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    了解光纤收发器设计和测试规则

      航空电子系统的设计必须平​​衡几个因素。首先,工程师希望提高安装在飞机或航天器中的系统的性能。其次,他们希望减少必须携带的设备的尺寸和重量。第三,他们希望最大限度地提高飞行系统的安全性,并在任何情况下保持飞机或航天器与其他飞行船只和指挥中心之间的通信。

      光纤的好处

      无线电是空间通信的首选方法。传统上,军事和航空航天部门在无线电通信中使用铜线,因为铜在此应用中具有成本效益且成熟。然而,铜很重,会因过热而引发火灾。

      更重要的是,铜容易受到来自闪电和太阳耀斑等自然来源的电磁干扰。此外,在低地球轨道的等离子体环境中运行像航天器这样的高压系统会在航天器表面积累带电等离子体,导致类似于雷击的静电放电。电磁干扰可能导致设备退化和故障,影响驾驶舱无线电和雷达信号,中断飞行员与控制塔之间的通信,从而危及航天器的生存。

      此外,随着工程师为军用飞机和航天器添加更多功能,物理空间成为一种宝贵的商品。更多功能也意味着对数据带宽和处理能力的更大需求,增加了铜线在任何给定时间必须传输的数据量。因此,需要一种更安全、更轻,并提供更高传输速度的传输材料。

      由于这些考虑,航空电子设备的设计一直朝着使用光纤的方向发展。虽然比铜线更昂贵,但光纤提供更快的传输、更大的带宽和更低的数据丢失(衰减)。由拉制玻璃制成的光纤也更加灵活和轻便。更重要的是,作为一种非金属,光纤不受电磁干扰。

      什么是光纤收发器 (FOT)?

      然而,从铜线切换到光纤也意味着工程师需要设计特定的光纤收发器 (FOT)。

      每个 FOT 包含一个传输和接收模块。在光缆的一端,FOT 将电信号转换为光进行传输;然后在光缆的另一端,另一个 FOT 将光转换回电信号。接收器模块使用半导体探测器(光电二极管或光电探测器)将光信号转换为电信号(激光或 LED)。收发器可以插入或嵌入到数据网络中的另一个设备中。

      光收发器有各种形状和尺寸(外形尺寸),以满足数据类型或传输速度和距离方面的不同需求。不同的协议或规则决定了如何传输特定类型的数据。最后,密封或气密密封通常用于保护收发器免受冷凝产生的湿气。

      光纤收发器设计注意事项

      首先,电气接口有三种选择:

      球栅阵列 (BGA),它提供尽可能低的外形(使用的垂直空间),并且与板组装最兼容,因为它可以直接焊接到主机板上;但是,它在零件更换方面是最困难的。

      MegArray™ 提供最简单的部件安装和拆卸,但具有最高的外形,如果在高振幅振动环境中使用,则需要推入机构。

      焊盘网格阵列 (LGA) 中介层是 BGA 和 MegArray™ 之间的折衷方案,外形小巧,提供多种安装/拆卸可能性,但在这些过程中需要更多的劳动力,因为连接是通过螺钉完成的。

      图 1. Reflex Photonics 的光纤收发器支持 (a) BGA 电接口、(b) MegArray™ 电接口和 (c) LGA 电接口。(来源:反射光子学)

      三种电接口选项可与四种不同类型的光接口组合:

      MicroClip™ 接口,可减少电路板组装期间的光纤管理,并提供非常轻巧且尺寸小的接口解决方案。它与嵌入式高密度印刷电路板兼容,但不兼容盲插板边缘背板安装。

      旋入式连接器选件比 MicroClip 更坚固,但重量更大,占用空间更大。螺丝端子成本低,但需要更多时间才能将其正确缠绕在螺丝头上。此外,振动或腐蚀会导致旋入式连接器随着时间的推移而退化。

      盲插板边背板安装接口符合 OpenVPX™ 标准,无需工具即可安装。

      光纤尾纤接口具有最佳的尺寸和重量性能,因为它仅在一端安装了光纤连接器。但是,它需要在组装和维护期间进行光纤管理。

      可靠性测试注意事项

      由于航天器或飞机在运行过程中必须与其他飞行器和地面控制保持通信,因此 FOT 发生故障是不可接受的。由于光纤收发器在极端条件下老化得更快,因此在极端压力情况下测试和确认 FOT 的可靠性至关重要。要评估的两个基本应力条件包括热应力和振动应力。

      热应力:在驾驶舱内和飞机蒙皮下,主要的热源是航空电子设备本身。仪器的堆叠不仅使冷却成为挑战,而且加剧了热量。随着飞机的高度爬升,气温下降,但超音速飞行会产生大量热量;结果,这架飞机经历了极热和极冷。在下降过程中,情况正好相反。航天飞机也承受着巨大的热应力,因为重新进入大气层会由于大气摩擦而产生大量热量。最后,相邻结构的不同热膨胀率会产生更多的磨损。

      振动应力:对于火箭和航天器,发射过程中固体火箭燃料的燃烧会导致振动。由于大部分战斗机都有固定机翼,在上升、巡航和下降过程中会遇到振动和冲击波。此外,大气湍流和机械故障会导致振动,每次飞行发生一次的机舱增压和减压也会导致应力变化。

      可靠性验证测试

      由于飞机承受的巨大压力以及故障的后果,通过五项关键测试来测试光纤收发器 (FOT) 在极端和压力条件下的可靠性至关重要:

      机械和环境测试,

      寿命测试,

      现场测试,

      空间应用测试,

      筛选测试。

      机械和环境测试

      机械测试包括所有三个轴的振动测试、机械冲击测试(所有六个方向)和热冲击测试。

      环境测试包括温度循环测试,评估收发器整个生命周期内的机械疲劳,以确定材料之间的热膨胀引起的不匹配,以及测试密封 FOT 的防潮水平的湿热测试。专门为具有与回流焊兼容的 BGA 电气接口的收发器设计的一系列测试用于测试对回流曲线和低温储存的可能影响。

      寿命测试

      寿命测试用于预测 FOT 性能的寿命退化。测试了几个收发器单元(来自不同批次)。在模拟 20 多年运行的情况下,通过显着超过其最大运行条件至少 1000 小时以加速方式测试 FOT。

      现场测试

      实时测试通过在每个通道上运行高速数字信号、测量传输错误并确保误码率 (BER) 低于 1 万亿比特中的一个错误,甚至低于最恶劣的条件。FOT 的显着信号衰减表明发射器和接收器都有累积效应。

      空间应用测试

      如果 FOT 要在卫星内部使用,它还将接受额外的测试,以确保它在类似于太空的辐射和真空条件下保持其性能。

      首先,将用 100 MeV 能量质子的总非电离剂量 (TNID) 轰击静止的非操作 FOT。其次,在有偏和无偏的条件下,非操作 FOT 暴露于伽马射线的总电离剂量 (TID)(100 krad 累积剂量)。测试前后的错误率差异必须可以忽略不计。第三,FOT 在室温和 85°C 下进行实时测试单事件效应 (SEE),以检测单事件扰乱和/或单事件闩锁的存在。第四,封装加固型 FOT 必须经过除气测试,以确保接近电路元件不会在真空环境中发生交叉污染。最后,必须将相同的 FOT 提交给实时热真空测试,以评估相同真空环境中的热疲劳。

      筛检

      先前的测试与一项资格计划相关联,该计划将在至少两个独立制造批次生产的大量单元样本上实施。鉴定计划将确认设计的可靠性。为了确认生产批次的质量,FOT 将对所制造的 100% 的单元进行筛选测试。这些筛选测试通常包括覆盖整个工作温度范围的热循环和在最高工作温度下进行至少 168 小时的老化测试,以消除可能遭受婴儿死亡率的单元。

      结论

      用于恶劣环境(如太空和航空电子设备)的 FOT 的设计挑战需要小尺寸以适应有限的空间。三种电接口选项可以与四种不同类型的光接口相结合,每种都有自己的优缺点。因此,选择具有正确参数的设计以适应特定应用非常重要。

      尽管存在极端的热、辐射和机械应力,FOT 仍能提供可靠性能的能力是关键任务。必须应用 FOT 通过之前确定的关键测试(机械和环境测试、寿命测试、现场测试、空间应用测试和筛选测试)以确保任务的最终成功。 

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