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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 在過去十年中，地球軌道航天器已經(jīng)成為具有大規(guī)模市場應用的主要產(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，負責各種不同的任務。所有這些衛(wèi)星無論大小、來源或任務如何，其物料清單 (BOM) 都有一個共同要素：需要許多電連接器和電纜來傳輸信號和電力。 雖然它們可能不像有源板載電子設備或更廣泛意義上的衛(wèi)星任務那么引人注目，但其性能、可靠性和穩(wěn)定性對于衛(wèi)星設計、部署和目標壽命至關重要。因此，選擇和應用合適的互連器件是確保任務成功的一個重要因素。互連器件在提供基本功能的同時必須最大限度地減少尺寸和重量，而且必須滿足空間發(fā)射和飛行所需的獨特可靠性和堅固性要求。 幸運的是，21 世紀以來，業(yè)界對互連器件的需求相對較大，適于太空應用的連接器和電纜現(xiàn)已成為供應商通過分銷商提供的標準元器件，這與一二十年前相比是一個重大轉(zhuǎn)變，那時的連接器和電纜通常是專門定制的產(chǎn)品。 本文將探討適于太空應用的連接器和電纜的要求及其適當選擇，然后，介紹 Harwin 有助于確保任務成功的實際解決方案。 太空應用的電纜和連接器要求 發(fā)射高精尖的航天器或通信/導航衛(wèi)星曾經(jīng)是 NASA 的主要任務，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)射活動把十幾顆或更多的衛(wèi)星送上太空，包括大學、一些高中、甚至業(yè)余科學團體開發(fā)的小型、常見的 CubeSat 衛(wèi)星。 然而，太空對于所有類型的電子元器件而言都是惡劣的環(huán)境。潛在的問題包括連接不穩(wěn)定、達不到性能要求，甚至徹底失效。從發(fā)射振動開始，一直到在軌使用的寒冷和真空環(huán)境，還有其他因素，都會帶來問題。 這些問題不僅對連接器的性能提出了許多要求，還給連接器的設計和實現(xiàn)帶來了限制。概言之，連接器必須優(yōu)先考慮可靠性，因為在飛行中無法進行維修或更換。除了尺寸、重量、沖擊和振動之外，其他問題包括脫氣、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計中，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重制約。 · 加速度、振動和沖擊：嚴酷的發(fā)射階段會在廣泛的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十 g 的加速度。因此，適于太空應用的連接器通常盡可能要求采用頂絲或閂鎖設計，以確保連接牢固。 · 脫氣：太空的熱量和真空條件會增加連接器的脫氣速率。彈性體和塑料等材料可能會緩慢釋放揮發(fā)性有機化合物 (VOC)，這些化合物以氣體或蒸氣的形式溶解、滯留、凍結或吸收在材料中。即使環(huán)氧樹脂和其他常規(guī)粘合劑也會釋放此類 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表面，進而嚴重影響關鍵任務設備的性能。適于太空應用的連接器在真空密封爐中經(jīng)過高溫烘烤，以“驅(qū)逐”材料中的 VOC。 · 殘磁：這可能會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。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：適于太空應用的連接器溫度范圍廣泛，通常為 65⁰C 至 +150⁰C。然而，還需關注熱循環(huán)問題：熱循環(huán)所產(chǎn)生的重復應力可能誘發(fā)微裂紋，最終導致疲勞斷裂。有些衛(wèi)星被設計成旋轉(zhuǎn)工作，以使其朝陽面和背陽面之間的平均溫度一致。對于較大的衛(wèi)星而言，這一解決方案不夠完善，因為其表面和次表層與更深的內(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靠近表面。 · 宇宙輻射：衛(wèi)星的工作高度越高，地球的保護性大氣層越稀薄，則宇宙輻射越強。這種不可避免的輻射影響在某些方面類似于電磁干擾 (EMI) 的影響。雖然航天器的金屬外殼會提供一定程度的保護，但對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：這是從導體到最近金屬表面的大電流連續(xù)放電。飛弧會在不同的電壓下發(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：連接器及其電纜的定向很關鍵。衛(wèi)星內(nèi)部非常擁擠，常見的小型 CubeSat 衛(wèi)星將密度水平提升到了一個新的水平（圖 1）。單個 CubeSat 單元 (U) 具有 10×10×10 cm 的標準尺寸，一顆完整的 CubeSat 衛(wèi)星可以是 1U、2U、3U、6U 或 12U。 
圖 1：常見的 CubeSat 衛(wèi)星設計基于標準的小模塊形式，允許以不同的遞增長度堆疊。（圖片來源：Harwin） 如果連接器的設計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，因為連接器和電纜會相互干擾。但是，水平連接器和配接的電纜組件解決了這一問題，電纜從印刷電路板的邊緣側(cè)面繞過堆疊邊緣，從而減小電路板上方所需的間隙。 沒有萬能連接器——很可能永遠不會有 不同互連路徑有不同的電壓、電流、頻率和其他性能要求，若只使用一個連接器系列，那么在許多情況下，連接器性能將嚴重不足或超出要求——這兩種情況都是不能接受的，盡管原因不同。此外，也沒有一個統(tǒng)一的“標準”來定義適于太空應用的連接器。相反，針對具體性能有具體的標準，例如脫氣。NASA 零件選擇清單 (NPSL) 是空間技術使用的元器件規(guī)格的指南，合格零件清單 (QPL) 上的元器件是專門針對太空應用的。在歐洲，航天級連接器具有歐洲航天局 (ESA/ESCC) 認證標志。 設計人員在選擇連接器時，必須在連接器等級和任務關鍵性之間實現(xiàn)平衡。連接器要求過高可能導致嚴重的成本和供貨/提前期問題。同時，如果一顆 CubeSat 衛(wèi)星由于連接器性能不足或?qū)B接器問題不甚了解而過早失效，這將很糟糕且令人沮喪。因此，選擇連接器和電纜時，務必對項目要求有切實的了解。 符合要求的選擇有很多 為了讓設計人員能夠根據(jù)太空應用要求做出最優(yōu)選擇，Harwin 等供應商提供了多個連接器系列。每個系列在端子類型和數(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、電源和同軸連接器配置，便于工程師根據(jù)應用需求來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 20 A，信號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 50 Ω。
圖 2：Mix-Tek Datamate 系列支持信號 (3 A)、電源 (20 A) 和同軸連接器 (6 GHz) 的組合。（圖片來源：Harwin） 旋轉(zhuǎn)端子搭配 Harwin 的四指鈹銅合金端子夾使用，實現(xiàn)了高可靠性。Mix-Tek 連接器提供多種電線和電路板即用型配置，最多提供 50 個低頻端子或 12 個特殊（同軸和電源）端子。連接器間距為 2 mm，可以與信號、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）。單獨屏蔽的端子可實現(xiàn) 60 A 的連續(xù)電流和每個端子 3,000 V 的電壓，并具有 250 次插拔循環(huán)的耐用性。六指端子設計為鈹銅合金并鍍金，可在強烈沖擊和振動下保持電氣連續(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 60 A 的連續(xù)電流和每個端子 3,000 V 的電壓。（圖片來源：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，每個端子支持高達 10 A 的電流，從而實現(xiàn)了一種輕巧、堅固的解決方案，在極端條件下具有良好的表現(xiàn)（圖 4）。連接器通過安裝的不銹鋼頂絲防止振動和沖擊。
圖 4：M300 電源連接器提供緊湊的電源連接，每個端子支持高達 10 A 的電流。（圖片來源：Harwin） 成熟的四指端子設計可在高振動和沖擊環(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 需要一個特殊系列 Gecko 系列連接器和電纜組件的設計旨在滿足 CubeSat 應用在某些尺寸下的相對高容量和低嚴格性要求（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。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)標準同類產(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派生型，不能互配： Gecko-SL (Screw-Lok) 連接器系列：這是一種具有浮動螺釘?shù)倪B接器，可與對應的連接器安全、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。每個端子單獨導通時的額定電流為 2.8 A，所有端子同時導通時的額定電流為 2.0 A。此類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 系列的每個端子單獨導通時的額定電流為 2.8 A，所有端子同時導通時的額定電流為 2.0 A。（圖片來源：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。（圖片來源：Harwin） Gecko-MT（混合技術）：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)端子搭配兩個或四個 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 系列類似，但在單個連接器外殼中支持信號和電源端子混用。（圖片來源：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（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 個信號端子和 2 個電源端子，單個連接器同時具備兩種功能（圖 9）。
圖 9：Gecko-MT 系列的 G125-FV10805F1-1AB1ABP 連接器包含 8 個信號端子和 2 個電源端子。（圖片來源：Harwin） Gecko Latch（原創(chuàng)設計）：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 連接器在公母對之間提供易于釋放的閂鎖。 （圖片來源：Harwin） 20 位表面貼裝插座連接器 G125-FS12005LOR 是 Gecko Latch 設計的一個例子（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。（圖片來源：Harwin） 雙排配置的 Gecko-SL 和 Latch 系列提供 6 至 50 個端子。連接器外殼經(jīng)過極化設計，以防止誤配，外殼外側(cè)標明了端子 1。 與 Gecko-SL 和 Gecko-MT 連接器兼容的可選金屬底殼可用來提供機械、射頻 (RF) 和 EMI 保護，例如用于 20 位 Gecko-SL 連接器的 G125-9702002 尾夾（罩子）（圖 12）。
圖 12：金屬尾夾讓用戶可以選擇為其 Gecko-SL 和 Gecko-MT 連接器增加增強型機械和 EMI 保護，圖中所示為用于 20 針 Gecko-SL 連接器的 G125-9702002。（圖片來源：Harwin） 尾夾是選配件，不需要這種保護的設計就不會有金屬外殼連接器的重量負擔。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 花費時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，與連接器相關的電纜同樣重要。互連選擇由信號類型和安裝決定，包括基礎型電線、雙絞線、屏蔽線和同軸電纜。設計人員可通過五種途徑獲得電纜組件： 1、自己動手（內(nèi)部制造） 2、使用預壓接的端子和電線 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，是標準產(chǎn)品的派生型 5、指定一種專門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準、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，長度為 150 mm，設計用于矩形插座對插座互連（圖 13）。
圖 13：電纜和整體組件構成了完整的互連；該 G125-FC11205F0-0150F0 是一款 12 位、150 mm 長的電纜組件，用于矩形插座對插座互連，以標準器件的形式提供。（圖片來源：Harwin） 總結 關于連接器，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，而不過分追求超出需要的指標或目標。 在 CubeSat 衛(wèi)星市場上尤其如此，因為這些微小衛(wèi)星以多層堆疊的方式放入火箭中，空間和重量對火箭而言彌足珍貴。 對于這類常見的、幾乎成為“大眾市場”的衛(wèi)星，Gecko 連接器和電纜組件讓設計人員在選擇元器件時能夠應對性能和成本的現(xiàn)實挑戰(zhàn)，達成多個有時相互沖突的目標之間的平衡。 |
