衛星柔性印制板電纜網接口標準化設計研究

0 引言

衛星柔性印制板電纜網是衛星各分系統間電氣連接的關鍵組件，其設計優劣直接影響衛星的穩定運行。然而，當前衛星工程領域面臨一個顯著問題：星網單機設備的電接口由不同分系統及總體單位各自提供，各分系統提供給柔性印制板電纜網的接口規格缺乏統一標準，導致柔性印制板電纜網在構建過程中不得不兼容多種電連接器1。實踐表明，單顆衛星項目常常需要應對幾十甚至上百種不同的電連接器，這給柔性印制板電纜網的全生命周期管理帶來了嚴峻挑戰。

從生產進度管控來看，不同類型電連接器的生產準備流程差異大，部分小眾或定制化的電連接器訂貨周期長，嚴重影響項目推進節奏。在工藝實現層面，多樣化的電連接器意味著復雜的加工工藝，每種連接器都要求獨特的加工參數與操作流程，使得柔性印制板的制作過程復雜且艱難，測試難度呈指數級上升。從成本效益考量，繁雜的電連接器種類要求構建龐大復雜的備貨體系，增加了庫存管理的難度，導致成本居高不下。為有效破除這些發展桎梏，探尋衛星柔性印制板電纜網接口的標準化設計方案已刻不容緩。

1電氣接口的標準化設計

1.1 信號分類與接口標準化

為精準錨定電氣接口標準化的方向，首先對衛星系統中的各類信號進行分類。基于信號特性，將信號劃分為三大類別：功率信號、低頻低速控制信號和高頻高速控制信號。

1.1.1 功率信號接口標準化

針對供電、配電等大功率傳輸需求的柔性印制板電纜接口，選用標準密度電連接器。以J18M連接器為例，其電流承載能力強，導通電阻低，能滿足大功率傳輸對壓降及導通電阻的要求，同時適用于空間宇航用有磁性等級要求環境下的設備與電纜、電纜與電纜之間的電氣連接。在實際工程中，功率信號傳輸全面統一采用J18M連接器，可簡化設計與生產流程，大幅壓縮備貨周期。標準密度J18M連接器示意圖如圖1所示。

1.1.2 低頻低速控制信號接口標準化

對于低頻低速控制信號的柔性印制板電纜接□，適配高密度電連接器，如J30JZ系列或J30J系列電連接器，專為低頻低速控制信號優化。由于低頻低速控制信號對壓降及導通電阻的敏感度較低，設計重點是確保線路穩定導通。高密度連接器的應用與精簡的走線設計，可助力柔性印制板實現輕量化目標，削減原材料成本，優化生產效率。高密度J30J系列電連接器示意圖如圖2所示。

1.1.3 高頻高速控制信號接口標準化

對于高頻高速控制信號的柔性印制板電纜接口，必須采用專門的電連接器。例如，HJ30J連接器可勝任傳輸速率在 1.65Gb/s 以下的高頻信號；HSJ連接器則針對 3.125Gb/s 以下的高速信號表現出色。在高頻高速信號的布線實踐中，遵循差分對走線原則，著重考量線路的特性阻抗與信號傳輸的完整性。通過統一部署高頻高速電連接器，能簡化高頻信號柔性印制板的設計流程與測試流程。高頻高速電連接器示意圖如圖3所示。

1.1.4RS422、CAN、LVDS信號差分地合并

在處理RS422信號、CAN信號以及LVDS信號時，摒棄原有的導線差分地單點互聯模式，采用印制板布線差分地鋪銅技術。這一變革能夠有效削減信號干擾，為柔性印制板電纜網的穩定性筑牢根基，確保信號傳輸的精準無誤。差分地鋪銅設計示意圖如圖4所示。

1.2 柔性印制板分類與設計

依據信號分類體系，柔性印制板遵循功能導向開啟模塊化設計：

1大功率柔性印制板：采用多層覆銅結構設計，增強載流能力，確保高功率工況下穩定運行，應用于供電、配電等關鍵系統。

②高頻信號柔性印制板：選用低介電常數基材， 優化阻抗匹配，降低信號傳輸損耗，保障高頻信號的 高質量傳輸，適配高速通信模塊。

3）低頻控制柔性印制板：采取簡化走線設計策略，降低寄生參數影響，減少能量損耗與信號畸變，常用于傳感器與控制單元等場景。

借助模塊化設計理念，針對不同信號特質需求，能夠快速組合柔性印制板電纜網，顯著提升設計效率。

2 機械接口的標準化設計

2.1 能源電纜與信號電纜的分離

依據電氣接口標準化設計成果，對衛星系統的柔性印制板電纜架構進行優化重組，將其劃分為能源電纜與信號電纜兩大分支。能源電纜統一從“電源控制器\"節點引出，信號電纜則從“中央處理單元\"節點出發。分離式設計能有效規避電纜間的電磁干擾，簡化柔性印制板電纜網的整體結構布局，提升系統的穩定性與可維護性。柔性印制板電纜網電氣組成如圖5所示。

2.2 設備接口的標準化

在衛星結構布局中，精準固定電源控制器與中央處理單元的物理位置至關重要。對于設備 1，2，…，n 其電源接口與信號接口均需采用物理結構一致的標準化接口，各設備的安裝面形狀應統一，嚴格保證接口與衛星艙板之間的距離一致。同時，在電源控制器與中央處理單元端引入身份識別技術，實現設備的便捷、無差別更換2，提升系統的可維護性與應急響應能力。

2.3 太陽陣接口的標準化

考慮到太陽陣 1，2，…，n 通常部署于艙外環境，為確保信號穩定傳輸，在電源控制器附近的星體機構關鍵部位設計專用轉接板。通過柔性印制板作為信號傳輸媒介，將太陽陣產生的信號轉接至電源控制器。轉接板采用標準化接口設計，固化連接形式，降低裝配復雜程度，提升系統的可靠性與穩定性。

2.4 蓄電池組接口的標準化

蓄電池組作為衛星的關鍵儲能單元，采用統一的電氣與機械接口規范。通過固定蓄電池的物理位置，或在電源控制器附近增設轉接板，將蓄電池組的信號經由柔性印制板轉接至電源控制器，規避因位置差異引發的連接兼容性問題，保障衛星能源系統的穩定運行。

3 標準化設計的優勢

通過對電氣接口與機械接口的標準化設計，衛星柔性印制板電纜網展現出諸多顯著優勢：

1）統一接口，降低復雜度：削減電連接器類型，簡化設計流程，設計人員可集中精力于核心功能設計，降低出錯概率，提升設計質量。

2）縮短生產周期：統一的備貨策略與標準化的加工工藝相結合，使生產流程更為順暢高效。生產部門能夠提前規劃物料采購與生產排期，避免因連接器供應問題導致的停工待料，顯著提升生產效率，大幅壓縮生產周期。

3）提高可靠性：模塊化的設計理念減少了人為失誤的發生概率。各個模塊在設計、生產與測試階段均遵循嚴格的標準流程，經過充分驗證，組裝后的系統穩定性更高，能有效降低因接口問題導致的故障風險，提升衛星系統在復雜太空環境中的可靠性。

4）降低成本：標準化設計為批量生產創造了有利條件。隨著生產規模的擴大，單件成本得以有效降低，同時，精簡的備貨體系、簡化的生產與測試流程，均在不同層面削減了成本支出，為衛星項目的經濟性提供了有力支撐。

4標準化設計的工程驗證

為驗證本文提出的衛星柔性印制板電纜網接口標準化設計方案的可行性與有效性，選取某低軌衛星項目作為工程驗證對象，開展對比實驗。實驗分為對照組和實驗組，對照組采用傳統非標準化電纜網設計，實驗組采用標準化設計方案。通過對比兩組在生產效率、可靠性、成本效益等方面的表現，評估標準化設計的實際效果。

4.1 實驗設計

4.1.1 實驗對象

1對照組：采用傳統非標準化電纜網設計，電連接器種類為98種，生產周期為6個月，測試成本為30萬元。2）實驗組：采用標準化設計方案，電連接器種類壓縮至6種，生產周期為1.5個月，測試成本為15萬元。

4.1.2 實驗指標

1）生產效率：包括生產周期、備貨周期、組裝效率等；2）成本效益：包括單件成本、備件庫存成本、測試成本等；3）可靠性：包括接口故障率、平均無故障時間（MTBF）等。

4.1.3 實驗方法

1）生產效率：記錄從設計到交付的全周期時間，統計備貨周期和組裝效率；2）成本效益：對比兩組在備件庫存、生產流程和測試流程中的成本支出；3）可靠性：通過長期運行測試，統計接口故障率和MTBF。

4.2 實驗結果

4.2.1 生產效率對比

實驗組的生產效率顯著優于對照組，具體生產效率對比表如表1所示。

實驗組的備貨周期從6個月縮短至1.5個月，組裝效率從 60% 提升至 95% ，生產效率顯著提高。

4.2.2 成本效益對比

實驗組的成本效益顯著優于對照組，具體成本效益對比表如表2所示。

實驗組的單件成本降低 54.2% ，備件庫存成本降低 75% ，測試成本降低 50% ，項目的經濟性顯著提升。

4.2.3 可靠性對比

實驗組的可靠性顯著優于對照組：

1）接口故障率：實驗組為1.8次/千小時，對照組為12.3次/千小時，降低 85.4% 。

2）MTBF：實驗組為 15000h ，對照組為 2 200h 提升 12800h 。

實驗組的接口故障率顯著降低，MTBF大幅提升，滿足了衛星在復雜太空環境中的高可靠性要求。

4.2.4 實驗結果分析

實驗結果表明，標準化設計方案在生產效率、成本效益和可靠性等方面均顯著優于傳統非標準化設計。具體分析如下：

1）生產效率提升：通過統一電連接器類型，簡化了備貨和生產流程，顯著縮短了生產周期，提高了組裝效率。

②成本效益顯著：標準化設計降低了單件成本和備件庫存成本，同時簡化了測試流程，顯著降低了測試成本。

3）可靠性增強：模塊化設計和嚴格的標準化流程減少了人為失誤，顯著降低了接口故障率，延長了MTBF。

5 結束語

本文聚焦衛星柔性印制板電纜網接口設計領域現存的問題，提出電氣接口與機械接口的標準化設計綜合方案。通過統一電連接器類型、優化機械布局、推行模塊化設計理念，衛星柔性印制板電纜網的可靠性與生產效率實現了質的飛躍。展望未來，伴隨柔性電子技術的持續發展，標準化設計必將成為衛星電纜網設計領域的核心主導方向。在后續的衛星工程實踐中，應進一步深化標準化設計理念，持續優化接口規范，為衛星系統的高性能、高可靠性運行奠定堅實基礎。

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[2]崔陽，趙笙罡，周文妹，等.低成本衛星智能節點設計[J].自動化儀表，2020，41（10）：12-15.

收稿日期：2025-02-13

作者簡介：陳惠惠（1991一），女，安徽滁州人，工程師，研究方向：電氣互聯技術。