Diseño de interconexiones fiables para la electrónica espacial

Las naves espaciales dependen de las interconexiones eléctricas para transportar potencia, datos sensibles y señales de RF entre subsistemas, y además deben seguir funcionando durante las vibraciones y los impactos del lanzamiento, el vacío, los ciclos térmicos y períodos prolongados sin acceso para reparaciones.

Estas condiciones dificultan más mantener la fiabilidad de la interconexión. La vibración puede alterar las interfaces de contacto y someter a esfuerzo las terminaciones de los cables, el vacío puede hacer que los materiales desprendan gases y los cambios repetidos de temperatura pueden modificar las estructuras mecánicas. La selección de interconexiones para naves espaciales depende de la mecánica de contacto, los materiales utilizados, el blindaje y la retención mecánica.

Cinch Connectivity Solutions aborda estos requisitos a través de su cartera Space Mission Solutions de tecnologías de interconexión, cable y RF. La cartera se basa en más de seis décadas de experiencia en vuelos espaciales, con conectores Cinch utilizados desde los primeros tiempos de la NASA e integrados en telescopios espaciales, la Estación Espacial Internacional y los vehículos robóticos de Marte.

Conectividad de alta densidad

La electrónica espacial suele tener muchas conexiones eléctricas dentro de un volumen limitado y con restricciones de masa. Los conectores Dura-Con Micro-D de Cinch ofrecen conexiones de cable a equipo y a nivel de placa con contactos en un paso de 0,050 pulgada (1,27 mm). Hay disponibles versiones calificadas para uso espacial con hasta 100 contactos para permitir múltiples conexiones de potencia, control, sensor y otras señales.

La característica clave de Dura-Con es su contacto de clavija de giro. La clavija utiliza una estructura de resorte flexible que crea siete puntos de contacto contra el enchufe. Cuando el conector experimenta pequeños movimientos debido a vibraciones o cambios dimensionales, la estructura de resorte mantiene la presión de contacto en estos puntos. Esto es importante durante el lanzamiento de la nave espacial porque cualquier movimiento en la interfaz de acoplamiento puede producir cambios en la resistencia de contacto, lo que provoca discontinuidades temporales en la interfaz.

Estos conectores combinan el sistema de contactos de clavija de torsión con una carcasa de aleación de aluminio, contactos de aleación de cobre con acabado en oro, materiales aislantes reforzados con vidrio y cable con aislamiento de Etileno-TetraFluoroEtileno.

La carcasa metálica proporciona una trayectoria estructural alrededor del campo de contactos y contribuye al blindaje contra EMI (interferencia electromagnética) cuando está correctamente unida. Los conectores Dura-Con también utilizan materiales de baja desgasificación con menos del 1 % de pérdida de masa total (TML) y 0,1 % de material volátil condensable recolectado (CVCM).

Los conectores apilables CIN::APSE de Cinch resuelven un problema de empaquetado diferente: las conexiones dentro de conjuntos electrónicos densamente compactados. Los conectores son un sistema de compresión sin soldadura en eje Z que conecta almohadillas de contacto en PCB opuestas. Los elementos de contacto tienen una estructura resiliente de alambre bobinado que se comprime entre las superficies de acoplamiento para crear múltiples puntos de contacto eléctrico.

Las rutas de contacto cortas ofrecen baja resistencia e inductancia, lo que las hace adecuadas para conexiones densas. Se pueden asignar múltiples contactos dentro de una sola matriz a estas funciones, lo que reduce la necesidad de cuerpos de conector separados en una pila de placas. El apilamiento de puentes también puede conectar disposiciones de placa coplanares, en ángulo recto, plegadas o intermedias.

Preservar la integridad de la señal

Las interfaces de las naves espaciales se definen por cómo viaja una señal entre subsistemas. Las rutas de señal que transportan datos diferenciales o mediciones sensibles requieren que el conector y el cable conserven la geometría del conductor, la impedancia y el blindaje.

Los conectores Twinaxial y Triaxial Trompeter de Cinch proporcionan estas trayectorias de señal controladas. Las conexiones twinaxiales utilizan dos conductores internos dentro de un blindaje exterior común, lo que las hace adecuadas para señalización balanceada o diferencial. Como el receptor responde a la diferencia de voltaje entre los dos conductores, el ruido acoplado en ambas líneas puede rechazarse como interferencia de modo común. El blindaje circundante proporciona otra barrera contra los campos electromagnéticos.

El triaxial agrega una capa conductora concéntrica que permite una separación adicional entre las funciones de la señal, la cubierta de seguridad y el blindaje exterior. Es importante mantener esta arquitectura porque una discontinuidad en el espaciado de los conductores puede cambiar la Impedancia local y reflejar parte de la señal.

Los conectores Trompeter utilizan interfaces de bayoneta o roscadas con retención mecánica. Cinch también ofrece ensambles de cable con longitud fija que incluyen configuraciones twinaxiales de 78 Ω, de modo que el cable y el conector puedan tratarse como parte de la misma trayectoria de transmisión.

Cuando una señal debe atravesar una barrera sellada, Cinch ofrece conectores Dura-Con herméticos MICRO-D. Un conector hermético limita la fuga de gas a través del paso eléctrico. Algunas configuraciones están calificadas para requisitos específicos de tasa de fuga, lo que permite la transmisión de señales a través de diferenciales de presión o límites de atmósfera controlada.

Estos productos forman parte de la oferta de capa física MIL-STD-1553B de Cinch. MIL-STD-1553B utiliza un bus de datos dual redundante de 1 Mb/s de comando/respuesta, en el que un controlador del bus coordina la comunicación con los terminales conectados. La línea de transmisión equilibrada, los acopladores, las derivaciones, los conectores y las terminaciones determinan el comportamiento eléctrico del bus.

Gestión del rendimiento de RF y la fiabilidad de los cables

La cartera de soluciones para misiones espaciales de Cinch se extiende a la ruta de señales de RF mediante piezas calificadas para el espacio (QPS) de Midwest Microwave. Estos atenuadores pasivos son para sistemas espaciales de RF y microondas en los que los niveles de señal y la impedancia deben permanecer controlados en las comunicaciones, la telemetría, la detección y otros circuitos de alta frecuencia.

Un atenuador de RF reduce la potencia de la señal en una cantidad especificada (expresada en decibelios). Por ejemplo, un atenuador de 3 dB reduce la potencia de salida a aproximadamente la mitad de la de entrada, mientras que 10 dB la reducen a una décima parte. Esta pérdida puede utilizarse para obtener niveles de excitación específicos, proteger las entradas sensibles del receptor, gestionar la ganancia en una cadena de RF o mejorar la adaptación de impedancia.

Los atenuadores QPS funcionan desde CC hasta 18 GHz, con un rango de temperatura de funcionamiento de -55°C a +125°C. Sus materiales cumplen los criterios de baja desgasificación ASTM E595 de no más del 1 % de pérdida de masa total (TML) y 0,1 % de material volátil condensable recolectado (CVCM). Estas características permiten que un atenuador mantenga una pérdida y una impedancia predecibles, al tiempo que cumple los requisitos de materiales y cribado.

El conector es solo una parte de una interconexión fiable para naves espaciales. En el punto donde un haz de cables flexibles entra en un conector Dura-Con MICRO-D rígido, la vibración puede transferir cargas de flexión y tracción a los conductores individuales y sus terminaciones. Las carcasas posteriores MICRO-D de Cinch proporcionan alivio al transferir una mayor parte de esta carga mecánica a la carcasa del conector y la estructura de montaje.

Las carcasas posteriores para EMI también proporcionan un medio para terminar la trenza del cable alrededor de la carcasa posterior conductora. Esto prolonga el blindaje del cable hacia la carcasa del conector, mientras que la carcasa también controla la entrada del cable y proporciona protección mecánica.

Conclusión

La fiabilidad de las interconexiones de naves espaciales depende de mantener la continuidad eléctrica, preservar la estabilidad del contacto, la integridad de la señal, el blindaje y el soporte mecánico. La cartera Space Mission Solutions de Cinch muestra cómo la conectividad de las naves espaciales debe considerarse como un sistema eléctrico y mecánico completo, con cada componente seleccionado según los requisitos específicos de señal, empaquetado, entorno y fiabilidad.

Para obtener más información, visite soluciones para misiones espaciales de Cinch.