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通讯连接器技术规范集锦
2014-09-02

  通信是一项系统工程,使用的各个部件的性能都会影响整个网络的性能,其中通信连接器属于网络传输介质互联设备,所采用的连接器性能可能影响整个通信系统。目前,连接器产品的型号和标准很多,有电连接器件和光纤连接器。特别是光纤连接器,各种标准差异很大;同时,新的工艺、新的技术层出不穷。因此用户应根据自己的实际情况,选择适用的连接器。同时网络建设的有关技术人员也要熟悉和了解各种连接器的性能,考虑网络向高速网络升级时的建设成本和硬件升级等问题,提出接口要求;并综合考虑连接器的性能、价格和发展,建议连接器的选用。

  连接器的形式和结构千变万化,随着应用对象、频率、功率和应用环境等的不同,有各种不同形式的连接器。通信连接器作为一种物理层器件,在一定程度上影响传输系统的可靠性和各项性能;同时,连接器连接技术的改进,简化了终端连接和维护服务,降低了对硬线连接的需求,使设计和生产过程更方便、更灵活,降低了生产和维护成本。由于光纤连接器也是一种损耗性产品,所以还要求其价格低廉。

  一、光纤连接器

  1.光纤连接器分类

  光纤连接器的作用在于把光纤的两个端面精密地对接起来,以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去,并使由于其接入光链路而对系统造成的影响减到最小,这也是光纤连接器的基本要求。这里所说的光纤连接器确切地讲是光纤活动连接器,俗称活接头,是按光纤接头可拆卸与否来分类时的一类;相应地还有一种不可拆卸的连接器,称为固定连接器。正是由于连接器的使用,使得光通道间的可拆式连接成为可能,从而方便了光系统的调测与维护,使光系统的转接调度更加灵活。

  光纤连接器是光纤通信系统中使用量最大的光无源器件,随着光纤的广泛应用,光纤连接器已形成了门类齐全、品种繁多的系列产品,各种类型的特点也逐渐分明。光纤连接器按传输媒介的不同,可分为硅基光纤的单模、多模连接器以及以其他媒介(如塑胶等)为传输媒介的光纤连接器;按连接头的结构形式,可分为FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等;按光纤端面形状,可分为FC、PC(包括SPC或UPC)和APC型;按光纤芯数,可分为单芯型和多芯(如MT-RJ、MPO)型光纤连接器。对于单模光纤连接器,其接头类型有FC、SC、ST、FDDI、SMA及新开发出的LC、MT-RJ等,端面接触方式有PC、UPC和APC型。在实际应用过程中,一般按照光纤连接器结构的不同来加以区分。目前,FC、ST和SC3种类型连接器占据光纤连接器市场的主导地位。

  2.光纤连接器的特点与应用

  (1)FC(F01)型光纤连接器

  FC型连接器采用金属螺纹连接结构,插针体采用外径2.5mm的精密陶瓷插针,根据其插针端面形状的不同,它分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC两种结构。FC型连接器是目前世界上使用量最大的品种,也是中国采用的主要品种。

  (2)SC(F04)型光纤连接器

  这是一种模塑插拔耦合式单模光纤连接器,其结构尺寸与FC型相同,插针体同样为外径2.5mm的精密陶瓷插针,端面处理采用PC或APC型研磨方式;紧固方式为插拔销闩式。此类连接器价格低廉,插拔操作方便,接入损耗波动小,抗压强度较高,安装密度高。

  (3)ST型光纤连接器

  采用带键的卡口式锁紧结构(类似BNC连接结构),插针体为外径2.5mm的精密陶瓷插针,插针的端面形状通常为PC面。

  (4)DIN47256型光纤连接器

  这是一种由德国开发的连接器,DIN是德国工业标准的表示,其后的数字为标准号。这种连接器采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与FC型相同,端面处理采用PC研磨方式。其结构比FC型连接器要复杂一些,内部金属结构中有控制压力的弹簧,接入损耗值较小。

  (5)双锥型连接器

  这类光纤连接器由两个经精密模压成形的端头呈截头圆锥形的圆筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒的耦合组件组成。

  光通信的飞速发展对光纤连接器器件的发展同样提出了要求和需求。现在国际已经有许多公司开发了各种新型的光纤通信连接器。美国目前已经研制出8种结构的光纤连接器,其标准代号为光纤连接器内部匹配标准(FOCIS)。FOCIS1、2、3和4分别为双锥型、ST型、SC型和FC型连接器的标准。新型的有用于光纤带的MTP/MPO连接器(标准号为FOCIS5)、小型MT(小型MPO)连接器(标准代号为OFCIS8)、小型MAC连接器(标准号为OFTLS9)、MT-RJ连接器(标准代号为OFCIS12),还有FJ型光纤连接器(标准代号为FOCLS6)、LC型连接器(标准代号为FOCIS10)、SG型连接器(标准代号为OFCIS7)等。日本对新一代光纤连接器的研究以NTT光电子学实验室为代表,已研究出MT型、简化SC型、MU型小型单元耦合型、FPC型和平面光波线路PLC型等结构的连接器,其中MU型连接器的标准号为JISC5963(日本工业标准)和IEC1754-6(国际电工委员会标准)。

  新型光连接器在结构上大致可分为4类:第一类是在插头直径为2.5mm连接器的基础上加以改进;第二类是围绕光纤带而设计的连接器;第三类是插头直径为l.25mm的小型连接器;第四类是无套管的光纤连接器。新一代连接器体积更小、价格更低。

  一些发展比较迅速的光纤连接器包括:

  (1)LC型光纤连接器)

  采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。由于它的陶瓷插针的外径仅为1.25mm,外形尺寸小,因此能够大大提高连接器在光配线架中的密度。目前,在单模SFF方面,LC类型的连接器实际已经占据了主导地位,在多模方面的应用也增长迅速。

  (2)MU型光纤连接器

  MU型光纤连接器采用如SC型连接器那样的插入锁紧结构,外壳与SC型连接器相似,但由于采用了外径为1.25mm的陶瓷插芯,尺寸要小得多。与SC型连接器相比,它可大大提高安装密度,特别适用于新型的同步终端设备和用户线路终端。随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和DWDM技术的广泛应用,对MU型连接器的需求也将迅速增长。

  (3)VF-45光纤连接器/SG连接器

  VF-45光纤连接器已被认证为新的光纤接口的国际标准,命名为SG连接器;其接头外形与普通8芯双绞线接头RJ-45相似,不采用套管,插头和插座与光纤的连接就像用压线钳连接8芯5类线与RJ-45接头一样方便,使用专用的制作工具快速制作即可成型,可以减少现场端接的时间和成本,这是该连接器与其他FOCIS连接器的明显区别。

  (4)带状光纤连接器

  在国内标准方面,中国已制定了FC、SC、ST/PC型连接器的国家标准,对其他一些光纤连接器也有一定的规定。受技术水平和标准化程度的限制,目前,中国光通信系统中所用的光纤连接器,或是使用进口连接器,或是将进口的陶瓷套管和外围金属件等散件在国内进行组装,主要是FC型光纤连接器。

  与电连接器相同,不同结构的光连接器,应用范围也有所不同。例如FC连接器主要用于光缆干线系统,其中FC/APC连接器用在要求有较高的回波损耗的场合,如CATV网等;ST、SC型连接器和D4型连接器则广泛用于光纤接入网和局域网中,其优点是接入损失小、便于安装且稳定性高;对于短距离(≤20km)信号传输,因其精度要求不高,所以较多采用的是ST、SMA、FDDI等成本较低的连接器,且多用于多模系统。在本地交换机中的光缆终端架上采用较多的是SC连接器或简化的SC连接器;新型的同步终端设备和用户线路终端,采用的是LC、MU型连接器或带状光纤的MPO连接器;各种局域网一般采用的是带状阵列式光缆MT连接器。对于平面光波器件与光纤之间的连接,多采用PLC连接器。另外,塑胶类光纤连接器多用于更短距离通信,自动控制和音响讯号传输等,如用于住宅广播的FJ型光纤连接器。MT-RJ光纤连接器在快速以太网及千兆位以太网中也有广泛的应用。

  在最新的光纤布线标准TIA/EIA-568-B.3中,推荐使用小型光纤连接器(SFF)。SFF包括有LC、MT-RJ、MU、E-2000,F-3000和VF-45等,这些SFF连接器的共性是低插入损耗、回波损耗、高重复性、高环境可靠性以及精密机械结构等。SFF连接器目前也是DWDM系统的最佳选择。

  为保证光纤连接器的正常使用,要考虑光纤连接器的光学性能、互换(同型号间)性能、机械性能、环境性能和寿命(即最大可拔插次数)。在光学性能方面,一般要求连接损耗应不大于0.5dB,回波损耗典型值应不小于25dB。对于同一类型的光纤连接器,可以任意组合使用、并可以重复多次使用,由此而导入的附加损耗一般都在小于0.2dB的范围内。另外,光纤连接器的抗拉强度应不低于90N,必须在-40-+70℃的温度下能够正常使用,可以插拔l000次以上等等。

  二、电连接器分类及应用

  电连接器使电流在电路内被阻断处或孤立不通的电路可以流通,使电路实现预定的功能。有些连接器被做成普通插座的形式,在线缆工业中得到广泛认可和使用。

  多年来电连接器的分类混乱,各个厂家自有其分类方法和标准。美国国家电子分销商协会(NEDA,即National Electronic Distributors Association)在1989年主持制订了一套称为连接器部件封装分类等级(Levels of Packaging)的标准。依据该标准,通信连接一般使用4级连接器。但级别只是用于学习和分类连接器,实际工作中很少按照上述级别谈及连接器,而是按照连接器的外观形式和连接的结构方式来命名它(不同结构形式电连接器的命名由国际上通用的详细规范做出具体规定;一般来说,不同结构的连接器,有不同的应用范围)。通信网络的连接往往取决于所用的媒体,所以,通常是按不同的连接介质、连接方式和应用场合来讨论连接器的。

  1.多线电缆连接器

  多线电缆连接器包括DB连接器和DIX连接器以及DIN连接器等。

  (1)DB型连接器包括DB-9、DB-15、DB-25连接器,它用于连接串口设备及并口电缆,分为阳性端和阴性端,DB25中的DB代表是D型连接器,数字25代表连接器的针的个数。DB25连接器是目前微机与线路接口的常用器件。

  (2)DIX连接器:它的外表象DB-15连接器.它在连接时是用滑扣来实现的,而DB15连接时是通过螺丝来固定的,常常用于连接粗缆以太网。

  (3)DIN连接器:在DIN连接器中有不同的针以及针的排列形式,它一般在连接Macintosh和AppleTalk网络中使用。

  2.双绞线连接器

  双绞线连接包括两种连接器:RJ45和RJ11。RJ是描述公用电信网络的接口,在以往的4类、5类、超5类,甚至出台不久的6类布线中,采用的都是RJ型接口。

  (1)RJ11连接器:是一种电话线类连接器,支撑2线和4线,一般用于用户电话线接入。

  (2)RJ45连接器:一种同种类型的连接器,插孔式,比RJ11连接器较大,并且支撑8线,是标准8位模块化接口的俗称,多用于网络中连接双绞线。由于它所用电路均为平衡式发送器和接受器,所以具有较高的共模抑制能力。

  3.同轴电缆连接器

  同轴电缆连接器包括T连接头和BNC连接器及终端电阻。

  (1)T连接头:用于连接同轴电缆和BNC连接器。

  (2)BNC连接器:BayoNette卡口式桶型连接器,用于将网段连接到BNC连接器。通信和计算机市场的急速增长以及通信技术和计算机技术的结合已成为刺激同轴连接器需求增长的主要因素。由于同轴电缆和T型连接器依赖BNC接插件进行连接,因此BNC连接器市场为业内人士所看好。
(3)终端器:电缆都需要终端器,终端器是一种特殊的连接器,它内部有一个精心选择的匹配网络电缆特性的电阻,其中每一个终端器都必须接地。

  (4)在粗缆以太网中多使用N型连接器,工作站并不直接接入以太网络中,而是用一个收发器,通过一个AUI连接器(DIX连接器)连到收发器。

  射频同轴连接器从连接类型来分,主要有以下三种:

  (1)螺纹连接型:如:APC-7、N、TNC、SMA、SMC、L27、L16、L12、L8、L6等射频同轴连接器。这种连接形式的连接器具有可靠性高、屏蔽效果好等特点,所以应用也最为广泛。

  (2)卡口连接型:如BNC、C、Q9、Q6等射频同轴连接器。这种连接器具有连接方便、快捷等特点,也是国际上应用最早的射频连接器连接形式。

  (3)直插推连接型:如SMB、SSMB、MCX等,这种连接形式的连接器具有结构简单、紧凑、体积小、易于小型化等特点。

  串行通信方式是被广泛采用的一种通信方式。在串行通信时,要求通信双方都采用一个标准接口。ISDN基本接口的连接器均采用ISO8877标准。该标准规定S接口标准连接器为RJ-45(8芯),中间4芯为有效芯;U接口连接器无标准,有些厂家用RJ-11,HUAWEI采用的是RJ-45,都是中间两芯有效。数字传输网中G.703接口的连接器一般为BNC(75Ω)或RJ-45(120Ω),有时也使用9芯接口。USB规范(通用串行总线)是一种连接标准,它为所有USB外设连接PC机提供了通用的连接器(A型和B型)。这些连接器将取代传统的各种外部端口,如串口、游戏接口、并口等。

  在综合布线方面,以往的四类、五类、超五类,包括刚刚出台的六类布线中,采用的都是RJ型接口。从七类标准开始,布线历史上出现和RJ型和非RJ型接口的划分。Cat7连接件组合(GG45-GP45)标准已在2002年3月22日被一致通过(IEC60603-7-7),成为7类标准连接件,并可完全兼容目前的RJ-45。

  电连接器的选用包含了使用环境条件、电参数、机械参数、端接方式的选用。具体包括电气参数要求、额定电压、额定电流、接触电阻、屏蔽性、安全参数、机械参数、机械寿命、连接方式、安装方式和外形、环境参数、端接方式等等。
连接器的发展具有以下特点:

1、朝着小型化、高密度、高速度传输的方向发展;

2、朝着高性能、高频化技术方向发展;

3、高电压、大电流的连接器需求市场也很大;

4、连接器还朝着抗干扰技术、模块化技术和无铅化技术方向发展。

表1中列出的是典型的高速连接器的型号。在传统并行同步数字信号的速率将要达到极限的情况下,高速串行方式是一个很好的解决思路。这使得低压差分信号(LVDS)成为主要的下一代高速信号的电平标准。而高速连接器的选择也成为高速率信号互联要解决的主要问题。

高速连接器在发展中所采用的几个关键技术包括:1、为了减少串扰所采用的差分信号、无噪声信号和接地层技术;2、为了调整连接器的引线,可以改变由于连接器输入和输出物理距离不等而导致的延时差异;3、为了获得最大的传输效率,连接器的特性阻抗值应与传输电路的特性阻抗相匹配。

连接器在有线系统中的应用

图1所示为一个PSTN网的交换机,该交换机由7个部分组成。除了机箱尺寸的区别,机箱底部是一个机架的管理模块,它包括管理模块、传输背板和传输模块。最前面有子板、载板、电源板,以及风冷系统、电扇托板。在交换机中,它的主要载板就是电话信息的传输以及输入/输出的连接,输入/输出系统所组成的只有很少的电脑板以及信令控制板。


任何网络都需要连通性,以便把单个设备组合成一个网络系统。现今网络中,互联器件 (“连接器”) 扮演重要角色:首先,它能把单个设备进行电连接,形成更大的网络系统;另一方面,如今都采用标准化的互联,使不同公司制造的设备能相互连接在一起工作,从而在某个街区构建成一个网络,以满足商业或社区的需求。

因此,在有线通信系统中,连接器的作用主要有三个方面:首先,能在单个设备内的电路板和单个电元件间实现电连接;第二,如果采用标准化的互联,就能使不同公司制造的设备相互连接在一起工作,从而在某个街区构建成一个网络,以满足商业或社区的需求;第三,通过设计达到可靠的功能,以承受已知的工作环境和设备服务期内的工作强度。

针对有线通信系统对连接器的要求,在设计时要考虑如下几个方面:

• 镀金接触界面,用于保证更高的耐磨性和良好的电特性;

• 冗余的接触界面,保证高可靠性;

• 可选择气密性连接或PCB焊接;

• 壳体外部特征要便于插入时导正和导向;

• 用不同的插针高度保证信号和接地的先后连接顺序;

• 大功率电源要用特殊的威尼斯人官网,和信号的接触威尼斯人官网要有所区别;

• 要保证EMI特性和机箱接地。

图2是典型的连接系统中背板连接器的设计。它可以提供三种威尼斯人官网长度,即接地威尼斯人官网、信号1威尼斯人官网、信号2威尼斯人官网三个威尼斯人官网的长度是不同的。这是为了保证插座和插针在互相连接的时候,如果接反了,就无法插入。第二个是中间部分,它是用于安装维修用的,整个插针板在插入的过程中,可以用来导向,甚至可以保证编码和极性的正确。外壁用来保护威尼斯人官网和连接器的导向,这个威尼斯人官网就是插针部分,采用柔性插针。从右半部分图中可以看到,外壳被拆除后,更清楚地显示出了接触面。它采用了双柱冗余的接触面设计,这样可以大大提高接触的可靠性。


图1 PSTN网交换机


图2 连接系统中典型的背板连接器的设计

连接器在无线通信系统中的应用

图3表示的是典型的无线通信系统的基站内部互联,以及它所需要的各种各样的电子连接器。从图中可以看出,左边基站所要求的都是射频连接器,右边表示的是电源连接器、背板连接器、输入/输出连接器和印制电路板连接器。

图4表示的是基站控制器、移动交换网络和网关支撑节点之间的典型互联。这些互联也用到了多种连接器。

移动手机用的开关式同轴连接器主要用于提供手机内的天线和汽车外部天线之间的信号的切换。这种开关式的连接器,它的表面安装有三种高度,分别是3.5mm、4.5mm和6.0 mm。表面安装开关式连接器直接和手机天线连接。由于功率元件和天线或开关间距离短,因此内部没有电缆,信号传输非常好。它的性能指标如下:

• 工作频率:高达2.4GHz

• 标准阻抗:50欧姆

• VSWR:1GHz时为1.15:1;2GHz时小于1.20:1

• 插入损耗:2GHz时最大为-0.30dB

• 使用寿命:30,000 次

• 温度范围:-40℃到+85℃

无线通信系统中所采用的电源连接器(图5)的种类包括一体化背板电源系统、子板/堆叠用连接器、信号母线到板之间的连接器、板到板的电源连接器、电源到电缆/电缆到印刷板连接器、微处理器所用电源连接器以及电源输入所用连接器。



图3 典型的无线通信系统的基站内部互联



图4 基站控制器、移动交换网络和网关支撑节点之间的典型互联


图5 无线通信系统的电源连接器

连接器的信号完整性设计

连接器在进行信号完整性设计时,需要考虑:1、与整个互联传输线阻抗的连续性;2、连接器各插针间的串扰;3、有时序要求,要考虑连接器上的延时。连接器的分析方法与一般的信号分析方法基本一样,都是利用仿真App进行仿真,并对结果进行分析,得出结论。

连接器的模型分析和电路的模型分析是一样的,只是要注意连接器和过孔效应的精确建模、仿真对于预测信号质量非常重要。

模型分析有五种情况:

• 多线模型 (MLM): 适用于多插针连接器,包括接触元件、接触与接触间耦合、接触和屏蔽间耦合、焊盘间耦合等。除了SLM模拟的参数外,还能用来模拟串扰和地弹等。

• 单线模型 (SLM): 适用于连接器中的单线,如高速信号传输线,可以用来模拟反射、时延和偏移、衰减以及信号传输质量。

• S参数模型:主要应用于频域,可模拟吞吐量和串扰,通过时域变换,可产生阻抗、串扰、传输时延和眼图等。

• IBIS模型:是一种基于V/I曲线的对I/O BUFFER快速准确建模的方法,支撑所有类型的连接器和多种不同连接器建模,如差分和不平衡信令、SLM(无耦合)、MLM(耦合)、模型级联、板到板以及板到电缆等。

• SPICE模型:是最为普遍的电路级模拟程序,被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。

信号完整性是贯穿于高速数字电路设计中的最重要的问题之一,在此列出几点建议:

• 对灵敏元件实施对噪声器件的物理隔离;

• 阻抗控制、反射和信号终端匹配;

• 用连续的电源和地平面层;

• 布线中尽量避免采用直角;

• 差分对布线长度要相等,以保证在接收端良好的抑制比;

• 高速电路设计中应考虑串扰问题,包括近端串扰和远端串扰;

• 电源退耦问题,也就是说加在电路上的电源一定要通过电感电容的退耦。

更多详细内容,敬请登陆中电网在线座谈网址:

http://seminar.eccn.com/090811/jchf.asp

问答选编

问:如何有效地生成高速连接器的SI仿真模型?在没有高端示波器的前提下,怎样去验证?

答:大家通过结合2D和3D技术,对连接器进行建模,利用延伸测试来验证模型。高速模型需要用高速测试设备进行验证。

问:请先容连接器表面镀锡会长出WHISKER的详细原理和解决方案?

答:锡须的原理是纯锡镀层在应力和一定温度、湿度下产生的。解决方案主要有:1、采用锡合金;2、在设计中紧配合的地方不镀锡或减少配合应力,减少紧配合长度。

问:请问接插件产品安装于温度达到80℃的板上,泰科会采用哪些有效技术保证其能在小电流、低电压下长期可靠工作?

答:1、威尼斯人官网材料选择上选取抗高温应力释放材料;2、电镀层选取适合长时间高温的应用;3、减少连接器电阻引起的接触点发热。

问:选择视频设备的连接件需要注意哪些问题?主要看哪些参数?

答:传输速率及在其最高传输速率下的传输距离。

问:SFP系列的有三种接入方式,为什么要淘汰铜缆接入方式?

答:其实铜缆没有被淘汰,实际上,铜揽在短距离会比光缆有价格优势。

问:三级接触顺序怎么理解?

答:因为通常在系统中的信号需要有不同的连接顺序,所以用不同针长的信号针来实现这样的要求。比如先连接电源信号,再连接普通信号。

问:SFP产品的速率有多高?

答:SFP可以达到2.5G,SFP+可以达到10G。

问:接插件金属威尼斯人官网使用的材料有哪些,在选用时要注意什么?

答:主要材料有铜和金,以及其他一些特殊合金。选用时需要注意导电性、弹性及强度、耐高温性和成本等。  

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