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军事和航空航天领域中光纤应用特点突出
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军事和航空航天领域中光纤应用特点突出

2023-01-09 14:01:26 来源:深圳市连接器行业协会 李亦平编译

【哔哥哔特导读】有关飞行器中对光模块线缆、连接器的使用情况。

了解不同类型光纤技术如何在高要求航空航天应用中发挥作用,可以帮助设计师选择最可靠的互连解决方案。

飞行器 

UAM(城市空中机动性)和电动垂直起降(eVTOL)飞机成为城市地面交通更绿色、更清洁的替代方案。近地轨道卫星正在开启全球数据访问新时代。但为了使这些项目成为现实,设计师必须解决航空电子设备和电子产品中许多连接挑战。当然,卫星和eVTOL/无人机飞机电子设备可以在非常不同的环境中运行。光纤技术在这两个领域的优势可以帮助设计者对于鲁棒性的要求,包括扩展光束和物理接触光纤互连、光学弯曲电路和空间合适的收发器。通过理解选项并与合格的制造商合作,设计师可以实现他们特定项目中端到端解决方案的成功应用。

光纤的特点

光纤的主要优点主要集中在速度、重量、尺寸和鲁棒性。在速度方面,光纤目前支持100到400 Gb/s,超过铜电缆支持速度的10倍。理论速率为每秒200到500兆。在重量方面,每股光纤线比相同直径的铜线轻四倍。对于尺寸,单根光纤的直径为125微米,其核芯小至9微米,夹套直径小于1毫米。与超薄6a类以太网电缆相比,4根200微米(相当于美标32AWG铜线)相同长度的光纤重量要比铜缆轻了近78%。

卫星和eVTOL飞机对速度的需求是不同的。单个LEO卫星可以传输约25 Gb/s,一群卫星总带宽可能以每秒tb级别的速度传输。在eVTOL飞机中,比如飞行娱乐(IFE)系统,信号数据速率大约需要1 Gb/s。

虽然这两种应用速度要求不同,但对重量和节省空间要求是相同的。在现代近地轨道卫星任务中,负载每增加一公斤,每次发射成本可能增加1万美元。在eVTOL飞机中,使用的电池会变成自重。每节省一磅,都可以延长飞行时间和有效载荷/乘客能力。

光纤的安装参数,包括弯曲半径和电缆应力要求,在军事和航空航天应用中,光纤提供了三个关键优点:

1) 全方位抗电磁干扰(EMI)

光纤由既不发射也不接收电磁干扰的介电材料制成,这使它们成为避免电磁干扰(EMI),这种造成航空电子设备系统故障常见原因的理想选择,不需要进行电缆屏蔽。可用的光学插件支持陶瓷套圈、扩展光束终端和多模MT套圈,均符合ARINC、MIL-Spec和EN标准。

2) 太空要求

漏气,即材料在真空环境中释放气体或蒸汽,是空间应用中使用组件的一个问题。美国宇航局已经确定了符合空间条件的光纤组件材料。离子辐射的降解效应是另一个问题,通过使用抗离子辐射的材料使辐射硬化纤维来最小化。

3) eVTOL飞行器要求

光纤可以作为一个完全独立的“有光飞”替代“有线飞”系统,特点是完全没有电磁干扰。

不同类型的光纤鲁棒性

 

将光纤连接到光源、接收器和其它组件上的连接器有两种类型:

1、物理接触(PC)技术将光纤的两端连接在一起。

2、扩展光束(EB)技术利用光纤端面的透镜在光路的一个小气隙内进行扩展和重新聚焦。

PC和EB技术在处理环境问题(接触水、灰尘、振动)、终止因素(插入损耗、返回损失、错位、角度)、可维护性(维修、清洁性、磨损)和电缆限制(弯曲半径、波长范围)方面存在差异。

对卫星应用的PC连接

PC接口使用精密套圈和对准机制来最小化光纤两端之间的光损耗。这只是一个切割,抛光和连接纤维末端对接的问题。末端可以为数字光流量进行平面抛光,或者为光传感应用进行角度抛光。这是一个一次性完成的过程,不需要再触摸它,这正是太空任务所需要的。可以在地面上进行高质量的安装,并且在航天器发射和轨道的振动、冲击和极端温度时可以保持高光学连续性。

用于eVTOL飞机应用的EB连接器

EB接口采用一种设计,将光束穿过光通路的一个小间隙。透镜膨胀并对准从发射光纤发射的光束。光束在间隙上保持准直,直到接收透镜将其聚焦到接收光纤上,可实现插入损耗低于1.0 dB,仅略高于PC触点。由于间隙,EB界面受到污染、错位、振动和磨损的影响最小。

即使经过数百个配对周期,也可以发生多个连接和断开,而几乎没有插入损失,这正是eVTOL维护人员所需要的。EB连接器通常应用在强大的军事战术中。

连接器 

TE连接公司的EB16扩展光束光束PIN针和插座端子

表格 

物理接触(PC)和扩展光束(EB)光纤连接器特性的比较

弹性光纤将鲁棒性提升到了一个新的水平

卫星和eVTOL应用都可以利用相对较新的光学柔性(OF)技术,该技术将单个光纤封装在坚固灵活的基板中。

在卫星中,由数百、甚至数千根单独光纤组成的电路,使背板和系统中的光纤信道能够高密度路由。这些电路可以进行定制,满足卡对卡和背板的要求。交叉线在减少压力同时适应复杂的路由设计。通过计算机数控(CNC)机器的控制光路路由,实现耐久性和低插入损耗。OF电路可以在小空间中管理高光纤数量,容纳多达12层堆叠和多达6个光纤交叉。扁平电缆甚至可以安装在卫星有效载荷外部的平面上。

在eVTOL飞机应用中,电缆很容易在创新的机身几何布局。平坦,坚固的轮廓支持紧密弯曲半径、单模和多模应用。电缆组件设计、连接和路由中可以通过定制解决方案发挥出最佳性能。3D打印可以根据需要制造互连组件。

光纤 

TE连接性的光学柔性电路电缆组件

坚固耐用的端到端光纤解决方案

在光纤网络中,收发器将电信号转换为光信号,将光信号转换为电信号。它可以插入或嵌入到数据网络中发送和接收信号的另一个设备中。

在大型商用飞机中,通过选择合适的转换器、收发器和混合终端,光纤和铜缆可以在许多应用中共存。但光纤可以应用在要求非常高的领域。例如,满足高密度光MT接口模块的SpaceVPX VITA 66.5标准。光纤收发器可采用并行光学设计,实现25+ Gb/s,同时也满足军事或航空航天的鲁棒性标准。

当今,先进光纤技术提供了广泛强大的构建模块,允许设计师找到解决方案来满足eVTOL飞机或卫星的需求。系统工程师、网络架构师、电气布线互连系统(EWIS)设计者以及在设计过程的早期阶段与合格制造商之间密切互动,往往能突显出光纤惊人的优势。

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