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0 引言

高速線纜組件是一種低沉本、短距離的高速互聯(lián)解決方案，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其周邊、醫(yī)療設(shè)備、航天軍工、消費(fèi)電子及汽車(chē)等領(lǐng)域[1]。高速線纜組件一般包含2 套連接器、多路線纜[2]、多處端接及接線PCB 等，如圖1 所示。鏈路中各個(gè)部分給組件帶來(lái)的損耗，已成為制約線纜組件傳輸速率提升的瓶頸。目前，各大應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咚倬€纜組件的傳輸速率提出了更高的要求，因此優(yōu)化鏈路中各部分的插入損耗成為高速線纜組件設(shè)計(jì)及優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

張華[4]等采用仿真方法對(duì)高速連接器及背板系統(tǒng)的信號(hào)完整性進(jìn)行了研究，分析了影響信號(hào)完整性的關(guān)鍵因素，并針對(duì)研究的結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案，可指導(dǎo)高速鏈路的設(shè)計(jì)。但是，上述研究未對(duì)線纜組件的端接部位、接線PCB 等影響信號(hào)完整性的關(guān)鍵因素進(jìn)行深入分析。

圖1 一種線纜結(jié)構(gòu)

本次研究對(duì)影響線纜組件插入損耗的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，借助仿真軟件，對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)線纜組件的高速性能。根據(jù)對(duì)比確定了線纜組件的優(yōu)化方法，并進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。優(yōu)化后的線纜組件插入損耗降低，高速性能提升顯著，且形成的優(yōu)化方法可用于其他高速線纜組件的設(shè)計(jì)。

1 鏈路損耗的主要影響因素

1.1 插入損耗

插入損耗通常是指系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)從信道的端口1 傳輸?shù)蕉丝? 時(shí)發(fā)生的能量損失，如圖2 所示。

圖2 常見(jiàn)的二端口網(wǎng)絡(luò)

插入損耗可由輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的電壓幅度表示，數(shù)學(xué)模型為：

式中，IL為插入損耗，V代表電壓幅度值，P為功率值。實(shí)際鏈路中，插入損耗通常和介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、耦合到臨近線和對(duì)外輻射、阻抗不連續(xù)4 個(gè)因素密切相關(guān)，其中介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗是鏈路插入損耗的主體部分。

1.1.1 介質(zhì)損耗

當(dāng)導(dǎo)體上施加電壓時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，原本排列雜亂無(wú)章的電偶極子會(huì)趨于整齊，與電場(chǎng)的方向一致。電偶極子的負(fù)端向施加電壓的正端移動(dòng)，不斷消耗能量而產(chǎn)生介質(zhì)損耗。通常用介質(zhì)耗散因子描述電偶極子造成的影響，即：

式中：tanδ表示介質(zhì)損耗因子；n表示介質(zhì)中電偶極子的密度；P表示偶極矩，是對(duì)電荷和偶極子間距離的度量；θmax表示電場(chǎng)中偶極子擺動(dòng)幅度。介質(zhì)損耗主要和材料的固有性能、信號(hào)頻率以及傳輸線長(zhǎng)度有關(guān)。介質(zhì)損耗引起的單位長(zhǎng)度衰減為：

式中，αdiel表示介質(zhì)損耗引起的單位長(zhǎng)度衰減；GL表示單位長(zhǎng)度電導(dǎo)；ω表示信號(hào)的角頻率；tanδ表示材料的介質(zhì)損耗因子；Z0表示導(dǎo)體的特性阻抗；εr表示相對(duì)介電常數(shù)，無(wú)量綱；c表示真空中的光速。

1.1.2 導(dǎo)體損耗

在高速傳輸領(lǐng)域，導(dǎo)體損耗主要與趨膚效應(yīng)和導(dǎo)體表面粗糙度有關(guān)。高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)線電阻在交流情況下處于一種頻變狀態(tài)。隨著頻率的升高，電流集中在導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，?dǎo)致阻抗升高，導(dǎo)體損耗增加。高頻時(shí)，銅的趨膚深度如圖3 所示。

圖3 趨膚深度

它的計(jì)算公式如下：

式中：δ為穿透深度；ω為角頻率，ω=2πf，f為磁場(chǎng)頻率；μ為磁導(dǎo)率；ρ為電阻率；σ為電導(dǎo)率。此外，不同粗糙度的銅箔表面會(huì)產(chǎn)生不同的寄生電感，導(dǎo)致銅箔表面的阻抗一致性變差。表面粗糙度大的銅箔，阻抗失配也更加嚴(yán)重，會(huì)引入更多的導(dǎo)體損耗。圖4 為3 種銅箔的導(dǎo)體損耗，其中a 種＞b 種＞c 種。

圖4 不同粗糙度的銅箔

導(dǎo)體的單位長(zhǎng)度損耗可表示為：

式中：αcond表示由導(dǎo)體引起的單位長(zhǎng)度衰減，單位為dB；RL表示單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的串聯(lián)電阻；Z0表示導(dǎo)體的特性阻抗。

1.1.3 耦合到臨近線和對(duì)外輻射

在多導(dǎo)體系統(tǒng)中，導(dǎo)體間通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生耦合。兩條走線相距較近時(shí)，會(huì)在臨近的走線上引起噪聲，把信號(hào)一部分的能量傳遞到臨近的導(dǎo)體上，會(huì)部分損失自身能量而產(chǎn)生損耗。

1.1.4 阻抗不連續(xù)

信號(hào)以電磁波的形式在走線中向前傳播。當(dāng)互連線中出現(xiàn)阻抗突變時(shí)，在兩個(gè)阻抗不同區(qū)域的分界面上會(huì)發(fā)生反射，能量會(huì)被反射回源端，導(dǎo)致傳輸?shù)侥┒说男盘?hào)幅度減小而產(chǎn)生衰減。

1.2 高速線纜損耗

實(shí)際應(yīng)用中，高速線纜組件的損耗主要有3 個(gè)部分組成。

1.2.1 線纜的損耗

線纜是高速線纜組件的主體部分。通常情況下，線纜的損耗與導(dǎo)體線徑、材料以及絕緣層的介質(zhì)損耗因子等相關(guān)。隨著頻率的增加，線纜的損耗逐漸增大，在線纜組件整體的損耗中占據(jù)主體部分，如圖5 所示。

1.2.2 連接器、接線PCB 及測(cè)試PCB 帶來(lái)的損耗

高速線纜組件的核心元器件是連接器和接線PCB。連接器損耗主要與自身結(jié)構(gòu)和選用的絕緣體材料有關(guān)。接線PCB 是連接高速連接器和高速線纜的過(guò)渡元件，如圖6 所示。它的損耗與板材、走線形式及長(zhǎng)度、有無(wú)過(guò)孔等因素相關(guān)。

圖5 不同頻率下的線纜損耗

圖6 接線PCB

1.2.3 端接部位焊接及線纜剝線等工藝控制引入的損耗

連接器和接線PCB 端接部位焊接一致性、焊錫量、焊接和剝線長(zhǎng)度的一致性等，直接影響了線纜組件的損耗。端接部位焊接一致性和焊錫量與鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。焊接位置如圖7 所示。

圖7 焊接位置

2 高速線纜組件的設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)高速線纜組件類(lèi)產(chǎn)品插入損耗的主要來(lái)源，從以下3 個(gè)方面進(jìn)行仿真與優(yōu)化。

2.1 線纜的優(yōu)化與選擇

對(duì)不同規(guī)格的線纜進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8 所示。性能更好的線纜可顯著降低插入損耗，應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)線纜組件支持的傳輸速率選擇合適的線纜。

在線纜本身的測(cè)評(píng)及選用時(shí)，除了直接關(guān)注線纜自身插入損耗指標(biāo)時(shí)，一些如阻抗、時(shí)延差等和插入損耗相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)也需要進(jìn)行評(píng)估。各項(xiàng)指標(biāo)均選用最優(yōu)時(shí)，組件的插入損耗才能達(dá)到最小。

2.1.1 線纜阻抗

高速線纜的阻抗和4 個(gè)直接因素相關(guān)[5]，分別是介質(zhì)的介電常數(shù)、內(nèi)導(dǎo)體外徑、外導(dǎo)體內(nèi)徑及兩內(nèi)導(dǎo)體的中心距離。在選擇線纜阻抗時(shí)，可根據(jù)以上幾點(diǎn)因素折衷考慮。

本次高速線纜組件設(shè)計(jì)的目標(biāo)阻抗是85 Ω。由圖9 可以看出，選用的線纜阻抗值處于86.49～88.04 Ω，上下浮動(dòng)不足3 Ω，滿足了高速線纜阻抗一致性的要求。

圖8 不同線纜的插損差異

圖9 高速線纜的阻抗測(cè)試曲線

2.1.2 傳輸時(shí)延差

傳輸時(shí)延差是指不同線纜之間的傳輸時(shí)延的差值。傳輸時(shí)延與信號(hào)路徑長(zhǎng)度和傳播速度直接相關(guān)。傳播速度可表示為：

式中：ε0表示自由空間的介電常數(shù)；εr表示材料的相對(duì)介電常數(shù)；μ0表示自由空間的磁導(dǎo)率；μr表示材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。

當(dāng)兩信號(hào)線有時(shí)延差產(chǎn)生時(shí)，除了控制線纜的長(zhǎng)度外，可以依據(jù)式（6）中涉及的影響因素，考慮更換不同介電常數(shù)的材料來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。綜合考慮以上參數(shù)，對(duì)選用的線纜進(jìn)行時(shí)延差測(cè)試，結(jié)果如圖10 所示，1 m 長(zhǎng)線纜的時(shí)延差值在2 ps 以內(nèi)。

圖10 差分對(duì)1 和差分對(duì)2 時(shí)延差測(cè)試結(jié)果

2.2 接線PCB 及測(cè)試PCB 的優(yōu)化

2.2.1 接線PCB 的仿真優(yōu)化

本次研究的線纜組件PCB 采用過(guò)孔換層的形式實(shí)現(xiàn)雙面出線，通過(guò)仿真對(duì)比了差分走線上是否存在過(guò)孔時(shí)的損耗大小。接線PCB 如圖11 所示，左側(cè)兩路差分無(wú)過(guò)孔，右側(cè)兩路差分有過(guò)孔。對(duì)以上4 路差分進(jìn)行仿真，損耗對(duì)比如圖12 所示。

圖11 左側(cè)無(wú)過(guò)孔，右側(cè)有過(guò)孔

由圖12 可知，接線PCB 去掉過(guò)孔后，插入損耗衰減幅度明顯降低。應(yīng)用中，可采用線纜繞線方式去除過(guò)孔，降低線纜組件的插入損耗。

2.2.2 測(cè)試PCB 的優(yōu)化

通過(guò)仿真和測(cè)試對(duì)比不同大小焊盤(pán)和反焊盤(pán)尺寸的測(cè)試板對(duì)線纜組件測(cè)試結(jié)果的影響，結(jié)果如圖13 和圖14 所示。

由圖14 可知，反焊盤(pán)增大、焊盤(pán)減小后，測(cè)試板焊點(diǎn)處的阻抗提升了約6 Ω，整體的阻抗波動(dòng)性變小，線纜組件測(cè)試出來(lái)的插入損耗更加平滑，諧振及幅值均相應(yīng)減小。因此，增大測(cè)試板的反焊盤(pán)，同時(shí)減小焊盤(pán)、優(yōu)化走線形式，可顯著提升測(cè)試板性能，進(jìn)而優(yōu)化線纜組件在測(cè)試中的插入損耗。

圖12 有無(wú)過(guò)孔插損對(duì)比

圖13 優(yōu)化的測(cè)試板仿真模型

圖14 特性阻抗對(duì)比

為進(jìn)一步降低阻抗的波動(dòng)，在第二層參考地上再新增一層反焊盤(pán)，模型如圖15 所示。新增反焊盤(pán)前后的對(duì)比結(jié)果如圖16所示。新增一層反焊盤(pán)后，在原來(lái)優(yōu)化的基礎(chǔ)上阻抗波動(dòng)更小，相應(yīng)的插入損耗也變小，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)線纜組件的優(yōu)化。

2.3 焊接及剝線等工藝控制

焊接部位焊錫堆積過(guò)多，易造成焊點(diǎn)處阻抗值偏低。產(chǎn)品焊錫量的多少和鋼網(wǎng)尺寸緊密相關(guān)，因此對(duì)鋼網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）將鋼網(wǎng)厚度由1.3 mm 更改為1.0 mm，顯著減小了涂覆到焊盤(pán)上的錫量；

（2）在保證焊接可靠性的前提下，減小鋼網(wǎng)上各個(gè)pin 腳的大小也能減小焊腳處錫量，提升焊點(diǎn)阻抗，進(jìn)而減小損耗。鋼網(wǎng)上pin 腳大小如圖17所示。

圖15 測(cè)試PCB 模型

圖16 特性阻抗對(duì)比

圖17 PASTEMASK 層pin 腳大小

剝線長(zhǎng)度不一致會(huì)造成Skew 較差和阻抗失配而引入插損諧振[6]。因此，在新產(chǎn)品的改進(jìn)過(guò)程中，采用激光剝線技術(shù)，嚴(yán)格保證剝線長(zhǎng)度和剝線質(zhì)量。此外，焊線及連接器表貼也采用機(jī)器焊接，提升焊點(diǎn)一致性[7]，避免手工焊接帶來(lái)的偏差。

3 產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證

優(yōu)化后產(chǎn)品如圖18 所示。

圖18 線纜實(shí)物

測(cè)試夾具規(guī)格如下：

（1）測(cè)試印制板由高速板材TU883 制成，板厚1.6 mm；

（2）采用2.92 mm 射頻同軸連接器；

（3）測(cè)試夾具走線長(zhǎng)度16 mm。

優(yōu)化后的插入損耗測(cè)試，結(jié)果如圖19 所示。0.55 m 長(zhǎng)線纜組件的插入損耗在8 GHz 以前均大于-5 dB，較優(yōu)通路可以達(dá)到-4 dB 以內(nèi)，線纜組件損耗優(yōu)化顯著，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖19 新版線纜的IL 測(cè)試結(jié)果

線纜組件折彎180°的插入損耗壓力測(cè)試。折彎前后插入損耗測(cè)試結(jié)果如下：差分對(duì)1 在8 GHz 時(shí)，折彎前損耗為-4.58 dB，折彎后損耗為-4.67 dB；差分對(duì)2 在8 GHz 時(shí)，折彎前損耗為-4.24 dB，折彎后損耗為-4.43 dB；差分對(duì)3 在8 GHz 時(shí)，折彎前損耗為-4.03 dB，折彎后損耗為-4.17 dB。綜上，折彎前后，3 個(gè)通道在8 GHz 時(shí)的損耗的變化量均小于0.2 dB。由此可見(jiàn)，折彎180°使用時(shí)，線纜組件的插入損耗無(wú)明顯惡化，在該應(yīng)用場(chǎng)景下仍可正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)影響高速線纜組件插入損耗的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，采用仿真方法對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的線纜組件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了優(yōu)化方法的可靠性，可得出以下結(jié)論：

（1）接線PCB 由雙面走線變?yōu)閱蚊孀呔€，去除換層用的過(guò)孔，可提升插入損耗1 dB 左右；

（2）增大測(cè)試板的反焊盤(pán)，同時(shí)減小焊盤(pán)、優(yōu)化走線形式，可顯著提升測(cè)試板性能，焊點(diǎn)處阻抗低點(diǎn)提升約6 Ω，阻抗一致性提高，組件的插入損耗測(cè)試結(jié)果更加平滑；

（3）采用性能更好的線纜，可顯著降低組件的插入損耗，應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)線纜組件的傳輸速率選擇合適的線纜；

（4）加強(qiáng)端接處的阻抗控制，即可通過(guò)優(yōu)化鋼網(wǎng)的結(jié)構(gòu)尺寸由1.3 mm 變?yōu)? mm，有效提升阻抗一致性，進(jìn)而降低損耗。