高低頻混裝連接器的結構與力學性能研究

劉 靈

綜述·專稿

高低頻混裝連接器的結構與力學性能研究

劉 靈

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009）

概述了高低頻混裝連接器的發展趨勢，指明了其集成度受插拔力的制約。從連接器的安裝、接觸件的固定以及接觸件開槽結構等方面分析，結合力學，總結了影響連接器整體插拔力的因素和降低插拔力的方法。為連接器的高度集成化，提供了設計思路。

高低頻混裝連接器；結構；盲插；插拔力

1 引言

隨著通信技術的迅速發展，電子設備及系統的集成度越來越高。尤其是近幾年，軍用武器系統加速升級換代，民用通信設備的快速迭代，對連接器的小型化、集成化、模塊化、高速化、易維修、快插拔等方向發展提出了更高的要求。高低頻混裝連接器應需而生。然而隨著接觸件集成度的提高，特別是不同種類接觸件的集成，將大幅度提升連接器的整體插拔力，這又制約了連接器的集成度。

為了降低高低頻混裝連接器的整體插拔力，從連接器外殼的安裝結構、接觸件的安裝結構、接觸件的開槽結構等方面研究和探索。

2 結構與力學性能分析

2.1 連接器的外殼安裝結構

連接器根據其外殼的固定安裝方式通常分為插頭、插座。固定端一般定義為插座，自由端定義為插頭。也有連接器雙端均固定在模塊面板上，然后通過模塊的相對運動實現整體對接的情況，稱為板板對接。前一種使用情況，連接器的對中性較好。而板板對接的連接器，其對中性因整機結構精度而異。如果雙端都已安裝固定，對接的插拔力將非常大。為此板板對接連接器需要具有浮動盲插功能，提升對中性。浮動端連接器的外殼固定結構如圖1所示。浮動套、墊圈、外殼三者間隙配合，通過浮動套的翻鉚連接在一起。連接器安裝在模塊面板上時，固定的只有浮動套和墊圈，連接器的外殼是相對自由的。浮動量的大小可根據浮動套與外殼之間的間隙調整[1]。

圖1 混裝連接器示圖

2.2 接觸件的安裝結構

高低頻混裝連接器中有多個接觸件。每個接觸件所處的位置精度均與連接器外殼的開孔位置精度和安裝精度有關。任何與理論位置的尺寸偏差，都將在連接器的插拔力上得到體現。雖然零件的機加工精度很高，但是實際產品中位置偏差是不可消除的，所以高低頻混裝連接器整體插拔力要比單個接觸件插拔力的線型疊加大許多[2]。

通常高低頻混裝連接器應具備單個接觸件的浮動盲插功能，如圖1所示。接觸件通過一種彈性卡圈，安裝在外殼中。接觸件與彈性卡圈間隙配合，以實現單個接觸件的浮動。根據不同的應用情況，浮動端可設計在一端，也可設計在雙端。由于插針接觸件與插孔接觸件的口部有導向結構的存在，對接過程中，接觸件對能夠自動調整至理想的對中位置，實現各自的柔性對接，盡可能減少因機加工和裝配精度的存在而增加的插拔力。

2.3 接觸件的開槽結構

2.3.1 模型建立

圖2 插孔開槽結構示圖

在連接器中，接觸件對通常分為剛性插針、彈性插孔或者彈性插針、剛性插孔。接觸件的可靠性均是通過彈性接觸件與剛性接觸件的彈力得到保證。對接手感上為插拔力。高低頻混裝連接器插拔力的大小，很大程度上是由單個射頻彈性接觸件的彈力大小決定。彈性接觸件一般通過開槽，獲取簧片結構，其開槽形式主要有直開槽和斜開槽兩種，如圖2所示。雖然結構形式不同，但是力的作用原理基本相同。因此選取具體代表性的直開槽插孔研究開槽結構。

根據射頻接觸件的規格型號及相關標準[3]的規定，不同類型的產品，其插孔接觸件的開槽數不盡相同，有2槽、3槽、4槽、甚至8槽等。因不同使用環境，射頻接觸件具有不同的內在結構，其插孔接觸件內徑、外徑以及開槽的槽寬、槽深等均有所不同。雖然插孔接觸件上開槽是保證接觸件彈性接觸的常規措施，但是在射頻接觸件中，開槽卻會影響接觸件的特性阻抗，從而使得連接器的電氣性能變差。

（1）

其中：△——特性阻抗變化的百分數；——開槽數目；——插孔接觸件上的槽寬；——插孔接觸件的外徑。

通過式（1）可以看出，開槽數目越多，開槽越寬，對連接器的特性阻抗影響越大。因此，在保證接觸件的力學性能的前提下，應該盡量減少插孔的開槽數目和開槽寬度，以開2槽的插孔接觸件為例分析，如圖3所示。插孔選用鈹銅材料，開槽后縮口處理，最后時效處理固化縮口狀態。虛線所示位置為未插合時簧片的位置，實線是插合到位后，簧片的位置。由于在同一款射頻接觸件中插孔的內外徑與插針的外徑是相對固定的，因此接觸件插合前后，簧片的的徑向變化量也是相對固定的。

圖3 插合狀態及節目模型

插孔開槽后，根據彈性簧片的力學特性，其受力和形變狀況類似懸臂梁結構，因此可按照懸臂梁結構原理建模分析，如圖4所示[4]。

圖4 懸臂梁模型

（2）

其中：——插孔簧片所受正應力，N；——慣性模量，由插孔的物理性能所決定；——接觸件插合前后，簧片的徑向變化量（擾度），mm；——插孔簧片的長度（即開槽深度），mm；——慣性矩，mm4，可按式（3）計算。

（3）

2.3.2 分析計算

根據式（4）可以算出插拔力。

（4）

其中：——插孔簧片數量，2；——插孔簧片與插針之間的摩擦系數，與接觸件表面粗糙度有關。

聯合式（2）、式（3）、式（4）分析出，插拔力的大小與槽深負相關。

插孔簧片橫截面上最大應力在簧片根部，可通過式（5）計算。

（5）

其中：——中性層到軸的距離，mm，可按式（6）計算。

通常材料選定后，材料的許用應力b是定值，并且b=(2～3.5)，再聯合式（5）、式（6）可以推算出最大允許開槽深度max。因此在不超過最大允許開槽深度max的前提下，增加槽深來降低接觸件的插拔力。

3 結束語

結構決定性能。在高低頻混裝連接器中，外殼的安裝結構、接觸件的安裝結構、接觸件的開槽結構，都直接決定著整體插拔力的大小。因此在設計時，應根據連接器的使用方式，從整體考慮，選擇最佳的結構，降低連接器的整體插拔力，提升對接的柔和性。為連接器的高度集成化提供了設計思路。

1 呂楊. 新型浮動式矩形電連接器的研究[J]. 火控雷達技術，2013，42(4)：97～100

2 謝金祥. 某盲插連接器高密度安裝板的設計與優化[J]. 電子機械工程，2015(3)：24～27

3 GJB5246—2004. 射頻連接器界面[S]

4 喬長海，李留安. 射頻連接器用開槽插孔的可靠性設計與制作[J]. 電子產品世界，2011(3)：52～56

Study on Structure and Mechanical Properties of High and Low Frequency Mixed Connectors

Liu Ling

(Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009)

In this paper, the development trend of high and low frequency mixed connectors is summarized and the integration degree of it is restricted by the plug force. From the connector installation, the fixation of the contacts and the slotted structure of the contacts, etc., combined with the mechanics, the factors affecting the overall connector plug force and the methods to reduce the plug force are summarized. The design idea is provided for the high integration of connector.

high and low frequency mixed connectors；structure；blind-mating；plug force

劉靈（1986），工程師，材料加工工程專業；研究方向：高低頻混裝連接器及組件產品研發。

2020-03-25