一文搞懂HSD与FAKRA的性能和测试要求

1 前言

本文写了音视频传输连接器FAKRA和HSD的技术要求、试验方法，编写的初衷是方便主机厂对HSD和FAKRA产品的应用、选型、还有性能验证提供一些参考意见。关于连接器的普通电性能、机械性能还有耐久性能大家都很熟悉了，各个公司也有成熟的标准，但是对于这类连接器的数据传输性能，我认为，做线束的工程师对这块还是存在很多迷惑的，所以我重点对着部分做了一些研究。当然，这两类插件的应用也不仅仅局限于此，文中的参数也是仁者见仁智者见智，这也只是小编的一些经验之谈。

2 术语和定义

为了防止有人看不明白文中涉及的术语和定义，我这里先解释一下：

FAKRA连接器 FachkreisAutomobil Connector

FAKRA是一种射频信号连接器(以下简称FAKRA)。

HSD连接器 HighSpeed Data Connector

HSD是一种高速数据连接器，支持USB2.0、LVDS、IEEE1394、ETHERNET协议的传输（以下简称HSD）。 

FAKRA、HSD连接器结构

FAKRA、HSD连接器由护套、内导体、外导体、压接环组成（见图1）。

图1  结构示意图

FAKRA、HSD连接器的内导体、外导体、压接环压接后组成导体组件（见图2）。

   图2  导体组件示意图

特性阻抗Impedance

由于在整个传输线上阻抗维持恒定不变，特性阻抗就是表达传输线的这种特性的名称。

插入损耗Insertion Loss

插入损耗是指发射端与接收端之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝（dB）来表示。

反射损耗 ReturnLoss

是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，一般是inline处的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方。

3  技术要求

音视频传输连接器的性能一般来说，有下表中这些技术参数需要关注：。

表1 技术要求

表1（续）

表1（续）

温度等级分类：

表4 温度等级分类（T）

FAKRA插损要求：

FAKRA适配同轴电缆的插损

整个FAKRA回路的插损要求为：电缆插损（查表）*长度+inline插损*inline数

HSD插损要求：

整个HSD回路的插损要求为：电缆插损（查表）*长度+inline插损*inline数

4  试验方法

试验准备

试验前提

在所有试验开始前，都应将样品在室温（23±5）℃,相对湿度45%-75%下存放24h，除非另有规定。

试验条件

a) 应使用没有使用过的样品且样品的尺寸必须符合试验的要求；

b) 试验过程中，线束所选用的电线规格应记录在试验报告中；

c) 各项试验及各试验样品不能相互影响。例如在高温箱里试验样品相互间要保持一定距离，不能相互接触及堆放；

d）在整个试验过程中，不允许为达到较好的试验结果，而在端子表面上涂抹润滑油或其他附加物。但允许生产过程中遗留的润滑剂的存在。

e）HSD测试需要制作专用高频PCB测试版，制作原则：支持差分阻抗100欧姆，四条通路长度相同。

试验要求

试验要求见下表

表2 试验要求

表2 续

5 试验方法

5.1  试验方法

5.2.1     外观检查

正常视线强度、颜色下，保持正常的视距及适当光照。检查端子，护套及连接器的变形，破损或类似外观性能。

5.2.2 尺寸检查

选用合格的仪器，量具，按照产品图纸对产品进行检查。

5.2.3 导体组件的电线附着力

将导线与导体组件压接好后，在距压合部位50～100mm处，以50mm/min的速率，沿轴向拉该电线，量测该电线被拉断或脱离压合部位时的力。

5.2.4 导体组件对护套插入力

将护套固定，在沿轴方向上以50mm/min的速率将导体组件插入护套中，导体组件必须被正确锁定，测量插入过程中的力。测试过程中电线不能弯曲。对于防水件，应配合对应防水栓测量。

5.2.5  导体组件对护套保持力

将一个与导线压接好的导体组件，正确插入护套内，在距离压合点50～100mm处，以50mm/min的速率，沿轴向拉该电线，量测端子从护套拔出时的力，应分别记录导体组件二次锁机构已发生作用的力。

5.2.6 导体组件插入/拔出力

将导体组件的一端固定，在轴向上以50mm/min的速度插入及拔出配套导体组件，测量过程中所须的力。

5.2.7 解锁力

如图3示，根据连接器锁合结构，在最容易锁合解锁处施加力，测量使A值等于0时所需力。

图3 解锁力测试示意图

5.2.8 连接器插入/拔出力

插入力：取一对组装好的FAKRA/HSD连接器，将一端固定，在锁扣发生作用情况下，将另一端以50mm/min速率插入固定端，测量结合过程中的负载。

拔出力：取一对组装好的FAKRA/HSD连接器，对插后将一端固定，在锁扣均不发生作用的情况下，将另一端以50mm/min速率拔出固定端，测量拔出过程中的负载。

5.2.9     连接器保持力

取一对一对组装好的FAKRA/HSD连接器，对插后将一端固定，在锁扣发生作用情况下，将另一端以50mm/min速度拔出固定端，测量拔出时所需要的负载。

如图4示，根据连接器的锁合构造，在轴方向及相对各面倾斜45°的5个方向中，选择最容易使解锁装置解除的方向进行测量。

图4 保持力测试示意图

5.2.10   连接器侧向负荷力

取一对组装好的FAKRA/HSD连接器（其中一端与板端焊接，另一端连接线端），对插后在锁扣发生作用情况下，用缓慢的拉力拉动线端，直到拉力达到75N。拉动的方向按如下：

拉动方向：C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8；要求测试结束后无视觉上的损坏。

5.2.11   塑壳防误操作对配力

采用齿形不对配的塑壳进行测试。固定一端塑壳，另一端塑壳采用夹具（并接入力测试设备），在轴向方向对插，当达到误操作对配力时，整个塑壳没有任何损坏。

5.2.12   密封性

此项试验仅适用于防水型FAKRA、HSD。

如图7示，在一对插接好的防水型FAKRA或HSD护套上开一小孔或护套任一孔位插入导管注入压缩空气。试验前，护套除导管外的部位应做密封措施。将连接器沉浸在水面100mm以下，以每次导入9.8 kPa的压缩空气并保持30s，观察有无气泡产生。当发生气泡时即中止试验并记录此时压强值。

图5 密封性试验

5.2.13   接触电阻

将内导体端子正常连接，测量参考点之间的电阻，当无法直接从参考点处测量电阻时，实际测量点尽量选择靠近参考点的位置，如图6所示。实际测量点与参考点之间的电阻应被减掉。按照下列两种方法试验：

a)   低电流低电压下测定。为了避免破坏端子的绝缘皮膜，在导通回路时，测定电压需要使用峰值不超过20mV的直流或交流电压，通电电流10mA状态下进行测定；

b)   文章电流下测定。在不超过14V的直流电压条件下，给回路通上表3规定的最大电流。达到热平衡后进行测定。如果所测电线需在测量点焊接，焊接不能影响插接。

图6  接触电阻测试

5.2.14 压接金相分析

取一个仅压接端子的Fakra/HSD，在端子压接的部分截断，并用研磨机把断面研磨平整清晰，之后使用金相分析仪对压接的个参数进行测量分析。

5.2.15 X光无损探伤

取一个内嵌端子的Fakra/HSD，放入X光机中用夹具固定，关好仓门进行射线检测，在检测过程中通过X光检测室外部的控制台不断调整样品的角度和位置，来完整观察压接部分的压接情况。为了保证安全，X光检测设备须由专业操作人员操作。

5.2.16 绝缘电阻

取一个内嵌端子的Fakra/HSD，通过绝缘电阻仪分别在相邻端子间、端子和护套表面施加500V的直流电压15S,测量绝缘电阻值。为了保障安全，应将连接器可靠接地。

5.2.17 耐高压电

取一个内嵌端子的Fakra/HSD,分别在相邻端子间、端子和护套表面施加800V的交流电压（Fakra）或500V的交流电压(HSD)加载60s。为了保障安全，应将连接器可靠接地。要求没有闪络发生。

5.2.18 特性阻抗

采用矢网分析仪/时域反射计进行测试，调入矢网分析仪中的特性阻抗测量程序，线接入校准模块进行校准，然后取下校准模块，将被侧样品连接到矢网分析仪上（HSD产品的连接需要用专用转接头）。

5.2.19 插入损耗

采用矢网分析仪进行测试，调入矢网分析仪中的插入损耗测量程序，先接入校准模块进行校准，然后取下校准模块，将被测样品连接到矢网分析仪上（HSD产品的连接需要专用转接头），待屏幕上的信号曲线稳定后保存并导出数据。

5.2.20 返回损耗

测量方法同5.2.17。

5.2.21 屏蔽效能

本测试需要使用三同轴法进行测试。将被测样品接入到三同轴设备中，并连接到矢网分析仪中，调入屏蔽效能测试程序，开始测量，待屏幕数据稳定后，保存并导出数据。

5.2.22 组间时滞

本测试仅限于对HSD产品进行测量。采用4接口矢网分析仪，将待测产品按如下接法接入系统中，在矢网分析仪上调入测量组内时滞的程序进行测量。

5.2.23 近端串扰

将测试样品链接到矢网分析中进行测量，调出近端串扰程序，待屏幕数据稳定后，保存并到处数据。

5.2.24 远端串扰

将测试样品链接到矢网分析中进行测量，调出远端串扰程序，待屏幕数据稳定后，保存并到处数据。

5.2.25 眼图

PRBS发生器，要求 TR（100pcs，120ps），f（bit)=800Mbit/s ,序列：2的7次方-1，振幅（+/-500mV）高速示波器。

将被测样品一端连接到PRBS发生器上，另一端接入到示波器，读取眼图图形。在图形上的中间的交叉曲线上，选取振幅为100 mV的一段，读取该段对应的T（Jitter）值。

5.2.26 重复插入和拔出

在常温下，将一对连接器的一端固定，沿轴方向将另一端对固定端进行对插及拔出试验，循环10次。

5.2.27 结合温度振动

将测试样件插满端子嵌合好后等分成2组（电线预留300mm长），第一组样品电线端部相互焊接，形成单一连续的电流路径，导通100mA电流进行瞬断监测。其中护套≤10孔的，对所有的端子进行一次监测，护套＞10孔的，对平均分布在护套上的10个端子进行分批监测。第二组样品不监测瞬断。安装方法1和3适用于线-线连接器，安装方法2和4适用于设备连接器。

根据整车上的实际安装情况，按图11选择试验方法（实际安装情况不明时，优先选择方法3和4）

图中：A——试验台；B——测试件；C——固定装置

图11 安装方式

按照下列要求完成振动试验（振动等级参照表5，对于V2的产品先进行正弦振动，再进行随机振动，对于V1和V3的产品只做随机振动）：

a） 等级V1——安装在车身或底盘。采用总均方根加速度20.9m/s2，按照GB/T 2423.56-2006文章完成随机振动试验，试验参数如图12和表11所示，每轴（X/Y/Z）的试验时间24h。

图中：横坐标——功率谱密度；纵坐标——频率

图12  随机振动

表11  随机振动

b） 等级2——安装在发动机：

1)  正弦振动试验。采用扫描速率≤1oct/min，按照GB/T 2423.10完成正弦振动试验，试验参数如图13和表12所示，每轴（X/Y/Z）的试验时间为24h；

2)  随机振动试验。采用总均方根加速度181m/s²，按照GB/T 2423.56-2006完成随机振动试验，试验参数如图14和表13所示，每轴（X/Y/Z）的试验时间为24h。

图中：横坐标——功率谱密度；纵坐标——频率

图13 正弦振动

表12 正弦振动

图中：横坐标——功率谱密度；纵坐标——频率

图14 随机振动

表13 随机振动

c） 等级3——安装在车轮。采用总均方根加速度107.3m/s2，按照GB/T2423.56-2006完成随机振动试验，试验参数如图15和表14所示，每轴（X/Y/Z）的试验时间为8h。

图中：横坐标——功率谱密度；纵坐标——频率

图15  随机振动

表14  随机振动

在试验过程中，按照图16和表15完成温度循环试验。

图中：横坐标——时间；纵坐标——温度

1—等级1；2—等级2；3—等级3；4—等级4

图16 温度循环图

表15 温度循环表

5.2.28 机械冲击

取一对内嵌满端子的连接器对插，电线选用端子适配的最大线径。将所有孔位串联，并将其安装在冲击试验台上。以半正弦冲击波，在上、下、左、右、前、后6个方向施加100g的加速度，每个方向进行3次，脉宽间隔10ms。

如图17示，试验过程中检查有无瞬断情况及连接器阻抗变动情况。

图17  试验过程中的阻抗

5.2.29 落下试验

取一个内嵌端子的Fakra/HSD，电线选用端子适配的最大线径。将其放入-5℃的低温槽中存放0.5h后取出，将连接器从1000mm的高度垂直下落到混凝土或钢板上，每个面进行3次，如图18所示。

图18 落下试验

5.2.30 耐热性

取一个内嵌端子的Fakra/HSD，电线选用端子适配的最大线径。按表4规定的工作温度做为试验温度在高温箱中试验120h。试验完后将连接器取出调整至室温。

5.2.31 耐寒性

取一对内嵌满端子的连接器对插，电线选用端子适配的最大线径。将连接器在温度为-40℃的恒温箱中放置120h。试验完立刻做重复插入及拔出动作5次，在将其回复至常温。

5.2.32 冷热冲击

冲击实验应在表4中（工作温度）适用于连接器的最高和最低环境温度值间进行。

配合好的样品将经过100次的热冲击循环，每次热冲击循环包括以下步骤：

a)  (-40±2)℃时30 min；

b)  10s最大过渡时间；

c)  表4中列出的试验样品对应的最高环境温度时30min；

d)  10s最大过渡时间。

5.2.33 温湿度循环

5.2.33.1 进行温湿度循环试验时，电线应是可压接范围内的最小和最大尺寸值。

5.2.33.2 按下列顺序进行10个周期试验，每周期为24h：

a)  保持室温t(23±5)℃，相对湿度（70～75）%时4h；

b)  相对湿度(95～99)％时，把t在0.5h内升高到(55±2)℃；

c)  保持b结果10h；

d)  在2.5h内把t降到(-40±2)℃，保持2h；

e)  在1.5h内，把t从(-40±2)℃升到分级试验温度，保持2h；

f)  允许在1.5h内恢复到室温(23±5)℃。

5.2.33.3 一个试验周期结束后试验暂停2h。在暂停期间，试验样品将在a)中所述条件进行保存。

5.2.33.4 如果试验室达到分级试验温度需要多于1.5h的时间，可延长e)过程，a)过程可适当缩短。

5.2.33.5 按图19所示的试验循环。

5.2.33.6 分级试验温度见表4环境温度。

5.2.34   防水性能

（1）适用于S2等级的产品

取一对内嵌满端子的连接器对插，电线选用端子适配的最大和最小尺寸线径。参照温度试验表4环境温度，将样品加热至最高温度并存放30min后，立即将试验样品侵入23℃的5%NaCl溶液中。溶液中加入燃料便于观察是否有液体进入试验样品。放入水下100mm位置浸泡1.0h后，如图20所示，在每一个端子和电极之间或同一试验样品中的两个相邻端子间输入14V的电压，测量泄漏电流值。

图中：1.2.3——测试点；4——电极；5——试样

图20  耐水性试验

（2）适用于IPX9K（S3等级的产品）

将试验样品安装在测量区的支持物上，并每分钟旋转(5±1)圈，并按图21位置要求，高压水在4个位置各喷射30s。喷嘴孔和样品上参考点的距离应为(125±25)mm。

使用喷射的水应具备以下条件：

a)   (80±5)℃的温度；

b)   14 L/min～16 L/min之间的流量；

c)   8,000 Kpa～10,000 Kpa的压强。

图21  试样放置

5.2.35   耐盐雾性能

试验前将样品存放在（80±3）℃的试验箱中，并保持60min,对于产品S2和S3等级的产品进行4周的循环试验，对于S1等级的产品需进行1周的循环试验，产品等级参照表3防水等级分类。

a)   按照GB/T 2423.17 将样品存放在盐雾试验箱中24h；

b)   在（40±3）℃的试验箱中保持6h；

c)   按照GB/T 2423.17将样品存放在盐雾试验箱中18h；

d)   在（40±3）℃的试验箱中保持6h；

e)   按照GB/T 2423.17将样品存放在盐雾试验箱中18h；

f)   在（40±3）℃的试验箱中保持6h；

g)   按照GB/T 2423.17将样品存放在盐雾试验箱中24h；

h)  在（40±3）℃的试验箱中保持66h；

5.2.36   抗化学液性能

对于有可能暴露于表16所列液体环境的连接器，应根据连接器的应用范围选择试液和试验。按表16中的试液温度和浸泡时间，每一种试验液体只能针对一个样品。

化学液体试验后，允许将实验样品用无活动性液体冲洗并将样品外部晾干。

表16  抗化学试液