高速微型连接器解决方案

摘要

对于商业应用，以太网、USB®、HDMI®等高速数据电缆连接器具有多种不同的形状和尺寸，通常被指定为其支持的协议标准的一部分。

对于许多工业和恶劣环境应用，需要这些连接器更坚固，以防止由于灰尘或流体污染而导致的故障，以及由于过大的外力而引起的损坏。许多制造商采用的传统解决方案一直是创建包含当前外形尺寸的通用解决方案——在尺寸、性能和可用性方面有不同的结果。

结果是许多这种松散设计的连接器的直径为30 mm或更大。高速连接器制造商ODU采用了不同的方法，用自己设计的坚固型连接器系列代替了标准连接器，这使得诸如USB®3和10 G以太网之类的协议的连接器直径小至11.9 mm。

本文探讨了制造商在设计高速数据传输的加固型连接器时面临的挑战——不仅涉及尺寸，还涉及易用性、性能、耐用性和传输可靠性等因素。

战场测试

“未来士兵”目前的发展方向是努力提高为士兵设计的设备技术。它指向了轻型、小型化和定制化的设备，可以增强每种战机的特定作用。这些应用扩展到士兵使用的军用人载电子学的所有领域，包括通信系统、计算机和C2系统、导航系统、夜视设备、电子武器瞄准器、激光测距仪和指示器、战场恢复和IFF设备、枪火检测和定位系统、电池、配电和发电系统、生理状态监测器以及人类绩效增强系统(例如外骨骼)。例如，带有集成LED或光纤手电的手套减轻了携带传统手电的负担(图1)。同样，腕上安装的无线设备可最大限度地减少在紧急情况下与现场总部进行通信的时间。

最近有文章展示了一些可穿戴设备的示例，这些设备旨在挽救生命而不是夺走生命。一项名为BATMAN(战场空中目标辅助知识)的空军计划生产了一种系统，该系统可以使超速救援跳线(PJ)有效地处理分流情况，在这种情况下，危及生命的伤亡人数大于医护人员数量。该系统被称为BATDOK(战地空军伤员分布式观察套件)。

该系统包括生命体征传感器，可以将其放置在每个受伤的患者身上，并将数据传输到腕上或胸部安装的设备，例如PJ佩戴的智能手机或平板电脑。如果无人照管的患者进入危急状态，则他或她的可穿戴设备发出的警报会向PJ发出警报，从而可以立即将注意力转移到该患者身上。

图1：手套式LED手电筒

小型化的重要性

该团队认为，BATMAN项目的总体目标是从物理意义上和认知意义上减轻服务人员的负担。图2说明了使战斗机的设备尽可能紧凑和轻便是多么重要，腕上式平板电脑和胸式笔记本电脑设备的尺寸最佳，较小的屏幕内容可能不可读。但是，这些设备可能还需要电源和数据传输的互连电缆。图2中可见两根这样的电缆。

电缆的厚度取决于电气和物理约束。信号线的数量，加上信号电导率和屏蔽要求，都是电气方面的限制因素，而耐用性是主要的物理因素。如果电缆太细，则它们可能太细小，无法在作战人员操作的恶劣环境中使用。太厚了，它们将变得不那么柔软且太重。

在Warfighter的可穿戴设备中，起到重要作用的最后一类组件是电缆连接器，在图2中也可见。

图2：带有可穿戴设备的急救跳线。

连接器的设计必须考虑几个因素：

•它们的直径必须尽可能小，以最大程度地减少在战斗机的路径中被树枝或刷子等物体卡住的可能性。

•它们必须支持广泛的协议。

•它们必须对所支持协议的数据传输速率没有重大影响，即使在极端环境条件下，其数据路径中的阻抗也可以忽略不计。

•它们必须是耐用的，能够连接和断开数千次，并且不影响其性能(即能够进行大量的配合循环)。

•如果电缆确实被卡住，则它们必须能够“脱离”(即在过大的力作用下脱开)，以使所连接的设备不会损坏。

•它们必须是防污和防水的，并且能够在很宽的温度范围内工作。

尺寸注意事项

一些制造商提供了军事和工业应用的连接器。大多数采用图3所示的方法，其中标准连接器(USB®、以太网、HDMI®、FireWire®等)简单地封装在坚固的外壳中。这种方法的问题在于，外壳的直径不一，而且很大——25-30 mm或更大。尽管对于许多工业应用来说这是可以接受的，但是它们的尺寸和重量使它们无法在未来士兵装备中使用。

但是，ODU采用了不同的方法(图4)。他们没有沿用标准连接器，而是设计了可以满足所有电气要求的物理接口，该接口可以满足各种高速协议的所有电气和功能规范，但格式更紧凑。他们的ODUAMC®系列串联连接器使用标准尺寸的外壳，对于某些协议，其直径可小至11.9mm，并提供多种内部引脚/插座配置选项，以适应上述各种协议：

•以太网(1Gbps – 10Gbps)

•USB®——最高3.2 Gen 1x11•FireWire®S4001•HDMI®1.31

当串扰不成问题时，ODU连接器还能够在单根电缆中支持多种协议(图5)。

与大多数竞争协议专用连接器相比，ODU的直径小2.5倍，体积小10倍，在微型化方面，ODU显然是最佳选择。

图3：典型的加固型USB®连接器

图4：ODUAMC®系列连接器

图5：USB®和千兆以太网的结合

数据传输率