浅析光电混装连接器的设计

引言

传统连接器只传输单一的信号类型,随着未来连接器朝高密度、小型化、集成化及模块化方向发展,对连接器在单位空间内的功能、容量要求不断提高。国内外军用系统机箱内部都实现了集成化和模块化,例如同一根缆线可以同时传输光、电或者其他信号,方便了产品系统通过轻便化设备进行在线数据检测和系统维护,节省了维护、维修的成本,节约了时间,在战场上的生存安全性更强。

基于以上需求,混装连接器成为了实现集成化、模块化的优选互连方案。面对更严苛的使用环境要求,混装连接器需要兼容更高的速率、更高的密度,达到更高的可靠性,这就对混装连接器各个模块的性能以及整体的设计提出了更高的要求。

1混装连接器的设计要求

混装连接器(connectorwithmixedcontact)是含有不同标准、不同形式、不同频率、不同尺寸和不同用途的接触件的连接器,广泛应用于各种电子产品领域。混装连接器中可以安装大多常见的接触件,传输如大电流、低频、高频、数字、光纤、光电等各种类型的信号。

对于混装连接器,如何有效地将不同类型、不同尺寸的接触件设计在规定外形、尺寸的空间内,如何有效地将不同连接器安装到印制板、面板等使用环境中,如何有效地保证连接器的可靠对接,如何解决连接器不同信号之间干扰的问题等等,都是其在设计时需要考虑的问题。

2混装连接器的设计

2.1连接器的外形设计

连接器按外形可分为圆形和矩形连接器,外形是混装连接器设计的主要条件之一,决定连接器外形的因素主要有:

(1)连接器应用环境的标准规定了连接器的外形、尺寸:如在机箱内部使用的连接器,需满足AssAC、VITA48标准等等的连接器,有明确的外形、尺寸要求。

(2)连接器的使用空间限制了连接器的外形、尺寸:如机箱外侧的I/0口连接器,或设备间互连的连接器,或有规定的国军标准,需满足标准结构。对于特殊定制的连接器,就需要根据具体的空间尺寸和使用环境确定外形,再根据连接器需要实现的功能进行连接器接触件的选择。机箱用混装圆形连接器和矩形连接器如图1所示。

外壳材料是根据产品使用的环境条件、机械条件进行选择的,对于混装有高速、射频模块的连接器,需要考虑模块间的电气性能的影响。

图1机箱用混装圆形连接器和矩形连接器

2.2连接器的导向设计

对于常见的圆形和矩形、微矩形连接器,连接器的导向可由连接器外壳腔体实现:而对于性能要求较高或者外壳不具备导向功能的混装连接器,则需要有专门的导向模块保障对接。

以混装有光电接触件的连接器为例,相比于电源、低频、数字和射频模块,光纤接触件对于连接器的对接的可靠性以及精确度要求更高。影响光纤性能指标的有角度的偏移、线芯错位、线芯间隙、连接端面灰尘等。座孔位置角度偏差可能造成无法对接,严重时会导致插芯碎裂。基座在外壳中倾斜,或者光纤接触件在基座中倾斜会造成倾斜损耗,当角度>1.59时,插针就会干涉到基座,MT插芯就会横向受力,光学性能就会受到影响:需要保证端面的研磨质量,端面必须清洁。

由于存在同一种规格连接器同时使用的情况,这就需要连接器具有防错插功能。在连接器两端设计防错插编码件(在插头端配备导向柱,在插座端配备导向孔),可以为产品对接时提供一级导向及不同编码下的防错插功能,具体的键位控制可由销孔的方向、位置、形状决定,但需保证方便用户在使用时调整。

在对接过程中,编码件插入孔中后,第一级导向件进行定位,数字部分允许偏移量不小于一级导向间隙,故第一级导向后数字部分进入对接。在数字部分对接后,光纤模块的金属导向柱进行对接,再依次为射频接触件、MT光纤导引针对接,最后光纤头座端面贴合。通过四级导向,每组导向件浮动空间逐层设计,保证了对接的精度以及可靠性,从而保证了产品性能。

2.3连接器的浮动设计

虽然电源、低频连接器的接触区域较长,且接触区的长短对性能影响较小,但是射频、光纤对连接器对接后的贴合要求很高。对于非自锁的混装连接器,如机箱内部垂直互连、平行板间等等,本身不具有对接后锁紧机构,而机箱由于整体框架较大,加工精度控制较难等问题,不能保证完全贴合,故在连接器设计时,需要考虑保证一定的对接冗余度。

连接器的浮动可以设计在接触件本身上,如射频接触件类的同轴连接器(图2(a)),对外导体和内导体进行改进,利用弹簧机构,使外导体和内导体同时运动,在运动过程中保持阻抗的一致性,保证每个射频接触件都能对接到位,即使连接器轴向达到最大容差,出现大到1mm的空隙时,仍然可以实现很好的阻抗匹配,从而保证所有的电气性能达标。

接触件的弹性接触可以保证浮动,但对于光纤采用标准的MT插芯的连接器,可以采用模块整体浮动的设计(图2(b))。MT装入连接器插座内腔,通过弹簧压缩,能够有力地保证MT插芯在自然状态和对接状态下对接面贴合。在插头端不采用弹簧形式的结构,而是安装MT模块,使其相对于支架金属外壳整体浮动。

对于点片式的弹性接触,可以通过增大片的面积来扩大接触点位的可浮动范围。

2.4连接器的锁紧设计

对于面板用的I/0口混装连接器的锁紧,一般是通过法兰盘增加螺纹孔,如常见的圆形连接器、矩形连接器:对于印制板用连接器,有通过接触件自身与印制板的焊接或者压接后的保持力作为固定进行安装。

对于混装连接器来说,需要考虑各部分特性,一般都需要通过金属外壳上的螺纹、卡扣等结构与外部结构进行锁紧。

3混装连接器的试验测试

在对连接器各模块进行性能试验的同时,对于混装连接器的整体性能指标,尤其是环境性能指标和机械性能指标进行测试更为重要。常规的连接器试验只记录试验后的指标,并与常态下的指标或者规定指标进行对比,但对于混装连接器,在试验进行过程中实时测试各项指标更具有价值。

本文以一种光数模混装连接器的试验为例,真实模拟产品的实际使用情况,在按规范进行了各项测试后,额外增加了高低温保持状态下的性能测试以及随机振动和冲击试验,对试验过程中产品的各项性能指标进行实时监测,主要测试结果如表1所示。

从试验结果看,在振动环境和高低温环境下,连接器的电气性能指标除了某些固有物理特性随环境变化外,其他指标与常温下相差不大。

4结语

由于混装连接器其组成模块多、结构复杂,为保证其使用的可靠性,建议各模块在设计时考虑可拆卸替换性。混装连接器的设计是一个技术不断充实和拓展的发展过程,随着科技的进步,连接器也愈加往小型化、集成化方向发展,本文只是浅显地介绍了常用的混装连接器的设计,对于连接器更广泛的设计和使用,还需要更多的认知、学习和积累。