高速傳輸信號連接器的設計與性能分析

王曉東

摘 要：高速傳輸信號連接器關乎到整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中信號傳輸?shù)恼w質(zhì)量，是電子設備不可或缺的關鍵部件。它起到了開關高頻信號傳輸信號的作用，在業(yè)界被廣泛應用。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)一的標準，對于連接器的設計也存在技術方面的不足，難以有效的反映高速傳輸連接器的真實性能。所以為了滿足電子設備應用領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計方法并對其性能進行了分析。

關鍵詞：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 文獻標識碼：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、串擾、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)的設計

2.1 特性抗阻的設計

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。對于連接器來說，如果特性抗阻不能合理設計，就會造成信道傳輸?shù)目棺璨黄ヅ洮F(xiàn)象，導致信號反射的發(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，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)導體外徑d，外導體內(nèi)徑D，內(nèi)導體中心距L和相關的填充介質(zhì)相對介電常數(shù)ε都有關聯(lián)。所以連接器的特性阻抗值的近似理論公式應為：

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)導體的尺寸應該符合國家標準。如果四個導體均以外導體作為對稱中心，那么它們的位置關系應該是一個正方形分布。該文中所設計的內(nèi)導體尺寸為邊長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擾干擾分析及具體設計

高速差分連接器的差分串擾來自于干擾線，當干擾線在構(gòu)成差分對的兩條靜態(tài)線時，因為耦合效應會產(chǎn)生電壓值的差，即形成了差分串擾。四分同軸接觸件進行高速信號的傳輸時，四個內(nèi)導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)線角度之間的串擾就可以進行計算。四分同軸接觸件中由于四個導體是正方形的排列，所以#1和#3的內(nèi)導體距離#2靜態(tài)線的距離都是2mm。從靜態(tài)線的電壓感應理論來看，它們應該是幅度相同但極性相反的組合，但是這些差分串擾是可以互相抵消的。因為#2和#4內(nèi)導體是靜態(tài)線，它們共同構(gòu)成一路差分傳輸對。所以#2和#4的內(nèi)導體傳輸數(shù)字信號邏輯值應該是根據(jù)它們之間的電壓差而得來的?？紤]到#2和#4內(nèi)導體距離動態(tài)線相同，所以#1和#3動態(tài)線在串擾現(xiàn)象發(fā)生時，它們的串擾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。在實際零件的生產(chǎn)時，由于尺寸位置上的偏差就會導致各內(nèi)導體在靜態(tài)線上的串擾電壓不能完全相互抵消，所以在差分對間的差分串擾是依然存在的，但是量值很小。

為了控制甚至避免這些串擾，應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格按照要求確保位置精度，也就是四個內(nèi)導體之間的位置精度要達到0.06mm范圍以內(nèi)。當位置精度在0.06mm以內(nèi)，四分軸的接觸件就可以保證在10GHz的狀態(tài)下其串擾可以控制在≤-45dB。

3 連接器四分軸內(nèi)的性能效果分析及計算

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。當然電磁波在通過金屬時也會被迅速衰減。所以就要計算導體內(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率，f是信號的工作頻率，是屏蔽材料的相對電導率。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。因為四分軸的接觸件外導體材料均為銅質(zhì)材料，當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體所造成的，它的尺寸不大，它的屏蔽效果應為：

公式中，Hg是泄漏磁場的強度，H0是縫隙處被屏蔽的磁場強度，g是四分同軸外導體開口處的縫隙寬度。根據(jù)實際產(chǎn)品設計結(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)設計后的性能分析，本文中的連接器四分同軸接觸件之間已經(jīng)達到了高屏蔽能力，在80dB以上。考慮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，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)指標進行了設計和性能分析，其計算結(jié)果表明了連接器的差分阻抗性能優(yōu)良，而且具有極強的抗串擾性和屏蔽效果，滿足了現(xiàn)代電子設備對信號高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

參考文獻

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