摘要：连接器是电气设备和电气系统间实现电气连接的最主要元器件之一，随着计算机技术和通信技术的发展，各类电器终端和特种装备对信息的传输速率要求越来越高，传统的232信号、485信号、CAN总线等已逐渐不能满足装备发展的需求，同时小型化、集成化、低成本也是各型装备发展的必要条件。本文介绍了一款微矩形连接器，该产品可以满足用户低频信号、USB信号、以太网信号等多种功能的信号传输;同时阐述了该类连接器的功能及结构，并通过试验验证了产品的性能满足相关要求。

关键词：高速、差分信号、连接器

0 引言

矩形连接器被广泛应用于电子计算机领域，随着计算机技术的日益发展，信息的处理与传输速率越来越高，传统的低频微矩形连接器已经不足以满足未来计算机通信的发展需求，同时，根据用户的需要，为了匹配兼容不同型别的设备，设计了一款能够兼容多种信号(包括低频信号、485信号、以太网信号等)的微矩形连接器。

该产品是以GJB2446A-2011标准为参考，结合高速信号传输要求而研发的多功能传输微矩形连接器。它具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，能够传输高速信号，传输速率可达1.5Gbps。

1技术要求

a) 工作温度：-55℃～+125℃;

b) 绝缘电阻：≥5000MΩ(正常条件下);

c) 耐 电 压：800V(标准大气条件下);

d) 额定电流：3A;

e) 特性阻抗：100±15Ω;

f)传输速率：1.5Gbps;

g) 近端串扰：≥30dB;

h) 冲击：加速度735m/s²;

I) 振动：频率10Hz～2000Hz 加速度196m/s²;

J) 机械寿命：500次。

2 方案设计

2.1总体结构

该类产品主要由壳体、基座、插针合件(针头和针体)、插孔、插合附件(螺钉、卡环、钢套、铆钉)、导线、灌封胶组成，接触件与绝缘体采用灌封固定，锁紧组件与壳体采用铆接固定。

该产品接触件采用镀金绞线式弹性插针和刚性插孔配合使用，单个接触件的接触点达九个，具有极大地接触可靠性。绝缘体选用低介电常数的优质工程塑料，孔位采用1.27×1.27mm 网格间距分布，特性阻抗为100Ω，从材料选型和结构的设计上保证了产品的特性阻抗满足高速信号传输要求。用户在使用时，可以根据实际使用需求进行接点布线，以实现不同信号传输的需求。该产品具有接点密度高、体积小、重量轻等特点，适用于高密度、微型化、轻型化、高速率、高可靠要求的各种电气电路系统的互连，满足系统轻型化、微型化、高速传输的需求。

图1产品结构示意图

2.2 参数与功能设计

2.2.1电气性能指标设计

1)接触电阻

插针的设计采用镀金绞线式插针结构，插拔柔和，接触可靠，力值稳定;材料选用锡青铜和铍青铜，材料本身具有较高减磨性能和耐蚀性，弹性模量较高，且导电性能好，体电阻较低;接触件表面选用镀金处理，镀金层不易氧化，具有极高的抗化学腐蚀性能，同时，表面镀金的接触件具有较低的接触电阻;单个接触件的分离力根据GJB2446A-2011标准相关产品的参数设计，且对接到位后插针和插孔接触可靠，并且可获得较低的接触电阻，相关产品的经验值<10mΩ。

2)介质耐电压

绝缘体材料选用优质工程塑料，其击穿强度为17kV/mm，根据绝缘体击穿强度计算公式：

V=d×E

式中：

d——孔腔最小间距(mm)，为0.35mm;

E——绝缘材料击穿强度(kV/mm)，为17kV/mm;

计算可得V=5950V>技术指标值800V，满足设计要求。

3)绝缘电阻

绝缘电阻是绝缘体的体积电阻和表面电阻的并联，由绝缘体材料的体积电阻率、表面电阻率、绝缘体最小爬电距离等决定，其计算公式为：

R=Rv·Rs/(Rv+Rs)，其中Rv=ρv·d/S，Rs=ρs·b/S

式中：R——两接触件间绝缘电阻

ρv——体积电阻率(Ω·mm)，为1×1013Ω·mm

ρs——表面电阻率(Ω·mm)，为1×1012Ω·mm

d——绝缘体导体间距离(mm)，0.35mm

S——导体间对应面积(mm2)，为0.482mm2

b——爬电距离(mm)，为0.35mm

计算可得R=Rv·Rs/(Rv+Rs)≈66000MΩ>技术指标值5000MΩ。

4)特性阻抗、传输速率及串扰

通过相关高频产品的设计经验进行初步设计，选择了低介电常数的材料，并对接触体进行了等间距排布设计，保证了产品特性阻抗的要求;同时，通过绝缘体孔位间距的设计，满足了串扰的要求。通过模型仿真计算，得到该产品特性阻抗、串扰及传输速率的仿真计算结果满足预期要求。

2.2.2 寿命

外壳材料选用航空铝合金材质，其强度与耐腐蚀性好。表面进行镀镍处理，进一步增强其耐盐雾性能和耐腐蚀性能;接触件材料选用铍青铜和锡青铜，有良好的机械性能、腐蚀和减磨性。表面镀金处理,此种表面处理能显著增强其耐磨度。通过同类型产品设计的经验值类比，可以保证寿命达到500次的技术指标要求。

2.3 可靠性设计

2.3.1容差设计

图2 接触体接触长度尺寸链示意

在插头与插座对接插合后，如图2所示，接触体的接触长度A0与其它5个尺寸连接成的封闭尺寸组，形成尺寸链，其中A1为增环，A2～A5为减环。

封闭环的基本尺寸=所有增环基本尺寸之和减去所有减环基本尺寸之和,即A0=A1–(A2+A3+A4+A5)=5.4-(0.8+1+1.3+0.6)=1.7。

封闭环上偏差=所有增环上偏差之和减去所有减环下偏差之和，即封闭环上偏差ES0=0.08-(-0.1-0.05-0.05)=+0.28。

封闭环下偏差=所有增环下偏差之和减去所有减环上偏差之和，即封闭环下偏差EI0=0- (0.05+0.1+0.05)=-0.20。

故封闭环A0=1.7。

产品对接后，插针与插孔接触长度在1.5～1.98mm之间，此长度能够满足要求，保证电性能的可靠性及稳定性。

2.3.2 余度设计

根据上述参数与功能设计，该系列产品余度设计如下：

产品使用的绝缘材料为优质工程塑料，击穿强度为17kV/mm，而绝缘体孔边距最小距离为0.35mm，理论上击穿电压为5950V，大于要求的500V介质耐压值。

通过计算此绝缘体0.35mm间最大绝缘电阻为66000MΩ，大于产品要求的5000MΩ，电性能指标有足够的余量。

产品要求耐高温为125℃，选用的绝缘材料长期使用温度最高为150～200℃，有足够余量。

2.4工艺性设计

2.4.1 机械加工工艺性

该类产品绝缘体采用模具塑压成型，零件一致性能够得到保证，且加工效率快，产品结构容易形成。产品的外壳、接触件结构简单，通过机械加工而成，工艺成熟，容易实现。涂覆采用了质量稳定的镀种方法，质量能得到保证。

2.4.2 装配工艺性

产品由各零件简单组合装配，接触件与导线压接后，与绝缘体采用灌封固定，锁紧组件与壳体采用铆接固定。产品结构相对简单，装配工艺成熟，产品质量能够得到保证。

4 试验验证

对设计后的产品进行试制，并取试制样品按GJB1217A-2009 《电连接器试验方法》相关要求进行试验验证，试验结果合格，各项指标均满足预期要求，试验结果详见下表。

表1 连接器测试结果

试验项目指标要求满足情况备注

额定电流3A满足

工作温度-55℃～125℃满足

特性阻抗100±15Ω满足

绝缘电阻≥5000MΩ满足

耐电压800V满足

近端串扰≥30dB满足

传输速率1.5Gbps满足

振动10～2000Hz，加速度196m/s2满足

冲击735m/s2满足

机械寿命500次满足

5 结论

设计后的多功能微矩形连接器，可以直接与相同接口的连接器互换对接，并且能够兼容匹配不同型别的设备，实现兼容多种信号(包括低频信号、485信号、以太网信号等)的传输。

同时，该产品具备较好的抗振动、冲击能力，可适用于对耐环境要求较高的特种设备。经过试验验证，该类产品各项性能指标合格，满足预期要求。该类产品体积小、质量轻，可以为小型化、集成化、智能化的设备终端及特种装备提供优良的解决方案。