呂慎剛，趙春林

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

盲配互連設(shè)計(jì)在T/R組件中的應(yīng)用*

呂慎剛，趙春林

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

盲配連接器具有體積小、重量輕、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，盲配設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速互連，是T/R組件模塊化、輕小型化、高集成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中分析了T/R組件的組成，介紹了設(shè)計(jì)中常用盲配連接器的種類以及機(jī)理，闡述了進(jìn)行盲配設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題，并將盲配連接器應(yīng)用到某T/R組件中實(shí)現(xiàn)盲配互連，對(duì)設(shè)計(jì)出的T/R組件通過(guò)小批量實(shí)物樣件進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠滿足T/R組件的性能要求。

T/R組件；互連；盲配

引 言

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)的不斷發(fā)展，輕量化、小型化的需求日益增長(zhǎng)，T/R組件也不斷向模塊化、輕小型化、高集成等方向發(fā)展，對(duì)T/R組件的設(shè)計(jì)也提出了越來(lái)越高的要求[1-2]。一部固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)均由數(shù)百、數(shù)千甚至上萬(wàn)套T/R組件組成，因此T/R組件的設(shè)計(jì)不僅要滿足其性能指標(biāo)，還要考慮其生產(chǎn)、調(diào)試以及后續(xù)的快速維修維護(hù)[3-4]。盲配連接器具有體積小、重量輕、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，采用盲配互連設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速互連，有利于組件內(nèi)部模塊化劃分，便于各功能模塊獨(dú)立封裝，可有效改善T/R組件的可生產(chǎn)性和可維修性,同時(shí)還可以有效減小組件的體積，因而有利于組件的輕小型化，組件內(nèi)部也容易設(shè)計(jì)成相互隔離的腔體以提高電磁兼容性能[5-8]。本文在闡述T/R組件組成、設(shè)計(jì)中常用盲配連接器的種類及機(jī)理、進(jìn)行盲配設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題的基礎(chǔ)上，將盲配連接器應(yīng)用到了某T/R組件中實(shí)現(xiàn)盲配互連，并對(duì)設(shè)計(jì)出的T/R組件進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)不僅能夠滿足T/R組件的性能要求，還能滿足其可生產(chǎn)性和維修性的要求。

1 T/R組件的組成與分析

T/R組件隨系統(tǒng)性能要求各有不同，具體電路的復(fù)雜程度也有很大差異。一般而言，T/R組件由多個(gè)電路和器件優(yōu)化組合而成，其中，發(fā)射通道包含單級(jí)或多級(jí)功率放大器，接收通道包含衰減器、限幅器和低噪聲放大器，收發(fā)通道共用的部分包括環(huán)行器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、控制電路等[2,9]。為了獲得良好的性能和穩(wěn)定可靠地工作，還可能增加其它功能電路。圖1為典型單通道T/R組件的原理框圖。

圖1 單通道T/R組件原理框圖

T/R組件設(shè)計(jì)是在有限的空間和重量條件下，將本來(lái)相互孤立、聯(lián)系松散或不同模塊的若干系統(tǒng)緊緊融合起來(lái)，整合成一個(gè)有機(jī)整體[2]。一個(gè)復(fù)雜的T/R組件可能包括發(fā)射、接收、饋線、波控、電源等諸多系統(tǒng)，它集高頻、低頻、大信號(hào)、小信號(hào)、數(shù)字和模擬信號(hào)于一體，其電磁兼容性要求高，因此各個(gè)系統(tǒng)之間需要可靠的互連。

2 盲配連接器及其選用

2.1 盲配連接器

電連接器用于系統(tǒng)中電能的傳輸和信號(hào)的傳遞與控制，根據(jù)傳輸信號(hào)頻率的不同可分為射頻連接器和低頻連接器。盲配連接器是電連接器的一種特殊類型，其種類也較多。T/R組件設(shè)計(jì)中常用的盲配射頻連接器包括SMP、SBMA、BMA、TMA等系列，盲配低頻連接器包括J63、J30J、CJ19、J16等系列。此外，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多路射頻盲配連接器和高低頻混裝盲配連接器(如圖2所示)，以簡(jiǎn)化對(duì)外接口和實(shí)現(xiàn)快速更換。

圖2 J127混裝盲配連接器

盲配連接器可分為固定型和浮動(dòng)型。固定型盲配連接器雖有一定的調(diào)整量，但調(diào)整量很有限，安裝精度要求高，成組使用時(shí)要求更高，一般用于模塊與模塊之間的連接；浮動(dòng)型盲配連接器設(shè)計(jì)有浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)較大的徑向或軸向浮動(dòng)，一般用于組件與背板之間的連接。

一種浮動(dòng)結(jié)構(gòu)是在連接器法蘭內(nèi)增加一個(gè)支撐彈簧，使連接器芯子能夠在法蘭內(nèi)有較大的軸向和徑向浮動(dòng)，該形式一般用于射頻連接器。在插合過(guò)程中，首先是插頭與浮動(dòng)插孔接觸，然后在插頭錐面的作用下徑向?qū)д?。為保證連接的可靠性，還必須保證彈簧在軸向上有一定的壓縮量，不同類型盲配連接器要求的壓縮量是不同的，與使用環(huán)境相關(guān)。如BMA浮動(dòng)型連接器徑向浮動(dòng)單邊有0.5 mm，其推薦的壓縮量為0.8 mm左右，如圖3所示。

圖3 BMA連接器浮動(dòng)對(duì)接

另一種浮動(dòng)結(jié)構(gòu)是在連接器法蘭上增加一組浮動(dòng)墊圈，使法蘭在徑向有較大的浮動(dòng)，但軸向浮動(dòng)較小，這可由連接器插針與插孔之間較大的有效接觸長(zhǎng)度來(lái)彌補(bǔ)，一般用于低頻連接器。在插合過(guò)程中，連接器上導(dǎo)向銷與浮動(dòng)連接器的定位孔首先接觸實(shí)現(xiàn)初步定位，繼續(xù)推進(jìn)插頭與插座外殼接觸實(shí)現(xiàn)精確定位完成插合, 如J30J盲配連接器的盲配，如圖4所示。對(duì)于尺寸較大的連接器(如J16、J127等盲配連接器)因外殼有足夠大的導(dǎo)向范圍可直接由外殼導(dǎo)向定位。

圖4 J30J盲配連接器浮動(dòng)對(duì)接

此外，還有一種雙插結(jié)構(gòu)形式可以多點(diǎn)盲配，其特點(diǎn)是在2個(gè)固定插座之間增加1個(gè)過(guò)渡連接器實(shí)現(xiàn)徑向的浮動(dòng)，例如SMP型連接器，如圖5所示。

圖5 SMP雙插結(jié)構(gòu)

2.2 盲配結(jié)構(gòu)機(jī)理

T/R組件與安裝機(jī)架設(shè)計(jì)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在插入過(guò)程中，T/R組件后面板上的定位銷首先與背板上的定位孔接觸，在定位銷錐面的作用下，定位銷與背板上的定位孔趨于同心，從而實(shí)現(xiàn)第一次定位導(dǎo)正。組件在第一次定位導(dǎo)正后繼續(xù)向前推進(jìn)，低頻連接器上的導(dǎo)向銷與連接器浮動(dòng)座板上的定位孔接觸，射頻連接器插頭與浮動(dòng)插孔接觸。由于前面的定位導(dǎo)正已糾正了大部分誤差，在插頭錐面的作用下，就很容易保證低頻連接器和射頻連接器各自的定位導(dǎo)正，從而完成組件與背板上連接器的整個(gè)插合過(guò)程[5]，如圖6所示。

圖6 盲配連接的結(jié)構(gòu)機(jī)理

2.3 盲配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

T/R組件內(nèi)部和外部有各種電氣連接，盲配互連設(shè)計(jì)需考慮以下幾方面的問(wèn)題。

(1)盲配連接器的選用

盲配連接器種類較多，設(shè)計(jì)人員必須了解各種連接器的類型、性能以及特定的使用場(chǎng)合。選擇時(shí)不僅要考慮電訊要素(包括額定電壓、工作電流、接觸電阻、匹配阻抗、電壓駐波比、使用頻率范圍、接觸對(duì)數(shù)目等)，充分考慮結(jié)構(gòu)要素(包括安裝方式、是否浮動(dòng)、浮動(dòng)量和外形尺寸等)，還要考慮浮動(dòng)連接器與電纜裝配成一體后是否有足夠的電纜彎曲空間，電纜固定后要使連接器接觸件的端接部位少受力或不受力[5]。需要特別指出的是，不同廠家生產(chǎn)的連接器精度和公差的控制可能不一樣，會(huì)影響連接器的盲配對(duì)接，所以建議成對(duì)使用。

(2)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于尺寸和重量較大的T/R組件，需要設(shè)計(jì)導(dǎo)軌，一是便于組件安裝，二是可以將組件與背板的徑向誤差控制在導(dǎo)向銷的導(dǎo)向能力范圍之內(nèi),因?yàn)橹豢窟B接器自身的導(dǎo)向很難滿足要求，需要二次導(dǎo)向。同時(shí)還需要做防誤差設(shè)計(jì)，避免誤插損壞連接器，最簡(jiǎn)單的方法就是將導(dǎo)向銷設(shè)計(jì)成不同的直徑。

(3)誤差控制與尺寸精度

T/R組件和背板是一個(gè)裝配體，需要保證其結(jié)構(gòu)精度的一致性，同時(shí)也要保證它們的相對(duì)位置精度，否則會(huì)影響連接器的良好對(duì)接甚至?xí)p壞連接器。在設(shè)計(jì)組件和背板時(shí)，應(yīng)盡可能將安裝連接器的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，因一次加工成型可以減少累積誤差。此外，浮動(dòng)型盲配連接器有較大的浮動(dòng)量，將連接器以及銷孔的孔間精度控制在0.1 mm左右基本能滿足要求；而固定型盲配連接器對(duì)精度要求高，不推薦用于組件與背板間的互連，組件內(nèi)部可適當(dāng)使用，精度越高越好。

(4)變形量控制

當(dāng)盲配的連接器成組使用時(shí)，軸向需要有較大的壓緊力來(lái)克服連接器的插入力和彈簧的預(yù)緊力，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)件變形，進(jìn)而導(dǎo)致插孔與插針對(duì)接不到位而影響電性能，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)件的剛度以減小變形。

3 應(yīng)用實(shí)踐

某T/R組件有8個(gè)通道，單個(gè)通道的發(fā)射峰值功率為500 W，采用強(qiáng)迫液冷冷卻，需要在陣面上實(shí)現(xiàn)快速安裝和維護(hù)?；谝陨弦?，設(shè)計(jì)時(shí)T/R組件的對(duì)外接口均采用盲配形式。小功率射頻信號(hào)、控制信號(hào)采用J127高低頻混裝盲配連接器，大功率射頻信號(hào)采用TMA盲配連接器實(shí)現(xiàn)了各種電信號(hào)的互連，并且水連接采用了盲配水接頭CGO05。此外，還設(shè)計(jì)了含有軸承的專用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)便于組件安裝，T/R組件的外形如圖7所示。

圖7 T/R組件外形

為滿足模塊化、維修性以及改善電磁兼容性的要求，T/R組件實(shí)行分層設(shè)計(jì)，層與層之間的信號(hào)垂直互連也均為盲配形式(BMA和J30J)，較好地解決了空間相互隔離的問(wèn)題，如圖8所示。經(jīng)測(cè)試，T/R組件的發(fā)射功率、接收增益、噪聲系數(shù)等性能指標(biāo)在規(guī)定的環(huán)境條件下均能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

微電子技術(shù)的不斷發(fā)展、微電子元器件和設(shè)備組裝密度的迅速提高推動(dòng)著互連技術(shù)研究的開(kāi)展。由于相控陣?yán)走_(dá)正朝著輕量化、小型化、高組裝等方向發(fā)展，T/R組件也不斷向模塊化、輕小型化、高集成等方向發(fā)展，互連等問(wèn)題也越來(lái)越突出，因此有必要借鑒這些先進(jìn)的技術(shù)并將它應(yīng)用于T/R組件的設(shè)計(jì)。

[1] 張光義. 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2000.

[2] 胡明春，周志鵬，嚴(yán)偉. 相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2010.

[3] 鐘劍鋒，張國(guó)民. 有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2000, 16(2): 15-17.

[4] 湯俊. 固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件批生產(chǎn)的質(zhì)量控制[J]. 電子機(jī)械工程, 2004, 20(4): 54-56.

[5] 謝旻. 電連接器及其在雷達(dá)和電子設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用科技, 2011, 38(3): 20-23.

[6] 金承立. 盲插射頻同軸連接器[J].電子機(jī)械工程, 1999, 15(5): 2-4,63.

[7] 陳竹梅. 有源相控陣?yán)走_(dá)射頻同軸連接器盲插機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2002, 18(5): 11-15.

[8] 蘇力爭(zhēng)，鐘劍鋒，張建增，等. S波段八通道數(shù)字T/R組件研究與設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2013, 35(9): 66-68.

[9] 謝武濤，呂慎剛，鄧云伯.一種星載L波段小型化T/R組件研制[J].現(xiàn)代雷達(dá), 2011, 33(10): 74-76.

Application of Blind Mating Interconnection Design in T/R Module

LV Shen-gang，ZHAO Chun-lin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Blind mating connecters have many advantages such as low volume, low weight and high reliability. Blind mating design can present an available method for fast interconnection, which is one of the most important techniques for modularization, miniaturization and high integration design of T/R modules. In this paper the composition of the T/R module is analyzed, the category and mechanism of blind mating connecters in common use are introduced in blind mating design and some key problems are described especially. The blind mating connecters are applied to a T/R module and an experiment is performed with several T/R module samples. The result shows that the design meets the performance requirement of the T/R module.

T/R module; interconnection; blind mating

2014-09-23

TN503+.5

A

1008-5300(2014)06-0019-03

呂慎剛 (1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。