四光四电连接器规范设计研究

杨可贵，王 磊

(中国电子科技集团公司第8研究所，合肥 230051)

0 引 言

目前光电综合系统越来越多，为简化系结构在光电综合系统中要用到光电综合光缆，但光电综合光缆成缆长度小于纯电缆或纯光缆，所以大量应用光电综合连接器。光电综合连接器设计难度大于单光或单电连接器设计。四光四电连接器是一种最具有代表性和典型性的连接器。四电可以是三相四线制电,三相三线电,也可以是两路(代表多路)两相电，当然也可以悬空(不用)，电路数多于四路时也只是三相、两项或单根(通信用同轴线)的组合。四光是为四电对等。这种八芯连接器的端子(光连接器称端子，电连接器称接触件，由于光电综合连接器大类上归入光连接器，本文称端子较多)理论上有多种排列，有些设计者很随意，太自由发挥，不规范，以至生产的连接器没有通用性、形成不了系列，所以没有广泛的市场，没有批量。四光四电连接器在小局域网或单向传输系统用途最为广泛，军民通用，尤其是在水下应用。因此，有必要对其规范设计进行研究。当前产品规范设计意识或者说产品规范深入设计人员人心才刚开始，为进一步强化这种意识，对这种典型产品的规范设计研究具有重要意义。

1 设计依据和准则

同所有产品一样，连接器的设计依据是技术协议、总体(或系统)下达的要求、任务书(以下统称任务书)及相关标准、国内外科研成果及其他约束条件。光电综合连接器依据的相关标准——通用规范是 GJB 599B[1]、GJB 1216[2]、GJB 1611[3]、GJB 1919[4]及GJB 6790[5]。

设计准则就是在多项选择依据中依某一依据作为准则。在以上设计依据中，任务书的要求等是固定的，不可讨论。可讨论的是相关标准。如上所述，光电综合连接器依据的相关标准有多项，应如何选择呢？对多项标准的共性要求如何选择呢？先从定性设计讨论。首先是光电性能，其次机械性能和环境适应性，最后是结构外观质量等问题。光电综合连接器应考核的是光电性能要求的相互制约。电单元要求端子间隔大，而纯光连接器整体尺寸往往要求较小，这就是相互制约，制约点是结构尺寸。但电单元间隔是安全问题，是主要问题，也是设计的立足点。所以，端子间距设计应以电连接器为准则。对电连接器，电单元(接触件)的安装及结构尺寸在GJB 599B中都有详细规定。但问题是，GJB 599B[2]的规定是否满足光端子的要求。从GJB 599B中查出，四光四电接器可选择13号壳体。13号壳体的最大安装尺寸不超过27 mm，查阅光连接器一些详细规范相关规定，该值能满足要求。如整机或系统尺寸允许也可选17号壳体。电接触件要求间距较大，一般是满足光端子要求的，13号壳体能满足要求时，17号壳体肯定能满足要求。光电综合连接器应以电连接器作为壳体或者说以电连接器为准则是必要的，也是可行的，接着是端子排列。四光四电即八芯连接器的端子理论上有多种排列，尤其是光端子和电端子结构不同时可以有很多种，但通常都设计为光电端子结构相同。采用GJB 599B的13号壳体，国内相关标准对八芯结构的电连接器绝缘安装板接触件孔位排列的规定有以下几种。

图1 光电端子截面结构图

(1) 一周对称分布

这种结构采用的是GJB 599B规定的Ⅰ系列Y类壳体，是包括安装孔在内的所有端子在一个圆周上均匀分布的结构，安装孔的外径和光电端子外径相同，如图1(a)所示。这种安装孔在内部的结构特点是易于密封，适用于要密封要求的环境[6]，如水下等。

(2) 一周均匀分布

安装孔在内部占据了端子空间，如没有特殊需要安装孔不必要在内部，这样所有的端子可以在一个圆周上均匀分布，如图1(b)所示。

(3) 混合分布

这是一种端了整体不对称结构的混合分布，排成五芯在半圆上分布、三芯在另半圆上三角形对称分布，两半圆部分不对称，是电连接器特有的结构，是GJB 1611A推荐的结构，具有自保特点，如图1(c)所示。

如要减少尺寸(采用13号壳体)，考虑到电接触件的电磁兼容性，光电综合连接器孔位排列最好排成圆周型。当然，如尺寸不受限制(采用17号壳体)也可以排成其它形状，端子孔径也不同。光电综合连接器的详细规范通常以光缆连接器为通用规范，如详细规范采用光缆连接器中的梯形或矩形是不合适的。光纤插针内径是固定的(125 μm)，壁厚只要满足稳定性要求即可，所以外径可以是任意的，因而光连接器通用规范中没有关于插针外径的规定。电线则不同。不仅外径有区别，而且不同的电压等级绝缘要求不同，GJB1216对接触件外径有优选推荐值。结合光插针及采用同轴电缆情况，四光四连接器插针外径可以按GJB 1216-1991规定的20号接触件的尺寸。当然，同一连接器采用同一种规格，电连接器有的同一连接器采用不同规格接触件的情况，但这不是规范设计，光连接器也没有这种情况。这点应特别注意。最后是光端子和电接触件如何分配，一般是光和电分离以便接续，但需安全也可光电交叉。

2 设计内容

定性设计确定基本结构后，反过来定量设计，就是具体设计内容。首先是性能特性设计。光电综合连接器的基本性能特性是插入损耗、回波损耗、接触电阻，这些性能设计是材料和工艺问题，需要研究的问题不多，除非有突破性。最后是机械性能和环境适应性的设计，也就是确定最终(具体)结构。机械性能和环境适应性由原材料、产品结构和加工质量决定。在光电连接器材料中，光纤是最脆弱的材料，机械性能和环境适应性最差，所以机械性能和环境适应性的设计应光连接器标准为准则，但这并非是考核负荷较弱。机械性能和环境适应性设计上需要关注的主要项目是：

(1)光电缆封口处弯曲及拉脱力(或称保持力)性能设计。这应是连接器在两项较重要的机械性能，尤其是拉脱力。GJB 6790及GJB 1919都有规定，而GJB 599B中没有这两项规定，但光电综合连接器设计时应考虑这两项性能。体现在结构设计上就是连接器加尾套及光电缆径向夹持机构。

(2)振动、冲击性能设计。由于光纤对接对振动、冲击要求较高。体现在结构设计上应考虑光纤横向复位功能或措施，且夹持机构松紧适度，因为过紧可能会导致光纤微弯。在标准上反映是光缆连接器标准对振动、冲击试验值要求偏低。对振动，GJB 6790-2009和GJB 1919最严要求采用GJB 1217A[7]方法2005条件Ⅵ中C(功率频谱密度0.06 G2/H、总加速度均方根10.2 G)进行试验，GJB 599B的最严要求采用GJB 1217A方法2005条件Ⅵ中J(功率频谱密度1.0 G2/H、总加速度均方根41.7 G)进行试验。对冲击，GJB 6790和GJB 1919要求按GJB 1217A方法2004试验条件A进行试验(峰值加速度490 m/s2)，GJB 599B-2012直接要求峰值加速度为2 940 m/s2。

(3)温度适应性(高温寿命及温度冲击等)设计。由于光纤的温度性能比电线性能差，温度适应性设计应按光连接器标准要求设计。GJB 6790和GJB 1919要求最大温度范围是-55℃～125℃，GJB 599B-2012要求最大温度范围是-65℃～150℃，这主要是粘胶材料及连接器表面处理方式的选择。

绝缘电阻和耐电压是电连接器特有要求，其设计当然按电连接器标准，勿须讨论。

这种光电综合连接器结构和性能设计都遵循特定的标准，即规范设计。这样便实现了通用化、系列化原则，产品具有很好的互换性。

3 设计程序

设计程序是指光电端子结构设计、插入体结构设计和连接器整体结构设计。方法是从确定光电端子结构(规格及排列)开始从内到外进行整体设计，然后确定光电性能要求及机械性能和环境适应性。确定光电性能特性要求的方法当然是按任务书确定选材和工艺。电接触件长期发热，所以采用光电插针采用陶瓷材料最合适。此外，这种采用陶瓷插针的连接器即可用于水下、也可用于机载，具有广泛的应用范围。根据应用环境，这种连接器的壳体采用不同的金属。对机械性能和环境适应性，如任务书中规定则按规定，如任务书中没有规定，则根据应用环境从光缆连接器标准(GJB 6790或GJB 1919)进行选择。但应注意，不论光电性能特性还是机械性能和环境适应性，即使任务书中有规定也应与相应的标准一致并符合“就高不就低”原则。

4 设计验证

光电综合连接器的设计验证采用的是按规范在试验室进行检验的方法。如上所述，电性能按电连接器标准测量、光性能按光连接器标准测量，机械和环境适应性则光连接器标准试验。本文研究的这些光电连接器都现实供货产品，尤其是四光四电连接器是批量产品，设计经过了大量验证。

5 国外情况及对比分析

目前国外研制生产光电连接器的公司有很多，较具代表性的有美国Amphenol公司、法国Souriau公司和瑞士lemo公司。

美国目前的光电综合连接器采用电连接器标准是MIL-DTL-38999[8]，相应的光连接标准是MIL-PRF-28876[9]。Amphenol公司的光电综合连接器采用这两项标准作为通用规范，其光电连接器结构采用三头螺纹的连接形式，在外形尺寸、安装尺寸按MIL-DTL-38999中Ⅲ系列的相关要求，两种四光四电端子排列如图2所示。

图2 Amphenol公司四光四电连接器光电端子排列

Souriau公司生产的四光四电连接器与Amphenol公司产品相近，采用的是欧盟标准(与MIL-DTL-38999)对应，产品结构如图3所示。

图3 Souriau公司四光四电连接器

lemo公司没有与Amphenol公司产品完全对应的端子排列，其标准也不与MIL-DTL-38999对应，四光四电连接器也可排成四光五电或四光九电形式，系列化程度较高，其外壳为推拉结构，外形结构及端子排列如图4所示。

图4 lemo公司四光四电连接器外形结构及端子排列

我国目前研制生产四光四电连接器的单位有中国电科第八研究所、第二十三研究所及中航光电科技股份有限公司等，广泛用于地面电子设备、车载、舰载、水下拖曳或机载光电互连设备，可军民通用，其产品结构规格及性能与美国及欧盟地区的产品基本相同。世界上先进光电综合连接器基本上都是如此。我国的国家军用标准等效美军用标准，我国的产品达世界先进水平。

关于产品标准，我国有多项光连接器和电连接器(见参考文献)，但没有四光四电连接器或其它类型的光电综合连接器的国家级详细规范标准，美国及欧盟地区也如此。是否应该制定光电综合连接器的国家级详细规范标准本文不探讨，在此也可以说明研究四光四电连接器及其它类型的光电综合连接器很有必要。

通过对MIL-DTL-38999和MIL-PRF-28876:2004及它们的相关详细规范的研究得知，美国及欧盟国家生产的光连接器或电连接器(含光电综合连接器)是散件(外壳)产品，现场使用时组装，而且插头和插座可以互换，产品可以减少一些试验室的设计验证，使非对称结构防止误插，具有自保护性能。这更是规范的设计。

6 结 语

电连接器内部端子间距较大，使得体积较大。而光连接器需有一些保护措施或功能，也需要较大的体积。这对光电综合连接器相辅相成的。本文分析的是四光四电连接器，二光六电、六光二电连接器完全相同，其它光电综合连接器也相似(只是选择的连接器壳体不同)。这是光电综合连接器规范设计的准则。缆与连接器对应，光电综合连接器的设计准则对光电综合光缆也适用。在技术飞速发展、产品瞬息更新的时代，产品的规范设计显得尤为重要。规范产品设计、节约成本、稳定性能，做到以不变应万变。规范设计具体重要意义。

当前我国的光电连接器产品与国外最大的区别是不能现场组装，或者说没有现场组装的连接器。现场组装的连接器通用化强，需要严谨的规范设计，关键是插针锁紧机构，这也与制造水平有关。只有现场大量应用才有现场组装的需求；我国之所以没有现场组装的连接器，可能是因为目前没有大量现场的应用需求，但作为一种技术，我国需要研究解决。

规范设计是一种设计准则，不是一成不变的设计，与创新更不矛盾。当前先进国家光电连接器设计比我国规范，因而制造成本也低。这不仅仅是光电连接器，很多电子产品都是如此。规范设计有很多可以创新，如四光四电连接器的插入体与壳体是一体化还是分离、密封如何实现、现场组装结构设计等都可创新。创新在规范的框架内才有市场，创新的比较点是标准。

[1] GJB 599B-2012 耐环境快速分离高密度小圆形电连接器总规范[S].

[2] GJB 1216-1991 电连接器接触件总规范[S].

[3] GJB 1611-2004 耐环境快速分离高密度小圆形电连接器的绝缘安装板接触件孔位排列[S].

[4] GJB 1919-2009 耐环境中性圆型光纤光缆连接器通用规范[S].

[5] GJB 6790-2009 圆型插头插座式多芯光缆连接器通用规范[S].

[6] 许晓科,薛萍,朱一末,等.光电综合水密连接器的研制[J].光纤与电缆及其应用技术，2010(3)：12-15.

[7] GJB 1217A-2009 电连接器试验方法[S].

[8] MIL-DTL-38999:2004 耐环境快速分离高密度小圆型电连接器总规范[S].

[9] MIL-PRF-28876:2004 圆型插头插座式多芯光缆连接器通用规范[S].