接觸式盲插連接器在T/R組件中的應用*

李姍姍，譚良辰

（南京電子技術研究所，江蘇南京210039）

引 言

T/R組件是有源相控陣雷達系統中的核心部件之一。隨著雷達技術的不斷發展，大型相控陣雷達天線陣面的口徑以及天線單元的數量都在逐漸增大，相應地，陣面上集成的T/R組件數量也在快速增加，而對T/R組件的體積和重量限制卻越來越嚴苛，使得高集成、小型化成為T/R組件發展的必然趨勢。由于T/R組件的集成度越來越高，其內部互連設計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、重量輕等優勢逐漸在T/R組件中，特別是在板間垂直互連的場合得到應用。

通過對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組件中應用需要關注的關鍵問題。結合某T/R組件中的應用實例，對基于接觸式盲插連接器的互連方案進行了驗證以及優化。結果表明，接觸式盲插連接器滿足T/R組件的性能要求，可在工程應用中推廣使用。

1 T/R組件中連接器的應用現狀

T/R組件是由多個子系統組成的復雜的機電一體化系統工程，其互連設計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融合成一個有機的整體[1]。各個模塊或系統之間采用電連接器進行互連，為信號傳輸提供可靠渠道。電連接器可分為盲插及非盲插2大類。盲插連接器因為占用體積小、互連快速方便等優點在雷達電子設備中得到越來越廣泛的應用，也是實現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功能的插合式盲插連接器以實現各模塊或系統間的信號互連。插合式盲插連接器需要成對使用插頭和插座，通過針孔配合連接來傳輸信號，其連接示意圖如圖1所示。根據傳輸信號頻率的不同，常用來傳輸射頻信號的插合式盲插連接器有BMA，SMP，TMA等系列，傳輸低頻信號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立的金屬接觸件與印制板直接接觸來實現信號傳輸，不需要進行成對使用，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計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

為了實現盲插設計，插合式盲插連接器主要通過設計浮動機構來避免插合干涉問題，而浮動機構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應的焊盤之間的尺寸配合實現較大的徑向浮動量，而接觸件自身具有彈性，可實現較大的軸向浮動量。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、浮動量大的優勢。此外，接觸件尺寸小，可實現微小間距、高密度排列，更適合應用在三維集成設計中。

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，涉及的信號接口類型包含射頻、控制、電源等。根據性能要求及使用場合，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、電源等低頻信號以及頻率較低的射頻信號，可根據使用需要實現單端或兩端彈性。其優點在于盲插互連浮動量大，適合多點盲插場合，但對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低頻、射頻信號，可實現高低頻混裝。它自身具有彈性，其軸向浮動量與毛紐扣的長度正相關。毛紐扣連接器可實現高密度、更加低矮化的板間互連，但其軸向浮動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，主要針對大電流。它具有盲插精度要求低、載流能力高、電壓降小、接觸電阻小、耐候性強等性能優勢。其觸指頁片有多種規格型號，載流能力也有差別。

2.3 接觸式盲插連接器使用中的關鍵問題

結合接觸式盲插連接器的互連特性，在T/R組件內使用時需要考慮以下幾個問題：

1）印制板接觸焊盤設計。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相應接觸件的尺寸及排布密度設計的，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，需要考慮實際使用時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量的大小，因此在充分考慮信號干擾等電性能設計要素的情況下，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使其變形，特別是在高密度、成組使用場合下，印制板的變形更為嚴重，進而影響接觸件與焊盤間的有效接觸。因此對印制板的變形控制是設計中需要重點關注的問題。

3）特定環境條件下的接觸可靠性。使用接觸式盲插連接器進行板間互連時，是通過接觸件與印制板焊盤間的端面接觸來傳輸信號的，且接觸件存在一定的壓縮彈力。在振動沖擊等環境條件下，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沖擊環境中也會出現信號傳輸瞬斷的現象。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，需要充分評估驗證接觸式盲插連接器的環境適應性。

3 應用實例

本文以某T/R組件中使用的32芯彈簧針連接器為例，對連接器的應用進行了驗證。彈簧針連接器的外形如圖4所示。設計的徑向浮動范圍為±0.3 mm，軸向浮動范圍為±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構形式如圖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，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計有8組彈簧針連接器與上層模塊互連。

圖5 彈簧針連接器的結構示意圖

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量。

為了控制徑向精度，在上下層間設計有定位銷孔用于盲插導向。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 印制板變形評估

在工程設計階段，可以借助有限元仿真工具高效評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。根據實測數據，在軸向浮動范圍±0.5 mm的范圍內，對應的彈力范圍為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，經換算，與此最小壓縮量對應的彈力值為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 環境適應性評估

首先，依據GJB 1217A—2009《電連接器試驗方法》中方法2004（沖擊）及2005（振動）的規定，分別對單獨的彈簧針連接器進行試驗，測試其電氣連續性。檢測結果顯示，其瞬斷時長均不大于10 ns，滿足標準中小于1μs的要求。其次，結合T/R組件整機性能測試進行驗證評估。結果表明彈簧針連接器滿足組件的電性能要求。

3.4 優化設計

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

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]。在印制板水平方向對稱并等間距地排布不同數量的固定孔，運用仿真手段分別評估上下排布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）優化T/R組件的布局結構，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。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現。優選圖8所示的架構，將盲插對接的上下層印制板布局安裝在結構件的上下兩面，則印制板的安裝面均為連接器的實際接觸面，上下層印制板的板厚尺寸均不在連接器對接距離的累積范圍內，連接器的軸向誤差計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 結構示意圖

4 結束語

雖然接觸式盲插連接器在T/R組件中的應用還處于早期階段，相關研究和應用實踐較少，但在模塊化、高集成、輕小型化等方面已展現出了極其良好的效果。它在多型T/R組件中的成功應用可以為其在更廣泛工程領域的使用提供一定的借鑒。目前，接觸式盲插連接器主要應用在振動沖擊量級較低的地面或艦載等領域的T/R組件中，在機載等振動沖擊量級高的領域尚未得到推廣。它在高強振動環境下的接觸可靠性以及長期使用后的性能穩定性仍需進一步研究和驗證。