堅固耐用的無人機連接器滿足端到端挑戰(zhàn)

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

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

雖然VITA 46（VPX）可能是國防和航空航天應用中使用最廣泛的先進計算平臺，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，而是堅固的連接器設計，能夠承受沖擊、振動、極端溫度以及可能暴露于燃料和航空航天應用（如無人機）中的其他環(huán)境挑戰(zhàn)。

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

包裝盒內(nèi)：帶寬、尺寸、堅固性

隨著設計人員尋求下一代SFF系統(tǒng)，他們也在尋找比以前具有更高速度和信號密度的背板連接器，以支持無人機的SWaP需求。新一代背板連接器為設計人員提供了更小的背板/子卡接口，同時在惡劣環(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，從而擴展了設計人員的“機箱內(nèi)”武器庫。因此，它們有助于實現(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。設計用于可控阻抗的連接器系統(tǒng)以保持信號完整性變得至關重要。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 - 連接器接口的設計必須最大限度地減少阻抗不連續(xù)性的串擾和反射，這些干擾和反射會顯著導致信號衰減。

例如，四邊形系統(tǒng)很好地支持了100 Mbps和1 Gbps。但如今的無人機設計人員正在尋找堅固耐用的阻抗匹配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稱消除間接最小化對之間的串擾，或者將市售的RJ45模塊化插頭或插孔集成到堅固的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計的，這導致了一些限制，包括選擇性加載中浪費的空間。建議的方法使用具有選擇性接觸載荷的17或10號外殼。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)標準衡量標準。6A 類雙絞線電纜是 10 GbE 的行業(yè)標準電纜，連接器還必須滿足 Cat 6A 硬件的 ANSI/TIA-568C.2 要求。當今軍用無人機應用的高速要求要求連接器具有智能信號完整性配置。

圖 1 顯示了使用 Cat 6A 電纜測試的 17 號外殼的回波損耗測量值，最高可達 500 MHz。引腳排列模式基于 ARINC 664 針對 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，因為它直接或間接地指示阻抗匹配和串擾消除的質(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。

信號完整性設計

TE Connectivity 的新型 CeeLok FAS-T 連接器不是針對 10 Gbps 操作的現(xiàn)有設計進行“強制擬合”，而是一個例子，說明如何設計信號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 10 GbE。實現(xiàn)更小的尺寸和更快的速度在無人機中至關重要。

為了最大限度地減少接口內(nèi)串擾的影響，對稱觸點對模式比并行或非對稱配置提供更好的噪聲消除，并減少觸點之間的所需間距。“T”型被確定為實現(xiàn)串擾消除的最佳方式。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)。高溫連接器應用中使用的熱塑性塑料通常具有相對較高的介電強度，以防止相鄰觸點之間在所需工作電壓下發(fā)生電弧，但對觸點之間的電磁耦合（串擾）產(chǎn)生負面影響。在接口內(nèi)戰(zhàn)略性地放置氣穴可減少串擾耦合，并允許更高的接觸密度。

該連接器采用 8 號外殼，使用戶熟悉 38999 接口，同時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

實現(xiàn)高速系統(tǒng)始于進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)化信號路徑，以確保信號完整性。阻抗匹配成為強制性要求，以避免反射、串擾和其他信號損傷源。隨著無人機設計推動對更小、更輕的解決方案的推動，緊湊型連接器正在被引入，以滿足堅固耐用的性能和高速信號傳輸?shù)男枨蟆?/p>

審核編輯：郭婷