軍用多通道光纖連接器設計

， ， ，

(沈陽興華航空電器有限責任公司，沈陽， 110144)

1 引言

在光纖通信(傳輸)鏈路中，為了實現(xiàn)不同模塊，設備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要，必須有一種能在光纖與光纖之間進行連接的器件，使光路能按所需的通道進行傳輸，以實現(xiàn)和完成預定或期望的目的和要求，能實現(xiàn)這種功能的器件就叫光纖連接器[1]。

隨著光纖通訊技術的逐步推廣應用，以及航空、航天、艦船等設備傳輸和處理的數(shù)據(jù)量日益增大，保密及抗干擾能力要求不斷增強，促使新的軍事裝備中光纖傳輸逐步取代電纜傳輸，光纖連接器是光纖通信領域應用最廣泛的無源光器件之一，已經(jīng)逐漸被應用于軍用光纖通訊領域中[2]。因軍用設備的工作環(huán)境包括高空、海洋、沙漠、極寒等各種極端環(huán)境。在使用過程中，光纖連接器暴露出端面易污染、易損傷、不穩(wěn)定等問題。因此，對軍用光纖連接器的設計提出了更高的要求。

2 軍用光纖連接器的主要性能指標

2.1 光學性能

2.1.1 插入損耗

插入損耗是指光纖中的光信號通過連接器后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)。表達式見公式(1)，其中P1為輸出光功率，P0為輸入光功率。

(1)

相關軍用標準中對軍用光纖連接器插入損耗值進行了規(guī)定，如表1，為MIL-PRF-29504/4C中規(guī)定的插入損耗值。

表1 插入損耗最大值

2.1.2 回波損耗

回波損耗是指光纖中的光信號通過連接器后，后向反射光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)。其表達式見公式(2)，其中Pr為后向反射光功率，Pi為輸入光功率[3]。

(2)

相關標準如GJB 1919A-2009中規(guī)定，回波損耗應不小于40dB。

2.1.3 重復性

重復性是指同一對插頭，在同一只適配器中多次插拔之后，其插入損耗的變化范圍，單位用dB表示。

2.1.4 互換性

互換性是指同一型號連接器互換時插入損耗的變化，也用dB表示。

2.2 機械性能和環(huán)境性能

軍用光纖連接器機械性能和環(huán)境性能指標主要包括：機械壽命、溫度、振動、沖擊、鹽霧、潮濕、霉菌等。

軍用光纖連接器工作溫度范圍為：-55℃～125℃，機械壽命通常要求不小于500次。溫度、振動、沖擊、鹽霧、潮濕、霉菌等根據(jù)產(chǎn)品使用要求確定。一般軍用光纖連接器使用時參照MIL-PRF-29504、GJB 1919A-2009、GJB 1217A-2009等標準要求考核。

3 軍用光纖連接器設計示例

3.1 設計原理

光纖連接器的基本原理是采用某種機械和光學結構，利用陶瓷套管將光纖的兩個端面精密對接起來，實現(xiàn)光纖端面物理接觸，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去。

3.2 軍用光纖連接器簡化模型

3.2.1 軍用光纖連接器模型示例

光纖連接器的簡化模型如圖1所示，其核心結構是對插的兩個殼體(殼體1和殼體3)中包含對接接觸的光纖接觸件，光纖接觸件前端的插針體從兩端插入殼體2中的套管內(nèi)部相互接觸并保持一定的端面壓力。

套管與兩端接觸件之間為高精度小間隙或小過盈配合，從而保證了插針中光纖之間的同軸，兩個插針體在外力(例如在接觸件內(nèi)安裝彈簧，由彈簧提供外力)的作用下迫使光纖端面緊密接觸，從而實現(xiàn)了光纖之間的物理對接。

圖1 光纖連接器模型示例

3.2.2 接觸件設計示例

因光纖連接器是通過光纖面與面的物理接觸而實現(xiàn)信號傳輸?shù)?，故為了便于實現(xiàn)有效的物理接觸，需為連接器設計彈性結構。如MIL-PRF-29504標準將彈性機構設計在光纖插孔端，如圖2：

圖2 MIL-PRF-29504光纖接觸件

為了防止插孔接觸件上的彈簧與連接器孔腔內(nèi)的定位機構(如卡爪)產(chǎn)生阻礙，也可以將彈性結構設計在接觸件內(nèi)部，如符合ARINC801標準的光纖接觸件，見圖3。

圖3 ARINC801 光纖接觸件

3.3 精度設計

軍用光纖連接器屬于精密元器件，設計精度是必須考慮的因素之一。設計精度不足會導致光纖連接器出現(xiàn)損耗過大甚至失效的現(xiàn)象。由設計精度不足引起的損耗主要包括錯位損耗、間隙損耗、傾斜損耗等(見圖4至圖6)。

由于纖芯橫向錯位引起的損耗叫錯位損耗。它是產(chǎn)生連接損耗的重要因素之一。

圖4 錯位損耗示例

在光纖端面連接處，由于端面存在間隙而引起的損耗叫間隙損耗。

圖5 間隙損耗示例

在光纖連接處，由于兩光纖軸線的角度傾斜而引起光功率的損耗稱為傾斜損耗。

圖6 傾斜損耗示例

設計時，應對配合尺寸進行嚴格的計算。包括零件精度、孔位精度、孔腔同軸度、接觸長度等等?？孜痪群涂浊煌S度精度過低會引起錯位和傾斜損耗，而零件精度要求過低，會導致接觸長度不足(間隙損耗)或過量接觸(導致連接器縮針現(xiàn)象)。需要說明的是，從生產(chǎn)、工藝和成本的角度講，嚴格的零件公差并不一定能實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品。因此，合理的零件公差設計才能實現(xiàn)產(chǎn)品的高性價比。

3.4 結構簡化性設計

提高產(chǎn)品設計精度，除了尺寸公差設計，還可以從簡化產(chǎn)品裝配的角度進行設計。從累計公差的角度來看，尺寸鏈的數(shù)目越少，裝配關系越簡單，累計的公差越小，所以在設計產(chǎn)品時，在滿足產(chǎn)品性能及生產(chǎn)工藝的前提下，可以盡量的減少裝配關系。

3.5 可靠性設計

因軍用光纖連接器需要長期使用在振動、沖擊等環(huán)境中，故對光纖連接器彈性機構、定位機構、防護等可靠性設計是不可忽視的。

3.5.1 彈性機構的可靠性設計

以符合MIL-PRF-29504標準的光纖連接器為例，為保證光纖連接器在震動、沖擊環(huán)境下能保證有效接觸，除了為連接器鎖緊機構設計防松結構，還要對光纖接觸件的彈性機構即彈簧進行合理設計。圖7為光纖插針與插孔對接示意圖，彈簧設計時，應盡量選用等節(jié)距彈簧，可以保證彈簧力成線性關系，并且能保證光纖插孔裝配后的同心度，裝配后的彈簧在非工作狀態(tài)下，彈簧力應大于陶瓷套筒的插拔力。彈簧的合理性設計，可有效避免連接器在震動、沖擊環(huán)境下信號瞬斷的現(xiàn)象，從而提高軍用光纖連接器的可靠性。

圖7 光纖接觸件對接示意圖

3.5.2 定位機構的可靠性設計

以ARINC801標準光纖連接器為例，該系列光纖連接器通過改進內(nèi)部結構提升光纖連接器的對接可靠性，主要增加了定位結構(定位銷)來保證連接器在對接過程中通過引導使光纖接觸件準確連接，從而減少因為定位不準引起的陶瓷插芯碎裂等問題，同時對光纖接觸件也進行了重新設計，增加了光纖接觸件的定位功能，杜絕接觸件在連接器內(nèi)轉(zhuǎn)動的可能性，從而避免連接器在對接過程中以及振動沖擊等環(huán)境下光纖接觸件陶瓷端面因轉(zhuǎn)動形成的劃傷。

圖8 ARINC801標準光纖連接器

3.5.3 防護設計

光纖產(chǎn)品對清潔度要求較高，故光纖連接器需設計防塵機構，如為產(chǎn)品設計防塵保護蓋。同時，為了束線和耐潮濕，還應該根據(jù)所用光纖線徑為軍用光纖連接器設計封線體，設計封線體時應注意封

線體孔腔與光纖導線直徑的配合尺寸，配合尺寸過大會失去束線效果，配合尺寸過小會存在封線體抱緊力大而導致彈性件(彈簧)失效的隱患。良好的防護設計，也是提高光纖連接器可靠性的方法之一。

3.6 產(chǎn)品結構通用化、系列化設計

軍用光纖連接器可以通過提高普通軍用電連接器精度，改用光纖接觸件的方法而實現(xiàn)。由于光纖接觸體的特殊性，所以在進行產(chǎn)品設計時，除了需要進行產(chǎn)品結構、參數(shù)等方面的考慮，同時需要考慮產(chǎn)品的標準化、系列化設計，包括光纖接觸體的標準化設計；連接器軸向、徑向定位尺寸一致性等系列化設計。

由于存在不同系列連接器所用接觸件接口尺寸的不一致問題，所以應保證同系列接觸件的通用化、系列化設計及接口尺寸相近的系列連接器的標準化設計。

4 結論

光纖通訊的迅猛發(fā)展對軍用光纖連接器提出苛刻要求的同時也為軍用光纖連接器的發(fā)展提供了市場機遇，光纖連接器在軍用連接器市場的比重將逐漸提高。通過對軍用光纖連接器合理的設計，可以有效的提高軍用光纖連接器的性能。本文主要針對軍用光纖連接器的設計，提出一些觀點和看法，僅供對此感興趣的讀者參考。

參考文獻：

[1] 李玲 黃永清《光纖通信基礎》.北京.國防工業(yè)出版社，2000年.

[2] 吳世湘《軍用連接器技術發(fā)展趨勢》電子產(chǎn)品世界 2004年8月.

[3] 李躍輝，光纖通信網(wǎng)，西安電子科技大學出版社，2009年.