接觸式盲插連接器在T/R組件中的應(yīng)用*

李?yuàn)檴櫍T良辰

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039）

引 言

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的核心部件之一。隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，大型相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的口徑以及天線單元的數(shù)量都在逐漸增大，相應(yīng)地，陣面上集成的T/R組件數(shù)量也在快速增加，而對(duì)T/R組件的體積和重量限制卻越來越嚴(yán)苛，使得高集成、小型化成為T/R組件發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于T/R組件的集成度越來越高，其內(nèi)部互連設(shè)計(jì)也必須越來越微小型化。新型接觸式盲插連接器因其互連尺寸小、重量輕等優(yōu)勢(shì)逐漸在T/R組件中，特別是在板間垂直互連的場(chǎng)合得到應(yīng)用。

通過對(duì)比插合式盲插連接器及接觸式盲插連接器的互連差異性，梳理出接觸式盲插連接器在T/R組件中應(yīng)用需要關(guān)注的關(guān)鍵問題。結(jié)合某T/R組件中的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)基于接觸式盲插連接器的互連方案進(jìn)行了驗(yàn)證以及優(yōu)化。結(jié)果表明，接觸式盲插連接器滿足T/R組件的性能要求，可在工程應(yīng)用中推廣使用。

1 T/R組件中連接器的應(yīng)用現(xiàn)狀

T/R組件是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)工程，其互連設(shè)計(jì)需要在有限的空間及重量條件下將若干相互孤立分散的模塊或系統(tǒng)融合成一個(gè)有機(jī)的整體[1]。各個(gè)模塊或系統(tǒng)之間采用電連接器進(jìn)行互連，為信號(hào)傳輸提供可靠渠道。電連接器可分為盲插及非盲插2大類。盲插連接器因?yàn)檎加皿w積小、互連快速方便等優(yōu)點(diǎn)在雷達(dá)電子設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用，也是實(shí)現(xiàn)T/R組件輕小型化的必然選擇[2–5]。

目前，T/R組件主要選用具有自浮動(dòng)功能的插合式盲插連接器以實(shí)現(xiàn)各模塊或系統(tǒng)間的信號(hào)互連。插合式盲插連接器需要成對(duì)使用插頭和插座，通過針孔配合連接來傳輸信號(hào)，其連接示意圖如圖1所示。根據(jù)傳輸信號(hào)頻率的不同，常用來傳輸射頻信號(hào)的插合式盲插連接器有BMA，SMP，TMA等系列，傳輸?shù)皖l信號(hào)的插合式盲插連接器有J30J，J63，CJ19等系列[6]。

圖1 插合式盲插連接器連接示意圖

雖然常規(guī)插合式盲插連接器的使用已比較成熟，但其互連尺寸較大，不適合高密度、低矮化的互連場(chǎng)合，越來越無法滿足組件微小型化的連接需求。

2 接觸式盲插連接器及其選型

2.1 接觸式盲插連接器

接觸式盲插連接器通過獨(dú)立的金屬接觸件與印制板直接接觸來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，不需要進(jìn)行成對(duì)使用，可以在很大程度上減少連接器互連所需的空間尺寸，為T/R組件輕小型化及三維集成設(shè)計(jì)提供了新的互連解決方案。其連接示意圖如圖2所示。

圖2 接觸式盲插連接器連接示意圖

為了實(shí)現(xiàn)盲插設(shè)計(jì)，插合式盲插連接器主要通過設(shè)計(jì)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)來避免插合干涉問題，而浮動(dòng)機(jī)構(gòu)需要占用一定的空間，具有一定的重量。接觸式盲插連接器不存在干涉問題，它主要通過接觸件與印制板相對(duì)應(yīng)的焊盤之間的尺寸配合實(shí)現(xiàn)較大的徑向浮動(dòng)量，而接觸件自身具有彈性，可實(shí)現(xiàn)較大的軸向浮動(dòng)量。因此，與插合式盲插連接器相比，接觸式連接器具有體積小、重量輕、浮動(dòng)量大的優(yōu)勢(shì)。此外，接觸件尺寸小，可實(shí)現(xiàn)微小間距、高密度排列，更適合應(yīng)用在三維集成設(shè)計(jì)中。

2.2 接觸式盲插連接器的選用

目前在T/R組件中，接觸式盲插連接器主要用于層間或板間的垂直互連，涉及的信號(hào)接口類型包含射頻、控制、電源等。根據(jù)性能要求及使用場(chǎng)合，可以選用不同系列的接觸式盲插連接器。常用的接觸式盲插連接器有多芯彈簧針連接器、同軸毛紐扣連接器和表帶式大電流連接器，如圖3所示。

圖3 常用接觸式盲插連接器

彈簧針連接器可用于傳輸控制、電源等低頻信號(hào)以及頻率較低的射頻信號(hào)，可根據(jù)使用需要實(shí)現(xiàn)單端或兩端彈性。其優(yōu)點(diǎn)在于盲插互連浮動(dòng)量大，適合多點(diǎn)盲插場(chǎng)合，但對(duì)板間盲插距離有一定的要求，一般不小于4 mm。

毛紐扣連接器可用于傳輸?shù)皖l、射頻信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)高低頻混裝。它自身具有彈性，其軸向浮動(dòng)量與毛紐扣的長度正相關(guān)。毛紐扣連接器可實(shí)現(xiàn)高密度、更加低矮化的板間互連，但其軸向浮動(dòng)量比彈簧針連接器小。

表帶式大電流連接器用于傳輸電源信號(hào)，主要針對(duì)大電流。它具有盲插精度要求低、載流能力高、電壓降小、接觸電阻小、耐候性強(qiáng)等性能優(yōu)勢(shì)。其觸指頁片有多種規(guī)格型號(hào)，載流能力也有差別。

2.3 接觸式盲插連接器使用中的關(guān)鍵問題

結(jié)合接觸式盲插連接器的互連特性，在T/R組件內(nèi)使用時(shí)需要考慮以下幾個(gè)問題：

1）印制板接觸焊盤設(shè)計(jì)。印制板上與接觸式盲插連接器接觸的焊盤的尺寸及密度主要是根據(jù)相應(yīng)接觸件的尺寸及排布密度設(shè)計(jì)的，而焊盤與連接器接觸件的有效互連受到盲插精度等因素的影響，需要考慮實(shí)際使用時(shí)在最大盲插誤差下的有效接觸。接觸焊盤的尺寸直接影響盲插徑向浮動(dòng)量的大小，因此在充分考慮信號(hào)干擾等電性能設(shè)計(jì)要素的情況下，可以盡量加大接觸焊盤的尺寸以增加盲插徑向浮動(dòng)量。

2）軸向壓縮引起的變形量控制。在互連使用中，為了保證接觸式盲插連接器與印制板的可靠接觸，其接觸件具有一定的軸向壓縮彈力，該彈力作用到印制板上會(huì)使其變形，特別是在高密度、成組使用場(chǎng)合下，印制板的變形更為嚴(yán)重，進(jìn)而影響接觸件與焊盤間的有效接觸。因此對(duì)印制板的變形控制是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

3）特定環(huán)境條件下的接觸可靠性。使用接觸式盲插連接器進(jìn)行板間互連時(shí)，是通過接觸件與印制板焊盤間的端面接觸來傳輸信號(hào)的，且接觸件存在一定的壓縮彈力。在振動(dòng)沖擊等環(huán)境條件下，接觸件與焊盤之間存在接觸摩擦，長期使用可能會(huì)引起接觸件端面或焊盤的磨損。此外，彈簧針、毛紐扣等連接器在振動(dòng)沖擊環(huán)境中也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)傳輸瞬斷的現(xiàn)象。上述問題均可能降低接觸可靠性，影響電性能。因此，在使用T/R組件時(shí)，需要充分評(píng)估驗(yàn)證接觸式盲插連接器的環(huán)境適應(yīng)性。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以某T/R組件中使用的32芯彈簧針連接器為例，對(duì)連接器的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。彈簧針連接器的外形如圖4所示。設(shè)計(jì)的徑向浮動(dòng)范圍為±0.3 mm，軸向浮動(dòng)范圍為±0.5 mm。

圖4 彈簧針連接器的外形圖

彈簧針連接器使用的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示（?1～?4為盲插的軸向裝配誤差，?為總的軸向裝配誤差）。上層模塊及下層印制板均螺接固定在組件殼體腔體內(nèi)，彈簧針連接器的一端與下層印制板焊接固定，另一端與上層模塊內(nèi)焊接的印制板彈性地接觸互連。T/R組件中的印制板上共設(shè)計(jì)有8組彈簧針連接器與上層模塊互連。

圖5 彈簧針連接器的結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 盲插精度核算

盲插的軸向裝配誤差包括：1）下層印制板的安裝公差?1=±0.05 mm；2）下層印制板的厚度為2 mm，公差一般是板厚的±10%，即下層印制板的板厚公差?2=±0.2 mm；3）上層模塊的安裝公差?3=±0.05 mm；4）模塊內(nèi)焊接的印制板的安裝公差?4=±0.05 mm。因此，總的軸向裝配誤差?=?1+?2+?3+?4=±0.35 mm，小于連接器的軸向浮動(dòng)量。

為了控制徑向精度，在上下層間設(shè)計(jì)有定位銷孔用于盲插導(dǎo)向。以彈簧針連接器中某一芯的徑向誤差示意圖（圖6）為例，盲插的徑向誤差包括：1）銷孔的配合公差δ1=±0.05 mm；2）上層印制板焊接處相對(duì)于銷的位置公差δ2=±0.08 mm；3）上層印制板上焊盤的位置公差δ3=±0.03 mm；4）彈簧針連接器的裝配公差δ4=±0.05 mm；5）下層印制板上連接器焊接孔相對(duì)于銷孔的位置公差δ5=±0.03 mm。因此，總的徑向誤差為δ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5=±0.24 mm，小于連接器的徑向浮動(dòng)量，滿足使用要求。

圖6 彈簧針連接器中某一芯的徑向誤差示意圖

3.2 印制板變形評(píng)估

在工程設(shè)計(jì)階段，可以借助有限元仿真工具高效評(píng)估印制板的變形情況。印制板的平面尺寸為236 mm×158 mm，通過上下分布的3組直徑為3.5 mm的孔安裝固定，如圖7（a）所示。

彈簧針連接器的彈力與其軸向壓縮量成正比。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在軸向浮動(dòng)范圍±0.5 mm的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的彈力范圍為32～54 N。由上述總的軸向裝配誤差可知，連接器的最小軸向壓縮量為0.5?0.35=0.15 mm，經(jīng)換算，與此最小壓縮量對(duì)應(yīng)的彈力值為35.3 N。

印制板連接器在靜載荷作用下的變形情況如圖7（b）所示。變形量最大值約0.11 mm，小于最小壓縮量0.15 mm，滿足連接器使用要求。

圖7 印制板的外形圖及變形云圖

3.3 環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估

首先，依據(jù)GJB 1217A—2009《電連接器試驗(yàn)方法》中方法2004（沖擊）及2005（振動(dòng)）的規(guī)定，分別對(duì)單獨(dú)的彈簧針連接器進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其電氣連續(xù)性。檢測(cè)結(jié)果顯示，其瞬斷時(shí)長均不大于10 ns，滿足標(biāo)準(zhǔn)中小于1μs的要求。其次，結(jié)合T/R組件整機(jī)性能測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。結(jié)果表明彈簧針連接器滿足組件的電性能要求。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述分析可知，在影響彈簧針連接器軸向誤差的各個(gè)因素中，印制板的板厚公差及印制板的變形誤差是主要的2個(gè)因素。為了提高互連的可靠性，可從降低這2個(gè)因素的影響入手進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1）增加印制板的固定孔排布密度，縮小孔間距，提高印制板的剛性，可有效減小印制板的變形[7]。在印制板水平方向?qū)ΨQ并等間距地排布不同數(shù)量的固定孔，運(yùn)用仿真手段分別評(píng)估上下排布2組、3組、4組（去除5組水平中心的1組孔）、5組固定孔時(shí)印制板的變形情況。連接器的最大變形情況見表1。從表1可知，排布5組固定孔可有效降低變形因素的影響。

表1 連接器變形情況 mm

2）優(yōu)化T/R組件的布局結(jié)構(gòu)，避免引入印制板的板厚公差。印制板的板厚公差與板厚正相關(guān)。受限于印制板電性能的需求以及工藝性，直接減小印制板板的厚公差很難實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選圖8所示的架構(gòu)，將盲插對(duì)接的上下層印制板布局安裝在結(jié)構(gòu)件的上下兩面，則印制板的安裝面均為連接器的實(shí)際接觸面，上下層印制板的板厚尺寸均不在連接器對(duì)接距離的累積范圍內(nèi)，連接器的軸向誤差計(jì)算就可以避免引入印制板的板厚公差，可以有效提高盲插的軸向精度。

圖8 結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語

雖然接觸式盲插連接器在T/R組件中的應(yīng)用還處于早期階段，相關(guān)研究和應(yīng)用實(shí)踐較少，但在模塊化、高集成、輕小型化等方面已展現(xiàn)出了極其良好的效果。它在多型T/R組件中的成功應(yīng)用可以為其在更廣泛工程領(lǐng)域的使用提供一定的借鑒。目前，接觸式盲插連接器主要應(yīng)用在振動(dòng)沖擊量級(jí)較低的地面或艦載等領(lǐng)域的T/R組件中，在機(jī)載等振動(dòng)沖擊量級(jí)高的領(lǐng)域尚未得到推廣。它在高強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下的接觸可靠性以及長期使用后的性能穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。