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在高频军事和航空电子系统中使用多端口连接器行业资讯

2022-08-12 16:06:16

一起了解军事和航空电子系统的对射频、微波连接器接口要求定制要求。

今天,军事和航空电子系统正在开发中,通常需要增加频率范围以增加带宽和功能,同时也被设计为适合更小的空间。满足减小尺寸、重量和功率 (SWaP) 系统的目标对高频射频/微波电缆和连接器提出了挑战,这些电缆和连接器必须满足复杂的电气、机械和环境规范,且还能够访问子系统模块以进行维护和故障排除。

幸运的是,新的多端口互连技术在射频/微波频率下表现出低损耗,具有高安全性和可重复性。即使在空间有限的应用中,他们直接的方法也可以轻松断开连接,同时保持最苛刻的 EMI/EMC 要求。 

雷达高度计和微波着陆系统 (MLS) 等民用和军用航空电子系统曾经占据 DC 至 12 GHz,现在正在扩展到更高的频率,通常为 18 GHz,有些甚至高达 40 GHz。这种扩展需要子系统互连能够提供最高、最可靠的性能,同时也适合有限的机身空间。 

一般来说,军用电子系统,如电子战 (EW)、雷达和电子对抗 (ECM) 系统,正在设计用于通过模块化架构实现更小的空间和更高的效率。这种设计方法需要能够在最狭窄的空间内连接和断开连接的万无一失的宽带互连,同时满足传统上更持久的 50Ω 互连(包括波导和同轴电缆和连接器)的所有电气、机械和环境要求。有限的空间还增加了对所有高频互连处的极低 EM 辐射和泄漏水平的需求,以最大限度地减少子系统模块之间的干扰。 

多端口连接器的潜力

现代军事和航空电子系统的小型化和功能密度表明需要可用于在狭小空间内路由许多信号的多端口连接器。多端口连接器可以减少载人航空电子系统以及无人驾驶飞行器 (UAV) 的互连硬件总量,在这些飞行器中,减轻重量对增加飞行距离有很大帮助。 

当每根电缆都有自己的输入和输出连接器时,在不断增加的射频/微波频率下,互连数量不断增加的应用很容易演变成具有难以追踪的互连和端接的缠结的同轴电缆。多端口互连的基本概念是在单个线束中为尽可能多的电缆定位互连点,以便不同的子系统模块可以在一个连接点互连,甚至可以进行颜色编码或标记,以方便维护期间的识别和访问和检查。 

但是,创建这种多端口线束的挑战之一是在保持电气和机械性能要求的同时,在线束内实现简单的连接器连接器连接,而不增加整个单独互连的等效尺寸和重量。

传统的同轴连接器,例如 50Ω 螺纹 Neill–Concelman (TNC) 连接器(图 1)长期以来一直连接频率高达18 GHz 的军用和航空电子子系统模块,通过压接或焊接连接端接柔性和半刚性同轴电缆。公母TNC 连接器的螺纹配合形成了安全可靠的电气和机械连接,能够承受这些系统经常遭受的高冲击和振动水平。多端口连接必须处理严重的物理压力,同时达到更高的频率以支持现代系统的宽带宽。由于同轴连接器的接口尺寸取决于波长,因此接口尺寸必须远小于 TNC 连接器等传统组件的尺寸,才能在 30 GHz 甚至 40 GHz 范围内提供低损耗性能。

图1

图 1:传统的 TNC 连接器

随着军事和航空电子系统设计人员针对更紧凑的空间提供更密集的解决方案,他们对同轴连接器和接口提出了不断变化的要求,不仅仅是它们的尺寸和重量,还需要更好地控制以更高频率通过连接器接口的电磁 (EM) 能量。

多端口连接器挑战

传统连接器设计(如 TNC 连接器)可能需要额外的屏蔽(和重量)来限制微波频率下的电磁干扰 (EMI),并达到成功和可靠运行高频电子系统所需的电磁兼容性 (EMC) 水平紧密间隔的同轴接口。泄漏 EM 能量且在接口处缺乏适当屏蔽的连接器接口可能导致系统未能通过 EMC 测试并遭受性能故障。一个有缺陷的连接器接口缺乏适当的电气连接和屏蔽也会使导体的信号受到外部影响。

使用多个同轴电缆组件连接多个子系统和/或模块的传统军用或航空电子系统可能具有 50 个或更多单独的连接器,例如 TNC 连接器,以将不同的子系统连接到主控制器单元。每个连接器在系统设备外壳内占据一定的体积,其总体积可以通过替代连接器接口来减少,例如带有多个端口的线束或外壳,以取代通常用于互连的相当数量的同轴连接器。 

多端口接口比单个 TNC 接口更复杂,但根据端口的数量和它们之间的间距,与相同数量的传统同轴电缆相比,它可以做得足够小,从而在尺寸和重量上获得显着优势组件。对于军事和航空电子应用,这种多端口连接器接口必须满足或超过它所取代的单个传统同轴连接器的电气、机械和环境规范。 

多端口射频接口

现代军事和航空电子系统的多端口射频/微波连接器接口的一些一般要求是基于在不牺牲传统同轴连接器接口性能的情况下节省尺寸和重量的目标。例如,对于依靠幅度和相位测量来进行目标定位的雷达和其他系统,传统同轴电缆组件集在宽频率范围内进行幅度和相位匹配,以确保它们不会导致雷达回波误差信号测量。传统的同轴电缆和连接器可以按照毫米波尺寸精度进行组装,以制造在幅度上非常匹配且相位长度相同的电缆组,以将雷达天线连接到其收发器或接收器和发射器。 

可能需要更小的多端口连接器解决方案来替换雷达系统中的多个电缆组件,以提供端口之间的幅度匹配(通常在十分之一 dB 以内)和相位平衡(通常在几度以内)。电子系统中使用的同轴电缆和其他传输线的规格通常由 OEM 制定,他们详细说明其系统的所有电气和环境要求,然后与经验丰富的 RF 组装制造商合作,后者可以设计优化的 RF 电缆系统。理想的制造商是设计和制造电缆和连接器以创建优化解决方案的制造商。   

有效的多端口同轴连接器接口还必须设计成能够承受军用和航空电子系统预期运行的独特环境条件,例如高冲击和振动,同时保持电气稳定和安全的互连。对于依赖信号幅度和/或相位特性作为高阶调制方案一部分的系统,有效的多端口连接器解决方案必须保持连续、不失真的电气连接,即使在高冲击、高振动和高湿度条件下也是如此。 

通过将接口封装在密封外壳中,可以最大限度地减少吸水对连接器接口的有害影响。高性能飞机的电缆组件的密封水平应不低于电缆长度的 1 x 10-5 cc/sec/ft。1970 年代,当非密封电缆组件产生可靠性问题并导致创建海军 MIL‑T‑81490 和空军 MIL‑C‑87104 规范时,我们吸取了这一教训,这些规范要求对蒸汽泄漏进行100%测试,通常使用氦质谱仪。

小型化射频/微波连接器接口需要多个端口之间的紧密间距,同时仍要在端口之间实现足够的隔离,以最大限度地降低 EMI。对于更高功率的连接器接口,与传统的多同轴电缆组件相比,端口间距也会影响可消散的热量。作为军用和航空电子系统的一部分,常规同轴电缆组件必须能够承受较宽的工作温度范围,而不会显着膨胀或收缩其导电或介电材料。在较高的射频/微波频率下,随着信号波长变小,材料因温度引起的物理变化的影响通常表现为通道连接器接口承载的信号幅度和相位响应的变化。 

外壳保护

用于军事和航空电子系统的可靠多端口射频/微波连接器解决方案的一个关键部分是外壳,该外壳容纳了系统所需互连数量所需的端口数量(参见图 2)。一个外壳可以加工成包括多达 50 个或更多端口,当系统内需要更多互连时,可以构建额外的端口或多个外壳。

根据应用的不同,这种多端口外壳可以由铝等轻质材料加工而成,并采用符合 REACH/RoHS 标准的无铅工艺制造,经过最严格的耐腐蚀要求测试。即使暴露于燃料、盐雾和腐蚀性化学品中,此类工艺也可以帮助多端口连接器接口通过毫米波频率保持出色的低损耗性能。 

外壳也可以充分屏蔽,以满足对密集的军事和航空电子系统最苛刻的 EMI/EMC 要求。为确保电子接触点处的完全接触力,连接端口以足够的力弹簧加载,以确保在包括高振动在内的所有条件下持续电气连接。将单个多端口连接器与多条电缆配合,而不是使用多个完全独立的同轴电缆组件,可以帮助减少系统安装时间、简化系统维护和测试,并提高系统可靠性。通过了解大多数军用和航空电子系统的恶劣环境条件,可以构建多端口连接器外壳以应对高振动、冲击、湿度、温度、 

图2

 

图 2:机加工外壳是多端口射频/微波连接器解决方案的关键部分

工程挑战

能够替代军用和航空电子系统中的传统(和可靠)同轴电缆和连接器的电密集型多端口射频/微波连接器接口必须克服一长串的工程挑战。这些挑战包括在高冲击和振动、宽温度范围以及高海拔存在的类似真空的条件下运行时的高可靠性。 

如前所述,现代军事和航空电子系统中使用的信号,包括情报、雷达、防撞、电子制导、导航、电子战和通信,正在使用更高的频率并覆盖更宽的带宽。曾经在 18 GHz 频率下运行的军用和航空电子系统现在正在扩展到 40 GHz 的毫米波 (mmWave) 频率范围。此外,为了增加功能,这些系统正在增加电子密度,每平方英寸的电路和设备比以往任何时候都多。随着天线和传感器的增多,高密度系统需要更多的互连,并且互连尺寸更小,以适应狭小的空间。 

致密化和小型化的部分原因是对小型 SWaP 军事和航空电子系统的需求不断增长,这些系统依赖于更紧密的互连间距。一个有效的多端口射频/微波连接器接口解决方案应支持多种同轴电缆直径,包括 0.047、0.087 和 0.141 英寸/直径的柔性和半刚性电缆类型,以便在世界各地的不同应用和不同频率范围内实现灵活性。 

典型的军用或航空电子系统会将其线路可更换单元 (LRU) 连接到多端口射频/微波连接器接口。LRU 将通过小型连接器(例如锁定微型推入式、锁定微型盲插或 SMP 型连接器)与内部组件和模块连接,或直接连接到印刷电路板 (PCB)。具有相位关键要求的连接也可以使用相位稳定或二氧化硅 (SiO 2 ) 电缆进行。不太重要的连接通常使用具有聚四氟乙烯 电介质的电缆,例如小直径柔性或半刚性 RG 型电缆或半刚性电缆的柔性替代品。 

为了适应密集包装的盒内应用,可以使用新的高性能、柔性电缆组件,它可以弯曲在狭窄的角落并紧靠连接器后面,以最大限度地减少占用空间、节省空间并简化电缆布线。 

根据电气和机械要求,还可以在 LRU 外部使用各种电缆连接到其末端。示例包括最常用于机身应用的军用级环境密封电缆组件。这些电缆有多种尺寸可供选择,铠装选项可用于电缆将承受更高水平的磨损和撕裂的应用,而轻质选项则可用于将重量最小化至关重要的应用。选择最佳电缆尺寸将基于特定应用的工作频率、损耗和功率要求。 

在串联运行中使用多种电缆类型来解决安装挑战或实现所需的电气结果也很常见,例如可能需要与飞机的不同部分匹配的特定衰减值。多端口触点也可以键控,以防止与插入其中一个端口的键控插头错配,从而避免与具有不同键配置的一个插口匹配。也可以通过使用具有不同半径的外壳来完成键控。 

结论

军事和航空电子系统都是天生定制的,具有自己独特的射频/微波连接器接口要求。因此,与使用传统射频/微波电缆组件相比,多端口连接器解决方案的优势非常显着。在考虑多端口连接器接口时,应审查具体要求,例如频率范围、相位匹配、EMI 等。对于需要小型化的密集系统,多端口连接器接口可以提供一种互连方法,可加快系统组装速度,同时满足最密集电子系统的 EMC 需求。 

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