接触式盲插连接器在T/R组件中的应用*

李姗姗，谭良辰

（南京电子技术研究所，江苏南京210039）

引 言

T/R组件是有源相控阵雷达系统中的核心部件之一。随着雷达技术的不断发展，大型相控阵雷达天线阵面的口径以及天线单元的数量都在逐渐增大，相应地，阵面上集成的T/R组件数量也在快速增加，而对T/R组件的体积和重量限制却越来越严苛，使得高集成、小型化成为T/R组件发展的必然趋势。由于T/R组件的集成度越来越高，其内部互连设计也必须越来越微小型化。新型接触式盲插连接器因其互连尺寸小、重量轻等优势逐渐在T/R组件中，特别是在板间垂直互连的场合得到应用。

通过对比插合式盲插连接器及接触式盲插连接器的互连差异性，梳理出接触式盲插连接器在T/R组件中应用需要关注的关键问题。结合某T/R组件中的应用实例，对基于接触式盲插连接器的互连方案进行了验证以及优化。结果表明，接触式盲插连接器满足T/R组件的性能要求，可在工程应用中推广使用。

1 T/R组件中连接器的应用现状

T/R组件是由多个子系统组成的复杂的机电一体化系统工程，其互连设计需要在有限的空间及重量条件下将若干相互孤立分散的模块或系统融合成一个有机的整体[1]。各个模块或系统之间采用电连接器进行互连，为信号传输提供可靠渠道。电连接器可分为盲插及非盲插2大类。盲插连接器因为占用体积小、互连快速方便等优点在雷达电子设备中得到越来越广泛的应用，也是实现T/R组件轻小型化的必然选择[2–5]。

目前，T/R组件主要选用具有自浮动功能的插合式盲插连接器以实现各模块或系统间的信号互连。插合式盲插连接器需要成对使用插头和插座，通过针孔配合连接来传输信号，其连接示意图如图1所示。根据传输信号频率的不同，常用来传输射频信号的插合式盲插连接器有BMA，SMP，TMA等系列，传输低频信号的插合式盲插连接器有J30J，J63，CJ19等系列[6]。

图1 插合式盲插连接器连接示意图

虽然常规插合式盲插连接器的使用已比较成熟，但其互连尺寸较大，不适合高密度、低矮化的互连场合，越来越无法满足组件微小型化的连接需求。

2 接触式盲插连接器及其选型

2.1 接触式盲插连接器

接触式盲插连接器通过独立的金属接触件与印制板直接接触来实现信号传输，不需要进行成对使用，可以在很大程度上减少连接器互连所需的空间尺寸，为T/R组件轻小型化及三维集成设计提供了新的互连解决方案。其连接示意图如图2所示。

图2 接触式盲插连接器连接示意图

为了实现盲插设计，插合式盲插连接器主要通过设计浮动机构来避免插合干涉问题，而浮动机构需要占用一定的空间，具有一定的重量。接触式盲插连接器不存在干涉问题，它主要通过接触件与印制板相对应的焊盘之间的尺寸配合实现较大的径向浮动量，而接触件自身具有弹性，可实现较大的轴向浮动量。因此，与插合式盲插连接器相比，接触式连接器具有体积小、重量轻、浮动量大的优势。此外，接触件尺寸小，可实现微小间距、高密度排列，更适合应用在三维集成设计中。

2.2 接触式盲插连接器的选用

目前在T/R组件中，接触式盲插连接器主要用于层间或板间的垂直互连，涉及的信号接口类型包含射频、控制、电源等。根据性能要求及使用场合，可以选用不同系列的接触式盲插连接器。常用的接触式盲插连接器有多芯弹簧针连接器、同轴毛纽扣连接器和表带式大电流连接器，如图3所示。

图3 常用接触式盲插连接器

弹簧针连接器可用于传输控制、电源等低频信号以及频率较低的射频信号，可根据使用需要实现单端或两端弹性。其优点在于盲插互连浮动量大，适合多点盲插场合，但对板间盲插距离有一定的要求，一般不小于4 mm。

毛纽扣连接器可用于传输低频、射频信号，可实现高低频混装。它自身具有弹性，其轴向浮动量与毛纽扣的长度正相关。毛纽扣连接器可实现高密度、更加低矮化的板间互连，但其轴向浮动量比弹簧针连接器小。

表带式大电流连接器用于传输电源信号，主要针对大电流。它具有盲插精度要求低、载流能力高、电压降小、接触电阻小、耐候性强等性能优势。其触指页片有多种规格型号，载流能力也有差别。

2.3 接触式盲插连接器使用中的关键问题

结合接触式盲插连接器的互连特性，在T/R组件内使用时需要考虑以下几个问题：

1）印制板接触焊盘设计。印制板上与接触式盲插连接器接触的焊盘的尺寸及密度主要是根据相应接触件的尺寸及排布密度设计的，而焊盘与连接器接触件的有效互连受到盲插精度等因素的影响，需要考虑实际使用时在最大盲插误差下的有效接触。接触焊盘的尺寸直接影响盲插径向浮动量的大小，因此在充分考虑信号干扰等电性能设计要素的情况下，可以尽量加大接触焊盘的尺寸以增加盲插径向浮动量。

2）轴向压缩引起的变形量控制。在互连使用中，为了保证接触式盲插连接器与印制板的可靠接触，其接触件具有一定的轴向压缩弹力，该弹力作用到印制板上会使其变形，特别是在高密度、成组使用场合下，印制板的变形更为严重，进而影响接触件与焊盘间的有效接触。因此对印制板的变形控制是设计中需要重点关注的问题。

3）特定环境条件下的接触可靠性。使用接触式盲插连接器进行板间互连时，是通过接触件与印制板焊盘间的端面接触来传输信号的，且接触件存在一定的压缩弹力。在振动冲击等环境条件下，接触件与焊盘之间存在接触摩擦，长期使用可能会引起接触件端面或焊盘的磨损。此外，弹簧针、毛纽扣等连接器在振动冲击环境中也会出现信号传输瞬断的现象。上述问题均可能降低接触可靠性，影响电性能。因此，在使用T/R组件时，需要充分评估验证接触式盲插连接器的环境适应性。

3 应用实例

本文以某T/R组件中使用的32芯弹簧针连接器为例，对连接器的应用进行了验证。弹簧针连接器的外形如图4所示。设计的径向浮动范围为±0.3 mm，轴向浮动范围为±0.5 mm。

图4 弹簧针连接器的外形图

弹簧针连接器使用的结构形式如图5所示（∆1∼∆4为盲插的轴向装配误差，∆为总的轴向装配误差）。上层模块及下层印制板均螺接固定在组件壳体腔体内，弹簧针连接器的一端与下层印制板焊接固定，另一端与上层模块内焊接的印制板弹性地接触互连。T/R组件中的印制板上共设计有8组弹簧针连接器与上层模块互连。

图5 弹簧针连接器的结构示意图

3.1 盲插精度核算

盲插的轴向装配误差包括：1）下层印制板的安装公差∆1=±0.05 mm；2）下层印制板的厚度为2 mm，公差一般是板厚的±10%，即下层印制板的板厚公差∆2=±0.2 mm；3）上层模块的安装公差∆3=±0.05 mm；4）模块内焊接的印制板的安装公差∆4=±0.05 mm。因此，总的轴向装配误差∆=∆1+∆2+∆3+∆4=±0.35 mm，小于连接器的轴向浮动量。

为了控制径向精度，在上下层间设计有定位销孔用于盲插导向。以弹簧针连接器中某一芯的径向误差示意图（图6）为例，盲插的径向误差包括：1）销孔的配合公差δ1=±0.05 mm；2）上层印制板焊接处相对于销的位置公差δ2=±0.08 mm；3）上层印制板上焊盘的位置公差δ3=±0.03 mm；4）弹簧针连接器的装配公差δ4=±0.05 mm；5）下层印制板上连接器焊接孔相对于销孔的位置公差δ5=±0.03 mm。因此，总的径向误差为δ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5=±0.24 mm，小于连接器的径向浮动量，满足使用要求。

图6 弹簧针连接器中某一芯的径向误差示意图

3.2 印制板变形评估

在工程设计阶段，可以借助有限元仿真工具高效评估印制板的变形情况。印制板的平面尺寸为236 mm×158 mm，通过上下分布的3组直径为3.5 mm的孔安装固定，如图7（a）所示。

弹簧针连接器的弹力与其轴向压缩量成正比。根据实测数据，在轴向浮动范围±0.5 mm的范围内，对应的弹力范围为32∼54 N。由上述总的轴向装配误差可知，连接器的最小轴向压缩量为0.5−0.35=0.15 mm，经换算，与此最小压缩量对应的弹力值为35.3 N。

印制板连接器在静载荷作用下的变形情况如图7（b）所示。变形量最大值约0.11 mm，小于最小压缩量0.15 mm，满足连接器使用要求。

图7 印制板的外形图及变形云图

3.3 环境适应性评估

首先，依据GJB 1217A—2009《电连接器试验方法》中方法2004（冲击）及2005（振动）的规定，分别对单独的弹簧针连接器进行试验，测试其电气连续性。检测结果显示，其瞬断时长均不大于10 ns，满足标准中小于1µs的要求。其次，结合T/R组件整机性能测试进行验证评估。结果表明弹簧针连接器满足组件的电性能要求。

3.4 优化设计

由上述分析可知，在影响弹簧针连接器轴向误差的各个因素中，印制板的板厚公差及印制板的变形误差是主要的2个因素。为了提高互连的可靠性，可从降低这2个因素的影响入手进行设计改进。

1）增加印制板的固定孔排布密度，缩小孔间距，提高印制板的刚性，可有效减小印制板的变形[7]。在印制板水平方向对称并等间距地排布不同数量的固定孔，运用仿真手段分别评估上下排布2组、3组、4组（去除5组水平中心的1组孔）、5组固定孔时印制板的变形情况。连接器的最大变形情况见表1。从表1可知，排布5组固定孔可有效降低变形因素的影响。

表1 连接器变形情况 mm

2）优化T/R组件的布局结构，避免引入印制板的板厚公差。印制板的板厚公差与板厚正相关。受限于印制板电性能的需求以及工艺性，直接减小印制板板的厚公差很难实现。优选图8所示的架构，将盲插对接的上下层印制板布局安装在结构件的上下两面，则印制板的安装面均为连接器的实际接触面，上下层印制板的板厚尺寸均不在连接器对接距离的累积范围内，连接器的轴向误差计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轴向精度。

图8 结构示意图

4 结束语

虽然接触式盲插连接器在T/R组件中的应用还处于早期阶段，相关研究和应用实践较少，但在模块化、高集成、轻小型化等方面已展现出了极其良好的效果。它在多型T/R组件中的成功应用可以为其在更广泛工程领域的使用提供一定的借鉴。目前，接触式盲插连接器主要应用在振动冲击量级较低的地面或舰载等领域的T/R组件中，在机载等振动冲击量级高的领域尚未得到推广。它在高强振动环境下的接触可靠性以及长期使用后的性能稳定性仍需进一步研究和验证。