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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 在過(guò)去十年中，地球軌道航天器已經(jīng)成為具有大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用的主要產(chǎn)業(yè)，在近地軌道 (LEO)、中地球軌道 (MEO) 和地球同步軌道 (GEO) 部署了大量衛(wèi)星，負(fù)責(zé)各種不同的任務(wù)。所有這些衛(wèi)星無(wú)論大小、來(lái)源或任務(wù)如何，其物料清單 (BOM) 都有一個(gè)共同要素：需要許多電連接器和電纜來(lái)傳輸信號(hào)和電力。 雖然它們可能不像有源板載電子設(shè)備或更廣泛意義上的衛(wèi)星任務(wù)那么引人注目，但其性能、可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于衛(wèi)星設(shè)計(jì)、部署和目標(biāo)壽命至關(guān)重要。因此，選擇和應(yīng)用合適的互連器件是確保任務(wù)成功的一個(gè)重要因素。互連器件在提供基本功能的同時(shí)必須最大限度地減少尺寸和重量，而且必須滿(mǎn)足空間發(fā)射和飛行所需的獨(dú)特可靠性和堅(jiān)固性要求。 幸運(yùn)的是，21 世紀(jì)以來(lái)，業(yè)界對(duì)互連器件的需求相對(duì)較大，適于太空應(yīng)用的連接器和電纜現(xiàn)已成為供應(yīng)商通過(guò)分銷(xiāo)商提供的標(biāo)準(zhǔn)元器件，這與一二十年前相比是一個(gè)重大轉(zhuǎn)變，那時(shí)的連接器和電纜通常是專(zhuān)門(mén)定制的產(chǎn)品。 本文將探討適于太空應(yīng)用的連接器和電纜的要求及其適當(dāng)選擇，然后，介紹 Harwin 有助于確保任務(wù)成功的實(shí)際解決方案。 太空應(yīng)用的電纜和連接器要求 發(fā)射高精尖的航天器或通信/導(dǎo)航衛(wèi)星曾經(jīng)是 NASA 的主要任務(wù)，但如今，LEO、MEO、GEO 衛(wèi)星發(fā)射幾乎已經(jīng)成為稀松平常的事情。其中一些發(fā)射活動(dòng)把十幾顆或更多的衛(wèi)星送上太空，包括大學(xué)、一些高中、甚至業(yè)余科學(xué)團(tuán)體開(kāi)發(fā)的小型、常見(jiàn)的 CubeSat 衛(wèi)星。 然而，太空對(duì)于所有類(lèi)型的電子元器件而言都是惡劣的環(huán)境。潛在的問(wèn)題包括連接不穩(wěn)定、達(dá)不到性能要求，甚至徹底失效。從發(fā)射振動(dòng)開(kāi)始，一直到在軌使用的寒冷和真空環(huán)境，還有其他因素，都會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。 這些問(wèn)題不僅對(duì)連接器的性能提出了許多要求，還給連接器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了限制。概言之，連接器必須優(yōu)先考慮可靠性，因?yàn)樵陲w行中無(wú)法進(jìn)行維修或更換。除了尺寸、重量、沖擊和振動(dòng)之外，其他問(wèn)題包括脫氣、殘磁、極端溫度和熱循環(huán)、宇宙輻射、飛弧及連接器方向： · 重量和尺寸（體積）：在體積受限的航天設(shè)計(jì)中，每一立方厘米的空間都很寶貴，另外還要考慮燃料效率，因此航天器及其衛(wèi)星的重量和尺寸受到嚴(yán)重制約。 · 加速度、振動(dòng)和沖擊：嚴(yán)酷的發(fā)射階段會(huì)在廣泛的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十 g 的加速度。因此，適于太空應(yīng)用的連接器通常盡可能要求采用頂絲或閂鎖設(shè)計(jì)，以確保連接牢固。 · 脫氣：太空的熱量和真空條件會(huì)增加連接器的脫氣速率。彈性體和塑料等材料可能會(huì)緩慢釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC)，這些化合物以氣體或蒸氣的形式溶解、滯留、凍結(jié)或吸收在材料中。即使環(huán)氧樹(shù)脂和其他常規(guī)粘合劑也會(huì)釋放此類(lèi) VOC，因此必須使用特殊粘合劑。VOC 可能造成污染，干擾精密儀器和光學(xué)表面，進(jìn)而嚴(yán)重影響關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備的性能。適于太空應(yīng)用的連接器在真空密封爐中經(jīng)過(guò)高溫烘烤，以“驅(qū)逐”材料中的 VOC。 · 殘磁：這可能會(huì)干擾附近電路和子系統(tǒng)的性能，造成精密傳感器讀數(shù)不準(zhǔn)。為了盡量減少殘磁，需要盡可能地使用非磁性材料，如銅合金。 · 溫度范圍：適于太空應(yīng)用的連接器溫度范圍廣泛，通常為 65⁰C 至 +150⁰C。然而，還需關(guān)注熱循環(huán)問(wèn)題：熱循環(huán)所產(chǎn)生的重復(fù)應(yīng)力可能誘發(fā)微裂紋，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。有些衛(wèi)星被設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)工作，以使其朝陽(yáng)面和背陽(yáng)面之間的平均溫度一致。對(duì)于較大的衛(wèi)星而言，這一解決方案不夠完善，因?yàn)槠浔砻婧痛伪韺优c更深的內(nèi)部相比，仍可能受到顯著的熱循環(huán)影響。在 CubeSat 等小型衛(wèi)星中，幾乎所有元器件都相對(duì)靠近表面。 · 宇宙輻射：衛(wèi)星的工作高度越高，地球的保護(hù)性大氣層越稀薄，則宇宙輻射越強(qiáng)。這種不可避免的輻射影響在某些方面類(lèi)似于電磁干擾 (EMI) 的影響。雖然航天器的金屬外殼會(huì)提供一定程度的保護(hù)，但對(duì)于易受輻射影響的電路板或電纜，可能有必要增加額外的屏蔽。 · 飛弧：這是從導(dǎo)體到最近金屬表面的大電流連續(xù)放電。飛弧會(huì)在不同的電壓下發(fā)生，具體取決于空氣分子的密度，真空是極端情況，因此連接器必須有適合其工作高度的額定電壓。 · 物理注意事項(xiàng)：連接器及其電纜的定向很關(guān)鍵。衛(wèi)星內(nèi)部非常擁擠，常見(jiàn)的小型 CubeSat 衛(wèi)星將密度水平提升到了一個(gè)新的水平（圖 1）。單個(gè) CubeSat 單元 (U) 具有 10×10×10 cm 的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，一顆完整的 CubeSat 衛(wèi)星可以是 1U、2U、3U、6U 或 12U。 
圖 1：常見(jiàn)的 CubeSat 衛(wèi)星設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)的小模塊形式，允許以不同的遞增長(zhǎng)度堆疊。（圖片來(lái)源：Harwin） 如果連接器的設(shè)計(jì)使得電纜方向與電路板成直角，那么 CubeSat 衛(wèi)星內(nèi)的電路板就不能緊密布置，因?yàn)檫B接器和電纜會(huì)相互干擾。但是，水平連接器和配接的電纜組件解決了這一問(wèn)題，電纜從印刷電路板的邊緣側(cè)面繞過(guò)堆疊邊緣，從而減小電路板上方所需的間隙。 沒(méi)有萬(wàn)能連接器——很可能永遠(yuǎn)不會(huì)有 不同互連路徑有不同的電壓、電流、頻率和其他性能要求，若只使用一個(gè)連接器系列，那么在許多情況下，連接器性能將嚴(yán)重不足或超出要求——這兩種情況都是不能接受的，盡管原因不同。此外，也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的“標(biāo)準(zhǔn)”來(lái)定義適于太空應(yīng)用的連接器。相反，針對(duì)具體性能有具體的標(biāo)準(zhǔn)，例如脫氣。NASA 零件選擇清單 (NPSL) 是空間技術(shù)使用的元器件規(guī)格的指南，合格零件清單 (QPL) 上的元器件是專(zhuān)門(mén)針對(duì)太空應(yīng)用的。在歐洲，航天級(jí)連接器具有歐洲航天局 (ESA/ESCC) 認(rèn)證標(biāo)志。 設(shè)計(jì)人員在選擇連接器時(shí)，必須在連接器等級(jí)和任務(wù)關(guān)鍵性之間實(shí)現(xiàn)平衡。連接器要求過(guò)高可能導(dǎo)致嚴(yán)重的成本和供貨/提前期問(wèn)題。同時(shí)，如果一顆 CubeSat 衛(wèi)星由于連接器性能不足或?qū)B接器問(wèn)題不甚了解而過(guò)早失效，這將很糟糕且令人沮喪。因此，選擇連接器和電纜時(shí)，務(wù)必對(duì)項(xiàng)目要求有切實(shí)的了解。 符合要求的選擇有很多 為了讓設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)太空應(yīng)用要求做出最優(yōu)選擇，Harwin 等供應(yīng)商提供了多個(gè)連接器系列。每個(gè)系列在端子類(lèi)型和數(shù)量、配接排布、固定方式及其他特性方面都有多種變型。適用的 Harwin 連接器系列包括： Mix-Tek Datamate 系列提供廣泛的信號(hào)、電源和同軸連接器配置，便于工程師根據(jù)應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的連接器方案（圖 2）。電源連接器端子的額定電流高達(dá) 20 A，信號(hào)連接器端子能夠處理 3 A 電流，同軸連接器端子具有 6 GHz 性能，其阻抗達(dá) 50 Ω。
圖 2：Mix-Tek Datamate 系列支持信號(hào) (3 A)、電源 (20 A) 和同軸連接器 (6 GHz) 的組合。（圖片來(lái)源：Harwin） 旋轉(zhuǎn)端子搭配 Harwin 的四指鈹銅合金端子夾使用，實(shí)現(xiàn)了高可靠性。Mix-Tek 連接器提供多種電線(xiàn)和電路板即用型配置，最多提供 50 個(gè)低頻端子或 12 個(gè)特殊（同軸和電源）端子。連接器間距為 2 mm，可以與信號(hào)、電源和同軸端子的幾乎任意組合混合搭配。 Kona 8.5 mm 間距高可靠性連接器系列可為苛刻的環(huán)境提供高質(zhì)量和高電流連接（圖 3）。單獨(dú)屏蔽的端子可實(shí)現(xiàn) 60 A 的連續(xù)電流和每個(gè)端子 3,000 V 的電壓，并具有 250 次插拔循環(huán)的耐用性。六指端子設(shè)計(jì)為鈹銅合金并鍍金，可在強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)下保持電氣連續(xù)性，并采用電纜到板配置的緊湊單排封裝。
圖 3：8.5 mm 間距的 Kona 系列連接器支持高達(dá) 60 A 的連續(xù)電流和每個(gè)端子 3,000 V 的電壓。（圖片來(lái)源：Harwin） M300 電源連接器提供一系列高可靠性、高性能的額定功率，采用緊湊的電源連接，每個(gè)端子支持高達(dá) 10 A 的電流，從而實(shí)現(xiàn)了一種輕巧、堅(jiān)固的解決方案，在極端條件下具有良好的表現(xiàn)（圖 4）。連接器通過(guò)安裝的不銹鋼頂絲防止振動(dòng)和沖擊。
圖 4：M300 電源連接器提供緊湊的電源連接，每個(gè)端子支持高達(dá) 10 A 的電流。（圖片來(lái)源：Harwin） 成熟的四指端子設(shè)計(jì)可在高振動(dòng)和沖擊環(huán)境下保持電氣連續(xù)性。這些 3 mm 間距的印刷電路板連接器、壓接電纜連接器和現(xiàn)成的電纜組件能夠承受 -65°C 至 +175°C 的溫度，并具有 1000 次插接循環(huán)的耐用性。 CubeSat 需要一個(gè)特殊系列 Gecko 系列連接器和電纜組件的設(shè)計(jì)旨在滿(mǎn)足 CubeSat 應(yīng)用在某些尺寸下的相對(duì)高容量和低嚴(yán)格性要求（圖 5）。這些連接器提供一種扁平、電纜到板和板到板的互連解決方案，特別適合于在 PCB 空間有限的地方進(jìn)行堆疊和電纜配接。
圖 5：Gecko 系列扁平連接器有眾多樣式、配置和端子數(shù)可供選擇。（圖片來(lái)源：Harwin） Gecko 連接器是 1.25 mm 間距、高可靠性的矩形連接器，以連接器外殼的形式提供；端子可更換，須另行訂購(gòu)。連接器使用電纜套管壓接端子和外殼，有公頭和母頭兩種版本；垂直和水平通孔印刷電路板尾部連接器以及垂直表面貼裝連接器用于電纜到電纜、電纜到板和板到板的互連。 與現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同類(lèi)產(chǎn)品和 Micro-D 相比，Gecko 連接器最多要小 45% 且輕 75%，典型重量約為 1 g。該系列連接器有三個(gè)派生型，不能互配： Gecko-SL (Screw-Lok) 連接器系列：這是一種具有浮動(dòng)螺釘?shù)倪B接器，可與對(duì)應(yīng)的連接器安全、牢固地互連（圖 6）。Screw-Lok 也可以有電路板或面板安裝螺柱，用于牢牢固定電路板或外殼。每個(gè)端子單獨(dú)導(dǎo)通時(shí)的額定電流為 2.8 A，所有端子同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的額定電流為 2.0 A。此類(lèi)連接器有水平連接器和配接電纜組件，支持高密度電路板堆疊。
圖 6：Gecko-SL 系列的每個(gè)端子單獨(dú)導(dǎo)通時(shí)的額定電流為 2.8 A，所有端子同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的額定電流為 2.0 A。（圖片來(lái)源：Harwin） 例如，G125-3241696M2 是一款 16 端子、面板安裝的矩形 Gecko-SL 連接器，間距為 1.25 mm（圖 7）。
圖 7：Gecko-SL G125-3241696M2 是一款 16 端子、面板安裝的矩形 Gecko-SL 連接器，間距為 1.25 mm。（圖片來(lái)源：Harwin） Gecko-MT（混合技術(shù)）：該系列連接器是 Gecko-SL 系列的混合布局版本（圖 8）。Gecko-MT 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)端子搭配兩個(gè)或四個(gè) 10 A 電源端子，提供 1 + 8 + 1 和 2 + 8 + 2 兩種電源/數(shù)據(jù)配置，可顯著減少電子硬件的占用空間和重量。
圖 8：Gecko-MT 與 Gecko-SL 系列類(lèi)似，但在單個(gè)連接器外殼中支持信號(hào)和電源端子混用。（圖片來(lái)源：Harwin） 該系列提供電纜或通孔配置，具有與 Gecko-SL 連接器相同的 Screw-Lok 固定方式，并有多種信號(hào)（雙排）和電源（單排）端子配置。 G125-FV10805F1-1AB1ABP 是一款 10 位 Gecko-MT 插座連接器，具有 8 個(gè)信號(hào)端子和 2 個(gè)電源端子，單個(gè)連接器同時(shí)具備兩種功能（圖 9）。
圖 9：Gecko-MT 系列的 G125-FV10805F1-1AB1ABP 連接器包含 8 個(gè)信號(hào)端子和 2 個(gè)電源端子。（圖片來(lái)源：Harwin） Gecko Latch（原創(chuàng)設(shè)計(jì)）：該系列中的公頭連接器可以配備易于釋放的閂鎖，以確保與母頭配接連接器牢固互連（圖 10）。
圖 10：Gecko Latch 連接器在公母對(duì)之間提供易于釋放的閂鎖。 （圖片來(lái)源：Harwin） 20 位表面貼裝插座連接器 G125-FS12005LOR 是 Gecko Latch 設(shè)計(jì)的一個(gè)例子（圖 11）。
圖 11：20 位表面貼裝插座連接器 G125-FS12005L0R 屬于 Gecko Latch 系列產(chǎn)品。（圖片來(lái)源：Harwin） 雙排配置的 Gecko-SL 和 Latch 系列提供 6 至 50 個(gè)端子。連接器外殼經(jīng)過(guò)極化設(shè)計(jì)，以防止誤配，外殼外側(cè)標(biāo)明了端子 1。 與 Gecko-SL 和 Gecko-MT 連接器兼容的可選金屬底殼可用來(lái)提供機(jī)械、射頻 (RF) 和 EMI 保護(hù)，例如用于 20 位 Gecko-SL 連接器的 G125-9702002 尾夾（罩子）（圖 12）。
圖 12：金屬尾夾讓用戶(hù)可以選擇為其 Gecko-SL 和 Gecko-MT 連接器增加增強(qiáng)型機(jī)械和 EMI 保護(hù)，圖中所示為用于 20 針 Gecko-SL 連接器的 G125-9702002。（圖片來(lái)源：Harwin） 尾夾是選配件，不需要這種保護(hù)的設(shè)計(jì)就不會(huì)有金屬外殼連接器的重量負(fù)擔(dān)。為了提高靈活性，尾夾連接到電路板，而不是連接器。 不要忘記電纜和組件 花費(fèi)時(shí)間和精力選擇連接器很容易，但這只是連接解決方案的一部分，與連接器相關(guān)的電纜同樣重要。互連選擇由信號(hào)類(lèi)型和安裝決定，包括基礎(chǔ)型電線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、屏蔽線(xiàn)和同軸電纜。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)五種途徑獲得電纜組件： 1、自己動(dòng)手（內(nèi)部制造） 2、使用預(yù)壓接的端子和電線(xiàn) 3、使用現(xiàn)成的電纜組件 4、指定一種完整的、按訂單生產(chǎn)的電纜組件，是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的派生型 5、指定一種專(zhuān)門(mén)按照要求制作的完全定制化電纜組件 Gecko 連接器使用廣泛，所需的許多電纜組件都有標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)成的產(chǎn)品，因此交貨提前期短，不確定性小。例如， G125-FC11205F0-0150F0 是一款 12 位電纜組件，長(zhǎng)度為 150 mm，設(shè)計(jì)用于矩形插座對(duì)插座互連（圖 13）。
圖 13：電纜和整體組件構(gòu)成了完整的互連；該 G125-FC11205F0-0150F0 是一款 12 位、150 mm 長(zhǎng)的電纜組件，用于矩形插座對(duì)插座互連，以標(biāo)準(zhǔn)器件的形式提供。（圖片來(lái)源：Harwin） 總結(jié) 關(guān)于連接器，重要的是在所需性能范圍內(nèi)選擇盡可能小且輕的連接器，而不過(guò)分追求超出需要的指標(biāo)或目標(biāo)。 在 CubeSat 衛(wèi)星市場(chǎng)上尤其如此，因?yàn)檫@些微小衛(wèi)星以多層堆疊的方式放入火箭中，空間和重量對(duì)火箭而言彌足珍貴。 對(duì)于這類(lèi)常見(jiàn)的、幾乎成為“大眾市場(chǎng)”的衛(wèi)星，Gecko 連接器和電纜組件讓設(shè)計(jì)人員在選擇元器件時(shí)能夠應(yīng)對(duì)性能和成本的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，達(dá)成多個(gè)有時(shí)相互沖突的目標(biāo)之間的平衡。 |
