淺析光電混裝連接器的設(shè)計

引言

傳統(tǒng)連接器只傳輸單一的信號類型,隨著未來連接器朝高密度、小型化、集成化及模塊化方向發(fā)展,對連接器在單位空間內(nèi)的功能、容量要求不斷提高。國內(nèi)外軍用系統(tǒng)機箱內(nèi)部都實現(xiàn)了集成化和模塊化,例如同一根纜線可以同時傳輸光、電或者其他信號,方便了產(chǎn)品系統(tǒng)通過輕便化設(shè)備進行在線數(shù)據(jù)檢測和系統(tǒng)維護,節(jié)省了維護、維修的成本,節(jié)約了時間,在戰(zhàn)場上的生存安全性更強。

基于以上需求,混裝連接器成為了實現(xiàn)集成化、模塊化的優(yōu)選互連方案。面對更嚴(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,達到更高的可靠性,這就對混裝連接器各個模塊的性能以及整體的設(shè)計提出了更高的要求。

1混裝連接器的設(shè)計要求

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。

對于混裝連接器,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接,如何解決連接器不同信號之間干擾的問題等等,都是其在設(shè)計時需要考慮的問題。

2混裝連接器的設(shè)計

2.1連接器的外形設(shè)計

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)定的國軍標(biāo)準(zhǔn),需滿足標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。對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)連接器需要實現(xiàn)的功能進行連接器接觸件的選擇。機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、機械條件進行選擇的,對于混裝有高速、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

對于常見的圓形和矩形、微矩形連接器,連接器的導(dǎo)向可由連接器外殼腔體實現(xiàn):而對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,則需要有專門的導(dǎo)向模塊保障對接。

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,光纖接觸件對于連接器的對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法對接,嚴(yán)重時會導(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造成傾斜損耗,當(dāng)角度>1.59時,插針就會干涉到基座,MT插芯就會橫向受力,光學(xué)性能就會受到影響: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)格連接器同時使用的情況,這就需要連接器具有防錯插功能。在連接器兩端設(shè)計防錯插編碼件(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)品對接時提供一級導(dǎo)向及不同編碼下的防錯插功能,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調(diào)整。

在對接過程中,編碼件插入孔中后,第一級導(dǎo)向件進行定位,數(shù)字部分允許偏移量不小于一級導(dǎo)向間隙,故第一級導(dǎo)向后數(shù)字部分進入對接。在數(shù)字部分對接后,光纖模塊的金屬導(dǎo)向柱進行對接,再依次為射頻接觸件、MT光纖導(dǎo)引針對接,最后光纖頭座端面貼合。通過四級導(dǎo)向,每組導(dǎo)向件浮動空間逐層設(shè)計,保證了對接的精度以及可靠性,從而保證了產(chǎn)品性能。

2.3連接器的浮動設(shè)計

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

連接器的浮動可以設(shè)計在接觸件本身上,如射頻接觸件類的同軸連接器(圖2(a)),對外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體進行改進,利用彈簧機構(gòu),使外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體同時運動,在運動過程中保持阻抗的一致性,保證每個射頻接觸件都能對接到位,即使連接器軸向達到最大容差,出現(xiàn)大到1mm的空隙時,仍然可以實現(xiàn)很好的阻抗匹配,從而保證所有的電氣性能達標(biāo)。

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

對于點片式的彈性接觸,可以通過增大片的面積來擴大接觸點位的可浮動范圍。

2.4連接器的鎖緊設(shè)計

對于面板用的I/0口混裝連接器的鎖緊,一般是通過法蘭盤增加螺紋孔,如常見的圓形連接器、矩形連接器:對于印制板用連接器,有通過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行安裝。

對于混裝連接器來說,需要考慮各部分特性,一般都需要通過金屬外殼上的螺紋、卡扣等結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)進行鎖緊。

3混裝連接器的試驗測試

在對連接器各模塊進行性能試驗的同時,對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)和機械性能指標(biāo)進行測試更為重要。常規(guī)的連接器試驗只記錄試驗后的指標(biāo),并與常態(tài)下的指標(biāo)或者規(guī)定指標(biāo)進行對比,但對于混裝連接器,在試驗進行過程中實時測試各項指標(biāo)更具有價值。

本文以一種光數(shù)?；煅b連接器的試驗為例,真實模擬產(chǎn)品的實際使用情況,在按規(guī)范進行了各項測試后,額外增加了高低溫保持狀態(tài)下的性能測試以及隨機振動和沖擊試驗,對試驗過程中產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)進行實時監(jiān)測,主要測試結(jié)果如表1所示。

從試驗結(jié)果看,在振動環(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

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)計時考慮可拆卸替換性。混裝連接器的設(shè)計是一個技術(shù)不斷充實和拓展的發(fā)展過程,隨著科技的進步,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,對于連接器更廣泛的設(shè)計和使用,還需要更多的認知、學(xué)習(xí)和積累。