了解太空应用的连接器和电缆选择

在过去十年中，地球轨道航天器已经成为具有大规模市场应用的主要产业，在近地轨道 (LEO)、中地球轨道 (MEO) 和地球同步轨道 (GEO) 部署了大量卫星，负责各种不同的任务。所有这些卫星无论大小、来源或任务如何，其物料清单 (BOM) 都有一个共同要素：需要许多电连接器和电缆来传输信号和电力。

虽然它们可能不像有源板载电子设备或更广泛意义上的卫星任务那么引人注目，但其性能、可靠性和稳定性对于卫星设计、部署和目标寿命至关重要。因此，选择和应用合适的互连器件是确保任务成功的一个重要因素。互连器件在提供基本功能的同时必须最大限度地减少尺寸和重量，而且必须满足空间发射和飞行所需的独特可靠性和坚固性要求。

幸运的是，21 世纪以来，业界对互连器件的需求相对较大，适于太空应用的连接器和电缆现已成为供应商通过分销商提供的标准元器件，这与一二十年前相比是一个重大转变，那时的连接器和电缆通常是专门定制的产品。

本文将探讨适于太空应用的连接器和电缆的要求及其适当选择，然后，介绍 Harwin 有助于确保任务成功的实际解决方案。

太空应用的电缆和连接器要求

发射高精尖的航天器或通信/导航卫星曾经是 NASA 的主要任务，但如今，LEO、MEO、GEO 卫星发射几乎已经成为稀松平常的事情。其中一些发射活动把十几颗或更多的卫星送上太空，包括大学、一些高中、甚至业余科学团体开发的小型、常见的 CubeSat 卫星。

然而，太空对于所有类型的电子元器件而言都是恶劣的环境。潜在的问题包括连接不稳定、达不到性能要求，甚至彻底失效。从发射振动开始，一直到在轨使用的寒冷和真空环境，还有其他因素，都会带来问题。

这些问题不仅对连接器的性能提出了许多要求，还给连接器的设计和实现带来了限制。概言之，连接器必须优先考虑可靠性，因为在飞行中无法进行维修或更换。除了尺寸、重量、冲击和振动之外，其他问题包括脱气、残磁、极端温度和热循环、宇宙辐射、飞弧及连接器方向：

• 重量和尺寸（体积）：在体积受限的航天设计中，每一立方厘米的空间都很宝贵，另外还要考虑燃料效率，因此航天器及其卫星的重量和尺寸受到严重制约。
• 加速度、振动和冲击：严酷的发射阶段会在广泛的频率范围内产生数十 g 的加速度。因此，适于太空应用的连接器通常尽可能要求采用顶丝或闩锁设计，以确保连接牢固。
• 脱气：太空的热量和真空条件会增加连接器的脱气速率。弹性体和塑料等材料可能会缓慢释放挥发性有机化合物 (VOC)，这些化合物以气体或蒸气的形式溶解、滞留、冻结或吸收在材料中。即使环氧树脂和其他常规粘合剂也会释放此类 VOC，因此必须使用特殊粘合剂。VOC 可能造成污染，干扰精密仪器和光学表面，进而严重影响关键任务设备的性能。适于太空应用的连接器在真空密封炉中经过高温烘烤，以“驱逐”材料中的 VOC。
• 残磁：这可能会干扰附近电路和子系统的性能，造成精密传感器读数不准。为了尽量减少残磁，需要尽可能地使用非磁性材料，如铜合金。
• 温度范围：适于太空应用的连接器温度范围广泛，通常为 65⁰C 至 +150⁰C。然而，还需关注热循环问题：热循环所产生的重复应力可能诱发微裂纹，最终导致疲劳断裂。有些卫星被设计成旋转工作，以使其朝阳面和背阳面之间的平均温度一致。对于较大的卫星而言，这一解决方案不够完善，因为其表面和次表层与更深的内部相比，仍可能受到显著的热循环影响。在 CubeSat 等小型卫星中，几乎所有元器件都相对靠近表面。
• 宇宙辐射：卫星的工作高度越高，地球的保护性大气层越稀薄，则宇宙辐射越强。这种不可避免的辐射影响在某些方面类似于电磁干扰 (EMI) 的影响。虽然航天器的金属外壳会提供一定程度的保护，但对于易受辐射影响的电路板或电缆，可能有必要增加额外的屏蔽。
• 飞弧：这是从导体到最近金属表面的大电流连续放电。飞弧会在不同的电压下发生，具体取决于空气分子的密度，真空是极端情况，因此连接器必须有适合其工作高度的额定电压。
• 物理注意事项：连接器及其电缆的定向很关键。卫星内部非常拥挤，常见的小型 CubeSat 卫星将密度水平提升到了一个新的水平（图 1）。单个 CubeSat 单元 (U) 具有 10×10×10 cm 的标准尺寸，一颗完整的 CubeSat 卫星可以是 1U、2U、3U、6U 或 12U。

图 1：常见的 CubeSat 卫星设计基于标准的小模块形式，允许以不同的递增长度堆叠。（图片来源：Harwin）

如果连接器的设计使得电缆方向与电路板成直角，那么 CubeSat 卫星内的电路板就不能紧密布置，因为连接器和电缆会相互干扰。但是，水平连接器和配接的电缆组件解决了这一问题，电缆从印刷电路板的边缘侧面绕过堆叠边缘，从而减小电路板上方所需的间隙。

没有万能连接器——很可能永远不会有

不同互连路径有不同的电压、电流、频率和其他性能要求，若只使用一个连接器系列，那么在许多情况下，连接器性能将严重不足或超出要求——这两种情况都是不能接受的，尽管原因不同。此外，也没有一个统一的“标准”来定义适于太空应用的连接器。相反，针对具体性能有具体的标准，例如脱气。NASA 零件选择清单 (NPSL) 是空间技术使用的元器件规格的指南，合格零件清单 (QPL) 上的元器件是专门针对太空应用的。在欧洲，航天级连接器具有欧洲航天局 (ESA/ESCC) 认证标志。

设计人员在选择连接器时，必须在连接器等级和任务关键性之间实现平衡。连接器要求过高可能导致严重的成本和供货/提前期问题。同时，如果一颗 CubeSat 卫星由于连接器性能不足或对连接器问题不甚了解而过早失效，这将很糟糕且令人沮丧。因此，选择连接器和电缆时，务必对项目要求有切实的了解。

符合要求的选择有很多

为了让设计人员能够根据太空应用要求做出最优选择，Harwin 等供应商提供了多个连接器系列。每个系列在端子类型和数量、配接排布、固定方式及其他特性方面都有多种变型。适用的 Harwin 连接器系列包括：

• Mix-Tek Datamate 系列提供广泛的信号、电源和同轴连接器配置，便于工程师根据应用需求来选择合适的连接器方案（图 2）。电源连接器端子的额定电流高达 20 A，信号连接器端子能够处理 3 A 电流，同轴连接器端子具有 6 GHz 性能，其阻抗达 50 Ω。

图 2：Mix-Tek Datamate 系列支持信号 (3 A)、电源 (20 A) 和同轴连接器 (6 GHz) 的组合。（图片来源：Harwin）

旋转端子搭配 Harwin 的四指铍铜合金端子夹使用，实现了高可靠性。Mix-Tek 连接器提供多种电线和电路板即用型配置，最多提供 50 个低频端子或 12 个特殊（同轴和电源）端子。连接器间距为 2 mm，可以与信号、电源和同轴端子的几乎任意组合混合搭配。

• Kona 8.5 mm 间距高可靠性连接器系列可为苛刻的环境提供高质量和高电流连接（图 3）。单独屏蔽的端子可实现 60 A 的连续电流和每个端子 3,000 V 的电压，并具有 250 次插拔循环的耐用性。六指端子设计为铍铜合金并镀金，可在强烈冲击和振动下保持电气连续性，并采用电缆到板配置的紧凑单排封装。

图 3：8.5 mm 间距的 Kona 系列连接器支持高达 60 A 的连续电流和每个端子 3,000 V 的电压。（图片来源：Harwin）

• M300 电源连接器提供一系列高可靠性、高性能的额定功率，采用紧凑的电源连接，每个端子支持高达 10 A 的电流，从而实现了一种轻巧、坚固的解决方案，在极端条件下具有良好的表现（图 4）。连接器通过安装的不锈钢顶丝防止振动和冲击。

图 4：M300 电源连接器提供紧凑的电源连接，每个端子支持高达 10 A 的电流。（图片来源：Harwin）

成熟的四指端子设计可在高振动和冲击环境下保持电气连续性。这些 3 mm 间距的印刷电路板连接器、压接电缆连接器和现成的电缆组件能够承受 -65°C 至 +175°C 的温度，并具有 1000 次插接循环的耐用性。

CubeSat 需要一个特殊系列

Gecko 系列连接器和电缆组件的设计旨在满足 CubeSat 应用在某些尺寸下的相对高容量和低严格性要求（图 5）。这些连接器提供一种扁平、电缆到板和板到板的互连解决方案，特别适合于在 PCB 空间有限的地方进行堆叠和电缆配接。

图 5：Gecko 系列扁平连接器有众多样式、配置和端子数可供选择。（图片来源：Harwin）

Gecko 连接器是 1.25 mm 间距、高可靠性的矩形连接器，以连接器外壳的形式提供；端子可更换，须另行订购。连接器使用电缆套管压接端子和外壳，有公头和母头两种版本；垂直和水平通孔印刷电路板尾部连接器以及垂直表面贴装连接器用于电缆到电缆、电缆到板和板到板的互连。

与现有的行业标准同类产品和 Micro-D 相比，Gecko 连接器最多要小 45% 且轻 75%，典型重量约为 1 g。该系列连接器有三个派生型，不能互配：

• Gecko-SL (Screw-Lok) 连接器系列：这是一种具有浮动螺钉的连接器，可与对应的连接器安全、牢固地互连（图 6）。Screw-Lok 也可以有电路板或面板安装螺柱，用于牢牢固定电路板或外壳。每个端子单独导通时的额定电流为 2.8 A，所有端子同时导通时的额定电流为 2.0 A。此类连接器有水平连接器和配接电缆组件，支持高密度电路板堆叠。

图 6：Gecko-SL 系列的每个端子单独导通时的额定电流为 2.8 A，所有端子同时导通时的额定电流为 2.0 A。（图片来源：Harwin）

例如，G125-3241696M2 是一款 16 端子、面板安装的矩形 Gecko-SL 连接器，间距为 1.25 mm（图 7）。

图 7：Gecko-SL G125-3241696M2 是一款 16 端子、面板安装的矩形 Gecko-SL 连接器，间距为 1.25 mm。（图片来源：Harwin）

• Gecko-MT（混合技术）：该系列连接器是 Gecko-SL 系列的混合布局版本（图 8）。Gecko-MT 产品的数据端子搭配两个或四个 10 A 电源端子，提供 1 + 8 + 1 和 2 + 8 + 2 两种电源/数据配置，可显著减少电子硬件的占用空间和重量。

图 8：Gecko-MT 与 Gecko-SL 系列类似，但在单个连接器外壳中支持信号和电源端子混用。（图片来源：Harwin）

该系列提供电缆或通孔配置，具有与 Gecko-SL 连接器相同的 Screw-Lok 固定方式，并有多种信号（双排）和电源（单排）端子配置。

G125-FV10805F1-1AB1ABP 是一款 10 位 Gecko-MT 插座连接器，具有 8 个信号端子和 2 个电源端子，单个连接器同时具备两种功能（图 9）。

图 9：Gecko-MT 系列的 G125-FV10805F1-1AB1ABP 连接器包含 8 个信号端子和 2 个电源端子。（图片来源：Harwin）

• Gecko Latch（原创设计）：该系列中的公头连接器可以配备易于释放的闩锁，以确保与母头配接连接器牢固互连（图 10）。

图 10：Gecko Latch 连接器在公母对之间提供易于释放的闩锁。 （图片来源：Harwin）

20 位表面贴装插座连接器 G125-FS12005LOR 是 Gecko Latch 设计的一个例子（图 11）。

图 11：20 位表面贴装插座连接器 G125-FS12005L0R 属于 Gecko Latch 系列产品。（图片来源：Harwin）

双排配置的 Gecko-SL 和 Latch 系列提供 6 至 50 个端子。连接器外壳经过极化设计，以防止误配，外壳外侧标明了端子 1。

与 Gecko-SL 和 Gecko-MT 连接器兼容的可选金属底壳可用来提供机械、射频 (RF) 和 EMI 保护，例如用于 20 位 Gecko-SL 连接器的 G125-9702002 尾夹（罩子）（图 12）。

图 12：金属尾夹让用户可以选择为其 Gecko-SL 和 Gecko-MT 连接器增加增强型机械和 EMI 保护，图中所示为用于 20 针 Gecko-SL 连接器的 G125-9702002。（图片来源：Harwin）

尾夹是选配件，不需要这种保护的设计就不会有金属外壳连接器的重量负担。为了提高灵活性，尾夹连接到电路板，而不是连接器。

不要忘记电缆和组件

花费时间和精力选择连接器很容易，但这只是连接解决方案的一部分，与连接器相关的电缆同样重要。互连选择由信号类型和安装决定，包括基础型电线、双绞线、屏蔽线和同轴电缆。设计人员可通过五种途径获得电缆组件：

1. 自己动手（内部制造）
2. 使用预压接的端子和电线
3. 使用现成的电缆组件
4. 指定一种完整的、按订单生产的电缆组件，是标准产品的派生型
5. 指定一种专门按照要求制作的完全定制化电缆组件

Gecko 连接器使用广泛，所需的许多电缆组件都有标准、现成的产品，因此交货提前期短，不确定性小。例如，

G125-FC11205F0-0150F0 是一款 12 位电缆组件，长度为 150 mm，设计用于矩形插座对插座互连（图 13）。

图 13：电缆和整体组件构成了完整的互连；该 G125-FC11205F0-0150F0 是一款 12 位、150 mm 长的电缆组件，用于矩形插座对插座互连，以标准器件的形式提供。（图片来源：Harwin）

总结

关于连接器，重要的是在所需性能范围内选择尽可能小且轻的连接器，而不过分追求超出需要的指标或目标。

在 CubeSat 卫星市场上尤其如此，因为这些微小卫星以多层堆叠的方式放入火箭中，空间和重量对火箭而言弥足珍贵。

对于这类常见的、几乎成为“大众市场”的卫星，Gecko 连接器和电缆组件让设计人员在选择元器件时能够应对性能和成本的现实挑战，达成多个有时相互冲突的目标之间的平衡。