淺析STUB對高速連接器的影響

陳 惠，王 超

(四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621001)

1 引言

隨著5G技術(shù)的日益發(fā)展，通訊設(shè)備不斷升級(jí)換代，信號(hào)傳輸速率不斷上升，系統(tǒng)鏈路信號(hào)完整性要求進(jìn)一步提高；高速連接器作為系統(tǒng)鏈路至關(guān)重要的一環(huán)，連接器的性能要求也是越來越嚴(yán)苛，作為連接器廠商，如何保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工性能，是很大的挑戰(zhàn)。

高速連接器經(jīng)常會(huì)遇到很多問題，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往對連接器的阻抗、插損、回?fù)p、串?dāng)_等優(yōu)化難度更大，本文通過理論及仿真手段講述了高速信號(hào)中stub對連接器信號(hào)完整性的影響。

2 STUB的產(chǎn)生原因

STUB為英文單詞，釋意殘余部分，殘樁等，對于連接器來說，STUB就是多余部分，對信號(hào)完整性有害無益。但是，stub在連接器結(jié)構(gòu)上非常常見，下面我們列舉高速連接器中典型的STUB結(jié)構(gòu)。

2.1 對插類

帶金手指類插頭，如SFP，QSFP；高速背板連接器，高速BTB連接器，對插后在公端及母端對插面產(chǎn)生STUB，如圖1所示。

圖1 SFP連接器對插界面

從SFP高速連接器的對插界面可以看出，PCB的金手指和座子的端子頭部都存在殘余部分，而這兩個(gè)部分無法消除，端子的STUB與水平方向呈一定夾角，這是因?yàn)閷Σ迩岸俗訒?huì)被PCB撐開，如圖2，這是為了保證端子可靠接觸，需要一定的保持力，頭部STUB起導(dǎo)向作用，以保證PCB順利插入；而金手指頭部STUB的存在，主要是因?yàn)楫a(chǎn)品本身互配時(shí)存在公差，需要預(yù)留足夠的長度去保證在極限情況下對插后仍能可靠接觸。所以這兩個(gè)STUB因?yàn)樯婕暗娇煽啃詥栴}，是必然存在的。

圖2 SFP連接器對插前示意圖

2.2 帶魚眼類

部分高速連接器需要和背板連接，常用是帶魚眼的高速背板連接器，而魚眼與PCB過孔對插后，會(huì)存在STUB，如圖3。

對于壓接到PCB上的魚眼，魚眼接觸區(qū)是壓接后的有效接觸位置，而魚眼頭部則是多余的STUB，在魚眼對插時(shí)，該部分起導(dǎo)向作用，保證魚眼順利對插。過孔則存在兩段STUB,如圖中STUB1和STUB2，其中過孔STUB2可以通過背鉆工藝去除，按目前工藝能力，可以保證背鉆后STUB小于10mil，所以對于重要的高速信號(hào)，魚眼對插過孔需要打背鉆。

圖3 魚眼過孔壓接示意圖

3 STUB對信號(hào)完整性的影響

3.1 STUB對阻抗的影響

STUB對于阻抗的影響比較顯著，當(dāng)鏈路中存在STUB，這一段STUB類似于電阻的并聯(lián)，我們知道電阻并聯(lián)阻值將會(huì)減小，阻抗也是相同特性，STUB會(huì)降低阻抗值，STUB越長，體積越大，阻抗將會(huì)越低。

我們建立兩個(gè)不同長度的STUB模型，如下圖4所示。從圖中，我們可以看出模擬阻抗的變化趨勢。

圖4 不同STUB模型

其阻抗仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 阻抗仿真結(jié)果

我們建立的模型為單端走線，兩側(cè)帶伴隨地，其中接觸位置有兩段STUB；在仿真驗(yàn)證中其中一段不變(case1)，將另一端STUB由原來的2mm加長到3mm(case2)，觀察其阻抗變化值，由仿真結(jié)果可以看出，隨著STUB的加長，接觸點(diǎn)阻抗由原來的46Ω下降到42Ω，所以增加STUB長度，阻抗會(huì)降低。

3.2 STUB對回波損耗的影響

STUB在影響阻抗的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致回波損耗惡化。信號(hào)傳輸分為有效路徑和無效路徑，有效路徑是我們期望的傳輸路徑，但實(shí)際上，遇到STUB信號(hào)會(huì)分流朝STUB傳輸。當(dāng)然回波損耗的產(chǎn)生與阻抗也息息相關(guān)，阻抗不連續(xù)將造成反射，對于走線來說，我們可以通過調(diào)整線寬、線距、介質(zhì)等調(diào)整阻抗值，從而降低回波損耗，但是對于STUB而言，其尾部為開路，信號(hào)到尾部后無法繼續(xù)向前傳輸將會(huì)發(fā)生全反射，遇阻抗不連續(xù)處會(huì)再次反射，這樣周而復(fù)始震蕩，直到完全損耗掉，如下圖6，這對信號(hào)傳輸非常不利，理論上STUB產(chǎn)生的回波損耗無法規(guī)避，只能通過減小STUB來優(yōu)化。

圖6 兩種不同的串?dāng)_模型

我們繼續(xù)阻抗的驗(yàn)證，不同STUB的情況下，我們對比了仿真后的回波損耗，如下圖7所示。

圖7 回波損耗對比

從仿真結(jié)果看出，STUB較長的case2回?fù)p明顯惡化，所以STUB在我們設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量短，這樣可以有效減小反射，降低回波損耗。當(dāng)然，我們實(shí)例中case2阻抗較差，我們可以通過匹配阻抗進(jìn)一步降低回避損耗，但是從圖5阻抗可以看出，阻抗匹配的難度已將非常大了，能降低一點(diǎn)回?fù)p也是好的。

3.3 STUB對插入損耗的影響

對于插入損耗來說，STUB同樣會(huì)有非常大的影響；這個(gè)我們可以從插入損耗的公式來理解，插入損耗是指輸出端口的輸出，其計(jì)算公式如下：

IL=-20log(Uo/Ui)

式中：

Uo-輸出信號(hào)；

Ui-輸入信號(hào)。

從公式可以看出，插入損耗是評估接受信號(hào)的多少，接受到信號(hào)越多，插入損耗計(jì)算值越大，即通道的損耗越小。

所以回波損耗中講到STUB會(huì)增大回波損耗，信號(hào)反射多了自然終端接受就會(huì)變少，所以結(jié)論是STUB會(huì)使插入損耗惡化，我們同樣使用圖4中的case1和case2模型對比，導(dǎo)出插入損耗值，如下圖8所示。

圖8 插入損耗對比

從圖8中，不難看出，STUB較長的case2插損明顯惡化，而且插損的諧振點(diǎn)由原來的40GHz提前到28GHz，諧振對于信號(hào)傳輸來說是致命的，直接影響系統(tǒng)的傳輸速率，所以不難看出，降低STUB對產(chǎn)品信號(hào)速率提升具有非常重要的意義。

3.4 STUB對串?dāng)_的影響

影響串?dāng)_的因素很多，串?dāng)_的產(chǎn)生是由于感性耦合和容性耦合，產(chǎn)生耦合主要是信號(hào)與信號(hào)，信號(hào)與回流地之間，耦合為串?dāng)_產(chǎn)生提供有效路徑。

而根據(jù)STUB的結(jié)構(gòu)形態(tài)，同樣存在耦合作用，因?yàn)镾TUB和主路徑的結(jié)構(gòu)一般都是相同，所以理論上產(chǎn)生的耦合形式也是相同的，所以STUB不會(huì)對串?dāng)_產(chǎn)生明顯的影響。

我們在HFSS中建立仿真模型，如下圖9所示。兩根單端信號(hào)兩側(cè)都帶伴隨地，建立STUB長度不同的P1為2mm，P2為3mm，P3為7mm，對比其串?dāng)_影響。

其串?dāng)_仿真結(jié)果如圖10所示。

從仿真結(jié)果可以看出，串?dāng)_基本上變化很小，特別是40GHz以內(nèi)；因?yàn)樵擈?yàn)證只加長的STUB，當(dāng)STUB越長，阻抗會(huì)很低，這樣會(huì)增大反射，反射增大會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_變差，所以在高頻段會(huì)產(chǎn)生一定的差異，所以如果變相論證，STUB也會(huì)對串?dāng)_造成一定的影響。

圖9 串?dāng)_仿真模型

4 結(jié)束語

我們在高速連接器設(shè)計(jì)中，STUB是很常見的結(jié)構(gòu)，很容易被設(shè)計(jì)時(shí)忽略；對于目前高速連接速率不斷更新?lián)Q代，在設(shè)計(jì)中對STUB結(jié)構(gòu)也應(yīng)該引起重視，在減小STUB的同時(shí)，我們也應(yīng)該保證可靠性，隨著高速連接器不斷發(fā)展，未來設(shè)計(jì)的產(chǎn)品朝著無STUB方向邁進(jìn)也未可知。