盲插连接器在发射组件设计中的应用

孟凡娟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



盲插连接器在发射组件设计中的应用

孟凡娟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要为了提高阵列天线发射组件的互换性、维护性和可靠性要求，有效缩小设备体积，针对阵列天线集成特性，提出了一种新颖的发射组件结构设计方法。该方法是通过一个联结在承力骨架的插接框架装置，使发射组件的盲插电连接器进行有效连接，实现了发射组件的电信号传输。这种设计方法具有盲插特性和快锁功能，支持系统配置正面操作，可实现小空间、高密度安装。其模块化设计不仅保证了发射组件的互换性、维护性和可靠性，还便于组织生产、调试和安装。对设计过程中的一些关键问题进行了分析，给出了相应的解决措施，保证了成品的合格率。

关键词发射组件；电连接器；模块化；互换性；维修性

0引言

阵列天线由许多个独立的天线单元组成，每个天线单元后面都接有一个固态发射组件形成独立的发射单元。一部规模较大的阵列天线有成千上万套发射组件，它的结构设计与平面阵列天线的总体方案息息相关，且形状、体积对天线阵面的布局具有牵制作用[1]。

除此以外，发射组件电气连接方式比较复杂，在组件内部以及组件与天线单元之间都要用电连接器连接。其中任何一个电连接器失效都有可能导致整个部件失效。因此，发射组件结构设计不但要保证满足本身电气性能指标，还要能够实现与天线单元互连的可靠性、可维修性、操作可达性、互换性和安全性等多项指标，是系统结构设计中最为关键的部件。

本文在研究了相关报道[2-3]的基础上，针对发射组件的实际应用情况，并结合结构设计和工艺设计技术[4]设计了一款适用于风冷系统的发射组件。该发射组件与天线单元间采用盲插连接器连接，并与装有锁紧及定位装置的插接框架配套设计，实现了系统的各项指标要求，并且电连接性能安全可靠，信号传输稳定，操作简单易行，适宜组织批量生产。

1设计方案

1.1系统模型

阵列天线系统的简化模型如图1所示，由阵列天线、电缆、承力骨架和发射组件4个层面组成。发射组件的安装方式为垂直于承力骨架的安装面，在这个安装面上必须实现射频电缆的可靠连接。面对的困难是：空间狭小，设备密集，不能使用工具且操作过程不可见。并且在设备安装完成后，安装面上的众多电缆和电连接器维修困难。因此，结构设计必须要站在系统总体角度解决这些问题，保证系统安全可靠运行。

图1　阵列天线系统简化模型

1.2方案选择

发射组件在承力骨架上的装配方式有2种：一种是集成式设计，即将数个发射组件设计成一个较大模块，在模块一端安装多个盲插连接器插头，在承力骨架上设计一块背板，在背板上对应安装连接器插座，板对板间同时插拔；另一种是分散式设计，即为发射组件设计一个独立的插接框架，吊装于承力骨架上，在插接框架背板上安装盲插连接器，组件插合时仅有一个连接器对插合，独立地完成一个发射通道的功能。

2种设计方案均能完成发射通道的功能，不同点在于：

① 集成式设计方案的承力骨架厚度尺寸大、复杂程度高，而分散式设计相对简单、厚度尺寸小；

② 集成式设计需要较大尺寸、复杂结构的面板设计，对刚性、加工精度和安装精度有较高要求，以保证连接器对在插合时不易错位，而分散式设计几乎不存在这一问题；

③ 集成式设计对连接器自身高度尺寸有一致性要求，否则多个连接器对同时插拔就很难保证每个连接器对都能插合到位；

④ 分散式设计更适合模块化设计，有利于实现模块的互换性、维修性和测试性；

⑤ 分散式设计便于整机加工、装配、调试和验收；

⑥ 分散式设计虽然安装精度要求低，但在现场安装插接框架的工作量会大一些。

通过以上综合分析，考虑系统为地面应用系统，现场安装操作比较方便等因素，采用分散式设计方案更适合本系统应用。

2结构设计

明确了发射组件的安装方案、对外接口等结构要素，接下来的工作是根据加工方法、工艺流程、电磁兼容和散热等各种需求来完成所有零部件的细节设计。本文仅就盲插结构设计、电连接器选择、主要零件结构设计和盲插误差分析4个部分做出介绍。

2.1盲插结构设计

发射组件与插接框架插合前后示意如图2所示。在组件面板和插接框架的背板上分别安装了盲插连接器的插头、插座以及导向定位装置。在插接过程中，发射组件面板与插接框架四周的导向件先行接触，进行一级导向定位，继而组件面板上的定位销与插接框架上的定位套接触，进行二级导向定位，在定位销锥度的作用下，定位销与定位套趋于同心，从而实现精确定位导正，并纠正大部分误差。所以在盲插连接器接触时，只要插头、插座的位置误差满足一定精度，就很容易使盲插连接器正确连接，完成整个插合过程[5]。

图2　盲插结构插接示意

2.2电连接器选择

发射组件与天线单元之间的电连接器是二者信号传输的唯一途径，攸关每个发射通道信号传输的成败与可靠性，必须慎重选择。

在成品市场上有代表性的盲插连接器品种有BMA、TMA、SBX和N型，在雷达系统设计中应用较多[6]。盲插连接器的结构特点是在插孔内设计了轴向压簧，通过压簧变形使连接器芯子有一定的轴向和径向浮动量，使设备在插合过程中可以有较大的容差。选用时需考虑其自身的电讯参数(如额定电压、使用频率范围和接触对数目等)和电连接器的使用环境、安装方式、工艺水平、通用性、可靠性和互换性等，最终做出合适的选择[7]。

考虑到本系统的安装特性，以及在工作中偶然会发现有的射频电连接器在某次插接时参数会有些变化的现象，遴选了4种型号的电连接器加工了20套样件，分别进行了电性能、机械性能专题试验，试验结果发现，其中的一种N型连接器(插孔内设计了上、下2个铍青铜簧片，其轴向浮动量为1.42 mm，径向浮动量为0.51 mm)在进行了800次插拔试验后，其电讯参数以及连接紧密程度均没有变化，完全满足电气性能指标、可靠性和互换性要求，得到最终选用。

2.3主要结构件设计

发射组件的结构组成如图3所示。主要组成模块包括：壳体、面板、终端、功率放大器、滤波器、电源和锁紧装置等部分。其中，滤波器和功率放大器直接安装于机壳底板上，散热肋片用螺钉紧固于功率放大器上(装配前在接触面间涂导热脂)，在所示终端位置安装有3块印制电路板。2块面板直接安装于壳体基板上，面板1上安装有导向定位销和盲插电连接器，面板2上除安装有指示灯、开关和电连接器外，还安装有锁紧装置[8]。

图3　发射组件组成示意

2.3.1壳体结构设计

壳体作为发射组件的主要零部件，是印制板电路和各种模块的安装载体，在结构设计上要适合各种模块的安装，不能让印制电路板和各种模块承受外力。

发射组件的壳体采用5A06-F防锈铝制造，这种材料具有良好的机械加工性能以及优越的抗腐蚀性能。根据电路设计的需要，铣削加工成不同高度和大小的腔体与沟槽，三维模型如图4所示。

图4　发射组件壳体模型

在安装印制电路板处铣削出了宽5 mm、厚4 mm的台阶，在其上钻攻数个M2或M1.6的螺纹孔，通过螺钉固定使印制电路板周边的地线带与壳体接地良好；在安装盖板的腔体周边铣削出了止口，以便嵌入盖板；盖板与壳体结合面的表面粗糙度为Ra3.2 μm，以保证接触良好；在壳体两端设计了U形断面，在断面上加工M4螺纹孔来固定面板。所有机加工完成后整体进行导电氧化处理。

2.3.2面板结构设计

发射组件有前后2块面板(如图3所示)，面板2是开放性的，并不与其他部件相关联，在设计上不作严格要求。

面板1是盲插连接的关键零件，其刚度、尺寸公差和形位公差都应有严格的要求。面板1的外形尺寸为110 mm×110 mm，厚4 mm，材料为5A06-O防锈铝，两大平面调平、砂光，四周进行铣削加工，相邻面的垂直度要求为0.15 mm。板面上的各组安装孔尺寸采用对称中心标注，尺寸公差选择±0.1 mm便能满足装配需求。

2.3.3插接框架结构设计

插接框架起着承上启下作用，不仅承担着发射组件的2级导向任务，同时还是发射组件承力部件以及锁紧固定的基础。使用时先将其吊装在承力骨架上，与承力骨架形成一个完整的刚性结构。插接框架外形似一个笼子结构，下端开放，顶端安装连接器背板，四周边安装有导向件。四周边的导向件作为一级导向装置，导向精度要求不高，在组件插入过程中能将组件限定在一定范围，不会使组件倾斜太多而导致器件损坏即可。材料采用经济实用的铝型材作适当机加工即能满足要求。

在顶端的连接器背板上安装了盲插插座和作为二级导向装置的定位套。背板的刚度、形位公差等技术要求与发射组件面板1完全相同。定位套的材料采用不锈钢(1Cr18Ni9Ti)，表面耐磨镀层处理。其设计尺寸要保证在组件插合过程中，定位销(套)先于盲插连接器接触。

二级定位装置的另一个功用是同时兼作锁紧装置的定位。锁紧装置选用A类前紧定装置，使用时在插接框架上安装一个锁紧块，紧定装置安装在组件面板2上。在组件插合过程中，插接框架和组件在定位销(套)的导向定位及锁紧装置作用下，有机地联结成一个整体，完成组件紧固任务。

2.4盲插误差分析

发射组件和插接框架都是机械加工零部件的装配体，虽然在设计过程中对每个零部件的形位公差和尺寸公差都作了约束，但在生产过程中受生产批次、机床精度和操作者技术水平影响肯定存在加工和装配误差，不易保证各个单元精度一致性，进而影响盲插连接的可靠性。主要体现在：

① 组件壳体基面与面板安装面垂直度误差；

② 面板1及背板的平面度误差；

③ 面板1及背板上接插件与定位销安装孔位置误差；

④ 接插件与定位销与面板1垂直度误差；

⑤ 面板1及背板的刚性变形误差；

⑥ 定位销(套)的同轴度误差；

⑦ 插接框架周边导向条与插接框架背板的垂直度误差；

⑧ 来自电连接器的制造误差。

由此可见，影响盲插连接精度的要素是多方面的。要保证这些误差在合格的范围内还必须有一定的措施来保证。这些措施是：

① 选择刚性好的材料，如5A06防锈铝；

② 工艺操作上使设计基准与加工基准一致；

③ 利用高精度的数控机床来加工；

④ 设计工装夹具来保证加工、装配精度；

⑤ 严格执行工艺、检验规程；

⑥ 保证盲插电连接器的一致性。

3工程应用

按照上述盲插连接设计方案并结合热设计、电磁屏蔽设计和三防设计技术设计出的发射组件已成功应用在系统中。其分散式的盲插设计方法使整个系统设计具有了较大的灵活性和可扩展性，解决了在空间狭小、设备密集、不能使用工具且操作过程不可见场合的设备安装与集成难题。发射组件经装配、调试后按照系统要求完成了一系列的环境试验及整机验收。验收结果表明，该发射组件满足系统提出的性能指标要求，满足系统易维护、高保障和维护性要求，其结构完全能够适应阵列天线系统应用。

4结束语

发射组件采用N型盲插连接器的连接方式，实现了发射组件的电信号传输以及各项性能指标要求，其结构设计方法不仅使得阵列天线系统中的射频线缆数量大大减少，还降低了射频信号损耗以及对安装环境的要求。其模块化的结构设计具有结构简单，安装维护方便，成本低以及测试性和互换性好等优点，特别适合于批量生产和调试，对类似的系统设计具有一定借鉴意义。

参考文献

[1]钟剑锋，张国民.有源相控阵雷达T/R组件的结构设计[J].电子机械工程，2000，84(2)：15-17.

[2]金承立.盲插射频同轴电连接器[J].电子机械工程，1999(5)：2-4.

[3]吴世湘.军用/航天电连接器发展态势研究[J].电子产品世界，2008(2)：62-64.

[4]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.

[5]陈竹梅.有源相控阵雷达射频同轴电连接器盲插机构的设计与分析[J].电子机械工程，2002，18(5)：11-15.

[6]谢旻.军电连接器及其在雷达和电子设备中的应用[J].应用科技，2011(3)：21-23.

[7]李雪清.小型盲插电连接器的设计与应用[J].现代电子，1994，18(3)：29-32.

[8]SJ 20384-2007.机载电子设备机箱 A类前锁紧装置规范[S]，2007.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.21

收稿日期：2016-03-08

中图分类号TN02

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0080-04

作者简介

孟凡娟女，(1963—)，工程师。主要研究方向：电子设备结构设计。

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.盲插连接器在发射组件设计中的应用[J].无线电工程,2016,46(7):80-83.