楊可貴，王 磊

(中國電子科技集團(tuán)公司第8研究所，合肥 230051)

0 引 言

目前光電綜合系統(tǒng)越來越多，為簡化系結(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)計難度大于單光或單電連接器設(shè)計。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)多于四路時也只是三相、兩項或單根(通信用同軸線)的組合。四光是為四電對等。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，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，有必要對其規(guī)范設(shè)計進(jìn)行研究。當(dāng)前產(chǎn)品規(guī)范設(shè)計意識或者說產(chǎn)品規(guī)范深入設(shè)計人員人心才剛開始，為進(jìn)一步強化這種意識，對這種典型產(chǎn)品的規(guī)范設(shè)計研究具有重要意義。

1 設(shè)計依據(jù)和準(zhǔn)則

同所有產(chǎn)品一樣，連接器的設(shè)計依據(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)計準(zhǔn)則就是在多項選擇依據(jù)中依某一依據(jù)作為準(zhǔn)則。在以上設(shè)計依據(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，應(yīng)如何選擇呢？對多項標(biāo)準(zhǔn)的共性要求如何選擇呢？先從定性設(shè)計討論。首先是光電性能，其次機械性能和環(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，制約點是結(jié)構(gòu)尺寸。但電單元間隔是安全問題，是主要問題，也是設(shè)計的立足點。所以，端子間距設(shè)計應(yīng)以電連接器為準(zhǔn)則。對電連接器，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號殼體。13號殼體的最大安裝尺寸不超過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。如整機或系統(tǒng)尺寸允許也可選17號殼體。電接觸件要求間距較大，一般是滿足光端子要求的，13號殼體能滿足要求時，17號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)不同時可以有很多種，但通常都設(shè)計為光電端子結(jié)構(gòu)相同。采用GJB 599B的13號殼體，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對八芯結(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稱分布，兩半圓部分不對稱，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，如圖1(c)所示。

如要減少尺寸(采用13號殼體)，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絕緣要求不同，GJB1216對接觸件外徑有優(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，光連接器也沒有這種情況。這點應(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)計內(nèi)容

定性設(shè)計確定基本結(jié)構(gòu)后，反過來定量設(shè)計，就是具體設(shè)計內(nèi)容。首先是性能特性設(shè)計。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)計是材料和工藝問題，需要研究的問題不多，除非有突破性。最后是機械性能和環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計，也就是確定最終(具體)結(jié)構(gòu)。機械性能和環(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，機械性能和環(huán)境適應(yīng)性最差，所以機械性能和環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計應(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。機械性能和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計上需要關(guān)注的主要項目是：

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

(2)振動、沖擊性能設(shè)計。由于光纖對接對振動、沖擊要求較高。體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)考慮光纖橫向復(fù)位功能或措施，且夾持機構(gòu)松緊適度，因為過緊可能會導(dǎo)致光纖微彎。在標(biāo)準(zhǔn)上反映是光纜連接器標(biāo)準(zhǔn)對振動、沖擊試驗值要求偏低。對振動，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，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。對沖擊，GJB 6790和GJB 1919要求按GJB 1217A方法2004試驗條件A進(jìn)行試驗(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。由于光纖的溫度性能比電線性能差，溫度適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)按光連接器標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計。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)計都遵循特定的標(biāo)準(zhǔn)，即規(guī)范設(shè)計。這樣便實現(xiàn)了通用化、系列化原則，產(chǎn)品具有很好的互換性。

3 設(shè)計程序

設(shè)計程序是指光電端子結(jié)構(gòu)設(shè)計、插入體結(jié)構(gòu)設(shè)計和連接器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。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，然后確定光電性能要求及機械性能和環(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。對機械性能和環(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)計驗證

光電綜合連接器的設(shè)計驗證采用的是按規(guī)范在試驗室進(jìn)行檢驗的方法。如上所述，電性能按電連接器標(biāo)準(zhǔn)測量、光性能按光連接器標(biāo)準(zhǔn)測量，機械和環(huán)境適應(yīng)性則光連接器標(biāo)準(zhǔn)試驗。本文研究的這些光電連接器都現(xiàn)實供貨產(chǎn)品，尤其是四光四電連接器是批量產(chǎn)品，設(shè)計經(jīng)過了大量驗證。

5 國外情況及對比分析

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

美國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)品完全對應(yīng)的端子排列，其標(biāo)準(zhǔn)也不與MIL-DTL-38999對應(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

我國目前研制生產(chǎn)四光四電連接器的單位有中國電科第八研究所、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。我國的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)等效美軍用標(biāo)準(zhǔn)，我國的產(chǎn)品達(dá)世界先進(jìn)水平。

關(guān)于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，我國有多項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家級詳細(xì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，美國及歐盟地區(qū)也如此。是否應(yīng)該制定光電綜合連接器的國家級詳細(xì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)本文不探討，在此也可以說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。

通過對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，美國及歐盟國家生產(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)場使用時組裝，而且插頭和插座可以互換，產(chǎn)品可以減少一些試驗室的設(shè)計驗證，使非對稱結(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。

6 結(jié) 語

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)計的準(zhǔn)則。纜與連接器對應(yīng)，光電綜合連接器的設(shè)計準(zhǔn)則對光電綜合光纜也適用。在技術(shù)飛速發(fā)展、產(chǎn)品瞬息更新的時代，產(chǎn)品的規(guī)范設(shè)計顯得尤為重要。規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計、節(jié)約成本、穩(wěn)定性能，做到以不變應(yīng)萬變。規(guī)范設(shè)計具體重要意義。

當(dāng)前我國的光電連接器產(chǎn)品與國外最大的區(qū)別是不能現(xiàn)場組裝，或者說沒有現(xiàn)場組裝的連接器。現(xiàn)場組裝的連接器通用化強，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范設(shè)計，關(guān)鍵是插針鎖緊機構(gòu)，這也與制造水平有關(guān)。只有現(xiàn)場大量應(yīng)用才有現(xiàn)場組裝的需求；我國之所以沒有現(xiàn)場組裝的連接器，可能是因為目前沒有大量現(xiàn)場的應(yīng)用需求，但作為一種技術(shù)，我國需要研究解決。

規(guī)范設(shè)計是一種設(shè)計準(zhǔn)則，不是一成不變的設(shè)計，與創(chuàng)新更不矛盾。當(dāng)前先進(jìn)國家光電連接器設(shè)計比我國規(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、密封如何實現(xiàn)、現(xiàn)場組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計等都可創(chuàng)新。創(chuàng)新在規(guī)范的框架內(nèi)才有市場，創(chuàng)新的比較點是標(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].