CN111787730A - 一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法，属于信号互连技术领域。本发明提出了一种嵌入式多层浮动结构集成了光信号、微波信号、大电流信号及若干控制信号；应用在层叠结构的数字子阵中，实现子阵的超小型、轻量化、无引线及全盲插，该方法的三维互联结构集成度高、装配效率高且价格低廉。

Description

一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法

技术领域

本发明属于信号连接器互连技术领域，涉及一种三维垂直互连结构，应用于小型化数字子阵设计中。

背景技术

当前为提高垂直互连连接器高集成度和多样性的发展，电子装备都开始向三维结构发展。尤其如有源相控阵系统，需要构建开放式、可重构、可扩展功能的阵面系统。而有源子阵作为阵面核心模块，其集成的结构形式主要分为砖式和瓦式两种。传统的砖式子阵信号整体在平面传输，设计简单，便于调试和维修，但是体积往往较大且重量较重。而瓦片式子阵结构可提高产品的集成度和功能多样性，尤其是高频率和宽频带的条件下，各功能层模块都垂直分布，配合高度集成化的电路设计，子阵可以实现更小的平面尺寸和更多的收发通道，各功能层都需通过垂直互联来实现之间的通信。因此需要通过高集成的混装模块结构解决瓦片式子阵快速简洁装配的要求。

常规的瓦片式数字子阵按功能划分为5层，如图1所示，包括第一层数字层1、第二层变频层2、第三层电源层3和第五层T/R层5四个电讯功能层，还包括第四层液冷散热层4。各功能层之间通信的信号关系及种类复杂繁多，详细如下所述：

1)对外接口信号种类包括大电流信号6、第一本振信号7、第一本振信号9、光纤信号10、时钟信号8和调试触发调试信号11；

2)第一层数字层1和第三层电源层3之间的通信信号为大电流信号6，为子阵提供输入电源；另外还有若干低频信号12，为数字层提供供电、T/R层控制转接信号、变频层控制转接信号、数据及状态监测信号等；

3)第一层数字层1与第二层变频层2之间通信信号为第一本振信号7、第二本振信号9以及一组中频信号13；

4)第三层电源层3与第五层T/R层5之间的通信信号是T/R模块的供电及低频控制信号14；

5)第二层变频层2与第五层T/R层5之间的通信信号是一组前端射频激励信号15；

6)第二层变频层2与第三层电源层3之间的通信信号时变频模块的供电及控制信号16。

由上述可知，数字子阵各功能层之间互为层叠，涉及的对外信号种类及数量极多，如何解决信号之间的超小间距互联及无引线的盲插效果是重点和难点。

发明内容

针对现有的垂直互连设计中存在的技术问题，如线缆数量繁多、布局凌乱外观性差、常规连接器尺寸较大等，解决小型化数字子阵有限空间内各功能层之间的多种复杂信号的通信互连问题，本发明提出了一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法，以微小型连接器为主要实施和集成对象，设计了一种高集成垂直连接器结构，实现上、下两个方向的三个功能层之间的垂直互连。

本发明提出了一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法，实现过程如下：

步骤1：设计一个集成的垂直连接器结构，包括混装模块17和基座18，其中基座的尺寸覆盖混装模块占据的尺寸范围，基座与混装模块共用一体结构，一方面可以加强混装模块插合的强度；另一方面增加的基座可向下扩展的结构安装，譬如与数字子阵的第一层固定；

步骤2：多种对外接口信号都集成设计在混装模块17内，所述的多种对外接口种类信号包括大电流信号6、第一本振信号7、时钟信号8、第二本振信号9、光纤信号10和调试触发信号11，其中所述时钟信号(8)为高频信号，调试触发信号(11)为低频信号，时钟信号(8)和调试触发信号(11)采用硬连接式焊接；，而低频式的焊接为绞线式弹性插针或微矩形插针，高频式焊接为SMP或SSMP微带针；其中第一本振信号7、大电流信号6和第二本振信号9采用自身带有一定浮动量的浮动连接器，可用于盲插互联，浮动公差的大小拓展了内部多层结构的互联；而所述的光纤信号采用典型MT结构形式的光纤连接器；

步骤3：时钟信号8、光纤信号10和调试触发信号首先安装在第一层数字层上1；第一层数字层1上的光纤通过MT连接器装入混装模块17的固定槽位结构内，形成光纤信号10；混装模块内的时钟信号8和调试触发信号通过插针焊接的形式，使得混装模块与第一层固定安装至一起；第一本振信号7和第二本振信号9通过浮动连接器互联至第二层变频层2上，浮动连接器包括SMP、SSMP或BMA；大电流信号6也通过浮动接插件互联至第三层电源层3上；各层之间垂直方向留有一定的间距；

步骤4：所述的集成垂直连接器首先与第一层数字层1形成一个整体结构后，再嵌入式通过浮动连接器同时推进第二层变频层2和第三层电源层3中，从而实现三层信号之间的无引线层叠互联。

进一步的，上述的一种层叠混装模块无引线互联结构第一本振信号7及第二本振信号9使用连接器的纵向浮动参数为a1，大电流信号6使用浮动连接器的纵向浮动参数为a2；要保证浮动参数a1小于浮动参数a2；

更进一步的，为保证该连接器结构在上下方向的结构定位，设计互为嵌入式的定位结构，即混装模块17上方设计尺寸较大的定位孔保证向上触点的一次对插；而基板18下方留有一组定位柱，装配时先将基板下方的定位柱与被固定子阵的数字层定位焊接在一起，保证数字板强度的同时实现整个连接器的定位。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)无引线直插式的连接设计，简化了信号连接设计，能够最大化的减小对各层模块平面空间的占用。不需要为装配预留额外的操作空间，压缩层间距离，有效的减小子阵体积和重量；

2)引入的层叠混装模块无引线互联结构只需通过一次嵌入式盲插，即可完成三个功能层之间众多信号之间的互联；

3)替代如绝缘子/毛纽扣/BGA等形式对工艺要求成熟度高、成本昂贵且可维修性差的互联结构形式。

本发明的设计实现成本低，装配工艺的成熟度要求低，操作简单可维修性强，真正实现了数字子阵的无引线简洁互联外观，保证了子阵应用在三维空间的高度集成化和可维修性，具有重大的意义和应用背景。

附图说明

图1是数字子阵的各功能层的分类以及信号种类的说明；

图2是本发明的层叠混装模块无引线互联结构的侧面示意图；

图3是层叠混装模块无引线互联结构实物正视图；

图4是层叠混装模块无引线互联结构实物底视图；

图5是层叠混装模块无引线互联结构在三层之间互联的分解图；

图6是应用在数字子阵中无引线互联的整体效果图；

其中1是第一层数字层、2是第二层变频层、3是第三层电源层、4是散热层(冷板)、5是第五层T/R模块层，6是电流信号、7是第一本振信号、8是时钟信号、9是第二本振信号、10是光纤信号、11是触发调试信号、12是通信及控制信号、13是中频信号、14是T/R的低频信号、15是射频激励信号，16是变频的低频控制信号；17是混装模块、18是基座、19是多芯排针插座、20是多芯排针插头、21是对应大电流信号的插座、22是混装模块上方的导向孔、23是基座下方的导向柱；24是嵌入式无引线垂直互连的效果示意。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于瓦片式数字子阵的层叠混装模块无引线互联结构设计方法。如图2～图5所示，以工作在C～Ku波段一种超宽带数字子阵为实例，平面尺寸小于110*110m，需通过合适互联设计方案保证子阵深度不超过100mm。

若采用传统的电缆实现信号的互联，对于整体子阵空间结构的设计，多种连接线交错分布，各模块上的连接插座占用空间的同时，需预留更大的层间距来配合线缆的装配操作，因此子阵的空间率用率会变低，体积和重量均会增大。且线缆不易拆装，降低了子阵的美观和装配效率。

本发明的互联结构将使得子阵结构更紧凑清晰。C～Ku波段数字子阵的组成同样分为第一层数字层、第二层变频层、第三层电源层、第四层散热层(冷板)和第五层T/R模块层。其中第五层的T/R模块数量是8个独立的小单元。整个子阵构成8*8＝64通道的数量，第四层冷板水道主要分布在第三层电源板与第五层T/R模块之间，各层之间按顺序互为叠加在一起。各层之间的信号接口关系如图1所述类似，数量如下所述：

其中大电流信号数量为4个，触发调试信号至少10个，数字板与变频模块之间的中频信号数量为8个，数字板与电源板之间的通信数量为18个，电源板与T/R模块层的低频信号有8组，T/R模块层与变频层的射频信号数量为8个，时钟有一路，本振有二路，变频模块的供电及控制信号接口为1个。

设计的步骤如下：

1)先确定混装模块的形式，考虑混装模块同时对内连接及对外通信的要求，即向上和向下的要求，将所有对外接口数量一体集成在一个结构模型中，即包括光纤MT、时钟本振、大电流和触发信号。对内的时钟一路和触发信号18路以硬连接焊接形式，两路本振信号以射频转接SSMP的浮动结构接触件，浮动公差设为a1；大电流设计为4芯接触件，浮动公差设计为a2。混装模块与下方的基板共用结构设计。

2)装配第一步是先将混装模块的时钟和18芯插针与数字子阵的第一层数字板手动焊接在一起，该步骤同时透过基本的定位孔与数字板一同定位；此时，该连接器与数字板形成一体；

3)由图5所示，第二层变频模块的两路本振信号接口是SSMP形式，集成连接器的7、9通过SSMP转接器的浮动功能实现数字子阵第一层与第二层的互联；

4)由图5所示，第三层电源板留有4芯电源插座21，将与集成连接器的4芯大电流接触件6完成浮动的互联盲插，实现数字子阵第一层与第三层的互联；

5)同时为了扩展数字子阵的多路信号的通信关系，如图5所示，在数字板上留有18芯低频信号插针19与第三层的18芯插座20完成互联关系，在基本的另一侧留有凹槽安装低频信号插座，用于子阵内信号通信的扩展；

6)第一层数字板与第二层还留有8个中频信号接口，通过射频浮动连接器smp-kk进行通信，其浮动公差设为a3；各级的浮动公差需满足a1<a3<a2<a4；从而一次性完成数字板、变频模块及电源板上表面的3层之间所有信号的互联；

以上即完成了子阵层叠间信号无引线的互联设计，各连接器的型号选用及分布位置，充分的考虑了模块内部及层叠间的空间分布，与引线互联设计相比，结构紧凑且清晰，充分的实现了高频宽带数字子阵的小型化设计。子阵的各层模块装配均在垂直方向上完成，且对插均为盲插设计，互联无需焊接，拆装操作简单高效，也便于子阵的调试和维修。经过上述的步骤，最终数字子阵的深度仅为89mm，远小于100mm的要求。

Claims (3)

1.一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法，其特征在于：

步骤1：设计一个集成的垂直连接器结构，包括基座(18)和混装模块(17)，其中基座(18)设计在混装模块(17)下部，基座(18)的尺寸大于混装模块(17)占据的尺寸范围；基座(18)与混装模块(17)共用一体结构；

步骤2：将多种对外接口种类信号集成在混装模块(17)内；所述多种对外接口种类信号包括大电流信号(6)、第一本振信号(7)、时钟信号(8)、第二本振信号(9)、光纤信号(10)和调试触发信号(11)；其中时钟信号(8)和调试触发信号(11)采用硬连接式焊接，调试触发信号(11)为绞线式弹性插针或微矩形插针，时钟信号(8)为SMP或SSMP微带针；所述大电流信号(6)、第一本振信号(7)和第二本振信号(9)采用自身带有浮动量的浮动连接器；所述光纤信号(10)采用MT结构形式的光纤连接器；

步骤3：所述时钟信号(8)、光纤信号(10)和调试触发信号(11)互联至数字子阵的第一层数字层(1)上；所述第一本振信号(7)和第二本振信号(9)互联至第二层变频层(2)上；所述大电流信号(6)通过浮动连接器互联至第三层电源层(3)上；各层之间垂直方向留有固定间距；

步骤4：所述时钟信号(8)和调试触发信号(11)首先与通过硬连接式焊接在第一层数字层(1)上，所述垂直连接器结构与第一层数字层(1)形成一个整体，通过浮动连接器嵌入式推进第二层变频层(2)和第三层电源层(3)中，实现三层信号之间的无引线层叠互联。

2.根据权利要求1所述的一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法，其特征在于：所述步骤2中浮动连接器的浮动量包括第一本振信号(7)及第二本振信号(9)使用浮动连接器的纵向浮动参数a1和大电流信号(6)使用浮动连接器的纵向浮动参数a2；其中a1小于a2。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种层叠混装模块无引线互联结构设计方法，其特征在于：在混装模块(17)上方设计一组导向孔，同时在基座(18)下方设计一组导向柱，同时实现该连接器上、下方向的定位安装。

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