מחברים המיועדים להעברת קצבי נתונים במהירויות גבוהות ליישומי חלל אוויר וליישומים צבאיים

עמיצור לוי ומיקי גלזר
חברת Ray-Q

הצורך במהירות
הדרישות לעיבוד מידע גדלות באופן מהותי, ככל שמערכות צבאיות ממשיכות ונעות לעבר תבניות עשירות במידע. הצורך בתהליך עיבוד בזמן אמת של כמויות עצומות של נתונים דורש קצבי נתונים גבוהים באופן משמעותי. המחברים במיוחד מציבים אתגרים תכנונים, מאחר שהם מציגים פוטנציאל לשינויי עכבה (אימפדאנס) ולמקורות עיוות האות.
לעומת התכנון של מחברים למהירויות נמוכות, שהוא בעיקרו עניין של הנדסה מכנית, המחברים למהירויות גבוהות מערבים נושאים הקשורים להנדסת חשמל. המשמעות של זמני עלייה של אותות שנמדדים בעשרות פיקו-שנייה היא, שלכל אי-רציפות שנוצרת על ידי המחבר יש משמעות חשמלית. כפי שאפשר לראות באיור 1, נתיב התמסורת שעובר דרך המחבר מציג שינוי בעכבה של האות. למחבר האידיאלי יש עכבה אחידה אשר לא משפיעה על האות.
כדי שמערכות הפועלות במהירויות גבוהות יפעלו בצורה תקינה, יש לתכנן את מחבר לוח האם ואת אזור החיבור של המחבר למעגל המודפס באופן קפדני ועם שימת דגש מיוחד על ביצועים חשמליים  על מנת להתאים את המערכת למהירויות גבוהות. איכותו של האות החשמלי בזמן שהוא עובר דרך המחבר ואזור החיבור של המחבר למעגל המודפס חייבת להישמר.
התפתחותם של מחברים שפועלים במערכות הפועלות במהירות גבוהות נדחפת במידה רבה על ידי יישומים מסחריים שונים, כגון מערכות אחסון נתונים, שרתים, מתגים, נתבים וציוד תקשורת אופטית.

איור 1: שינויי עכבה אפשריים במחברים

איור 2: מחבר Fortis Zd יספק נתיב עבור הדור הבא של מערוכת אלקטרוניות בסביבות קשיחות, על ידי שילוב מהירויות של מחברים מסחריים עם ממשק עמיד

תמיכה במוצרים אלו הפועלים בקצבים גבוהים, מצריכים תכנון מחברים מתוחכמים עם תכנון עדין ומורכב של המחבר והמגעים החשמליים.
מחברים מסחריים במהירות גבוהה מתאימים בעיקר לסביבה משרדית, שהיא באופן יחסי נעימה ומבוקרת אקלים, על מנת להשתמש במחברים אלו  ביישומים צבאיים, יש צורך בבחינה קפדנית הן של המחבר והן של תנאי הסביבה. לעתים קרובות, מעצם המבנה שלהם, מוצרים אלו מתאימים היטב לשימוש בסביבות קשות יותר כגון במערכות מכ”ם, ביישומי וידיאו ספרתי, ביישומי אינפרה אדום ספרתיים ובעיבוד אותות ונתונים אחרים. אפשר “לשריין” חלק מהמוצרים על ידי שילוב ערכות אביזרים מתכתיים שמספקים הגנה פיסית נוספת לרכיבי המחבר. איור 2 מציג את המהירות היחסית לעומת עמידותם של מחברים שונים המיועדים למהירות גבוהה, תוצרת חברת Tyco Electronics.
עם זאת, בהתייחס לדרישות תנאי הסביבה הגבוהות של יישומי אוויר-חלל ויישומים צבאיים, המחברים המסחריים הופכים לא פעם למגבלה.
לתיכון של מוצרי משובצי מחשב, המיועדים ליישומים צבאיים הפועלים בתנאי סביבה קשים, כגון קרבות אוויר, ירי תותחים וכו, יש צורך בפתרונות שמתוכננים מלכתחילה לצורך כך אם מעוניינים להעניק להם שנים רבות של פעולה אמינה בתנאי סביבה קיצוניים של טמפרטורה, הלמים, רעידות ואווירה קורוזיבית, וכאשר חיי אדם תלויים באמינותן של המערכות.

איור 3: מגע Mini-Box מציע אמינות וביצועים מוכחים ליישומים במהירויות גבוהות

איור 4: שימוש באותות הפרשיים במחברים למהירויות גבוהות על מנת לשפר את שלמות האותות

הגדרת הדרישות לדור הבא של מחברי לוח האם במערכות צבאיות
חברת Tyco Electronics המיוצגת על ידי חברת Ray-Q בישראל, תיכננה וייצרה מערכת חיבורים מוקשחת חדשה התומכת במהירויות גבוהות ועומדת ברמות הגבוהות של הלמים ורעידות, הקיימים ביישומים צבאיים. המטרה הייתה להשיג מערכת שמשלבת את התכונות הנוגדות לכאורה של העברה מהירה של נתונים עם קשיחות יוצאת דופן.
חזונם של אנשי צוות ההנדסה והפיתוח של חברת Tyco Electronics היה להכניס שיפורים בתכנון והקשחת המחברים הקיימים כיום בהם היכולת החשמלית מוכחת. את המחבר המשופר הזה אפשר להציב במארז של מעטפת מתכתית, במטרה להציע דרגה גבוהה עוד יותר של קשיחות בממשק החיבור ובמעטפת החיצונית של המחבר ומענה טוב יותר להפרעות אלקטרומגנטיות. המחבר החדש שנוצר (שנקרא מערכת Fortis Zd) מספק פיתרון עבור הדור הבא של מערכות אלקטרוניות בסביבות מוקשחות. הוא מאפשר ציוד טוב יותר, תקשורת משופרת, מודעות גבוהה למצב ועליונות טכנולוגית מבחינה לוגיסטית והדרכתית.

איור 5: מחבר Fortis Zd המתבסס על טכנולוגיה מוכחת בשימוש בתעשייה: מגעי Mini-Box לפי תקן MIL-DTL 55302 והמחבר מהשורה הראשונה למהירות גבוהה (Z-PACK TinMan)

איור 6: הביצועים החשמליים של מחבר Fortis Zd מראים ביצועים חשמליים שמשתווים לאלו של מחברים מסחריים למהירויות גבוהות.

קולו של הלקוח
תכנון זה החל בתשאול גופים מובילים בתעשייה לגבי הצרכים המיוחדים הנדרשים עבור חיבורים לתקשורת במהירות גבוהה במערכות מכ”ם ימיות, במערכות תעופה צבאיות, במערכות אלקטרוניות, במחשוב משובץ, בציוד לחימה ובמערכות חלל-אוויר. על ידי בחירה בחברות מהשורה הראשונה בתחום זה, ביקורים ותשאולים אלו שנערכו למען קבלת “קולו של הלקוח” סייעו להבטיח שיתקיים איסוף מלא ומדויק של כל דרישות הלקוחות. מערכת מקיפה של כל כלי התכנון שימשה כדי לאמת את דרישות התכנון ולקבוע את סדרי העדיפות שלהן. בין הנושאים העיקריים של דרישות התכנון אפשר למצוא:
קצבי נתונים מהירים יותר
מחברים וממשקי מגעים עמידים יותר
מערכות מגעים מסורתיות שהוכחו בתעשייה בתחום המסחרי
תכנוני מגעי ממשק אמינים “ארבע נקודות”
מחברים בגדלים קטנים שמיועדים להקטין למינימום את שטח המגע במעגל המודפס.
תכנונים מודולריים ניתנים לשדרוג ולהתאמה באופן אישי
מחברים שניתנים לתיקון
מגעים מוגנים, במיוחד בצד לוח האם
בעקבות הסקר והדגש החזק על הצורך בהתבססות על תכנוני מגעים מוכחים, נבחרו המגעים של Mini-Box על פי תקן MIL-DTL-55302 (עיין באיור 3) כמערכות המגעים האמינים והמוכחים בתעשייה ביישומים מוקשחים.
לאחר סקירת היכולות של המחברים הקיימים, נבחרה מערכת המחבר הפופולארית Z-PACK TinMan אשר תומכת בקצבי נתונים המגיעים ליותר מ-12GB בשנייה, שהוכיחה את עצמה מבחינה פונקציונאלית.
האתגר היה לשלב בין השתיים, המגע והמחבר שנבחרו.התכנון של מגעי Mini-Box מציע בממשק החיבור ארבע נקודות מגע לפחות, דבר המבטיח רצף מגע בכל מצב הרצוי לצורך יתירות (redundancy) ואמינות. בהתייחס למחברים מסחריים במהירות גבוהה, תוספת המתכת על מנת להשיג את הקשיחות הרצויה הייתה יכולה להשפיע על העכבה ההפרשית של המחבר, ולכך נדרש ניתוח קפדני להשגת שלמות האותות. בדומה למחברים רבים למהירות גבוהה, יעד העכבה ההפרשית עבור מחבר Fortis Zd הוא 100±10% אוהם.

ניתוח שלמות האותות
לתכנונים מורכבים של מחברים למהירויות גבוהות, כמו זה הנדון, יכולים להידרש עד כ-100 חזרות (איטרציות) של תכנון, או יותר, במהלך תהליך הפיתוח. איור 4 מציג קונפיגורציה בסיסית של זוגות הפרשיים ופיני הארקה. כל זוג הפרשי בעמודה מופרד על ידי מגע ההארקה. עמודות מגעים מוסטות האחת ביחס לשנייה לסירוגין, למען השגת ביצועים אופטימליים.
ניתוח שלמות האותות מספק הדרכה לתבניות המרווח והקוטר של המגעים. בנוסף, אופטימיזציה, סימולציה וכיוון עדין של התכנון מראים שתכנון Mini-Box מציע שיפורים משמעותיים במהירויות תקשורת הנתונים. מגע Mini-Box מציע יתרונות רבים, בהם אפשר למנות:
פשטות בתכנון
נקודות מגע בכל ארבעת הצדדים של פין החיבור
יתרון משמעותי של עלות/תועלת ביחס למגעים אחרים שנבדקו
מהירות גבוהה בזוגות הפרשיים
אופטימיזציה של כמות וצפיפות המגעים לשטח המחבר
כתוצאה מניתוחים אלו, תוכנן המחבר החדש בהתבסס על מסגרת המוליכים של Z-PACK TinMan ועל מגעי mini-Box. (ראה איור 5).
על מנת לתת מענה לבעיה הנפוצה בתעשייה, הכרוכה בעבודה בתנאי רעידות, נקבעה בדיקה שמחוללת תנועה של זוג מחברי Mini-Box. המחברים הותקנו על מתקן בדיקה שביצע הדמיה של תנועת לוח האם והכרטיס בתנאים של רעידות והונע למרחק של 0.25 מ”מ, במשך 100,000 מחזורים. הבדיקה הראתה שהתנגדות המגע הנמוכה הייתה יציבה והערכת SEM הוכיחה ביצועים מכניים מצוינים.
מחברי Fortis Zd מציגים שלמות אותות מצוינת עם שינויים מזעריים בעכבה, שנשמרים היטב בגבולות יעדי התכנון. איור 6 מציג את התוצאות של הדמיית HFSS.
לעומת הדמיה, שבה נלקח בחשבון המחבר לעצמו, הביצועים החשמליים בעולם האמיתי תלויים בתנאים הממשיים של היישום. המתאר הפיסי של הנחת הרכיבים בלוח האם ובכרטיסים ושיפור האותות יכולים להשפיע על הביצועים. למרות כל זאת, התוצאות מראות שמערכת המחבר עומדת בדרישות הבסיסיות ואף עולה עליהן.

איור 8. את המחבר Fortis Zd אפשר לקבל בשלוש אפשרויות של מעטפת - מעטפת פלסטיק, מעטפת מתכת ומעטפת מתכת בעיבוד שבבי - ואפשר לעמוד במגוון של צורכי הגנה אלקטרו-מכנית. לכל האפשרויות יש תאימות לאחור והן ניתנות לחיבור בינן לבין עצמן.

הביצועים המכניים
ביחס ליישום המיועד, המחבר Fortis Zd עומד במפרטים מכניים להלמים ולרעידות שהם קפדניים יותר בהרבה מאשר אלו של מתחרים ברמת רכיבים מסחריים מהמדף (COTS). באיור 7 מופיעה השוואה בין ביצועי Fortis Zd לביצועים של מחבר לוח אם מסחרי טיפוסי.
מסקנות
פלטפורמת Fortis Zd מציגה שילוב אופטימלי של קשיחות, ביצועים, צפיפות פונקציונאלית ועלות
פלטפורמת המוצר הבסיסית היא מחבר של 3 זוגות, ב–10 עמודות, אשר מציע 30 זוגות מגעים הפרשיים בכל מודול. אפשרויות הרחבת המוצר כוללות מחברים של 20 עמודות לקבלת כמות מגעים גדולה יותר, ומחברי שני זוגות עבור לקוחות שדורשים מחבר קטן יותר לקבלת מרווחים הדוקים יותר בין הכרטיסים.
שלוש רמות של מעטפות למחברים עומדות ברמות משתנות של ביצועים מכניים וביצועי סיכוך (איור 8).
מעטפת שעשויה כולה מפלסטיק דומה למחבר Z–PACK TinMan מספקת התקן הכוונה למחבר והגנת פינים, דומים למוצרי לוח אם מסחריים.
מעטפת מתכת אטומה, שאפשר להתאימה למעטפת העשויה הפלסטיק, על מנת לקבל הגנה מכנית משופרת וסיכוך נגד הפרעות EMI.
מעטפת אלומיניום 6010 מתכתית מעובדת לקבלת הגנה וקשיחות עליונות של המחבר.
כל שלוש האפשרויות בעלות תאימות מלאה לאחור, ניתנות לחיבור בינן לבין עצמן ומאפשרות לשדרג את המערכת ולהתאימה באופן אישי. מאחר שמערכת המחבר Fortis Zd מבוססת על הארכיטקטורה הקיימת של מחבר Z–PACK, היא יכולה לשמש עם האביזרים המוליכים ואביזרי הפיתוח הקיימים, וכן גם עם מודולי הספק, תקשורת רדיו (RF) וסיבים אופטיים.
יצירת מארז מחדש של מוצרים קיימים ופיתוח מוצרים חדשים כדוגמת Fortis Zd שמתוכננים משלב ההתחלה כדי לעמוד ביישומים צבאיים לסביבות קשות, מספקת חברת Tyco Electronics ללקוחותיה מוצרים בעלי יכולת פעולה אמינה במשך שנים, בתנאי פעולה קיצוניים של טמפרטורה, הלמים, רעידות, ובאווירה קורוזיבית, ומאפשרת שימוש בטכנולוגיות שיספקו ללקוחות לכוחות הצבא עליונות ויכולות חסרות תקדים
מאמר זה מתורגם מ:
Enabling High-Speed Data Rates in Connectors for Aerospace and Defense Applications