堅(jiān)固耐用的無人機(jī)連接器滿足端到端挑戰(zhàn)

無人機(jī)能力的不斷增強(qiáng)意味著對(duì)信號(hào)處理的要求越來越高。嵌入式計(jì)算機(jī)正在不斷發(fā)展，以提供高數(shù)據(jù)速率，同時(shí)變得越來越小，越來越輕，需要新的I / O連接器來防止通信瓶頸。

無人機(jī)已成為一種重要的進(jìn)攻和防御工具，將復(fù)雜的監(jiān)視與精確瞄準(zhǔn)相結(jié)合。由于一些無人機(jī)預(yù)計(jì)將保持在高空超過36小時(shí)，因此尺寸，重量和功率（SWaP）是影響組件選擇的關(guān)鍵問題。同時(shí)，信號(hào)處理負(fù)載正在穩(wěn)步增加，以跟上先進(jìn)的成像、定位和控制的步伐。這兩個(gè)因素 - SWaP和高性能計(jì)算需求 - 正在引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建具有更高帶寬和更小外形尺寸的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中這種不斷發(fā)展的概念對(duì)盒子內(nèi)部和盒子到盒子的整個(gè)連接鏈都有影響。

雖然VITA 46（VPX）可能是國防和航空航天應(yīng)用中使用最廣泛的先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)，但工業(yè)界正在尋求下一代小型（SFF）系統(tǒng)。6U系統(tǒng)正在讓位于3U系統(tǒng)，VITA 73、74和75委員會(huì)正在研究更小的外形尺寸。

挑戰(zhàn)不僅僅是尺寸和速度，而是堅(jiān)固的連接器設(shè)計(jì)，能夠承受沖擊、振動(dòng)、極端溫度以及可能暴露于燃料和航空航天應(yīng)用（如無人機(jī)）中的其他環(huán)境挑戰(zhàn)。

例如，商用背板連接器通常設(shè)計(jì)為在 20 至 500 Hz 的振動(dòng)頻率下承受 3 gs 的隨機(jī)振動(dòng)。軍用對(duì)應(yīng)物在更寬的頻率范圍內(nèi)（11 或 12 gs，20 至 2，000 Hz）上經(jīng)過更高水平的振動(dòng)測試。在其他測試區(qū)域，以確定機(jī)械和環(huán)境的堅(jiān)固性 - 例如機(jī)械或熱沖擊或配接次數(shù) - 無人機(jī)和其他軍事應(yīng)用的連接器必須承受更惡劣的條件。仔細(xì)觀察盒子內(nèi)部，以打破I/ O瓶頸并設(shè)計(jì)信號(hào)完整性非常重要。

包裝盒內(nèi)：帶寬、尺寸、堅(jiān)固性

隨著設(shè)計(jì)人員尋求下一代SFF系統(tǒng)，他們也在尋找比以前具有更高速度和信號(hào)密度的背板連接器，以支持無人機(jī)的SWaP需求。新一代背板連接器為設(shè)計(jì)人員提供了更小的背板/子卡接口，同時(shí)在惡劣環(huán)境中支持 12+ Gbps 操作。這種連接器是模塊化的、可擴(kuò)展的，并且通常與各種現(xiàn)有的光纖、射頻和電源連接器兼容，從而擴(kuò)展了設(shè)計(jì)人員的“機(jī)箱內(nèi)”武器庫。因此，它們有助于實(shí)現(xiàn)SFF系統(tǒng)。

打破 I/O 瓶頸

隨著速度的提高，輸入/輸出連接成為瓶頸。設(shè)計(jì)用于可控阻抗的連接器系統(tǒng)以保持信號(hào)完整性變得至關(guān)重要。由于連接器中存在許多阻抗不匹配的來源 （ 由幾何不均勻性和介電常數(shù)的變化引起 - 連接器接口的設(shè)計(jì)必須最大限度地減少阻抗不連續(xù)性的串?dāng)_和反射，這些干擾和反射會(huì)顯著導(dǎo)致信號(hào)衰減。

例如，四邊形系統(tǒng)很好地支持了100 Mbps和1 Gbps。但如今的無人機(jī)設(shè)計(jì)人員正在尋找堅(jiān)固耐用的阻抗匹配I / O，以支持10 GbE，IEEE 1394，USB 3.0和其他快速協(xié)議。

支持這些協(xié)議的兩種常見解決方案是有選擇地將現(xiàn)有的38999連接器固定在一種模式中，該模式通過隔離直接或通過對(duì)稱消除間接最小化對(duì)之間的串?dāng)_，或者將市售的RJ45模塊化插頭或插孔集成到堅(jiān)固的19 38999連接器外殼中。這兩種解決方案都不是最佳的。軍用圓形連接器（如 38999）不是為高速操作所需的匹配阻抗而設(shè)計(jì)的，這導(dǎo)致了一些限制，包括選擇性加載中浪費(fèi)的空間。建議的方法使用具有選擇性接觸載荷的17或10號(hào)外殼。雖然這些方法可以提高 I/O 速度，但它們不能完全滿足 Cat 6A 連接器的回波損耗要求，而 Cat 6A 連接器是 10 GbE 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)衡量標(biāo)準(zhǔn)。6A 類雙絞線電纜是 10 GbE 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電纜，連接器還必須滿足 Cat 6A 硬件的 ANSI/TIA-568C.2 要求。當(dāng)今軍用無人機(jī)應(yīng)用的高速要求要求連接器具有智能信號(hào)完整性配置。

圖 1 顯示了使用 Cat 6A 電纜測試的 17 號(hào)外殼的回波損耗測量值，最高可達(dá) 500 MHz。引腳排列模式基于 ARINC 664 針對(duì) 1 Gbps 操作的建議，并說明雖然引腳排列可以配置為令人滿意地工作 1 GbE，但它不能滿足 Cat 6A 連接器在 10 Gbps 下的回波損耗要求。

回波損耗是比較高速使用連接器的便捷指標(biāo)，因?yàn)樗苯踊蜷g接地指示阻抗匹配和串?dāng)_消除的質(zhì)量。

圖 1：選擇性引腳化的 38999 連接器的回波損耗結(jié)果表明，該連接器在高頻下無法滿足 Cat 6A 要求。

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

TE Connectivity 的新型 CeeLok FAS-T 連接器不是針對(duì) 10 Gbps 操作的現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行“強(qiáng)制擬合”，而是一個(gè)例子，說明如何設(shè)計(jì)信號(hào)完整性連接器可以產(chǎn)生更小的尺寸和更快的速度，最高可達(dá) 10 GbE。實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更快的速度在無人機(jī)中至關(guān)重要。

為了最大限度地減少接口內(nèi)串?dāng)_的影響，對(duì)稱觸點(diǎn)對(duì)模式比并行或非對(duì)稱配置提供更好的噪聲消除，并減少觸點(diǎn)之間的所需間距。“T”型被確定為實(shí)現(xiàn)串?dāng)_消除的最佳方式。此模式基于現(xiàn)有的 TE Connectivity 商用連接器接口，該接口已通過信號(hào)完整性建模、分析和物理測試滿足 10 GbE 數(shù)據(jù)傳輸要求。

一旦建立了圖案，接觸密度就被優(yōu)化，調(diào)整刀片材料的介電常數(shù)。高溫連接器應(yīng)用中使用的熱塑性塑料通常具有相對(duì)較高的介電強(qiáng)度，以防止相鄰觸點(diǎn)之間在所需工作電壓下發(fā)生電弧，但對(duì)觸點(diǎn)之間的電磁耦合（串?dāng)_）產(chǎn)生負(fù)面影響。在接口內(nèi)戰(zhàn)略性地放置氣穴可減少串?dāng)_耦合，并允許更高的接觸密度。

該連接器采用 8 號(hào)外殼，使用戶熟悉 38999 接口，同時(shí)顯著減小了尺寸和重量：與傳統(tǒng)的 I/O 17 38999 系列連接器相比，尺寸減小了 50%，重量減輕了 75%。如圖3所示，回波損耗性能完全符合Cat 6A電纜組件的性能要求，甚至在較高頻率下也有所改善。

圖 3：西樂 FAS-T 連接器符合 Cat 6A 要求。

箱內(nèi)和箱外速度更快

實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)始于進(jìn)行密集處理的盒子內(nèi)部。端到端連接意味著在每一步（從背板到電纜和連接器）優(yōu)化信號(hào)路徑，以確保信號(hào)完整性。阻抗匹配成為強(qiáng)制性要求，以避免反射、串?dāng)_和其他信號(hào)損傷源。隨著無人機(jī)設(shè)計(jì)推動(dòng)對(duì)更小、更輕的解決方案的推動(dòng)，緊湊型連接器正在被引入，以滿足堅(jiān)固耐用的性能和高速信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

審核編輯：郭婷