瞭解如何選擇適合太空應用的連接器和纜線

在過去十年中，地球軌道太空船已成為大眾市場應用的主要產業。這導致大量的衛星部署在地球的低軌道、中軌道和同步軌道 (LEO、MEO、GEO) 來執行各種任務。無論其大小、來源或任務為何，這些衛星的物料清單 (BOM) 中都有一個共同因素，即需要多種電氣連接器和纜線來傳輸訊號和電力。

雖然這些零件可能不像主要板載電子元件或更宏大的衛星任務那樣引人注目，但其效能、可靠性和穩定性，對衛星設計、部署和目標壽命都非常重要。因此，選擇並應用適當的互連件，是任務成功的重要因素。這些互連件必須提供基本功能，同時儘量縮減尺寸和重量，滿足太空發射和飛行時所要求的獨特可靠性和堅固性等要求。

幸運的是，由於 21 世紀對互連件的需求增高，符合太空用途的連接器和纜線現已成為標準組件，可經由經銷商從廠商購得。而就在一、二十年前，這類零件還屬於特殊產品，往往需要客製化訂購。這無疑是一個重大的轉變。

本文將介紹符合太空用途之連接器和纜線的要求及其適當選擇，然後介紹 Harwin 協助成功完成任務的真實解決方案。

太空中的纜線和連接器要求

發射精密複雜的太空船或通訊／導航衛星曾是美國太空總署 (NASA) 的主要任務，但如今，發射 LEO、MEO 與 GEO 衛星幾乎已司空見慣。有些發射讓太空部署了超過十二顆或更多的衛星，包括由大學、一些高中，甚至業餘科學團體所開發的小型熱門 CubeSat 衛星。

但是，太空對於所有類型的電子元件而言，都是一個嚴苛的環境。間歇連接、效能不足，甚至徹底失效，都有可能會發生。這些故障源自於發射時的振動，並因寒冷的真空軌道環境而加劇。

上述問題不僅對連接器效能提出諸多的要求，還對連接器的設計和實作帶來限制。這些都屬於可靠性優先問題，且不能或無法在飛行期間進行維修或更換。除了尺寸、重量、衝擊和振動之外，其他問題還包括逸氣、殘磁、極端溫度和熱循環、宇宙輻射、閃絡和連接器方向：

• 重量和尺寸 (體積)：太空載具及其衛星都受到兩種因素的嚴重限制，其一是燃料效率，其二則是在體積受限的太空船設計中，每立方公分的體積都相當寶貴。
• 加速、振動和衝擊：嚴苛的發射階段會在廣泛的頻率範圍內產生數十個 g 的重力。因此，太空等級的連接器通常會儘可能採用支柱螺絲或鎖定設計，以確保安全連接。
• 逸氣：太空中的熱量和真空環境會增加連接器的逸氣速率。彈性體和塑料等材料會緩慢釋放揮發性有機化合物 (VOC)，這些化合物會以氣體或蒸氣形式溶解、圍阻、凍結或吸入在材料中。即使是環氧樹脂和其他一般黏劑也會釋放這些 VOC，因此需要使用特殊黏劑。VOC 可能會引起污染，對精密儀器和光學表面造成干擾，進而嚴重影響關鍵任務設備的效能。太空等級的連接器會透過在真空密封烤箱中進行高溫烘烤來「驅除」材料中的 VOC。
• 殘磁：殘磁會干擾附近電路和子系統的效能，導致高精密度感測器產生誤導的讀數。若想儘量減少這種情況，則可能需要儘可能使用銅合金等非磁性材料。
• 溫度範圍：太空等級連接器的溫度範圍更寬，通常為 -65⁰C 至 +150⁰C。而熱循環也是一個問題：這種循環所造成的重複應力可能引起小裂縫，最終導致疲勞性斷裂。有些衛星被設計成可旋轉，是為了均衡其向陽面和背陽面的平均溫度。對於較大的衛星來說，這個解決辦法仍不夠，因為與較深的內部相比，其表面和表面下仍可能受到熱循環的顯著影響。在 CubeSat 這類小型衛星中，幾乎所有元件都相對靠近表面。
• 宇宙輻射：隨著衛星運行的高度升高，以及保護地球的大氣層變薄，宇宙輻射就會增加。這種不可避免的輻射效應，在某些方面與電磁干擾 (EMI) 的效應相似。雖然太空船的金屬外殼能提供一定的保護，但可能需要為容易受到輻射影響的電路板或纜線增加額外的屏蔽。
• 閃絡：這是一種從導體到最近金屬表面所產生的高電流連續放電現象。閃絡發生於不同電壓值下，實際取決於空氣分子的密度，而太空中的真空乃是極端情況，因此連接器必須具有適合高度的電壓額定值。
• 實體考量因素：連接器及其纜線的方向非常重要。衛星本身就是一種密度極高的裝置，而熱門的小型 CubeSat 將這種密集程度提高到全新水準 (圖 1)。一個 CubeSat 單位 (U) 的標準大小為 10 × 10 × 10 cm，而完整的 CubeSat 衛星大小可以是 1U、2U、3U、6U 或 12U。

圖 1：熱門的 CubeSat 衛星設計採用標準的小型模組形式，能以不同的增量長度加以堆疊。(圖片來源：Harwin)

如果連接器的設計是纜線與電路板互呈直角，連接器和纜線會對 CubeSat 中的電路板造成干擾，導致無法緊密間隔。不過，可運用水平連接器和配套纜線組件解決這個問題；可將纜線從電路板側向邊緣沿著堆疊邊緣進行佈線，進而減少電路板上方所需的間隙。

沒有一體適用的標準 — 可能永遠都不會有

各種互連路徑有不同的電壓、電流、頻率，以及其他效能要求，因此在許多情況下，單一連接器系列會嚴重低於或超過指定值，而這兩種情況無論出於何種原因都不可接受。此外，太空等級連接器並不存在單一「標準」。但逸氣等特定效能屬性存在對應的標準。NASA 零件選擇清單 (NPSL) 用於太空技術組件規格指南，這些合格零件清單 (QPL) 所列的元件，都是太空應用的專用元件。在歐洲，太空等級連接器需符合歐洲太空總署 (ESA/ESCC) 的認證要求。

設計人員在選擇連接器時，必須在連接器額定值和任務關鍵性之間取得平衡。指定規格過高的連接器，可能導致嚴重的成本和供應／前置時間問題。同時，如果 CubeSat 因對連接器效能不足或不佳而早期失效，則實屬遺憾且令人喪氣。因此，從實際的角度選擇符合計畫要求的連接器和纜線便非常重要。

有許多選項可符合需求

Harwin 等供應商提供多款連接器系列，可讓設計人員根據太空等級需求訂製其最佳選擇。每個系列又有各式的觸點類型和數量、配接配置、固定選項及其他特點。對應的 Harwin 連接器系列包括：

• Mix-Tek Datamate 系列為訊號、電源和同軸連接器提供範圍廣泛的配置，可讓工程師選擇與其應用完美匹配的連接器配置 (圖 2)。其電源觸點的額定電流高達 20 A，訊號觸點能處理 3 A，而同軸觸點則提供 6 GHz 的效能，且阻抗為 50 Ω。

圖 2：Mix Tek Datamate 系列可支援訊號連接器 (3 A)、電源連接器 (20 A) 和同軸連接器 (6 Ghz) 組合。(圖片來源：Harwin)

由於該系列使用轉動觸點並搭配 Harwin 的四指鈹銅觸點夾具，因此具備較高可靠性。Mix-Tek 連接器備有多種接線與電路板就緒的配置方式，最多有 50 個低頻觸點或 12 個同軸或電源的特殊觸點。這些連接器的間距為 2 mm，可與幾乎任何一種組合的訊號觸點、電源觸點和同軸觸點混搭。

• Kona 8.5 mm 間距的高可靠度連接器系列，可為嚴苛的環境提供高品質和大電流的連接 (圖 3)。獨立包覆式觸點可在每個觸點 3,000 V 的電壓下，實現 60 A 的連續電流，並具有 250 次額定插拔次數的耐用性。六指觸點設計為鈹銅和鍍金，可在強烈衝擊和振動下維持電氣連續性，並採用緊湊的單排封裝，使用線對板的配置。

圖 3：Kona 系列的 8.5 mm 間距連接器可支援高達 60 A 的連續電流，以及每個觸點 3,000 V 的電壓。(圖片來源：Harwin)

• M300 電源連接器具有一系列高可靠度與高效能的額定功率，可實現每個觸點高達 10 A 的緊湊型電源連接，輕便耐用且可在極端環境下良好運作 (圖 4)。這種連接器配有不鏽鋼支柱螺絲，可抵抗振動和衝擊。

圖 4：M300 電源連接器可提供每個觸點高達 10 A 的緊湊型電源連接。(圖片來源：Harwin)

經過實證的四指觸點設計，即使在高振動和衝擊環境中，也可維持電氣連續性。這些 3 mm 間距的電路板連接器、壓接纜線連接器和現成的纜線組件能夠承受 -65°C 至 +175°C 的溫度，並具有 1,000 次插拔次數的耐用性。

CubeSat 推動特殊系列

Gecko 系列連接器和纜線組件可滿足 CubeSat 應用在某些尺寸下對極高容量和低嚴格性的要求 (圖5)。這些連接器可提供超薄型、線對板和板對板互連解決方案，特別適合在印刷電路板面積有限的區域中，進行堆疊和纜線配接。

圖 5：Gecko 系列的超薄型連接器具有多種款式、配置和觸點數。(圖片來源：Harwin)

Gecko 連接器為一款間距為 1.25 mm 的高可靠度矩形連接器，並附連接器外殼，以及可單獨訂購的可更換觸點。此連接器採用纜線筒式壓接觸點和外罩，並提供公端和母端兩種款式；具備垂直和水平的通孔式電路板尾部連接器以及垂直的表面黏著連接器，可進行線對線、線對板和板對板的互連。

相較於現有的工業標準同類產品和 Micro-D，Gecko 連接器的尺寸小了 45%，重量最多輕了 75%，一般約為 1 g。這種連接器有三個版本且彼此無法配接：

• Gecko-SL (螺絲鎖) 連接器系列：這款連接器採用浮動螺絲進行固定，可將連接器牢固地連接至其對接物 (圖 6)。此外，螺絲鎖還提供電路板或面板安裝螺栓，可用於固定電路板或外殼。單獨接通時，觸點的額定電流為 2.8 A，同時接通所有觸點時，則為 2.0 A。這些連接器既可作為水平連接器，又可作為配接纜線組件使用，用於高密度的板堆疊。

圖 6：單獨接通時，Gecko-SL 系列的觸點額定電流為 2.8 A，同時接通所有觸點時則為 2.0 A。(圖片來源：Harwin)

例如，G125-3241696M2 是一款 16 個觸點、面板安裝式矩形 Gecko-SL 連接器，間距為 1.25 mm (圖 7)。

圖 7：G125-3241696M2 是一款 16 個觸點、面板安裝式矩形 Gecko-SL 連接器，間距為 1.25 mm。(圖片來源：Harwin)

• Gecko-MT (混合技術)：這些連接器是 Gecko-SL 系列的混合佈局版本 (圖 8)。Gecko-MT 產品能以 1 + 8 + 1 或 2 + 8 + 2 的電源／資料配置中的兩個或四個 10 A 電源觸點來充作資料觸點，大幅減少電子硬體佔用的空間和重量。

圖 8：Gecko-MT 與 Gecko-SL 系列類似，但可在單一連接器外罩中，支援混合的訊號觸點和電源觸點。(圖片來源：Harwin)

此系列可提供纜線配置或通孔配置，具有與 Gecko-SL 連接器相同的螺絲鎖固定版本，並具有各種訊號 (雙排) 和電源 (單排) 觸點配置。

G125-FV10805F1-1AB1ABP 是一款有 10 個腳位的 Gecko-MT 插座連接器，即八個訊號觸點再加兩個電源觸點，可讓一個連接器同時具備兩種功能 (圖 9)。

圖 9：Gecko-MT 系列的 G125-FV10805F1-1AB1ABP 連接器，具有八個訊號觸點和兩個電源觸點。(圖片來源：Harwin)

• Gecko Latch (原始設計) ：此系列的公端連接器配有易鬆開的鎖定閂鎖，可與母端配接連接器進行安全互連 (圖 10)。

圖 10：Gecko Latch 連接器在公端與母端連接器之間配有易鬆開的閂鎖。 (圖片來源： Harwin)

G125-FS12005LOR 是一款有 20 個腳位的表面黏著式插座連接器，是 Gecko Latch 系列成員之一 (圖 11)。

圖 11：G125-FS12005L0R 20 腳位表面黏著式插座連接器，是 Gecko Latch 系列成員之一。(圖片來源：Harwin)

Gecko-SL 和 Latch 系列採用雙排配置，可提供 6 至 50 個觸點。連接器外罩採用極化設計以防錯誤配接，並在外側標有觸點編號 1。

選配的金屬背殼與 Gecko-SL 和 Gecko-MT 連接器相容，可提供機械、無線射頻 (RF) 及 EMI 防護。例如，可將 G125-9702002 背殼 (護罩) 用於有 20 個腳位的 Gecko-SL 連接器 (圖 12)。

圖 12：金屬背殼選件可讓使用者增強 Gecko-SL 和 Gecko-MT 連接器的機械及 EMI 防護，例如這款 G125-9702002 可用於 20 腳位 Gecko-SL 連接器。(圖片來源：Harwin)

將背殼列為選配件，可讓不需要此類保護的設計省去連接器金屬外殼的額外重量。為了增加靈活性，背殼會接至電路板而不是連接器。

別忘了纜線和組件

我們很容易將時間和精力用在選擇連接器上，但這只是建立連接的一部分，與連接器相關的纜線同樣重要。根據訊號類型和安裝方式，有多種互連方案可供選擇，包括基本電線、雙絞線、屏蔽式電線和同軸纜線。對於纜線組件，設計人員有五種選擇：

1. 自己動手做 (內部生產)
2. 使用預壓接觸點和電線
3. 使用現成纜線組件
4. 指定整套定做的纜線組件，為標準產品的變化版
5. 指定專門根據需求而完全客製化的纜線組件

Gecko 連接器使用廣泛，因此許多需要的纜線組件有現成的標準品，可減少前置時間和不確定性。例如：

G125-FC11205F0-0150F0 是一款有 12 個腳位的纜線組件，長 150 mm，專為矩形的「插槽對插槽」互連而設計 (圖 13)。

圖 13：纜線和整體組件將構成完整的互連；此 G125-FC11205F0-0150F0 是一款 12 腳位、長 150 mm 的纜線組件，可用於矩形的「插槽對插槽」互連，並可作為標準元件供應。(圖片來源：Harwin)

結論

必須依據所需的效能等級，盡可能找到最小最輕的連接器，不要指定過高的規格，提供過密的數量或目標。

這在 CubeSat 市場尤其是如此，這些小型衛星的設計旨在為了空間和重量都相當寶貴的火箭中達到多重堆疊。

對於這些幾乎屬於「大衆市場」的熱門衛星而言，Gecko 連接器和纜線組件可讓設計人員在選擇元件時平衡各種可能有所衝突的情況，在效能和成本之間做出實際的取捨。