四光四電連接器規(guī)范設(shè)計(jì)研究

楊可貴，王 磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第8研究所，合肥 230051)

0 引 言

目前光電綜合系統(tǒng)越來(lái)越多，為簡(jiǎn)化系結(jié)構(gòu)在光電綜合系統(tǒng)中要用到光電綜合光纜，但光電綜合光纜成纜長(zhǎng)度小于純電纜或純光纜，所以大量應(yīng)用光電綜合連接器。光電綜合連接器設(shè)計(jì)難度大于單光或單電連接器設(shè)計(jì)。四光四電連接器是一種最具有代表性和典型性的連接器。四電可以是三相四線制電,三相三線電,也可以是兩路(代表多路)兩相電，當(dāng)然也可以懸空(不用)，電路數(shù)多于四路時(shí)也只是三相、兩項(xiàng)或單根(通信用同軸線)的組合。四光是為四電對(duì)等。這種八芯連接器的端子(光連接器稱端子，電連接器稱接觸件，由于光電綜合連接器大類上歸入光連接器，本文稱端子較多)理論上有多種排列，有些設(shè)計(jì)者很隨意，太自由發(fā)揮，不規(guī)范，以至生產(chǎn)的連接器沒有通用性、形成不了系列，所以沒有廣泛的市場(chǎng)，沒有批量。四光四電連接器在小局域網(wǎng)或單向傳輸系統(tǒng)用途最為廣泛，軍民通用，尤其是在水下應(yīng)用。因此，有必要對(duì)其規(guī)范設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。當(dāng)前產(chǎn)品規(guī)范設(shè)計(jì)意識(shí)或者說(shuō)產(chǎn)品規(guī)范深入設(shè)計(jì)人員人心才剛開始，為進(jìn)一步強(qiáng)化這種意識(shí)，對(duì)這種典型產(chǎn)品的規(guī)范設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)和準(zhǔn)則

同所有產(chǎn)品一樣，連接器的設(shè)計(jì)依據(jù)是技術(shù)協(xié)議、總體(或系統(tǒng))下達(dá)的要求、任務(wù)書(以下統(tǒng)稱任務(wù)書)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)外科研成果及其他約束條件。光電綜合連接器依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)——通用規(guī)范是 GJB 599B[1]、GJB 1216[2]、GJB 1611[3]、GJB 1919[4]及GJB 6790[5]。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是在多項(xiàng)選擇依據(jù)中依某一依據(jù)作為準(zhǔn)則。在以上設(shè)計(jì)依據(jù)中，任務(wù)書的要求等是固定的，不可討論?？捎懻摰氖窍嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如上所述，光電綜合連接器依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有多項(xiàng)，應(yīng)如何選擇呢？對(duì)多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的共性要求如何選擇呢？先從定性設(shè)計(jì)討論。首先是光電性能，其次機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性，最后是結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量等問(wèn)題。光電綜合連接器應(yīng)考核的是光電性能要求的相互制約。電單元要求端子間隔大，而純光連接器整體尺寸往往要求較小，這就是相互制約，制約點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸。但電單元間隔是安全問(wèn)題，是主要問(wèn)題，也是設(shè)計(jì)的立足點(diǎn)。所以，端子間距設(shè)計(jì)應(yīng)以電連接器為準(zhǔn)則。對(duì)電連接器，電單元(接觸件)的安裝及結(jié)構(gòu)尺寸在GJB 599B中都有詳細(xì)規(guī)定。但問(wèn)題是，GJB 599B[2]的規(guī)定是否滿足光端子的要求。從GJB 599B中查出，四光四電接器可選擇13號(hào)殼體。13號(hào)殼體的最大安裝尺寸不超過(guò)27 mm，查閱光連接器一些詳細(xì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，該值能滿足要求。如整機(jī)或系統(tǒng)尺寸允許也可選17號(hào)殼體。電接觸件要求間距較大，一般是滿足光端子要求的，13號(hào)殼體能滿足要求時(shí)，17號(hào)殼體肯定能滿足要求。光電綜合連接器應(yīng)以電連接器作為殼體或者說(shuō)以電連接器為準(zhǔn)則是必要的，也是可行的，接著是端子排列。四光四電即八芯連接器的端子理論上有多種排列，尤其是光端子和電端子結(jié)構(gòu)不同時(shí)可以有很多種，但通常都設(shè)計(jì)為光電端子結(jié)構(gòu)相同。采用GJB 599B的13號(hào)殼體，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)八芯結(jié)構(gòu)的電連接器絕緣安裝板接觸件孔位排列的規(guī)定有以下幾種。

圖1 光電端子截面結(jié)構(gòu)圖

(1) 一周對(duì)稱分布

這種結(jié)構(gòu)采用的是GJB 599B規(guī)定的Ⅰ系列Y類殼體，是包括安裝孔在內(nèi)的所有端子在一個(gè)圓周上均勻分布的結(jié)構(gòu)，安裝孔的外徑和光電端子外徑相同，如圖1(a)所示。這種安裝孔在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是易于密封，適用于要密封要求的環(huán)境[6]，如水下等。

(2) 一周均勻分布

安裝孔在內(nèi)部占據(jù)了端子空間，如沒有特殊需要安裝孔不必要在內(nèi)部，這樣所有的端子可以在一個(gè)圓周上均勻分布，如圖1(b)所示。

(3) 混合分布

這是一種端了整體不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的混合分布，排成五芯在半圓上分布、三芯在另半圓上三角形對(duì)稱分布，兩半圓部分不對(duì)稱，是電連接器特有的結(jié)構(gòu)，是GJB 1611A推薦的結(jié)構(gòu)，具有自保特點(diǎn)，如圖1(c)所示。

如要減少尺寸(采用13號(hào)殼體)，考慮到電接觸件的電磁兼容性，光電綜合連接器孔位排列最好排成圓周型。當(dāng)然，如尺寸不受限制(采用17號(hào)殼體)也可以排成其它形狀，端子孔徑也不同。光電綜合連接器的詳細(xì)規(guī)范通常以光纜連接器為通用規(guī)范，如詳細(xì)規(guī)范采用光纜連接器中的梯形或矩形是不合適的。光纖插針內(nèi)徑是固定的(125 μm)，壁厚只要滿足穩(wěn)定性要求即可，所以外徑可以是任意的，因而光連接器通用規(guī)范中沒有關(guān)于插針外徑的規(guī)定。電線則不同。不僅外徑有區(qū)別，而且不同的電壓等級(jí)絕緣要求不同，GJB1216對(duì)接觸件外徑有優(yōu)選推薦值。結(jié)合光插針及采用同軸電纜情況，四光四連接器插針外徑可以按GJB 1216-1991規(guī)定的20號(hào)接觸件的尺寸。當(dāng)然，同一連接器采用同一種規(guī)格，電連接器有的同一連接器采用不同規(guī)格接觸件的情況，但這不是規(guī)范設(shè)計(jì)，光連接器也沒有這種情況。這點(diǎn)應(yīng)特別注意。最后是光端子和電接觸件如何分配，一般是光和電分離以便接續(xù)，但需安全也可光電交叉。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

定性設(shè)計(jì)確定基本結(jié)構(gòu)后，反過(guò)來(lái)定量設(shè)計(jì)，就是具體設(shè)計(jì)內(nèi)容。首先是性能特性設(shè)計(jì)。光電綜合連接器的基本性能特性是插入損耗、回波損耗、接觸電阻，這些性能設(shè)計(jì)是材料和工藝問(wèn)題，需要研究的問(wèn)題不多，除非有突破性。最后是機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，也就是確定最終(具體)結(jié)構(gòu)。機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性由原材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量決定。在光電連接器材料中，光纖是最脆弱的材料，機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性最差，所以機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)應(yīng)光連接器標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則，但這并非是考核負(fù)荷較弱。機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)上需要關(guān)注的主要項(xiàng)目是：

(1)光電纜封口處彎曲及拉脫力(或稱保持力)性能設(shè)計(jì)。這應(yīng)是連接器在兩項(xiàng)較重要的機(jī)械性能，尤其是拉脫力。GJB 6790及GJB 1919都有規(guī)定，而GJB 599B中沒有這兩項(xiàng)規(guī)定，但光電綜合連接器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這兩項(xiàng)性能。體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上就是連接器加尾套及光電纜徑向夾持機(jī)構(gòu)。

(2)振動(dòng)、沖擊性能設(shè)計(jì)。由于光纖對(duì)接對(duì)振動(dòng)、沖擊要求較高。體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮光纖橫向復(fù)位功能或措施，且夾持機(jī)構(gòu)松緊適度，因?yàn)檫^(guò)緊可能會(huì)導(dǎo)致光纖微彎。在標(biāo)準(zhǔn)上反映是光纜連接器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)值要求偏低。對(duì)振動(dòng)，GJB 6790-2009和GJB 1919最嚴(yán)要求采用GJB 1217A[7]方法2005條件Ⅵ中C(功率頻譜密度0.06 G2/H、總加速度均方根10.2 G)進(jìn)行試驗(yàn)，GJB 599B的最嚴(yán)要求采用GJB 1217A方法2005條件Ⅵ中J(功率頻譜密度1.0 G2/H、總加速度均方根41.7 G)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)沖擊，GJB 6790和GJB 1919要求按GJB 1217A方法2004試驗(yàn)條件A進(jìn)行試驗(yàn)(峰值加速度490 m/s2)，GJB 599B-2012直接要求峰值加速度為2 940 m/s2。

(3)溫度適應(yīng)性(高溫壽命及溫度沖擊等)設(shè)計(jì)。由于光纖的溫度性能比電線性能差，溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)應(yīng)按光連接器標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)。GJB 6790和GJB 1919要求最大溫度范圍是-55℃～125℃，GJB 599B-2012要求最大溫度范圍是-65℃～150℃，這主要是粘膠材料及連接器表面處理方式的選擇。

絕緣電阻和耐電壓是電連接器特有要求，其設(shè)計(jì)當(dāng)然按電連接器標(biāo)準(zhǔn)，勿須討論。

這種光電綜合連接器結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)都遵循特定的標(biāo)準(zhǔn)，即規(guī)范設(shè)計(jì)。這樣便實(shí)現(xiàn)了通用化、系列化原則，產(chǎn)品具有很好的互換性。

3 設(shè)計(jì)程序

設(shè)計(jì)程序是指光電端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、插入體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和連接器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。方法是從確定光電端子結(jié)構(gòu)(規(guī)格及排列)開始從內(nèi)到外進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，然后確定光電性能要求及機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性。確定光電性能特性要求的方法當(dāng)然是按任務(wù)書確定選材和工藝。電接觸件長(zhǎng)期發(fā)熱，所以采用光電插針采用陶瓷材料最合適。此外，這種采用陶瓷插針的連接器即可用于水下、也可用于機(jī)載，具有廣泛的應(yīng)用范圍。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，這種連接器的殼體采用不同的金屬。對(duì)機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性，如任務(wù)書中規(guī)定則按規(guī)定，如任務(wù)書中沒有規(guī)定，則根據(jù)應(yīng)用環(huán)境從光纜連接器標(biāo)準(zhǔn)(GJB 6790或GJB 1919)進(jìn)行選擇。但應(yīng)注意，不論光電性能特性還是機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性，即使任務(wù)書中有規(guī)定也應(yīng)與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)一致并符合“就高不就低”原則。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

光電綜合連接器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證采用的是按規(guī)范在試驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)的方法。如上所述，電性能按電連接器標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量、光性能按光連接器標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，機(jī)械和環(huán)境適應(yīng)性則光連接器標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。本文研究的這些光電連接器都現(xiàn)實(shí)供貨產(chǎn)品，尤其是四光四電連接器是批量產(chǎn)品，設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了大量驗(yàn)證。

5 國(guó)外情況及對(duì)比分析

目前國(guó)外研制生產(chǎn)光電連接器的公司有很多，較具代表性的有美國(guó)Amphenol公司、法國(guó)Souriau公司和瑞士lemo公司。

美國(guó)目前的光電綜合連接器采用電連接器標(biāo)準(zhǔn)是MIL-DTL-38999[8]，相應(yīng)的光連接標(biāo)準(zhǔn)是MIL-PRF-28876[9]。Amphenol公司的光電綜合連接器采用這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作為通用規(guī)范，其光電連接器結(jié)構(gòu)采用三頭螺紋的連接形式，在外形尺寸、安裝尺寸按MIL-DTL-38999中Ⅲ系列的相關(guān)要求，兩種四光四電端子排列如圖2所示。

圖2 Amphenol公司四光四電連接器光電端子排列

Souriau公司生產(chǎn)的四光四電連接器與Amphenol公司產(chǎn)品相近，采用的是歐盟標(biāo)準(zhǔn)(與MIL-DTL-38999)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Souriau公司四光四電連接器

lemo公司沒有與Amphenol公司產(chǎn)品完全對(duì)應(yīng)的端子排列，其標(biāo)準(zhǔn)也不與MIL-DTL-38999對(duì)應(yīng)，四光四電連接器也可排成四光五電或四光九電形式，系列化程度較高，其外殼為推拉結(jié)構(gòu)，外形結(jié)構(gòu)及端子排列如圖4所示。

圖4 lemo公司四光四電連接器外形結(jié)構(gòu)及端子排列

我國(guó)目前研制生產(chǎn)四光四電連接器的單位有中國(guó)電科第八研究所、第二十三研究所及中航光電科技股份有限公司等，廣泛用于地面電子設(shè)備、車載、艦載、水下拖曳或機(jī)載光電互連設(shè)備，可軍民通用，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)規(guī)格及性能與美國(guó)及歐盟地區(qū)的產(chǎn)品基本相同。世界上先進(jìn)光電綜合連接器基本上都是如此。我國(guó)的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)等效美軍用標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的產(chǎn)品達(dá)世界先進(jìn)水平。

關(guān)于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)有多項(xiàng)光連接器和電連接器(見參考文獻(xiàn))，但沒有四光四電連接器或其它類型的光電綜合連接器的國(guó)家級(jí)詳細(xì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)及歐盟地區(qū)也如此。是否應(yīng)該制定光電綜合連接器的國(guó)家級(jí)詳細(xì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)本文不探討，在此也可以說(shuō)明研究四光四電連接器及其它類型的光電綜合連接器很有必要。

通過(guò)對(duì)MIL-DTL-38999和MIL-PRF-28876:2004及它們的相關(guān)詳細(xì)規(guī)范的研究得知，美國(guó)及歐盟國(guó)家生產(chǎn)的光連接器或電連接器(含光電綜合連接器)是散件(外殼)產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)組裝，而且插頭和插座可以互換，產(chǎn)品可以減少一些試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，使非對(duì)稱結(jié)構(gòu)防止誤插，具有自保護(hù)性能。這更是規(guī)范的設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 語(yǔ)

電連接器內(nèi)部端子間距較大，使得體積較大。而光連接器需有一些保護(hù)措施或功能，也需要較大的體積。這對(duì)光電綜合連接器相輔相成的。本文分析的是四光四電連接器，二光六電、六光二電連接器完全相同，其它光電綜合連接器也相似(只是選擇的連接器殼體不同)。這是光電綜合連接器規(guī)范設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。纜與連接器對(duì)應(yīng)，光電綜合連接器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)光電綜合光纜也適用。在技術(shù)飛速發(fā)展、產(chǎn)品瞬息更新的時(shí)代，產(chǎn)品的規(guī)范設(shè)計(jì)顯得尤為重要。規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)、節(jié)約成本、穩(wěn)定性能，做到以不變應(yīng)萬(wàn)變。規(guī)范設(shè)計(jì)具體重要意義。

當(dāng)前我國(guó)的光電連接器產(chǎn)品與國(guó)外最大的區(qū)別是不能現(xiàn)場(chǎng)組裝，或者說(shuō)沒有現(xiàn)場(chǎng)組裝的連接器?，F(xiàn)場(chǎng)組裝的連接器通用化強(qiáng)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是插針鎖緊機(jī)構(gòu)，這也與制造水平有關(guān)。只有現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)用才有現(xiàn)場(chǎng)組裝的需求；我國(guó)之所以沒有現(xiàn)場(chǎng)組裝的連接器，可能是因?yàn)槟壳皼]有大量現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求，但作為一種技術(shù)，我國(guó)需要研究解決。

規(guī)范設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不是一成不變的設(shè)計(jì)，與創(chuàng)新更不矛盾。當(dāng)前先進(jìn)國(guó)家光電連接器設(shè)計(jì)比我國(guó)規(guī)范，因而制造成本也低。這不僅僅是光電連接器，很多電子產(chǎn)品都是如此。規(guī)范設(shè)計(jì)有很多可以創(chuàng)新，如四光四電連接器的插入體與殼體是一體化還是分離、密封如何實(shí)現(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都可創(chuàng)新。創(chuàng)新在規(guī)范的框架內(nèi)才有市場(chǎng)，創(chuàng)新的比較點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)。

[1] GJB 599B-2012 耐環(huán)境快速分離高密度小圓形電連接器總規(guī)范[S].

[2] GJB 1216-1991 電連接器接觸件總規(guī)范[S].

[3] GJB 1611-2004 耐環(huán)境快速分離高密度小圓形電連接器的絕緣安裝板接觸件孔位排列[S].

[4] GJB 1919-2009 耐環(huán)境中性圓型光纖光纜連接器通用規(guī)范[S].

[5] GJB 6790-2009 圓型插頭插座式多芯光纜連接器通用規(guī)范[S].

[6] 許曉科,薛萍,朱一末,等.光電綜合水密連接器的研制[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010(3)：12-15.

[7] GJB 1217A-2009 電連接器試驗(yàn)方法[S].

[8] MIL-DTL-38999:2004 耐環(huán)境快速分離高密度小圓型電連接器總規(guī)范[S].

[9] MIL-PRF-28876:2004 圓型插頭插座式多芯光纜連接器通用規(guī)范[S].