发布于：2006/6/14 8:44:19 | 412 次阅读
1引言
随着科技的发展和进步，现代军民两用电子设备日益精密、复杂和多功能化，而各种电子设备始终受到电磁干扰和射频干扰（EMI/RFI）。就1个系统而言，各种电磁干扰在接口处最为严重，它既能将系统外部的EMI传导或辐射到系统内部，又可将系统内部的EMI传导或辐射到系统外部。因此，接口处的连接器在抗电磁干扰中起着极其重要的作用。为适应这一新形势和满足用户的使用要求，我们研制了1种线簧孔矩形滤波连接器，用于某控制系统的信号传输，同时起到抗电磁干扰的作用。
2性能要求
2.1结构合理、紧凑、使用方便
接口、安装尺寸和接触件的排列分布等互换性尺寸符合GJB142A94中25芯、3号壳体的规定，通用性强，体积小，重量轻，安装使用方便。
2.2主要技术性能指标
这种滤波连接器主要用于要求较高的军用设备，因此对性能指标有较高的要求，耐环境技术指标符合GJB142A－94《机柜用外壳定位小型矩形电连接器总规范》（等效于MIL—C24308B（2）《小矩形外壳定位机柜电连接器总规范》）的规定，部分指标还高于其规定，插入损耗符合GJB130891《滤波电连接器要求》（等效于MIL—STD—2120《通讯用抗电磁干扰连接器》）的规定（见表1）
表1 GJB1308-91表1中G频段的规定
| 段频 | 滤波网络类型 | 电容量/nF | 截止频率/MHz(3dBmax) | 衰减/dB(25℃，无负载) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最小 | 试验频率/MHz | ||||||||||
| G | π | 4 | 12 | 0.5 | 1 | 3 | 10 | 30 | 100 | 300 | 1000 |
| 2 | 4 | 15 | 32 | 50 | 55 | 55 | |||||
3连接器的结构设计
3.1总体结构设计
由于该连接器的互换性尺寸符合GJB142A的规定，插孔接触件为线簧插孔，而且用户要求连接器适合用于板载连接，不增大机柜的体积，要求滤波性能符合GJB1308中G频段的规定，上述相关机械和电气原因决定了连接器的整体结构：在插针接触件上加装滤波器组件构成滤波插针连接器，具体结构如图1所示，专用的接地簧片和连接器的外壳以及滤波器的接地极相接，连接器的外壳和机柜相连，这样就通过了接地、屏蔽和滤波几种方法的综合利用，有效地抑制了EMI/RFI。由线簧插孔接触件构成插孔连接器，具体结构如图4所示，线簧插孔的端接方式为焊接，同时由于其插拔力较小，可适用于不同厚度的印制板。
图1 滤波插针电连接器外形结构
1.防尘盖 2.外壳 3.安装板 4.滤波插针组件
5.安装板 6.接地簧片 7.安装板 8.外壳
3.2滤波接触件的结构和滤波原理
由于工艺和性能等方面的要求，此次研制的连接器所采用的滤波元件结构采用管状结构。将管状电容器和管状磁芯组成的滤波元件装入插针和接线端子之间，通过压接后即构成滤波插针接触件，如图2所示。
图2 滤波插针接触件的结构
1.插针 2.管状电容器 3.铁氧体电感器（磁芯） 4.接线端子
由图2可以看出滤波组件的电路原理图，如图3所示。
图3 滤波组件的电路原理
L.电感器 C1.输入电容器 C2.输出电容器
该滤波器为“π”型低通滤波器，它由两个并联的输入、输出电容器和电感器（即铁氧体磁芯）组成，在大于截止频率时，每个元件的衰减变化率为6dB/倍频程，这样，“π”型低通滤波器的超截止频率的衰减为18dB/倍频程。
上述陶瓷管式滤波接触件为无源双端口网络，其传递函数为：
（1）
式中：S是网络的S参数，S=jω；
ω是角频率，ω=2πfrad/s；j是虚数，。
以S=jω带入上式，可得到下式：
（2）
然后，在不同频率上计算这个表达式，结果可以得出用T（jω）的以及对于直流（零频）而言的相对应的衰减分贝值，如表2所示。
表2 T（jω）的频响特性
| ω | T(jω) | 20lg|T(jω)| |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0.707 | －3dB |
| 2 | 0.124 | －18dB |
| 3 | 0.037 | －29dB |
| 4 | 0.0156 | －36dB |
分析方程式（1）可知，传递函数的分母有3个根或3个极点，而分子没有根（即没有零点），因此，这样的滤波器叫做全极点型滤波器。其实上述低通滤波器即为归一化低通滤波器，其截止频率为1rad/s，在图3中：
RS=RL=1Ω(RS是信号源内阻；RL是负载电阻)
L=2H
C1=C2=1F
根据实际情况中滤波器所配接电缆的特性阻抗，可对滤波器进行阻抗标度；根据实际情况中所要求的截止频率，可对滤波器进行频率标度，即“去归一化”。根据表1中的数据fC=0.5MHz及电缆特性阻抗R=50Ω（假设），以及标度公式，可得出“去归一化”后的低通滤波器各元件的值：
R=R′×Z=1×50=50（Ω）
式中：“′”表示阻抗标度前的数值；FSF是根据实际要求的截止频率而得出的频率标度系数。
由上述计算可以看出，元件的选择符合GJB1308-91的规定，满足设计要求。
3.3接地簧片的结构设计
在本设计中，滤波接触件的接地回路是通过接地簧片与滤波器组件的公共接地极及电连接器壳体配合，而后电连接器壳体固定在机柜上与机柜形成接地网络。所以，接地簧片的设计是确保接地可靠性的关键。为了有效地滤除干扰信号，接地电阻必须尽可能地小。根据滤波器组件的强度，充分利用材料的弹性极限，使接地簧片与滤波器组件和壳体之间的接触压力尽可能地大，在结构设计时必须进行理论计算，以保证设计的科学合理性。接地簧片上面有一系列孔，孔的排列与绝缘安装板的孔位排列相同。为了接地可靠及更好地分流，将接地簧片设计成弹性多爪形式，即上面有按标准孔位排列的孔，每个孔上有多个弹性爪卡住电容器的公共接地极，然后通过簧片四周的弹性齿爪与外壳相接。接地簧片材料采用弹性和强度都比较好的材料。接地簧片的开槽以及弹性齿爪之间的间隙必须尽可能地小，以防止电磁波衍射过去，造成衰减性能的恶化。
3.4插孔连接器的结构设计
由图5可以看出，双曲面线簧插孔（简称线簧孔）的结构是由前外套、衬套、高弹性线簧丝和后外套构成。它是采用并联失效模式原理而设计的具有多路传递的插孔：根据额定电流的大小，将多根独立的高弹性金属线簧丝通过斜槽芯棒，在衬套中与衬套的轴向形成一定的角度，并弯向衬套两端的外壁后，通过衬套、线簧丝和外套之间的过盈配合作用，将丝压紧固定在衬套的两端上，前、后外套滚铆在衬套上。设计时应使线簧丝所形成的双曲面最小包络直径（即喉圆）小于所配插针的直径。当插针插入线簧孔时，线簧丝在径向和轴向都发生弹性变形，插针即与线簧孔中多根独立的线簧丝同时接触，构成多个独立的电流通路。即使插孔中的个别线簧丝断裂，线簧孔仍能构成有效的电流通路。由此也可以看出其插拔力小、接触电阻小和可靠性高等特点。
图4 插孔连接器的外形结构
1.防尘盖 2.线簧插孔 3.壳体 4.6.7.安装板 5.壳体
图5 双曲面线簧插孔结构
1.前外套 2.衬套 3.高弹性线簧丝 4.后外套
为了保证连接器的的额定电流，插针的插配直径已固定。为使连接器的体积尽量小，以及为了保证连接器内有必需的芯数、耐电压和绝缘电阻的等级等性能指标，要求线簧孔的外径尽可能地小。因此，线簧丝相对较细、较短；衬套和外套的壁厚不可能太厚。在装配时，线簧丝由衬套的内壁弯向衬套的外壁，丝的弯曲半径仅为衬套壁厚的1/2，因此，线簧丝的弯曲半径也相应较小。同时，为了保证线簧丝的弹性，要求丝有一定的硬度，丝在弯曲时由于弯曲半径较小，易引起丝弯曲表面处皲裂。同时，当插针连接器和插孔连接器插配时，非直线性的插配容易使插针在丝弯曲处烙伤甚至剪断丝；在使用中，当外力作用于插孔连接器上、线簧孔在安装板中移动、前外套和安装板接触时，如果外力过大，也易损伤线簧孔，造成断丝，甚至使线簧孔解体。针对这些因素，在设计时必须充分考虑，科学合理设计插孔连接器的整体结构，充分发挥线簧孔的高可靠性。
多根线簧丝围绕衬套所形成的双曲面的喉圆必须小于所配插针的插配直径，否则会造成接触电阻偏大，接触不可靠。衬套的两端内外都必须倒圆角，合理选择衬套、外套和线簧丝的材料、硬度，以防止在丝弯曲处烙伤甚至剪断丝。衬套和外套之间必须滚铆牢固，以防止线簧孔解体，综合考虑多方面的因素，在生产过程中严格控制零件尺寸，提高线簧孔的可靠性。
如图4所示，在安装板4上有根据插针的插配直径合理设计的导向孔，以利于连接器的插配，同时起到保护线簧孔的作用。因为导向孔过小，连接器不易插合，起不到导向的作用；导向孔过大，插针连接器和插孔连接器非直线性插配时，容易损伤线簧孔。在安装板6和7上有一个“十”形简单的定位机构，使线簧孔在安装板中能够在预定的范围内自由活动，使插针和插孔容易插配，同时使插孔活动的范围能够得到控制，使其前外套和安装板之间没有破坏性力的作用，从而使线簧孔不会出现断丝和解体等问题。由于定位机构分设在两个安装板上，结构简单，模具设计、制造容易，尺寸容易控制，工艺性好，零件的尺寸也容易控制。在设计制造时严格控制零件尺寸就可以满足连接器的整体设计要求。同时，由于没有使用卡环等固定装置，减少了零件的数量，从而使插孔连接器装配简单、快捷，不需要任何工装，也提高了整体可靠性。
4测试结果分析
按照企业军标和有关鉴定检验程序的要求，对产品进行了全面严格的检验，各项检验全部合格。插入损耗优于GJB1308的规定，如表3所示。
表3 插入损耗的比较
| 频率/MHz | 1 | 3 | 10 | 30 | 100 | 300 | 1000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A计算值/dB | 3 | 26 | 47 | 66 | 87 | 106 | 127 |
| GJB1308中规定的衰减/dB | 2 | 4 | 15 | 32 | 50 | 55 | 55 |
| 测试值/dB | 5 | 10 | 30 | 47 | 60 | 70 | 70 |
通过对比发现，测试结果与理论计算结果有差距，究其原因，主要是实际制造与理论计算本身就有差别，如尺寸、材料性能等，测试环境、测试工装以及测量误差也都会影响测试结果。但是实际测试结果仍优于设计要求。
5结论
线簧孔矩形滤波连接器的研制，采用了一些成熟技术，对一些参数进行了优化设计，使整个连接器的结构合理、紧凑，总的来说，这种设计取得了成功。
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