許彬彬，李長江，吉進(jìn)農(nóng)，李玉龍，胥進(jìn)道

(深圳市通茂電子有限公司，廣東深圳，518109)

1 引言

隨著貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈，為了避免被卡脖子，各行各業(yè)都開始探索國產(chǎn)化替代方案。尤其對于軍用領(lǐng)域，國家更是下大力氣推行國產(chǎn)化，要求整機(jī)設(shè)備的硬件國產(chǎn)化率達(dá)到100%，并且強(qiáng)制執(zhí)行，對于一些重點(diǎn)項(xiàng)目，還要求操作系統(tǒng)國產(chǎn)化。立足國內(nèi)，自主可控已成為設(shè)備廠家未來發(fā)展的主要趨勢，他們對下游配套供方也提出了同樣的要求，我們連接器生產(chǎn)廠家作為設(shè)備廠家的下游配套單位，也能深刻體會(huì)到國家對于國產(chǎn)化的決心有多么強(qiáng)烈，也開始逐漸按國產(chǎn)化的思路和要求開發(fā)產(chǎn)品。

VPX系列高速背板連接器符合VITA46/48的總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種新型的軍用高密度、高速率、模塊化、通用型電連接器，廣泛應(yīng)用于第三代、第四代綜合航電系統(tǒng)，新一代雷達(dá)總線系統(tǒng)，以及陸軍和海軍的軍用信息化、網(wǎng)絡(luò)化高速傳輸系統(tǒng)。

VPX連接器為"無針"連接模式，采用PCB晶片進(jìn)行信號互連和傳輸，可實(shí)現(xiàn)差分信號、單端信號、電源等多種信號的集成化傳輸。

6.25Gbps的VPX連接器的PCB晶片大多采用FR-4基材，但12.5Gbps和20Gbps的PCB晶片基本上都采用美國羅杰斯的RO4350B和日本松下的M6，也就是說雖然連接器是國內(nèi)研制單位生產(chǎn)的，但高速率VPX連接器的PCB晶片的基材仍然是采用進(jìn)口的。為了更好的滿足國產(chǎn)化的要求，我們有必要探討國產(chǎn)基材在VPX連接器中應(yīng)用的可能性。

圖1 VPX連接器

圖2 差分+單端PCB晶片

2 基材介紹

VPX連接器采用PCB晶片作為信號傳輸?shù)妮d體，PCB基材對連接器的傳輸性能起主要作用。國內(nèi)對于高頻基材的研制起步較晚，此類基材大多采用國外的品牌，如美國羅杰斯和日本松下。廣東生益科技伴隨國內(nèi)通訊行業(yè)的發(fā)展一直致力于高頻、高速領(lǐng)域的研發(fā)、和市場推動(dòng)工作，逐步進(jìn)入了高頻、高速市場。具有自主研發(fā)低介電常數(shù)、低損耗的高頻PCB基材的能力，已開發(fā)出性能對標(biāo)美國羅杰斯RO4350和日本松下M6的基材，型號為LNB33，可用于20Gbps傳輸速率的VPX連接器應(yīng)用研究。

表1 LNB33和M6性能對比

根據(jù)高頻、高速材料介損因子(Df)業(yè)界的路標(biāo)圖，LNB33屬于Tier5級別的材料。

3 基材特性對連接器傳輸性能的影響

3.1 有損傳輸線的信號損耗

單位長度損耗由兩部分組成，一部分是由導(dǎo)線串聯(lián)電阻引起的損耗αcond，一部分為介質(zhì)材料并聯(lián)損耗αdiel。介質(zhì)引起的損耗增加的速度要比導(dǎo)線引起的損耗增加的速度更快，當(dāng)頻率很高時(shí)，介質(zhì)損耗處于主導(dǎo)地位，導(dǎo)體損耗處于次要地位。本文研究的VPX連接器的傳輸速率需要達(dá)到20Gbps，基礎(chǔ)頻率為10GHz,介質(zhì)損耗占主導(dǎo)地位，減少介質(zhì)損耗比減少導(dǎo)體損耗對產(chǎn)品傳輸性能的提升更有意義。介質(zhì)損耗的計(jì)算公式如式(1)。

(1)

式中，αdiel——單位長度介質(zhì)損耗；

K——常數(shù)；

f——頻率；

εr——介電常數(shù)，材質(zhì)表中通常用Dk表示；

tanδ——介損因子，材質(zhì)表中通常用Df表示；

C——光速。

由式(1)可知，介質(zhì)損耗不僅隨著信號的頻率增加而增大，而且也隨著介質(zhì)中介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗因子tanδ的增大而增加。介質(zhì)損耗通常會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能，引起基材溫度升高，而基材的溫升又引起更大的信號介質(zhì)損耗，使信號傳輸變差等一系列"惡性循環(huán)"，嚴(yán)重影響信號的傳輸。因此，對于高頻信號和高速數(shù)字信號的傳輸用基板必須選擇低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗因子的基材。LNB33的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子都比M6的小，其介質(zhì)損耗應(yīng)該比較小，采用軟件計(jì)算在10GHz的頻率下，LNB33的介質(zhì)損耗約為0.13dB，M6的約為0.16dB。

3.2 介質(zhì)中的延遲效應(yīng)

信號在空氣中的傳播速度比在介質(zhì)中的傳播速度更快，當(dāng)信號在介質(zhì)中傳輸時(shí)，信號傳輸速度減慢、發(fā)生傳輸時(shí)間延遲現(xiàn)象，形象地理解：人在陸上行走，空氣阻力較小，可以走得更快，而人在水里行走，水的阻力大，走的慢，等長的行程，時(shí)間更長。

如式(2)所示。

(2)

式中，TD——傳輸信號延遲時(shí)間；

L——傳輸線長度；

K——常數(shù)；

εr——介電常數(shù)；

C——光速。

在介質(zhì)中信號傳輸?shù)难舆t時(shí)間TD是隨著介質(zhì)層的介電常數(shù)增大而增加，因此采用低介電常數(shù)的基材可以減少信號的時(shí)延，LNN33的介電常數(shù)明顯比M6的小，在相同長度的傳輸線上，傳輸時(shí)延應(yīng)該會(huì)比M6的小。

3.3 介電常數(shù)穩(wěn)定性對阻抗的影響

按照"傳輸線理論"，在高速傳輸中，阻抗的微小偏移，會(huì)導(dǎo)致傳輸性能的波動(dòng)。所以PCB晶片中微帶線的阻抗必須進(jìn)行控制，必須保證阻抗匹配，如果阻抗失配就會(huì)產(chǎn)生較大反射，影響信號完整性。VPX產(chǎn)品的PCB晶片采用微帶線結(jié)構(gòu)，阻抗計(jì)算見式(3)。

(3)

式中，Zdiff——差分阻抗；

Z0——未耦合時(shí)的單端阻抗，由式(4)求解；

s——信號線的邊緣間距；

h——信號線與地平面的介質(zhì)厚度。

(4)

式中，Z0——單端阻抗；

w——線寬；

εr——介電常數(shù)；

t——信號線厚度。

從式(3)、式(4)中可看出，傳輸信號的阻抗匹配不僅與線路的截面的尺寸有關(guān)，線路長度方向各處截面尺寸不同，則各處的阻抗值就不同，截面尺寸的精度主要與板廠的制程能力相關(guān)；介電常數(shù)的變化也影響著特性阻抗的變化，PCB基材介電常數(shù)的穩(wěn)定性變得十分重要，LNB33的介電常數(shù)從1GHz到10GHz的頻段內(nèi)，從3.33變化到3.30，變化率僅為0.9%，而M6的從3.71變化到3.63，變化率為2.2%，因此，LNB33具有更好的穩(wěn)定性，能夠更好地在帶寬內(nèi)匹配阻抗。采用軟件計(jì)算兩種基材的微帶線的阻抗，LNB33的特性阻抗約為100.32Ω，M6的約為101.52Ω。

圖3 差分線截面結(jié)構(gòu)

3.4 吸水率對傳輸性能的影響

軍用連接器都有耐濕的要求，需要保證在潮濕環(huán)境下也能正常工作，潮濕除了影響產(chǎn)品耐電壓和絕緣電阻等安全性指標(biāo)之外，對于高速傳輸連接器還有其他影響，水的介電常數(shù)十分大，接近80，基材在吸入水份后介電常數(shù)和損耗因子會(huì)增大，按以上分析，介電常數(shù)和損耗因子增大會(huì)降低傳輸性能。所以低吸水率是高頻基材的重要特征，LNB33和M6的吸水率都很低，都是高頻基材，但LNB33的吸水率約為0.1%，比M6略小，具有更好的耐濕能力。兩者吸水率差異的原因：LNB33為了將介電常數(shù)做低，添加了大量的二氧化硅(陶瓷粉)作為填料，陶瓷粉的吸水率很低；M6為了得到合適的介電常數(shù)，以玻纖紗為"經(jīng)線"，纖維紗為"緯線"組成纖維布，材質(zhì)中都是纖維材料，吸水率會(huì)稍微高點(diǎn)。

總之，基材特性影響著信號傳輸?shù)乃俣群蜁r(shí)間延遲、信號損耗、特性阻抗等指標(biāo)，一般而言，低介電常數(shù)、低tanδ值、低吸水率是非常有利于高頻、高速信號傳輸?shù)?，LNB33銅箔附著力，X/Y方向熱膨脹系數(shù)等參數(shù)也優(yōu)于M6基材，通過以上幾方面的對比分析，LNB33是具備替代M6使用條件的。

4 仿真分析

解析計(jì)算通常都是通過傳輸線的截面特性進(jìn)行簡易計(jì)算，但連接器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳輸線(差分接觸對)在產(chǎn)品中的截面不可能恒定不變。我們需要采用三維全電波仿真軟件進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步分析兩種基材對連接器傳輸性能的影響。

建立三維模型，并按不同的基材設(shè)置好材料參數(shù)，產(chǎn)品的傳輸速率為20Gbps,基材頻率(帶寬)為10GHz,但我們?yōu)榱丝吹礁叽沃C波對傳輸性能的影響，我們將求解頻率設(shè)置為20GHz,對于上升沿時(shí)間，我們按公式(5)計(jì)算，得出RT為35ps。設(shè)置好所有參數(shù)和邊界條件后，我們開始求解兩種基材的模型。

(5)

式中，BW——帶寬，GHz；

RT——上升沿，ns。

圖4 仿真模型

采用LNB33和M6的基材后，連接器在10GHz的插入損耗分別為1.08dB和1.16dB，都小于3dB，滿足要求。從8GHz開始，采用LNB33基材的連接器，其插入損耗優(yōu)于M6的。

采用LNB33和M6的基材后，連接器的本體特性阻抗分別為95.257Ω～104.44Ω和92.936Ω～104.24Ω，都滿足(100±10)Ω的要求。

圖5 插入損耗

圖6 特性阻抗

采用LNB33和M6的基材后，連接器在10GHz的回波損耗分別為14.61dB和12.808dB，都大于5dB，符合要求。LNB33的回波損耗波動(dòng)范圍比較小，這主要是因?yàn)槠浣殡姵?shù)隨頻率的變化較小。

圖7 回波損耗

兩種基材的連接器模型眼圖仿真分析，并且添加測試大綱要求的眼圖模板，都沒有出現(xiàn)與模板相交的情況，都可以滿足20Gbps的傳輸要求。

圖8 眼圖仿真

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

高速背板連接器的傳輸性能指標(biāo)主要包括插入損耗、回波損耗、近端串?dāng)_、特性阻抗、誤碼率、眼圖等，為了驗(yàn)證傳輸性能是否符合要求，我們分別制作了LNB33和M6的PCB晶片，并裝配成VPX連接器進(jìn)行測試，各項(xiàng)傳輸性能指標(biāo)都符合要求。

圖9 誤碼率測試

圖10 眼圖測試

從表2中可以看出，LNB33的產(chǎn)品在近端串?dāng)_、誤碼率和眼圖等指標(biāo)與M6的處于同一水平；插入損耗和特性阻抗略優(yōu)于M6的，主要是因?yàn)長NB33具有更低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子；回波損耗比M6的稍微差一點(diǎn)，但也合格，回波損耗稍微差一點(diǎn)的原因是VPX連接器的壓接點(diǎn)阻抗是偏低的，M6的產(chǎn)品阻抗偏下限，而LNB33的阻抗偏中心限，在接上鏈路測試后，信號反射會(huì)稍微大點(diǎn)，所有就表現(xiàn)出回波損耗指標(biāo)稍微差點(diǎn)。

表2 傳輸性能測試

6 結(jié)論

本文以VPX高速背板連接器為研究對象，對該連接器的PCB晶片采用的基材進(jìn)行了全面的分析，從基材特性對傳輸性能的影響出發(fā)，結(jié)合仿真手段，全面對比了LNB33和M6的性能差異，充分論證了國產(chǎn)基材LNB33代替進(jìn)口基材M6的可能性，并制作樣品對比測試了兩種基材應(yīng)用后的產(chǎn)品性能差異，最終得出采用LNB33和M6的產(chǎn)品在傳輸性基本處于同一水平的結(jié)論。待后續(xù)其他電性能、機(jī)械性能和環(huán)境性能等指標(biāo)驗(yàn)證充分后，希望能獲得整機(jī)廠的支持，得到上機(jī)使用的機(jī)會(huì)，采用民族品牌的產(chǎn)品，促進(jìn)民族工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步。