盲插連接器在發(fā)射組件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟凡娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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盲插連接器在發(fā)射組件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟凡娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要為了提高陣列天線發(fā)射組件的互換性、維護(hù)性和可靠性要求，有效縮小設(shè)備體積，針對陣列天線集成特性，提出了一種新穎的發(fā)射組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。該方法是通過一個(gè)聯(lián)結(jié)在承力骨架的插接框架裝置，使發(fā)射組件的盲插電連接器進(jìn)行有效連接，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射組件的電信號傳輸。這種設(shè)計(jì)方法具有盲插特性和快鎖功能，支持系統(tǒng)配置正面操作，可實(shí)現(xiàn)小空間、高密度安裝。其模塊化設(shè)計(jì)不僅保證了發(fā)射組件的互換性、維護(hù)性和可靠性，還便于組織生產(chǎn)、調(diào)試和安裝。對設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的解決措施，保證了成品的合格率。

關(guān)鍵詞發(fā)射組件；電連接器；模塊化；互換性；維修性

0引言

陣列天線由許多個(gè)獨(dú)立的天線單元組成，每個(gè)天線單元后面都接有一個(gè)固態(tài)發(fā)射組件形成獨(dú)立的發(fā)射單元。一部規(guī)模較大的陣列天線有成千上萬套發(fā)射組件，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與平面陣列天線的總體方案息息相關(guān)，且形狀、體積對天線陣面的布局具有牽制作用[1]。

除此以外，發(fā)射組件電氣連接方式比較復(fù)雜，在組件內(nèi)部以及組件與天線單元之間都要用電連接器連接。其中任何一個(gè)電連接器失效都有可能導(dǎo)致整個(gè)部件失效。因此，發(fā)射組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要保證滿足本身電氣性能指標(biāo)，還要能夠?qū)崿F(xiàn)與天線單元互連的可靠性、可維修性、操作可達(dá)性、互換性和安全性等多項(xiàng)指標(biāo)，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部件。

本文在研究了相關(guān)報(bào)道[2-3]的基礎(chǔ)上，針對發(fā)射組件的實(shí)際應(yīng)用情況，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)技術(shù)[4]設(shè)計(jì)了一款適用于風(fēng)冷系統(tǒng)的發(fā)射組件。該發(fā)射組件與天線單元間采用盲插連接器連接，并與裝有鎖緊及定位裝置的插接框架配套設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，并且電連接性能安全可靠，信號傳輸穩(wěn)定，操作簡單易行，適宜組織批量生產(chǎn)。

1設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)模型

陣列天線系統(tǒng)的簡化模型如圖1所示，由陣列天線、電纜、承力骨架和發(fā)射組件4個(gè)層面組成。發(fā)射組件的安裝方式為垂直于承力骨架的安裝面，在這個(gè)安裝面上必須實(shí)現(xiàn)射頻電纜的可靠連接。面對的困難是：空間狹小，設(shè)備密集，不能使用工具且操作過程不可見。并且在設(shè)備安裝完成后，安裝面上的眾多電纜和電連接器維修困難。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要站在系統(tǒng)總體角度解決這些問題，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

圖1　陣列天線系統(tǒng)簡化模型

1.2方案選擇

發(fā)射組件在承力骨架上的裝配方式有2種：一種是集成式設(shè)計(jì)，即將數(shù)個(gè)發(fā)射組件設(shè)計(jì)成一個(gè)較大模塊，在模塊一端安裝多個(gè)盲插連接器插頭，在承力骨架上設(shè)計(jì)一塊背板，在背板上對應(yīng)安裝連接器插座，板對板間同時(shí)插拔；另一種是分散式設(shè)計(jì)，即為發(fā)射組件設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的插接框架，吊裝于承力骨架上，在插接框架背板上安裝盲插連接器，組件插合時(shí)僅有一個(gè)連接器對插合，獨(dú)立地完成一個(gè)發(fā)射通道的功能。

2種設(shè)計(jì)方案均能完成發(fā)射通道的功能，不同點(diǎn)在于：

① 集成式設(shè)計(jì)方案的承力骨架厚度尺寸大、復(fù)雜程度高，而分散式設(shè)計(jì)相對簡單、厚度尺寸小；

② 集成式設(shè)計(jì)需要較大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的面板設(shè)計(jì)，對剛性、加工精度和安裝精度有較高要求，以保證連接器對在插合時(shí)不易錯(cuò)位，而分散式設(shè)計(jì)幾乎不存在這一問題；

③ 集成式設(shè)計(jì)對連接器自身高度尺寸有一致性要求，否則多個(gè)連接器對同時(shí)插拔就很難保證每個(gè)連接器對都能插合到位；

④ 分散式設(shè)計(jì)更適合模塊化設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)模塊的互換性、維修性和測試性；

⑤ 分散式設(shè)計(jì)便于整機(jī)加工、裝配、調(diào)試和驗(yàn)收；

⑥ 分散式設(shè)計(jì)雖然安裝精度要求低，但在現(xiàn)場安裝插接框架的工作量會大一些。

通過以上綜合分析，考慮系統(tǒng)為地面應(yīng)用系統(tǒng)，現(xiàn)場安裝操作比較方便等因素，采用分散式設(shè)計(jì)方案更適合本系統(tǒng)應(yīng)用。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

明確了發(fā)射組件的安裝方案、對外接口等結(jié)構(gòu)要素，接下來的工作是根據(jù)加工方法、工藝流程、電磁兼容和散熱等各種需求來完成所有零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。本文僅就盲插結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電連接器選擇、主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和盲插誤差分析4個(gè)部分做出介紹。

2.1盲插結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射組件與插接框架插合前后示意如圖2所示。在組件面板和插接框架的背板上分別安裝了盲插連接器的插頭、插座以及導(dǎo)向定位裝置。在插接過程中，發(fā)射組件面板與插接框架四周的導(dǎo)向件先行接觸，進(jìn)行一級導(dǎo)向定位，繼而組件面板上的定位銷與插接框架上的定位套接觸，進(jìn)行二級導(dǎo)向定位，在定位銷錐度的作用下，定位銷與定位套趨于同心，從而實(shí)現(xiàn)精確定位導(dǎo)正，并糾正大部分誤差。所以在盲插連接器接觸時(shí)，只要插頭、插座的位置誤差滿足一定精度，就很容易使盲插連接器正確連接，完成整個(gè)插合過程[5]。

圖2　盲插結(jié)構(gòu)插接示意

2.2電連接器選擇

發(fā)射組件與天線單元之間的電連接器是二者信號傳輸?shù)奈ㄒ煌緩?，攸關(guān)每個(gè)發(fā)射通道信號傳輸?shù)某蓴∨c可靠性，必須慎重選擇。

在成品市場上有代表性的盲插連接器品種有BMA、TMA、SBX和N型，在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多[6]。盲插連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在插孔內(nèi)設(shè)計(jì)了軸向壓簧，通過壓簧變形使連接器芯子有一定的軸向和徑向浮動量，使設(shè)備在插合過程中可以有較大的容差。選用時(shí)需考慮其自身的電訊參數(shù)(如額定電壓、使用頻率范圍和接觸對數(shù)目等)和電連接器的使用環(huán)境、安裝方式、工藝水平、通用性、可靠性和互換性等，最終做出合適的選擇[7]。

考慮到本系統(tǒng)的安裝特性，以及在工作中偶然會發(fā)現(xiàn)有的射頻電連接器在某次插接時(shí)參數(shù)會有些變化的現(xiàn)象，遴選了4種型號的電連接器加工了20套樣件，分別進(jìn)行了電性能、機(jī)械性能專題試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中的一種N型連接器(插孔內(nèi)設(shè)計(jì)了上、下2個(gè)鈹青銅簧片，其軸向浮動量為1.42 mm，徑向浮動量為0.51 mm)在進(jìn)行了800次插拔試驗(yàn)后，其電訊參數(shù)以及連接緊密程度均沒有變化，完全滿足電氣性能指標(biāo)、可靠性和互換性要求，得到最終選用。

2.3主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

發(fā)射組件的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。主要組成模塊包括：殼體、面板、終端、功率放大器、濾波器、電源和鎖緊裝置等部分。其中，濾波器和功率放大器直接安裝于機(jī)殼底板上，散熱肋片用螺釘緊固于功率放大器上(裝配前在接觸面間涂導(dǎo)熱脂)，在所示終端位置安裝有3塊印制電路板。2塊面板直接安裝于殼體基板上，面板1上安裝有導(dǎo)向定位銷和盲插電連接器，面板2上除安裝有指示燈、開關(guān)和電連接器外，還安裝有鎖緊裝置[8]。

圖3　發(fā)射組件組成示意

2.3.1殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

殼體作為發(fā)射組件的主要零部件，是印制板電路和各種模塊的安裝載體，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要適合各種模塊的安裝，不能讓印制電路板和各種模塊承受外力。

發(fā)射組件的殼體采用5A06-F防銹鋁制造，這種材料具有良好的機(jī)械加工性能以及優(yōu)越的抗腐蝕性能。根據(jù)電路設(shè)計(jì)的需要，銑削加工成不同高度和大小的腔體與溝槽，三維模型如圖4所示。

圖4　發(fā)射組件殼體模型

在安裝印制電路板處銑削出了寬5 mm、厚4 mm的臺階，在其上鉆攻數(shù)個(gè)M2或M1.6的螺紋孔，通過螺釘固定使印制電路板周邊的地線帶與殼體接地良好；在安裝蓋板的腔體周邊銑削出了止口，以便嵌入蓋板；蓋板與殼體結(jié)合面的表面粗糙度為Ra3.2 μm，以保證接觸良好；在殼體兩端設(shè)計(jì)了U形斷面，在斷面上加工M4螺紋孔來固定面板。所有機(jī)加工完成后整體進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理。

2.3.2面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射組件有前后2塊面板(如圖3所示)，面板2是開放性的，并不與其他部件相關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)上不作嚴(yán)格要求。

面板1是盲插連接的關(guān)鍵零件，其剛度、尺寸公差和形位公差都應(yīng)有嚴(yán)格的要求。面板1的外形尺寸為110 mm×110 mm，厚4 mm，材料為5A06-O防銹鋁，兩大平面調(diào)平、砂光，四周進(jìn)行銑削加工，相鄰面的垂直度要求為0.15 mm。板面上的各組安裝孔尺寸采用對稱中心標(biāo)注，尺寸公差選擇±0.1 mm便能滿足裝配需求。

2.3.3插接框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插接框架起著承上啟下作用，不僅承擔(dān)著發(fā)射組件的2級導(dǎo)向任務(wù)，同時(shí)還是發(fā)射組件承力部件以及鎖緊固定的基礎(chǔ)。使用時(shí)先將其吊裝在承力骨架上，與承力骨架形成一個(gè)完整的剛性結(jié)構(gòu)。插接框架外形似一個(gè)籠子結(jié)構(gòu)，下端開放，頂端安裝連接器背板，四周邊安裝有導(dǎo)向件。四周邊的導(dǎo)向件作為一級導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向精度要求不高，在組件插入過程中能將組件限定在一定范圍，不會使組件傾斜太多而導(dǎo)致器件損壞即可。材料采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鋁型材作適當(dāng)機(jī)加工即能滿足要求。

在頂端的連接器背板上安裝了盲插插座和作為二級導(dǎo)向裝置的定位套。背板的剛度、形位公差等技術(shù)要求與發(fā)射組件面板1完全相同。定位套的材料采用不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)，表面耐磨鍍層處理。其設(shè)計(jì)尺寸要保證在組件插合過程中，定位銷(套)先于盲插連接器接觸。

二級定位裝置的另一個(gè)功用是同時(shí)兼作鎖緊裝置的定位。鎖緊裝置選用A類前緊定裝置，使用時(shí)在插接框架上安裝一個(gè)鎖緊塊，緊定裝置安裝在組件面板2上。在組件插合過程中，插接框架和組件在定位銷(套)的導(dǎo)向定位及鎖緊裝置作用下，有機(jī)地聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，完成組件緊固任務(wù)。

2.4盲插誤差分析

發(fā)射組件和插接框架都是機(jī)械加工零部件的裝配體，雖然在設(shè)計(jì)過程中對每個(gè)零部件的形位公差和尺寸公差都作了約束，但在生產(chǎn)過程中受生產(chǎn)批次、機(jī)床精度和操作者技術(shù)水平影響肯定存在加工和裝配誤差，不易保證各個(gè)單元精度一致性，進(jìn)而影響盲插連接的可靠性。主要體現(xiàn)在：

① 組件殼體基面與面板安裝面垂直度誤差；

② 面板1及背板的平面度誤差；

③ 面板1及背板上接插件與定位銷安裝孔位置誤差；

④ 接插件與定位銷與面板1垂直度誤差；

⑤ 面板1及背板的剛性變形誤差；

⑥ 定位銷(套)的同軸度誤差；

⑦ 插接框架周邊導(dǎo)向條與插接框架背板的垂直度誤差；

⑧ 來自電連接器的制造誤差。

由此可見，影響盲插連接精度的要素是多方面的。要保證這些誤差在合格的范圍內(nèi)還必須有一定的措施來保證。這些措施是：

① 選擇剛性好的材料，如5A06防銹鋁；

② 工藝操作上使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)一致；

③ 利用高精度的數(shù)控機(jī)床來加工；

④ 設(shè)計(jì)工裝夾具來保證加工、裝配精度；

⑤ 嚴(yán)格執(zhí)行工藝、檢驗(yàn)規(guī)程；

⑥ 保證盲插電連接器的一致性。

3工程應(yīng)用

按照上述盲插連接設(shè)計(jì)方案并結(jié)合熱設(shè)計(jì)、電磁屏蔽設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)出的發(fā)射組件已成功應(yīng)用在系統(tǒng)中。其分散式的盲插設(shè)計(jì)方法使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有了較大的靈活性和可擴(kuò)展性，解決了在空間狹小、設(shè)備密集、不能使用工具且操作過程不可見場合的設(shè)備安裝與集成難題。發(fā)射組件經(jīng)裝配、調(diào)試后按照系統(tǒng)要求完成了一系列的環(huán)境試驗(yàn)及整機(jī)驗(yàn)收。驗(yàn)收結(jié)果表明，該發(fā)射組件滿足系統(tǒng)提出的性能指標(biāo)要求，滿足系統(tǒng)易維護(hù)、高保障和維護(hù)性要求，其結(jié)構(gòu)完全能夠適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)應(yīng)用。

4結(jié)束語

發(fā)射組件采用N型盲插連接器的連接方式，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射組件的電信號傳輸以及各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不僅使得陣列天線系統(tǒng)中的射頻線纜數(shù)量大大減少，還降低了射頻信號損耗以及對安裝環(huán)境的要求。其模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便，成本低以及測試性和互換性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于批量生產(chǎn)和調(diào)試，對類似的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.21

收稿日期：2016-03-08

中圖分類號TN02

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0080-04

作者簡介

孟凡娟女，(1963—)，工程師。主要研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Application of Blind Plug Connectors in Transmitting Device Design

MENG Fan-juan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Abstractpaper introduces a new structural design of transmitting device based on the integrated features of array antenna.The design meets the device requirements for interchangeability,maintainability and operation reliability,and effectively reduces the system physical size.The design uses a plug frame coupled with a bearing skeleton to improve the connection of the blind plug connector and successfully transmits the electric signal from the transmitting device.The design supports both the blind-mate and fast-lock properties with human interface operating systems,and also supports high-density mounting in small space.The modular design guarantees the interchangeability,maintainability and reliability of the system and realizes easier production,testing and installation.The paper also discusses some key issues in the design process and provides corresponding solutions to ensure the qualification rate of products.

Key wordstransmitting device;electrical connector;modular design;interchangeability;miantainability

引用格式：孟凡娟.盲插連接器在發(fā)射組件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].無線電工程,2016,46(7):80-83.