选择正确的连接器，满足严格的军用/航空电气和机械要求

军用和航空航天应用涵盖航空电子设备、无人驾驶飞行器 (UAV)、飞机、雷达和卫星领域，对连接器和互连器件的要求远比消费、医疗和工业应用严格得多。这类军用/航空连接器需要承受各种电气应力、机械应力和环境应力，同时必须始终满足额定性能指标，而常规器件在同样条件下会出现性能下降，甚至损坏。

面向军用/航空应用的高可靠性互连器件，绝非仅仅是封装在坚固外壳中的一个或一组触点。互连器件本体、密封件、接触力和触点材料必须作为一个整体系统发挥作用，以确保在规定条件下性能达标。

本文探讨设计人员在为军用/航空应用选择和使用互连器件时所面临的挑战。然后以 Molex 的三款产品为例，说明这些器件为何有助于攻克这些挑战。

坚固耐用型连接器的要求

加固型连接器能在极端的机械、环境和热应力条件下始终符合规格要求。这些应力源因运行环境而异，但也有存在很大程度的重叠。例如：

• 陆基军用系统中的连接器必须能够承受剧烈振动、厚厚的积垢（灰尘、沙子、砂砾）以及极端的高温和严寒。
• 船用与深海连接器必须能够耐受长期暴露于腐蚀性海水环境，并承受巨大的挤压压力。
• 航空连接器必须能够承受反复起飞、着陆以及飞行器件的振动、极宽的温度变化范围。
• 太空连接器在发射和重返大气层期间会遭遇更剧烈的温度波动、真空暴露、排气和强烈的机械应力影响。

要满足这些要求的规格，就需要了解多种基本物理因素，具体包括：

• 振动：军用车辆或战斗机中的连接器经测试可承受高达 20g 的加速度。
• 冲击：这种在急加速或急减速时产生的高冲击力有别于振动。对于标准连接器来说，可耐受高达 50 g 的冲击力，而纳米和微型设计可耐受高达 100 g 的冲击力；甚至还有针对爆炸冲击情况的专门标准，涵盖爆炸装置爆炸引起的高量级、高频率、短时结构振动，常见于火箭级间分离或导弹有效载荷的释放等情况。
• 极端温度：陆基系统可能面临 -65°C 至 125°C 的温度波动，而太空系统可能面临达 200°C 的高温。冷热交替会导致材料膨胀和收缩，从而可能削弱材料的强度并影响导电性。此外，连接器内不同材料之间的热膨胀系数 (CTE) 差异会在材料界面上产生机械应力，经过长期使用后可能导致错位或故障。
• 污染物暴露：为确保连接器长期可靠运行，必须采取 O 型圈、密封垫片、护线套等措施，以防潮、防尘及其他各类污染物。
• 腐蚀：这是一个持续存在的问题，由盐雾和氧化等因素造成。必须正确地选择和使用连接器材料，以防这些不可避免的情况破坏连接器的完整性。

什么是可靠性？

简单地说，长期可靠性是指在反复使用、环境暴露和机械应力的情况下，仍能保持稳定的性能。这种性能不仅取决于首次使用连接器时的条件，还取决于是否能承受反复配接，是否能正常工作。许多连接器，尤其是输入/输出 (I/O) 连接器，都要经历数百甚至数千次的插接操作。

成功的加固型设计有两个密不可分的方面：触点本身和固定触点的外壳（本体）（图 1）。

图 1：触点材料、几何形状和镀层是加固型连接器设计的关键。(图片来源：Molex）

要确保连接器在实现可靠连接的同时保持较小的插入力，触点表面的设计极其重要。触点几何形状的精密加工可减少连接处磨损，而触点表面的镀金 (Au) 层则可防止氧化。镀金层厚度通常为 50 微英寸 (µin)，镀于镍 (Ni) 底镀层之上，后者用于增强电镀结合力，进一步增强耐腐蚀性。

这些镀层覆盖于触点的铜 (Cu) 合金基材上。镀金和镀镍的结合对于航空航天、国防和太空应用中的长期可靠性至关重要。铍铜 (BeCu) 因自身出色的强度重量比和优异的抗疲劳性能而被广泛用作基材。这种合金特别适用于弹簧构件的触点，且在这种触点中，弹性和承受长期应力之后的恢复能力是不可或缺的。

磷青铜 (CuSnP) 是非弹簧触点的合适替代品，在强度和导电性之间实现了平衡。这种材料耐腐蚀，具有适度的弹簧特性，常用于需要一定弹性但不需要持续弯曲的紧凑型和细间距连接器。

设计加固型连接器需要仔细考虑多种因素（图 2）：

• 保持法向力是确保可靠性的关键。高性能弹簧材料可保持触点压力和耐久性。
• 更强的接触力可减少空气间隙，降低电阻，提高信号完整性。经过优化的几何形状可分散压力，以确保稳定的导电性。
• 触点啮合是指插针和插座之间的轴向重叠，这种机制兼顾了力、连续性和机械稳定性。

图 2：持续的法向力是确保可靠性的关键因素（上图），而更大的接触力可减少气隙（下图），从而减小电阻并提高信号完整性。(图片来源：Molex）

在微观层面上，配接接触区并非仅仅是两个光滑平坦表面的简单贴合。恰恰相反，在欧姆接触形成或断开的部位，接触界面存在微观粗糙度、表面尖峰和不规则形状。施加更大的接触力可压平这些微小凸起，从而提升导电性能、降低接触电阻，并确保性能一致性，但接触力增大也会影响插拔力，加剧接触表面磨损。

设计精良的触点系统可平衡啮合长度和法向力，防止连接不牢固、过度磨损和机械应力。如果接触力太小，接触电阻就会增大，导致信号不稳定。相反，接触力过大会加速电镀层磨损，导致触点结构出现过早疲劳。

与只有一个或两个触点的商用连接器不同，加固型连接器采用多触点系统，以分散振动或冲击产生的机械负载（图 3）。这类触点系统可防止微动引起的电弧或信号丢失，并为关键系统提供冗余触点路径。

图 3：多触点设计可提高稳定性和信号完整性。(图片来源：Molex）

触点系统还可包括弹簧元件，以保持长期一致的接触力。弹簧式触点可补偿触点对齐期间的微小变化，同时确保经过重复插拔还能保持可靠的导电性。然而，过大的力又会导致触点电镀层过度磨损。

不止于触点：连接器壳体与防护外壳

加固型连接器的核心性能虽始于触点，但连接器壳体的作用远不止包覆内部的电气触点：它可抵御机械应力、极端温度、腐蚀性介质与潮气侵入，同时在耐用性与重量之间维持平衡。有多种外壳材料可供设计人员选择：

• 聚醚醚酮 (PEEK)、聚苯硫醚 (PPS) 和聚醚酰亚胺 (PEI) 等热塑性聚合物具有出色的机械强度、耐热性和化学稳定性。这些材料可有效吸收轻质结构的振动和冲击。
• 诸如玻璃纤维增强聚合物和碳纤维复合材料等复合材料，具有出色的强度重量比。通过设计，可针对这类材料的特定性能进行优化，具体包括拉伸强度、抗冲击性或热稳定性等。
• 由于航空航天和国防应用中存在高冲击、高振动和很强的电磁干扰 (EMI)，因此不锈钢和铝合金是连接器外壳的首选材料。

不锈钢连接器外壳具有优异的耐腐蚀性和机械强度，非常适合暴露在潮湿、化学品或盐雾环境中的船舶、工业和航空航天应用。铝合金不仅具有很强的电磁干扰屏蔽能力，还具有重量轻、易于加工等优点，因此成为军用车辆、航空电子设备和太空应用中连接器外壳的首选材料。

一些加固型连接器采用扁平式闩锁系统，在减小整体尺寸的同时，还能实现稳定性和安全插接。例如，弹簧锁或按压锁紧装置使连接器在战场条件下，既有机械可靠性，又易于操作。

宇航级：全新技术前沿

在卫星、深空探测器和高空航空航天系统中，所用的连接器经常会处于在电离辐射环境中，而电离辐射会使材料降解、损害电气性能并削弱结构完整性。这类连接器必须既能够抵御辐射引起的脆化、导电性降低和原子氧侵蚀，又能在真空环境中保持可靠性。

针对这些宇航级应用，PEEK 和 PPS 等经过辐射加固（rad-hard，简称抗辐照）处理的热塑性塑料，具有优异的抗辐射性能的同时，还能保持低放气率。金属屏蔽层由航空航天级铝合金制成，表面经无电解镍处理，既实现了结构耐久性，又能防止辐射和原子氧暴露。最后，镀金处理可形成一道防止辐射损坏的保护屏障，在长期的太空任务中保持电气完整性和触点可靠性。

连接器系列涵盖了多样化解决方案

没有那一类加固型连接器能满足所有需求，因此 Molex 等公司提供了多样化连接器类型。通过对 D-sub 微型 (D-sub)、射频端接和射频板连接器的研究分析，清晰展示了连接器性能与应用、额定参数、锁紧和固定机构等特性的对比情况。

D-sub 因其触点数量范围（9、15、25、37 和 50）、信号处理能力、物理键控以及各种配接和固定选择而被广泛应用。例如，Molex 0732841811（图 4）是一种采用自由悬挂布局的 EMI 滤波型 9 母插针转 9 公插针（插头/插口）连接器。除其他应用外，这款连接器还可用于配接两个极性不匹配的连接器。

图 4：0732841811 是一款 9 公插针/母插针 D-sub 转接器。(图片来源：Molex）

其插针具有 10 毫欧 (mΩ) 低接触电阻，内置 1000 皮法 (pF) 电容器可实现 3 分贝 (dB) 的 3.2 兆赫 (MHz) 截止频率，可用于 EMI 和射频干扰 (RFI) 滤波。该连接器外壳尺寸约 0.304 in. 宽 × 0.64 in. 长（7.72 × 16.26 mm），由镀镍锌制成，本体绝缘材料为玻璃填充聚酯。

用于射频电缆端接时，可用 0732870620（图 5）连接器，这是一款 26.5 千兆赫 (GHz)、50 Ω 同轴连接器插头（公插针），用于封盖（端接）一个未使用的射频端口。这样可以防止信号能量沿着电缆反射回来，从而导致信号失真、产生干扰，甚至损坏敏感的电子元件。

图 5：0732870620 是一款 26.5 GHz 50 Ω SMA 端接器，用于盖封未使用的射频端口，防止信号反射。(图片来源：Molex）

0732870620 端接器的直流电压驻波比 (VSWR) 接近 1.05:1，最大频率时仅升高至 1.35:1。该器件的本体采用钝化处理不锈钢，导体为镀金铍铜材质。该器件在 25˚C 环境下的连续额定功率为 1 瓦；在脉冲为 5 微秒 (µs)，占空比为 0.05% 的条件下，最大额定功率为 1 千瓦 (kW) 。

与标准连接器相比，射频滤波板互连器件的知名度较低，但却发挥着极为重要的作用。这种连接器属于特种高密度器件，用于在穿板或模块层面抑制 EMI。与信号直通板不同，滤波器板可在指定频率范围内阻断或衰减 EMI，从而保持信号完整性并降低噪声，同时防止高频应用中的串扰和失真。

诸如 0732860030 这样的滤波板（图 6，左），具有多条滤波信号线，可减少安装工作量并节省电路板空间。该滤波板长 1.06 in. (26.92 mm)，采用两排各 6 根直插针引脚布局；采用 100 皮法 (pF) 穿心电容（C 型）滤波器，3dB 最大截止频率为 50.3 兆赫 (MHz)。该器件的插入损耗在 50 MHz 左右时为 0 dB，在 10 GHz 时上升到 50 dB（典型值）（图 6，右）。

图 6：0732860030 滤波器板（左）有两排各六个插针，使用 100 pF C 型滤波器，3 dB 截止频率为 50.3 MHz，插入损耗在 50 MHz 左右时为 0 dB，在 10 GHz 时上升到 50 dB（典型值）（右，B 线）。(图片来源：Molex）

该滤波板的黄铜基板经过镀锡处理，其镀金插针可处理 100 伏、3 安培 (A) 的信号。

针对加固型应用中连接器和互连器件及其材料，不同机构组织的标准提出了相应要求。其中许多要求已列入相关标准。¹

结语

军用、航空航天、近地和深空以及其他恶劣环境，对加固型连接器和互连器件提出了非常苛刻的要求。这就需要了解并仔细考虑触点和外壳的材料、设计和制造带来的权衡问题，以生产满足这些要求的连接器。Molex 提供加固型解决方案，每种解决方案都提供多种选择，因此设计人员可以选择优化型解决方案，实现关键的性能目标。

相关标准

• MIL-STD-202 电子电气元器件测试方法标准
• MIL-STD-810 环境工程考虑因素和实验室测试
• MIL-STD-1344 电气连接器测试方法
• EIA 364-27 电气连接器和插座的机械冲击测试
• MIL-DTL-83513 电气连接器、矩形、微型、极化外壳通用规范
• MIL-STD-348 国防部接口标准：军用射频连接器接口标准
• NASA ASTM-E595 标准放气测试
• NASA-STD-6012 航天飞行硬件腐蚀防护标准
• NASA-STD-5019 航天飞行硬件断裂控制要求
• NASA-STD-7003 爆炸冲击试验标准
• IP67 防护等级
• UL94V-0 设备和器具用塑料部件可燃性安全标准

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