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(沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)， 110144)

1 引言

在光纖通信(傳輸)鏈路中，為了實(shí)現(xiàn)不同模塊，設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要，必須有一種能在光纖與光纖之間進(jìn)行連接的器件，使光路能按所需的通道進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)和完成預(yù)定或期望的目的和要求，能實(shí)現(xiàn)這種功能的器件就叫光纖連接器[1]。

隨著光纖通訊技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，以及航空、航天、艦船等設(shè)備傳輸和處理的數(shù)據(jù)量日益增大，保密及抗干擾能力要求不斷增強(qiáng)，促使新的軍事裝備中光纖傳輸逐步取代電纜傳輸，光纖連接器是光纖通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的無(wú)源光器件之一，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于軍用光纖通訊領(lǐng)域中[2]。因軍用設(shè)備的工作環(huán)境包括高空、海洋、沙漠、極寒等各種極端環(huán)境。在使用過(guò)程中，光纖連接器暴露出端面易污染、易損傷、不穩(wěn)定等問題。因此，對(duì)軍用光纖連接器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2 軍用光纖連接器的主要性能指標(biāo)

2.1 光學(xué)性能

2.1.1 插入損耗

插入損耗是指光纖中的光信號(hào)通過(guò)連接器后，其輸出光功率相對(duì)輸入光功率的比率的分貝數(shù)。表達(dá)式見公式(1)，其中P1為輸出光功率，P0為輸入光功率。

(1)

相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)軍用光纖連接器插入損耗值進(jìn)行了規(guī)定，如表1，為MIL-PRF-29504/4C中規(guī)定的插入損耗值。

表1 插入損耗最大值

2.1.2 回波損耗

回波損耗是指光纖中的光信號(hào)通過(guò)連接器后，后向反射光功率相對(duì)輸入光功率的比率的分貝數(shù)。其表達(dá)式見公式(2)，其中Pr為后向反射光功率，Pi為輸入光功率[3]。

(2)

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如GJB 1919A-2009中規(guī)定，回波損耗應(yīng)不小于40dB。

2.1.3 重復(fù)性

重復(fù)性是指同一對(duì)插頭，在同一只適配器中多次插拔之后，其插入損耗的變化范圍，單位用dB表示。

2.1.4 互換性

互換性是指同一型號(hào)連接器互換時(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。

2.2 機(jī)械性能和環(huán)境性能

軍用光纖連接器機(jī)械性能和環(huán)境性能指標(biāo)主要包括：機(jī)械壽命、溫度、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、潮濕、霉菌等。

軍用光纖連接器工作溫度范圍為：-55℃～125℃，機(jī)械壽命通常要求不小于500次。溫度、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、潮濕、霉菌等根據(jù)產(chǎn)品使用要求確定。一般軍用光纖連接器使用時(shí)參照MIL-PRF-29504、GJB 1919A-2009、GJB 1217A-2009等標(biāo)準(zhǔn)要求考核。

3 軍用光纖連接器設(shè)計(jì)示例

3.1 設(shè)計(jì)原理

光纖連接器的基本原理是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，利用陶瓷套管將光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)光纖端面物理接觸，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去。

3.2 軍用光纖連接器簡(jiǎn)化模型

3.2.1 軍用光纖連接器模型示例

光纖連接器的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，其核心結(jié)構(gòu)是對(duì)插的兩個(gè)殼體(殼體1和殼體3)中包含對(duì)接接觸的光纖接觸件，光纖接觸件前端的插針體從兩端插入殼體2中的套管內(nèi)部相互接觸并保持一定的端面壓力。

套管與兩端接觸件之間為高精度小間隙或小過(guò)盈配合，從而保證了插針中光纖之間的同軸，兩個(gè)插針體在外力(例如在接觸件內(nèi)安裝彈簧，由彈簧提供外力)的作用下迫使光纖端面緊密接觸，從而實(shí)現(xiàn)了光纖之間的物理對(duì)接。

圖1 光纖連接器模型示例

3.2.2 接觸件設(shè)計(jì)示例

因光纖連接器是通過(guò)光纖面與面的物理接觸而實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)?，故為了便于?shí)現(xiàn)有效的物理接觸，需為連接器設(shè)計(jì)彈性結(jié)構(gòu)。如MIL-PRF-29504標(biāo)準(zhǔn)將彈性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在光纖插孔端，如圖2：

圖2 MIL-PRF-29504光纖接觸件

為了防止插孔接觸件上的彈簧與連接器孔腔內(nèi)的定位機(jī)構(gòu)(如卡爪)產(chǎn)生阻礙，也可以將彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在接觸件內(nèi)部，如符合ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的光纖接觸件，見圖3。

圖3 ARINC801 光纖接觸件

3.3 精度設(shè)計(jì)

軍用光纖連接器屬于精密元器件，設(shè)計(jì)精度是必須考慮的因素之一。設(shè)計(jì)精度不足會(huì)導(dǎo)致光纖連接器出現(xiàn)損耗過(guò)大甚至失效的現(xiàn)象。由設(shè)計(jì)精度不足引起的損耗主要包括錯(cuò)位損耗、間隙損耗、傾斜損耗等(見圖4至圖6)。

由于纖芯橫向錯(cuò)位引起的損耗叫錯(cuò)位損耗。它是產(chǎn)生連接損耗的重要因素之一。

圖4 錯(cuò)位損耗示例

在光纖端面連接處，由于端面存在間隙而引起的損耗叫間隙損耗。

圖5 間隙損耗示例

在光纖連接處，由于兩光纖軸線的角度傾斜而引起光功率的損耗稱為傾斜損耗。

圖6 傾斜損耗示例

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)配合尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。包括零件精度、孔位精度、孔腔同軸度、接觸長(zhǎng)度等等。孔位精度和孔腔同軸度精度過(guò)低會(huì)引起錯(cuò)位和傾斜損耗，而零件精度要求過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致接觸長(zhǎng)度不足(間隙損耗)或過(guò)量接觸(導(dǎo)致連接器縮針現(xiàn)象)。需要說(shuō)明的是，從生產(chǎn)、工藝和成本的角度講，嚴(yán)格的零件公差并不一定能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品。因此，合理的零件公差設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性價(jià)比。

3.4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化性設(shè)計(jì)

提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度，除了尺寸公差設(shè)計(jì)，還可以從簡(jiǎn)化產(chǎn)品裝配的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。從累計(jì)公差的角度來(lái)看，尺寸鏈的數(shù)目越少，裝配關(guān)系越簡(jiǎn)單，累計(jì)的公差越小，所以在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，在滿足產(chǎn)品性能及生產(chǎn)工藝的前提下，可以盡量的減少裝配關(guān)系。

3.5 可靠性設(shè)計(jì)

因軍用光纖連接器需要長(zhǎng)期使用在振動(dòng)、沖擊等環(huán)境中，故對(duì)光纖連接器彈性機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、防護(hù)等可靠性設(shè)計(jì)是不可忽視的。

3.5.1 彈性機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

以符合MIL-PRF-29504標(biāo)準(zhǔn)的光纖連接器為例，為保證光纖連接器在震動(dòng)、沖擊環(huán)境下能保證有效接觸，除了為連接器鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)防松結(jié)構(gòu)，還要對(duì)光纖接觸件的彈性機(jī)構(gòu)即彈簧進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。圖7為光纖插針與插孔對(duì)接示意圖，彈簧設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用等節(jié)距彈簧，可以保證彈簧力成線性關(guān)系，并且能保證光纖插孔裝配后的同心度，裝配后的彈簧在非工作狀態(tài)下，彈簧力應(yīng)大于陶瓷套筒的插拔力。彈簧的合理性設(shè)計(jì)，可有效避免連接器在震動(dòng)、沖擊環(huán)境下信號(hào)瞬斷的現(xiàn)象，從而提高軍用光纖連接器的可靠性。

圖7 光纖接觸件對(duì)接示意圖

3.5.2 定位機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

以ARINC801標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器為例，該系列光纖連接器通過(guò)改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提升光纖連接器的對(duì)接可靠性，主要增加了定位結(jié)構(gòu)(定位銷)來(lái)保證連接器在對(duì)接過(guò)程中通過(guò)引導(dǎo)使光纖接觸件準(zhǔn)確連接，從而減少因?yàn)槎ㄎ徊粶?zhǔn)引起的陶瓷插芯碎裂等問題，同時(shí)對(duì)光纖接觸件也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，增加了光纖接觸件的定位功能，杜絕接觸件在連接器內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性，從而避免連接器在對(duì)接過(guò)程中以及振動(dòng)沖擊等環(huán)境下光纖接觸件陶瓷端面因轉(zhuǎn)動(dòng)形成的劃傷。

圖8 ARINC801標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器

3.5.3 防護(hù)設(shè)計(jì)

光纖產(chǎn)品對(duì)清潔度要求較高，故光纖連接器需設(shè)計(jì)防塵機(jī)構(gòu)，如為產(chǎn)品設(shè)計(jì)防塵保護(hù)蓋。同時(shí)，為了束線和耐潮濕，還應(yīng)該根據(jù)所用光纖線徑為軍用光纖連接器設(shè)計(jì)封線體，設(shè)計(jì)封線體時(shí)應(yīng)注意封

線體孔腔與光纖導(dǎo)線直徑的配合尺寸，配合尺寸過(guò)大會(huì)失去束線效果，配合尺寸過(guò)小會(huì)存在封線體抱緊力大而導(dǎo)致彈性件(彈簧)失效的隱患。良好的防護(hù)設(shè)計(jì)，也是提高光纖連接器可靠性的方法之一。

3.6 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通用化、系列化設(shè)計(jì)

軍用光纖連接器可以通過(guò)提高普通軍用電連接器精度，改用光纖接觸件的方法而實(shí)現(xiàn)。由于光纖接觸體的特殊性，所以在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、參數(shù)等方面的考慮，同時(shí)需要考慮產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，包括光纖接觸體的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；連接器軸向、徑向定位尺寸一致性等系列化設(shè)計(jì)。

由于存在不同系列連接器所用接觸件接口尺寸的不一致問題，所以應(yīng)保證同系列接觸件的通用化、系列化設(shè)計(jì)及接口尺寸相近的系列連接器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

光纖通訊的迅猛發(fā)展對(duì)軍用光纖連接器提出苛刻要求的同時(shí)也為軍用光纖連接器的發(fā)展提供了市場(chǎng)機(jī)遇，光纖連接器在軍用連接器市場(chǎng)的比重將逐漸提高。通過(guò)對(duì)軍用光纖連接器合理的設(shè)計(jì)，可以有效的提高軍用光纖連接器的性能。本文主要針對(duì)軍用光纖連接器的設(shè)計(jì)，提出一些觀點(diǎn)和看法，僅供對(duì)此感興趣的讀者參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 吳世湘《軍用連接器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)》電子產(chǎn)品世界 2004年8月.

[3] 李躍輝，光纖通信網(wǎng)，西安電子科技大學(xué)出版社，2009年.