插入式连接技术面临的新挑战及应对方案.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1481 连接技术发展趋势传统的电子连接器结构形式为插入式，即通过插头和插座的插合实现连接器内部接触件的导通，随着电子设备朝着轻型化、小型化、无线化、智能化等方向发展，对连接技术也提出了更高更新的需求1。现有插入式连接方式因起固有的结构形式，在小型化、智能化等方面存在一定的局限性。随着电子技术的发展，插入式连接技术面临着诸多挑战。陈刚国等学者2-5从应用场景、国内发展趋势、现有连接技术的优缺点等方面论述了连接技术及连接器产品的发展趋势，为连接技术的工程化提供了借鉴。本文基于新装备的发展趋势和插入式连接技术的结构特点，论述了插入式连接方式的局限性，结合当前新型连接技术的发展趋势给出了相应的应对方案。同时论述了连接技术发展趋势。1.1 小型化和低矮化的局限性根据电接触理论，接触件的正压力和传输性能直接相关，正压力越大，接触电阻越小，传输性能越好。正压力的方向和接触件弹片变形方向保持一致。如图 1 所示。正压力主要是插孔弹性变形产品。定义参数 L0代表接触部位至根部距离，参数 b 代表插孔宽度，参数 h代表插孔厚度，参数 代表对插后接触部位的变形量。假设接触件在纯弹性范围，即多次插拔后接触件不发生塑性变形。力平稳时的正压力F计算公式如式（1）所示。根据正压力的计算公式，正压力主要和插孔的结构参数和插头与插座的装配关系决定。（1）传统插入式接触技术，接触件一般为回转体或片式结构，使用时接触件的插针和插孔沿其轴向运动，接触力由插孔的径向过盈产生。接触正压力的方向和插合方向垂直，如图 2 所示。根据插入式接触件的结构特点可知，插合过程不会影响正压力，同时额外引入了插拔过程和插拔力。应用中，为保证产品的可靠性，需要预留一定的插入深度和摩擦距离，通常插入深度应大于 1mm。因此插入式连接技术面临的新挑战及应对方案郭建设付金辉*高玉涛（中航光电科技股份有限公司 河南省洛阳市 471003）摘要：本文基于新装备的发展趋势和插入式连接技术的结构特点，论述了插入式连接方式的局限性，结合当前新型连接技术的发展趋势给出了相应的应对方案。同时论述了连接技术发展趋势。传统的电子设备中普遍采用插入式的电子连接器，随着电子技术发展，插入式连接方式在小型化和低矮化、盲插及浮动功能、智能无线化等方面还存在一定的局限性。端面连接技术、无线传输技术可有效解决插入式连接面临的问题，在高速信号传输、光信号传输、集成信号传输方面取得了一定的突破，并形成了相应的解决方案；随着未来设备功能的拓展和基础技术的发展，连接技术向着结构功能一体化、智能化等方向发展。关键词：连接技术；插入式连接；端面接触；智能无线；结构功能一体化图 2：插入式接触件结构特点图 1：接触件正压力电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering149需在设备安装位置预留一定的插拔操作空间，从而增加了设备的整体体积，不利于设备的小型化和低矮化。1.2 盲插及浮动的局限性根据插入式连接器的结构特点，插入过程需保证插针和插孔具有一定的同轴度。如图 3 所示。对矩形连接器，为保证精确接触，连接过程需保证一定的引导精度，当引导精度不满足时，接触件在插孔的受力不均，影响接触件的力学性能和电学性能。极端情况下，插针和插孔无法顺利插合，造成接触件的损坏和接触力的劣化，影响接触件的功能。如矩形 LRM 系列连接器，单腔芯数多达 400 芯。需设计三级引导结构，通过导销、壳体和绝缘体的引导，实现插针和插孔的配合。如图 4 所示。设计时通常会要求产品装配后需获取插针的中心并得到其坐标值，假设为(x1,y1)，假设理想位置为(x0,y0)，则插针的位置度为。一般要求插合端位置度应 0.15mm。同时，部分设备在对插方向有浮动要求，接触件的插入深度直接影响了插合方向的浮动量。随着设备结构越来越复杂，连接部位的精度也受到影响，有时无法满足插入式连接器对同轴度的要求。因此插入式连接无法满足自浮动大容差的盲插需求，对连接精度的要求一定程度上限制了设备的发展，不符合设备整体的发展趋势。1.3 产品整体功能智能化、无线化的局限性插入式连接器为保证其功能，插孔发生弹性变形，插针和插孔的接触部位具有一定的作用力。作用力使接触部位产生一定的接触区域，电信号通过接触区域实现导通。当连接器用在有一定插拔要求、温度、振动冲击等环境中时，接触件会发生磨损、应力松弛等行为，造成接触部位信号传输能力下降甚至失效，从而影响连接器的可靠性，整个插拔过程对接触的可靠性带来负面影响。因此，插入式连接器的接触形式对可靠性带来的影响是未来面对的挑战之一。如图 5 所示。插入式连接器主要由接触件、绝缘体、壳体组成，插头和插座通过锁紧机构实现相互固定。应用中还需设计端接结构和线缆进行连接。集成化连接器虽然能同时传输光、电信号，但两种信号通过机械结构实现集成，图 3：对插时同轴度要求图 4：LRM 连接器对插示意图和密度图 5：接触件磨损状态电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering150相互之间无耦合关系。随着智能技术发展，对连接器的智能化也提出了要求，当前，插入式连接器主要部件由机械零件构成，零部件之间至存在装配关系，无其他功能。零部件之间的连接关系不利于连接器整体的智能化设计。如图 6 所示。综上。随着连接技术的飞速发展，在面对新的技术需求时，插入式连接器的结构形式、应用方式等所存在的局限性在逐步凸显，面临着越来越多的挑战。2 应对方案针对挑战，结合当前对连接技术的需求和连接结构形式特点，未来可通过端面接触技术解决设备低矮化、大浮动等方面的需求；可通过无线传输技术解决接触、插拔过程引起的可靠性问题；可通过连接器的智能化技术拓展连接器的结构形式和整体功能。2.1 端面接触弹性连接技术端面接触技术作为一种较为新颖的接触技术，接触力由轴向弹性接触产生。连接器配合过程中的力与位移和产品性能直接相关，产品实现配合的过程同样也是产品实现其功能的过程。端面接触弹性连接技术通过点与面的接触实现可靠连接，无需通过插入接触实现连接，没有接触件长度的限制及插孔直径的限制，可以实现小型轻薄化，同时点与面的接触可以实现 X/Y 方向（垂直工作方向）大范围的偏移接触，Z 方向（工作方向）的弹性可以消除用户板间的公差累积实现浮动接触，可以实现盲插连接传输。端面接触技术能够更好的满足机载、雷达片式 T/R组件及单兵作战设备等武器平台对连接器扁平低矮化、小型化、轻量化、易清洁、X/Y/Z 浮动等方面的需求。如图 7 所示。端面接触弹性连接技术产品包括弹簧针、毛纽扣、斜圈弹簧、表带触指等，这些端面接触产品不但能实现超薄化和低矮化，还可满足高速、射频以及大电流的传输。在超薄化和低矮化方面，最小板间距可达 0.5mm;最小孔间距 0.5mm0.5mm；在 XYZ 三个方向可实现大浮动应用，系统容差大。在信号传输方面，实现高速（56Gbps）、射频（40GHz）、低频、大电源（100A）信号集成化传输。如图 8 所示。2.2 无线传输技术2.2.1 无线电传输技术无线电传输技术又分为无线数据传输技术及无线电图 6：连接器结构图图 7：插入式与端面接触弹性连接接触对比示意图图 8：常用的端面接触形式接触件(a)弹簧针(c)斜圈弹簧(b)毛纽扣(d)表带触指电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering151能传输技术，用非接触方式进行信号传输连接，不存在机械触点接触及线缆连接。因此无线电传输具有无接触磨损、无接触式烧毁、寿命长、重量轻、密封性好、结构简单易维护及复杂环境适应性高等优点，在振动、冲击、高温等极端环境中的可靠性相对更高，是未来连接技术重要的发展方向。当前，无线数据传输的速率可达 6Gbps（距离100m），无线电能传输的功率高达 500W（85%电能传输效率）。未来无线电（数据电能）传输技术将向着更高速率、更大功率、更小体积、更强电磁兼容性同时支持更多传输通道的方向发展。如图 9 和图 10 所示。2.2.2 无线光传输技术无线光传输技术包括无线近场激光传输技术、无线远距离激光传输技术、无线室内可见光传输技术、无线水下可见光传输技术、无线激光传能技术等。相对无线电传输技术，无线光传输的可传输的数据量更大，距离更远。应用场景可覆盖深空、深海等，可实现武器舱段之间大数据传输、星际间远程数据传输、水下空间站无线数据传输及远程激光点火等场合的通信。无线光传输可避免电磁干扰，同时具备产品重量轻、成本低等优点。通过无线光传输，可允许连接设备之间有一定的浮动和错位，减小设备之间的距离。如图 11 所示。当前，无线光传输的速率可达 10Gbps（近场距离30mm），远场通信场景，速率可达 500Mbps(远距离1Km)。基于光传输的优势，无线光传输具备多种调制及信道编码，如 16QAM、64QAM、OFDM 等。如图图 9：多通道高速无线电传输连接器(a)无人机无线充电(b)汽车无线充电图 10：无线电传输应用场景(a)板件无线光传输(b)可见光无线传输图 11：无线光传输技术(a)无线水下远距大广角可见光通信组件(b)自由空间激光传输产品(c)多芯阵列无线光传输组件图 12：无线光传输技术典型产品电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering15212 所示。随着无线传输技术的发展，未来会推动连接技术向空天地海一体化方向发展，激发出更多的应用需求。3 连接技术未来发展方向3.1 结构功能一体化互连技术当前电子设备的功能越来越丰富，但设备体积在不断缩小，整体向轻薄化、小型化方向发展，给连接器组件的小型化、轻量化和集成化提出了更高的要求6。因此未来连接组件不但要承担连接的功能，还需要和设备的功能进行集成。结构功能一体化连接技术可以分为无缆结构功能一体化连接技术和共形天线结构功能一体化连接技术。无缆结构功能一体化互连技术从全链路角度，用高集成度的器件取代电缆组件、光缆组件、连接器组件等，或者将组件整体集成在结构件内，实现设备的一体化、轻量化、小型化。无缆化技术涉及光波导技术、无线传输技术、光电复合技术等。目前无缆化可实现光模块、光电复合板、光波导的高精度耦合，支持 40GHz 射频信号、25Gbps 差分信号和 24 芯光接触件的高密度光电集成无缆化链路系统。如图 13 所示。3.2 智能化连接技术当前，大部分连接器为机械产品，产品的零部件主要为固定、绝缘和支撑作用，除接触件外，产品其他零部件不参与信号传输。相对传统形式的连接器，智能化连接是在连接器组件中增加传感器、芯片或者微处理器，使连接器具备自感知、自决策、自存储等功能，实现工作状态信息的感知、处理、存储和决策，实现大数据分析、故障检测、健康寿命预测、智能调控等系统功能。在整体结构不发生重大变化的前提下，产品的功能得到了拓展。如图 14 所示。随着光纤技术、光波导技术的发展，针对光纤传输产品，可将光传输技术和光纤传感技术相融合，应用到系统感知、光链路组件、光电复合背板、连接器组件等系统中，通过光纤传感产品的信号变化感知设备的变形、应力等变化状态，通过信号反馈，最终实现整机的生态网络系统，实现大数据分析、故障检测、健康状态检测、图 13：无缆结构功能一体化链路图 14：典型智能化连接组件图 15：智能光纤传感连接技术电力与电子技术Power&Electronical Techno