微矩形滤波连接器的设计

山胜利

摘要；本文介绍了目前国内最小的高可靠微矩形滤波连接器的结构设计，并对该连接器的滤波原理、滤波阵列板、绞线插针的结构特点等做了较为详尽的说明。

关键词：微矩形；连接器；滤波原理；滤波阵列板；绞线插针

1引言

随着精密电子设备的小型化、复杂化和多功能化，电磁干扰问题日益突出，各种电子设备经常受到电磁干扰。通常各种电磁干扰在设备的接口处尤为严重，从接口处既能将系统外部的电磁干扰传导或辐射到系统内部，又可以将系统内部的电磁干扰传导或辐射到系统外部。为了满足用户对安装在设备接口处的连接器小型化、抗电磁干扰的需求，我们研制了一种微矩形滤波连接器，它是目前国内最小的高可靠滤波连接器，能有效抑制干扰源和消除干扰耦合，可滤除外界高频脉冲对设备的干扰，同时还可以减少设备本身对外界的电磁干扰，增强了设备的抗干扰能力。

微矩形滤波连接器¬的外形尺寸和安装方式与普通微矩形连接器是完全相同的，可以直接取代普通微矩形连接器，不同的是滤波连接器的每个插孔或插针上面，安装了一个RC低通滤波器，能有效的抑制射频干扰。

2性能要求

2.1结构合理、紧凑、使用方便

该微矩形滤波连接器的插合界面、安装尺寸、附件、接触件的孔位排列等均符合行军标SJ52446/1-1999《外壳定位超小型矩形电连接器详细规范》的规定，具有结构合理、通用性强、体积小、重量轻、分离力小、可靠性高、安装使用方便等特点，在海、陆、空等各军工领域均得到了广泛的应用。

2.2主要技术性能指标

该微矩形滤波连接器主要用于要求较高的军用设备，因此对性能指标有较高的要求，其各项技术指标均符合国军标GJB2446-95《外壳定位超小型矩形电连接器总规范》（等效于MIL－DTL－83513）的规定。插入损耗符合国军标GJB1308－91《滤波电连接器要求》（等效于MIL－STD－2120）的规定，见表1。

表1电特性

3连接器的结构设计

3.1总体结构设计

图1滤波插孔连接器的结构

该微矩形滤波连接器的插针接触件为绞线插针，其滤波性能符合GJB1308中A～F频段的规定，在插孔或插针接触件上加装滤波器组件构成滤波连接器，具体结构如图1所示，专用的滤波阵列板和连接器的外壳以及滤波器的接地极相接，连接器的外壳和机柜相连，通过对接地、屏蔽和滤波几种方法的综合利用，有效地抑制了EMI/RFI。连接器接触件的端接方式有焊接、压接、焊印制板等多种形式。

3.2连接器的滤波原理

通常在连接器插孔或插针接触件上面安装无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。主要的滤波电路形式有RC型、L-C型、T型、RC–型、LC–型等。

该微矩形滤波连接器结构尺寸非常小，接触件间距仅1.27mm，在产品的插孔或插针接触件上面安装有尺寸较小的RC型无源低通滤波器构成滤波组件，滤波组件的电路原理图如图2所示。

图2RC低通滤波器原理图

无源滤波的优点是成本低，运行稳定，技术相对成熟，电容容量大，缺点为谐波滤除率一般只有80％左右。

RC低通滤波器可作为直流电源整流后的滤波电路，以得到平滑的直流电压。其理想的幅频特性是频率低于截止频率的信号可以通过，高于截止频率的信号被衰减。实际上，任何滤波器均不可能具有理想的幅频特性，在通带和阻带之间存在着过渡带，过渡带愈窄，电路的选择性愈好，滤波特性愈理想，其频率特性曲线如图3所示。

RC电路的电压增益（传递函数）为：

式中：fH，fH为截止频率。

电压增益的幅值（模）：

，（幅频响应）

电压增益的相角：（相频响应）

图3频率特性曲线

当f<<fH时，，当f>>fH时，，当f＝fH时，，当0.1fH<f<fH时，是斜率为－45°/十倍频程的直线。

电容器的容抗：R=1/（jωC）＝1/（j2πfC）

式中：j为电抗的虚部；ω为角频率，ω=2πf（f为频率，单位为Hz）；c为电容值，单位为法拉（1F=1012pf），R为容抗，单位为欧姆。

交流电是能够通过电容的，但是将电容器接入交流电路中时，由于电容器的不断充电、放电，电容器极板上所带的电荷对定向移动的电荷就具有了阻碍作用，物理学上把这种阻碍作用称为容抗。电容量越大，交流电越容易通过，对电流的阻碍作用就越小；交流电的频率越高，交流电也越容易通过电容，说明频率越高，电容对电流的阻碍作用也越小。即容抗和电容量成反比，和交流电的频率也成反比，知道了交流电的频率f和电容量C，就可以用上式把容抗计算出来。

要滤除的干扰频率越高，电容器的容抗就应尽量的小，一般来说容抗小于5欧姆即可。例如要滤除50MHz的高频干扰，则根据容抗R＝1/（j2π×50×1000000×c）<5，可以计算出，电容值c应大于318.5pf即可。

3.3滤波阵列板

微矩形滤波连接器要滤除的电磁干扰频率一般从3MHz到1GHz，通常主要干扰源在数百MHz，对这样高频率的电磁干扰必须使用穿心电容才能有效地滤除。普通电容之所以不能有效地滤除高频干扰，一是电容引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，同时利用金属面板还能起到高频隔离的作用。

滤波连接器中的穿心电容的最大弱点是怕高温和温度冲击，另外，在将穿心电容焊接到金属面板上时比较困难，许多电容在焊接过程中易发生损坏。当将大量的穿心电容安装在面板上时就更加困难，因为只要有一个穿心电容损坏，就必需对其进行修复，而修复拆卸时又极易引发邻近其它电容的损坏。

为了解决这个问题，我们开发了一系列滤波阵列板，如图4所示。滤波阵列板是板式阵列结构的滤波元件，这些滤波元件为超稳定型或稳定型多层陶瓷介质结构，介质层上印刷有电极图形，经过焙烧后，再经打孔和外圆金属化，最后每个孔均成为一个完整的滤波器，滤波阵列板具有接地电感小、接地电阻低、重量轻、易装配、屏蔽性强等优点，特别适合在多线数滤波连接器上使用，采用滤波阵列板可以极大的提高滤波连接器的可靠性。

图4滤波阵列板

微矩形滤波连接器的滤波阵列板的孔间距只有1.27mm，加工成型的工艺难度很大，在滤波阵列板表面上涂有可以提高耐电压的蓝色涂层。阵列板上的穿心电容可以方便可靠的与接触件的引出端进行焊接，在焊接接触件的引出端时，应选用焊接温度不超过265℃的含Ag焊料，焊接时间不超过10s，这样可以有效防止因陶瓷和接触件的引出端热膨胀系数不一致而造成陶瓷电容损伤的问题，焊接好后的产品用丙酮清洗干净并经烘干后，再将其装入连接器的外壳内，然后将连接器外壳的内壁与滤波阵列板四周的接地极相连接，以保证滤波阵列板的接地极与连接器外壳之间的良好接触。

3.4绞线插针的结构特点

微矩形滤波连接器的插针接触件采用绞线插针，绞线插针由内圈和外圈构成，内外圈反向绞合，两端经熔焊，插针中部凸起，凸起部分外切圆直径大于插孔内径，如图5所示。

图5绞线插针结构图

绞线插针工作时因受力产生压缩变形和轴向旋转伸长，外圈与插孔内壁形成紧密的多点接触，其独特的结构特点使得绞线插针的尺寸可以做得很小而可靠性依然很高，很好地克服了小型化与高可靠性这一矛盾。与其它开槽类插孔相比，绞线插针具有接触电阻低、结构尺寸小，插拔力小而柔和、寿命长、可靠性高、抗振动、耐冲击等优点，特别适合用于多点接触的高可靠、小型化的电连接器中。

绞线插针是该连接器的关键部件，其性能特点决定了连接器的可靠性。绞线插针生产加工难度较大，成形困难，绞线插针内外圈均由细金属丝组成，金属丝的特性直接决定了绞线插针的性能，由于内外圈的金属丝非常细，其尺寸的微小变化，就能引起绞线插针性能的较大变化，因此，对金属丝的尺寸精度要求极高，例如：对于外圈直径为Φ0.13mm的绞线插针，当其丝径变化±0.01mm时，绞线插针的钢度变化约为±26％，由此可见，绞线丝的直径对插针的刚度影响较大。

为了指导插针的结构设计，我们对插针的力学特性进行了深入研究，详细分析插针工作时各种因素的影响，掌握了插针在工作时的应力分布、位移及刚度变化情况，并能通过调整设计参数从而使得绞线插针的力学性能最佳化。

4测试结果分析

我们先后做了电容量为110pF、430pF、1000pF、1500pF、2200pF、3800pF、5600pF等规格的微矩形滤波连接器，并按照我厂的企业军用标准和相关鉴定检验程序的要求，对产品进行了鉴定检验，各项技术指标全部合格，插入损耗优于GJB1308的相关规定，对产品电特性的实测数据（部分）如表2所示。

表2实测电特性

以上七种规格的产品的衰减均明显优于GJB1308的相关规定，连接器的其它性能指标也均优于GJB2446的有关规定，完全达到了设计要求。

5结论

微矩形滤波连接器采用了目前最先进的滤波阵列板，并针对实际使用中的主要干扰频率，通过调整相关参数进行优化设计，产品各项性能指标均优于国军标的相关规定，满足了用户对小型化、高可靠、抗电磁干扰电连接器的需求，具有广阔的应用前景。