王曉東

摘 要：高速傳輸信號連接器關(guān)乎到整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中信號傳輸?shù)恼w質(zhì)量，是電子設(shè)備不可或缺的關(guān)鍵部件。它起到了開關(guān)高頻信號傳輸信號的作用，在業(yè)界被廣泛應(yīng)用。但是就目前來看，我國對于連接器的信號高速傳輸性能測試還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對于連接器的設(shè)計(jì)也存在技術(shù)方面的不足，難以有效的反映高速傳輸連接器的真實(shí)性能。所以為了滿足電子設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的高科技要求和使用可靠性，該文將簡要的談一談高速傳輸信號連接器的設(shè)計(jì)方法并對其性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高速傳輸信號連接器 特性阻抗 信號完整性 測試方法

中圖分類號：TM503 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0023-01

目前，傳統(tǒng)連接器已經(jīng)退出歷史舞臺，取而代之的是能夠解決高頻信號在高速線路傳輸過程中發(fā)生信號衰減、串?dāng)_、阻抗匹配等問題的新一代連接器——高速傳輸信號連接器。它無論從外形還是數(shù)據(jù)傳輸性能方面都幾乎完美勝任于現(xiàn)代社會的發(fā)展。

1 連接器

在電子設(shè)備中連接器主要的作用是承上啟下，即將器件、組件、系統(tǒng)之間的電氣和信號進(jìn)行連接和傳遞，簡單說就是把兩個完全斷開的電路聯(lián)系起來，從而使它們導(dǎo)通，完成信號的傳輸。在濾波、高溫環(huán)境、高速傳遞、射頻信號傳輸?shù)阮I(lǐng)域，都可以采用電連接器。目前我國較為常用的是高速差分連接器，它在傳輸信號方面損耗小、質(zhì)量穩(wěn)定且傳輸速度快。

2 高速傳輸信號連接器各參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 特性抗阻的設(shè)計(jì)

特性抗阻是連接器的固有屬性，它描述了電子信號在均勻的傳輸線路中傳輸時受到抗阻而發(fā)生的動態(tài)變化。它的數(shù)值等同于瞬態(tài)抗阻，數(shù)值的大小受影響于材料的介電常數(shù)、單位電容量和其他材料屬性，但與傳輸線長度無關(guān)。對于連接器來說，如果特性抗阻不能合理設(shè)計(jì)，就會造成信道傳輸?shù)目棺璨黄ヅ洮F(xiàn)象，導(dǎo)致信號反射的發(fā)生并最終降低信道的高速傳輸能力。

為了避免抗阻不匹配，該文采用了屏蔽四絞線且差分阻抗值為100Ω的LVDS電纜。LVDS是一種低擺幅差分信號技術(shù)，它能使信號在差分PCB線在平衡電纜上以每秒上百兆比特的速率進(jìn)行傳輸，是低壓供電線纜信號傳輸?shù)奈磥戆l(fā)展趨勢。高速差分連接器的四分同軸接觸件的差分阻抗與它的內(nèi)導(dǎo)體外徑d，外導(dǎo)體內(nèi)徑D，內(nèi)導(dǎo)體中心距L和相關(guān)的填充介質(zhì)相對介電常數(shù)ε都有關(guān)聯(lián)。所以連接器的特性阻抗值的近似理論公式應(yīng)為：

Zdiff=120/εr*ln（4D/1.2πd）*（1-0.347e-2.9（L-d）d/D）

考慮到連接器的生產(chǎn)化問題，其內(nèi)導(dǎo)體的尺寸應(yīng)該符合國家標(biāo)準(zhǔn)。如果四個導(dǎo)體均以外導(dǎo)體作為對稱中心，那么它們的位置關(guān)系應(yīng)該是一個正方形分布。該文中所設(shè)計(jì)的內(nèi)導(dǎo)體尺寸為邊長2mm，L為2.7mm，εr為2.01，D為4.55mm，d為1.22mm。將相關(guān)參數(shù)帶入到上文公式可以得到四分同軸接觸件的差分抗阻為Zdiff=101.1Ω。

2.2 四分同軸接觸件的串?dāng)_干擾分析及具體設(shè)計(jì)

高速差分連接器的差分串?dāng)_來自于干擾線，當(dāng)干擾線在構(gòu)成差分對的兩條靜態(tài)線時，因?yàn)轳詈闲?yīng)會產(chǎn)生電壓值的差，即形成了差分串?dāng)_。四分同軸接觸件進(jìn)行高速信號的傳輸時，四個內(nèi)導(dǎo)體的交叉會形成兩對差分對，如果#1和#3，#2和#4分別構(gòu)成動態(tài)差分配對和靜態(tài)差分配對，那么對它們單根靜態(tài)線和構(gòu)成差分配對的兩條靜態(tài)線角度之間的串?dāng)_就可以進(jìn)行計(jì)算。四分同軸接觸件中由于四個導(dǎo)體是正方形的排列，所以#1和#3的內(nèi)導(dǎo)體距離#2靜態(tài)線的距離都是2mm。從靜態(tài)線的電壓感應(yīng)理論來看，它們應(yīng)該是幅度相同但極性相反的組合，但是這些差分串?dāng)_是可以互相抵消的。因?yàn)?2和#4內(nèi)導(dǎo)體是靜態(tài)線，它們共同構(gòu)成一路差分傳輸對。所以#2和#4的內(nèi)導(dǎo)體傳輸數(shù)字信號邏輯值應(yīng)該是根據(jù)它們之間的電壓差而得來的?？紤]到#2和#4內(nèi)導(dǎo)體距離動態(tài)線相同，所以#1和#3動態(tài)線在串?dāng)_現(xiàn)象發(fā)生時，它們的串?dāng)_電壓在幅度和極性上也是相同的。如此一來，接收端在接收到信號后，電壓差不會發(fā)生變化更不會發(fā)生邏輯判斷錯誤。在實(shí)際零件的生產(chǎn)時，由于尺寸位置上的偏差就會導(dǎo)致各內(nèi)導(dǎo)體在靜態(tài)線上的串?dāng)_電壓不能完全相互抵消，所以在差分對間的差分串?dāng)_是依然存在的，但是量值很小。

為了控制甚至避免這些串?dāng)_，應(yīng)該在四分同軸的接觸件制造時，考慮采用高精密的成型工藝，這是為了保證四分同軸接觸件的各部分零件尺寸和位置能夠嚴(yán)格按照要求確保位置精度，也就是四個內(nèi)導(dǎo)體之間的位置精度要達(dá)到0.06mm范圍以內(nèi)。當(dāng)位置精度在0.06mm以內(nèi)，四分軸的接觸件就可以保證在10GHz的狀態(tài)下其串?dāng)_可以控制在≤-45dB。

3 連接器四分軸內(nèi)的性能效果分析及計(jì)算

3.1 無縫隙的屏蔽效果

連接器中四分軸的金屬波阻抗比空氣波阻抗要小，這就說明了四分軸金屬內(nèi)的電磁波能力傳輸主要方式最好以磁場形式傳播，才能避免高阻抗。當(dāng)然電磁波在通過金屬時也會被迅速衰減。所以就要計(jì)算導(dǎo)體內(nèi)的電流密度衰減到表面電流密度時電磁波所透入的深度，即集膚深度：。公式中，μr表示屏蔽材料的相對磁導(dǎo)率，f是信號的工作頻率，是屏蔽材料的相對電導(dǎo)率。通過公式我們可以得知，如果能夠確定屏蔽材料的情況下，μr和也是確定的。所以頻率f越小，它的集膚深度就越大，相應(yīng)的屏蔽體的厚度就越大。所以近區(qū)場的無縫隙屏蔽效果公式為：

公式中AT為屏蔽效果，t是屏蔽的金屬層厚度。因?yàn)樗姆州S的接觸件外導(dǎo)體材料均為銅質(zhì)材料，當(dāng)μ取1.0，f為108Hz，t是0.5mm，是1的時候，代入以上公式可得出AT為923.3dB。這就是相鄰四分同軸接觸件之間的無縫隙相互屏蔽效果。

3.2 縫隙處的屏蔽效果

如果兩個四分同軸接觸件之間有縫隙，那么這個縫隙就是四分同軸接觸件的插孔外導(dǎo)體所造成的，它的尺寸不大，它的屏蔽效果應(yīng)為：

公式中，Hg是泄漏磁場的強(qiáng)度，H0是縫隙處被屏蔽的磁場強(qiáng)度，g是四分同軸外導(dǎo)體開口處的縫隙寬度。根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)帶入數(shù)值，t為0.06mm，g為0.02m，e為2.71，可以得到A孔的數(shù)值是81.66dB，所以相鄰兩個四分同軸接觸件之間的縫隙處屏蔽效果是81.66dB。

根據(jù)設(shè)計(jì)后的性能分析，本文中的連接器四分同軸接觸件之間已經(jīng)達(dá)到了高屏蔽能力，在80dB以上?？紤]到差分信號能量微弱，四分同軸接觸件之間的總電磁干擾也不會很強(qiáng)，所以完全可以忽略。

4 結(jié)論

該文對高速差分連接器中四分同軸接觸件的主要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和性能分析，其計(jì)算結(jié)果表明了連接器的差分阻抗性能優(yōu)良，而且具有極強(qiáng)的抗串?dāng)_性和屏蔽效果，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對信號高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

參考文獻(xiàn)

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