,端面必須清潔。

由于存在同一種規(guī)格連接器同時(shí)使用的情況,這就需要連接器具有防錯(cuò)插功能。在連接器兩端設(shè)計(jì)防錯(cuò)插編碼件(在插頭端配備導(dǎo)向柱,在插座端配備導(dǎo)向孔),可以為產(chǎn)品對(duì)接時(shí)提供一級(jí)導(dǎo)向及不同編碼下的防錯(cuò)插功能,具體的鍵位控制可由銷孔的方向、位置、形狀決定,但需保證方便用戶在使用時(shí)調(diào)整。

在對(duì)接過(guò)程中,編碼件插入孔中后,第一級(jí)導(dǎo)向件進(jìn)行定位,數(shù)字部分允許偏移量不小于一級(jí)導(dǎo)向間隙,故第一級(jí)導(dǎo)向后數(shù)字部分進(jìn)入對(duì)接。在數(shù)字部分對(duì)接后,光纖模塊的金屬導(dǎo)向柱進(jìn)行對(duì)接,再依次為射頻接觸件、MT光纖導(dǎo)引針對(duì)接,最后光纖頭座端面貼合。通過(guò)四級(jí)導(dǎo)向,每組導(dǎo)向件浮動(dòng)空間逐層設(shè)計(jì),保證了對(duì)接的精度以及可靠性,從而保證了產(chǎn)品性能。

2.3連接器的浮動(dòng)設(shè)計(jì)

雖然電源、低頻連接器的接觸區(qū)域較長(zhǎng),且接觸區(qū)的長(zhǎng)短對(duì)性能影響較小,但是射頻、光纖對(duì)連接器對(duì)接后的貼合要求很高。對(duì)于非自鎖的混裝連接器,如機(jī)箱內(nèi)部垂直互連、平行板間等等,本身不具有對(duì)接后鎖緊機(jī)構(gòu),而機(jī)箱由于整體框架較大,加工精度控制較難等問(wèn)題,不能保證完全貼合,故在連接器設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮保證一定的對(duì)接冗余度。

連接器的浮動(dòng)可以設(shè)計(jì)在接觸件本身上,如射頻接觸件類的同軸連接器(圖2(a)),對(duì)外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行改進(jìn),利用彈簧機(jī)構(gòu),使外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體同時(shí)運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持阻抗的一致性,保證每個(gè)射頻接觸件都能對(duì)接到位,即使連接器軸向達(dá)到最大容差,出現(xiàn)大到1mm的空隙時(shí),仍然可以實(shí)現(xiàn)很好的阻抗匹配,從而保證所有的電氣性能達(dá)標(biāo)。

接觸件的彈性接觸可以保證浮動(dòng),但對(duì)于光纖采用標(biāo)準(zhǔn)的MT插芯的連接器,可以采用模塊整體浮動(dòng)的設(shè)計(jì)(圖2(b))。MT裝入連接器插座內(nèi)腔,通過(guò)彈簧壓縮,能夠有力地保證MT插芯在自然狀態(tài)和對(duì)接狀態(tài)下對(duì)接面貼合。在插頭端不采用彈簧形式的結(jié)構(gòu),而是安裝MT模塊,使其相對(duì)于支架金屬外殼整體浮動(dòng)。

對(duì)于點(diǎn)片式的彈性接觸,可以通過(guò)增大片的面積來(lái)擴(kuò)大接觸點(diǎn)位的可浮動(dòng)范圍。

2.4連接器的鎖緊設(shè)計(jì)

對(duì)于面板用的I/0口混裝連接器的鎖緊,一般是通過(guò)法蘭盤(pán)增加螺紋孔,如常見(jiàn)的圓形連接器、矩形連接器:對(duì)于印制板用連接器,有通過(guò)接觸件自身與印制板的焊接或者壓接后的保持力作為固定進(jìn)行安裝。

對(duì)于混裝連接器來(lái)說(shuō),需要考慮各部分特性,一般都需要通過(guò)金屬外殼上的螺紋、卡扣等結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖緊。

3混裝連接器的試驗(yàn)測(cè)試

在對(duì)連接器各模塊進(jìn)行性能試驗(yàn)的同時(shí),對(duì)于混裝連接器的整體性能指標(biāo),尤其是環(huán)境性能指標(biāo)和機(jī)械性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試更為重要。常規(guī)的連接器試驗(yàn)只記錄試驗(yàn)后的指標(biāo),并與常態(tài)下的指標(biāo)或者規(guī)定指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,但對(duì)于混裝連接器,在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)更具有價(jià)值。

本文以一種光數(shù)模混裝連接器的試驗(yàn)為例,真實(shí)模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用情況,在按規(guī)范進(jìn)行了各項(xiàng)測(cè)試后,額外增加了高低溫保持狀態(tài)下的性能測(cè)試以及隨機(jī)振動(dòng)和沖擊試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),主要測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看,在振動(dòng)環(huán)境和高低溫環(huán)境下,連接器的電氣性能指標(biāo)除了某些固有物理特性隨環(huán)境變化外,其他指標(biāo)與常溫下相差不大。

4結(jié)語(yǔ)

由于混裝連接器其組成模塊多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證其使用的可靠性,建議各模塊在設(shè)計(jì)時(shí)考慮可拆卸替換性。混裝連接器的設(shè)計(jì)是一個(gè)技術(shù)不斷充實(shí)和拓展的發(fā)展過(guò)程,隨著科技的進(jìn)步,連接器也愈加往小型化、集成化方向發(fā)展,本文只是淺顯地介紹了常用的混裝連接器的設(shè)計(jì),對(duì)于連接器更廣泛的設(shè)計(jì)和使用,還需要更多的認(rèn)知、學(xué)習(xí)和積累。