坚固耐用的无人机连接器满足端到端挑战

无人机能力的不断增强意味着对信号处理的要求越来越高。嵌入式计算机正在不断发展，以提供高数据速率，同时变得越来越小，越来越轻，需要新的I / O连接器来防止通信瓶颈。

无人机已成为一种重要的进攻和防御工具，将复杂的监视与精确瞄准相结合。由于一些无人机预计将保持在高空超过36小时，因此尺寸，重量和功率（SWaP）是影响组件选择的关键问题。同时，信号处理负载正在稳步增加，以跟上先进的成像、定位和控制的步伐。这两个因素 - SWaP和高性能计算需求 - 正在引导设计人员创建具有更高带宽和更小外形尺寸的系统。系统设计中这种不断发展的概念对盒子内部和盒子到盒子的整个连接链都有影响。

虽然VITA 46（VPX）可能是国防和航空航天应用中使用最广泛的先进计算平台，但工业界正在寻求下一代小型（SFF）系统。6U系统正在让位于3U系统，VITA 73、74和75委员会正在研究更小的外形尺寸。

挑战不仅仅是尺寸和速度，而是坚固的连接器设计，能够承受冲击、振动、极端温度以及可能暴露于燃料和航空航天应用（如无人机）中的其他环境挑战。

例如，商用背板连接器通常设计为在 20 至 500 Hz 的振动频率下承受 3 gs 的随机振动。军用对应物在更宽的频率范围内（11 或 12 gs，20 至 2，000 Hz）上经过更高水平的振动测试。在其他测试区域，以确定机械和环境的坚固性 - 例如机械或热冲击或配接次数 - 无人机和其他军事应用的连接器必须承受更恶劣的条件。仔细观察盒子内部，以打破I/ O瓶颈并设计信号完整性非常重要。

包装盒内：带宽、尺寸、坚固性

随着设计人员寻求下一代SFF系统，他们也在寻找比以前具有更高速度和信号密度的背板连接器，以支持无人机的SWaP需求。新一代背板连接器为设计人员提供了更小的背板/子卡接口，同时在恶劣环境中支持 12+ Gbps 操作。这种连接器是模块化的、可扩展的，并且通常与各种现有的光纤、射频和电源连接器兼容，从而扩展了设计人员的“机箱内”武器库。因此，它们有助于实现SFF系统。

打破 I/O 瓶颈

随着速度的提高，输入/输出连接成为瓶颈。设计用于可控阻抗的连接器系统以保持信号完整性变得至关重要。由于连接器中存在许多阻抗不匹配的来源 （ 由几何不均匀性和介电常数的变化引起 - 连接器接口的设计必须最大限度地减少阻抗不连续性的串扰和反射，这些干扰和反射会显著导致信号衰减。

例如，四边形系统很好地支持了100 Mbps和1 Gbps。但如今的无人机设计人员正在寻找坚固耐用的阻抗匹配I / O，以支持10 GbE，IEEE 1394，USB 3.0和其他快速协议。

支持这些协议的两种常见解决方案是有选择地将现有的38999连接器固定在一种模式中，该模式通过隔离直接或通过对称消除间接最小化对之间的串扰，或者将市售的RJ45模块化插头或插孔集成到坚固的19 38999连接器外壳中。这两种解决方案都不是最佳的。军用圆形连接器（如 38999）不是为高速操作所需的匹配阻抗而设计的，这导致了一些限制，包括选择性加载中浪费的空间。建议的方法使用具有选择性接触载荷的17或10号外壳。虽然这些方法可以提高 I/O 速度，但它们不能完全满足 Cat 6A 连接器的回波损耗要求，而 Cat 6A 连接器是 10 GbE 的行业标准衡量标准。6A 类双绞线电缆是 10 GbE 的行业标准电缆，连接器还必须满足 Cat 6A 硬件的 ANSI/TIA-568C.2 要求。当今军用无人机应用的高速要求要求连接器具有智能信号完整性配置。

图 1 显示了使用 Cat 6A 电缆测试的 17 号外壳的回波损耗测量值，最高可达 500 MHz。引脚排列模式基于 ARINC 664 针对 1 Gbps 操作的建议，并说明虽然引脚排列可以配置为令人满意地工作 1 GbE，但它不能满足 Cat 6A 连接器在 10 Gbps 下的回波损耗要求。

回波损耗是比较高速使用连接器的便捷指标，因为它直接或间接地指示阻抗匹配和串扰消除的质量。

图 1：选择性引脚化的 38999 连接器的回波损耗结果表明，该连接器在高频下无法满足 Cat 6A 要求。

信号完整性设计

TE Connectivity 的新型 CeeLok FAS-T 连接器不是针对 10 Gbps 操作的现有设计进行“强制拟合”，而是一个例子，说明如何设计信号完整性连接器可以产生更小的尺寸和更快的速度，最高可达 10 GbE。实现更小的尺寸和更快的速度在无人机中至关重要。

为了最大限度地减少接口内串扰的影响，对称触点对模式比并行或非对称配置提供更好的噪声消除，并减少触点之间的所需间距。“T”型被确定为实现串扰消除的最佳方式。此模式基于现有的 TE Connectivity 商用连接器接口，该接口已通过信号完整性建模、分析和物理测试满足 10 GbE 数据传输要求。

一旦建立了图案，接触密度就被优化，调整刀片材料的介电常数。高温连接器应用中使用的热塑性塑料通常具有相对较高的介电强度，以防止相邻触点之间在所需工作电压下发生电弧，但对触点之间的电磁耦合（串扰）产生负面影响。在接口内战略性地放置气穴可减少串扰耦合，并允许更高的接触密度。

该连接器采用 8 号外壳，使用户熟悉 38999 接口，同时显著减小了尺寸和重量：与传统的 I/O 17 38999 系列连接器相比，尺寸减小了 50%，重量减轻了 75%。如图3所示，回波损耗性能完全符合Cat 6A电缆组件的性能要求，甚至在较高频率下也有所改善。

图 3：西乐 FAS-T 连接器符合 Cat 6A 要求。

箱内和箱外速度更快

实现高速系统始于进行密集处理的盒子内部。端到端连接意味着在每一步（从背板到电缆和连接器）优化信号路径，以确保信号完整性。阻抗匹配成为强制性要求，以避免反射、串扰和其他信号损伤源。随着无人机设计推动对更小、更轻的解决方案的推动，紧凑型连接器正在被引入，以满足坚固耐用的性能和高速信号传输的需求。

审核编辑：郭婷