王曉東
摘 要:高速傳輸信號(hào)連接器關(guān)乎到整個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中信號(hào)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(hào)傳輸信號(hào)的作用,在業(yè)界被廣泛應(yīng)用。但是就目前來看,我國(guó)對(duì)于連接器的信號(hào)高速傳輸性能測(cè)試還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)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(jiǎn)要的談一談高速傳輸信號(hào)連接器的設(shè)計(jì)方法并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:高速傳輸信號(hào)連接器 特性阻抗 信號(hào)完整性 測(cè)試方法
中圖分類號(hào):TM503 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2015)03(b)-0023-01
目前,傳統(tǒng)連接器已經(jīng)退出歷史舞臺(tái),取而代之的是能夠解決高頻信號(hào)在高速線路傳輸過程中發(fā)生信號(hào)衰減、串?dāng)_、阻抗匹配等問題的新一代連接器——高速傳輸信號(hào)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(huì)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(hào)進(jìn)行連接和傳遞,簡(jiǎn)單說就是把兩個(gè)完全斷開的電路聯(lián)系起來,從而使它們導(dǎo)通,完成信號(hào)的傳輸。在濾波、高溫環(huán)境、高速傳遞、射頻信號(hào)傳輸?shù)阮I(lǐng)域,都可以采用電連接器。目前我國(guó)較為常用的是高速差分連接器,它在傳輸信號(hào)方面損耗小、質(zhì)量穩(wěn)定且傳輸速度快。
2 高速傳輸信號(hào)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(hào)在均勻的傳輸線路中傳輸時(shí)受到抗阻而發(fā)生的動(dòng)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(zhǎng)度無關(guān)。對(duì)于連接器來說,如果特性抗阻不能合理設(shè)計(jì),就會(huì)造成信道傳輸?shù)目棺璨黄ヅ洮F(xiàn)象,導(dǎo)致信號(hào)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(hào)技術(shù),它能使信號(hào)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(hào)傳輸?shù)奈磥戆l(fā)展趨勢(shì)。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(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。如果四個(gè)導(dǎo)體均以外導(dǎo)體作為對(duì)稱中心,那么它們的位置關(guān)系應(yīng)該是一個(gè)正方形分布。該文中所設(shè)計(jì)的內(nèi)導(dǎo)體尺寸為邊長(zhǎng)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(duì)的兩條靜態(tài)線時(shí),因?yàn)轳詈闲?yīng)會(huì)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(hào)的傳輸時(shí),四個(gè)內(nèi)導(dǎo)體的交叉會(huì)形成兩對(duì)差分對(duì),如果#1和#3,#2和#4分別構(gòu)成動(dòng)態(tài)差分配對(duì)和靜態(tài)差分配對(duì),那么對(duì)它們單根靜態(tài)線和構(gòu)成差分配對(duì)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(gè)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(duì)。所以#2和#4的內(nèi)導(dǎo)體傳輸數(shù)字信號(hào)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(dòng)態(tài)線相同,所以#1和#3動(dòng)態(tài)線在串?dāng)_現(xiàn)象發(fā)生時(shí),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(hào)后,電壓差不會(huì)發(fā)生變化更不會(huì)發(fā)生邏輯判斷錯(cuò)誤。在實(shí)際零件的生產(chǎn)時(shí),由于尺寸位置上的偏差就會(huì)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(duì)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(shí),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(gè)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(chǎng)形式傳播,才能避免高阻抗。當(dāng)然電磁波在通過金屬時(shí)也會(huì)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(shí)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(duì)磁導(dǎo)率,f是信號(hào)的工作頻率,是屏蔽材料的相對(duì)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(chǎng)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(shí)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(gè)四分同軸接觸件之間有縫隙,那么這個(gè)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(chǎng)的強(qiáng)度,H0是縫隙處被屏蔽的磁場(chǎng)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(gè)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。考慮到差分信號(hào)能量微弱,四分同軸接觸件之間的總電磁干擾也不會(huì)很強(qiáng),所以完全可以忽略。
4 結(jié)論
該文對(duì)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(duì)信號(hào)高速傳輸?shù)囊蟆?/p>
參考文獻(xiàn)
[1] 汪靜,何建鋒.高速傳輸信號(hào)連接器的設(shè)計(jì)與性能分析[J].遙測(cè)遙控,2010,31(4).
[2] 何晴.高頻連接器性能分析[D].北京:北京郵電大學(xué),2011.
[3] 陳毓彬.連接器高速傳輸性能測(cè)試技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.