一種高速背板連接器的設(shè)計(jì)

木青峰 曹永泉 蘇文玉

要：對(duì)一種高速率數(shù)據(jù)傳輸連接器進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)與仿真分析。對(duì)連接器的接觸件、屏蔽結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從時(shí)域、頻域?qū)υ撛O(shè)計(jì)進(jìn)行了電磁仿真分析與優(yōu)化，信號(hào)完整性仿真結(jié)果表明：連接器的高速性能滿足56 Gb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸要求。

關(guān)鍵詞：高速率;數(shù)據(jù)傳輸;連接器;信號(hào)完整性

0? ? 引言

基于我國(guó)信息化戰(zhàn)略的要求，通信領(lǐng)域、消費(fèi)電子、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域持續(xù)快速發(fā)展。受益于行業(yè)的繁榮，具有“連接器明珠”之稱的高速背板連接器占據(jù)了大量市場(chǎng)份額。

高速連接器的密度與傳輸速率越來越高，空間限制與速率提升使得連接器設(shè)計(jì)和制造難度進(jìn)一步加大，高速率數(shù)據(jù)傳輸在連接器內(nèi)遇到的信號(hào)完整性問題越來越突出，具體體現(xiàn)在因信號(hào)耦合而產(chǎn)生的串?dāng)_越來越嚴(yán)重。本文根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一種高速背板連接器，傳輸速率達(dá)56 Gb/s，經(jīng)信號(hào)完整性仿真驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)滿足使用要求。

1? ? 高速連接器設(shè)計(jì)

1.1? ? 設(shè)計(jì)指標(biāo)

結(jié)合使用要求，連接器設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）特性阻抗：（92±10）Ω;

（2）近端/遠(yuǎn)端串?dāng)_≤-30 dB;

（3）插入損耗（絕對(duì)值）≤3 dB;

（4）回波損耗≤-10 dB（0.05～

15 GHz）/≤-5 dB（15～28 GHz）。

1.2? ? 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器分插頭、插座兩部分。插座由基座、屏蔽件、信號(hào)接觸件組成（圖1）;插頭采用wafer（信號(hào)模塊）陣列排布模塊化設(shè)計(jì)，由基座、wafer、固定件組成（圖2），其中wafer包含差分信號(hào)對(duì)與屏蔽件（圖3）。

1.3? ? 連接器footprint設(shè)計(jì)

連接器的footprint信號(hào)針與接地針的布局對(duì)串?dāng)_影響較大，根據(jù)相關(guān)研究分析（圖4、圖5）[1]，相鄰wafer的差分對(duì)交錯(cuò)排列是降低串?dāng)_的有效方法。圖4所示為差分對(duì)兩種排列方式，交錯(cuò)型排列的相鄰差分對(duì)錯(cuò)開一定距離D。圖5為兩種排列差分對(duì)串?dāng)_仿真結(jié)果，從圖5可以看出，交錯(cuò)排列近端串?dāng)_優(yōu)化約20 dB，遠(yuǎn)端串?dāng)_優(yōu)化約30 dB。考慮到空間限制以及某一差分對(duì)受周圍差分對(duì)的影響，D并不是越大越好，一般小于λ/4（λ為信號(hào)波長(zhǎng)）。本設(shè)計(jì)從連接器外形、信號(hào)完整性兩方面考量，取D=1.1 mm。

1.4? ? 接觸件設(shè)計(jì)

連接器接觸區(qū)是阻抗失配較為嚴(yán)重的區(qū)域。出于可靠性考慮，彈性接觸件頭部一般伸出一段“短樁（stub）”作為接觸件插合的導(dǎo)向，正是這一段“短樁”易造成諧振，我們稱之為“短樁效應(yīng)”。為克服短樁效應(yīng)，本設(shè)計(jì)采用圖6所示的雙觸點(diǎn)接觸件。經(jīng)信號(hào)完整性仿真驗(yàn)證：?jiǎn)斡|點(diǎn)接觸方式，連接器在27 GHz有諧振點(diǎn)（圖7）;雙觸點(diǎn)接觸方式消除了27 GHz的諧振點(diǎn)。

1.5? ? 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮產(chǎn)品空間、零件成本、工藝性、可靠性等多方面因素。本設(shè)計(jì)為滿足56 Gb/s速率傳輸要求，屏蔽結(jié)構(gòu)將信號(hào)傳輸360°包圍，為高速率信號(hào)提供完整的返回路徑，同時(shí)屏蔽不同差分對(duì)間的耦合。圖8所示屏蔽體零件由卡扣結(jié)構(gòu)鉚合固定，差分信號(hào)體更靠近平面度易控制的零件。

1.6? ? 差分對(duì)等長(zhǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，差分信號(hào)的相位差不能大于信號(hào)周期的1/10。差分對(duì)外側(cè)的傳輸線比內(nèi)側(cè)的機(jī)械長(zhǎng)度長(zhǎng)，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度[式（1）]不同的原理，可通過調(diào)整差分對(duì)周圍介電常數(shù)的方法，完成差分對(duì)兩條線路電氣等長(zhǎng)設(shè)計(jì)。

信號(hào)在傳輸線上的傳播速度為：

如圖9所示，內(nèi)側(cè)傳輸線周圍介質(zhì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)大于外側(cè)，使信號(hào)在內(nèi)側(cè)傳輸線傳輸速度變“慢”。

2? ? 高速連接器信號(hào)完整性仿真分析

高速連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣，在設(shè)計(jì)初期用理論分析方法對(duì)其性能進(jìn)行粗略估算。高速連接器的零件一般為開模件，若因信號(hào)完整性問題對(duì)零件結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行調(diào)整，則面臨高昂的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本。本文采用相關(guān)電磁場(chǎng)仿真模擬軟件對(duì)本設(shè)計(jì)的高速傳輸性能加以驗(yàn)證，如圖10～14所示。

仿真結(jié)果顯示：上升沿21.9 ps（10%～90%），阻抗為84～98 Ω;插損優(yōu)于1.8 dB（0～30 GHz），回?fù)p優(yōu)于-13 dB（0.05～15 GHz）以及-8 dB（15～28 GHz）;串?dāng)_優(yōu)于30 dB。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求，并仍有速率升級(jí)空間。

3? ? 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)高速背板連接器進(jìn)行結(jié)構(gòu)、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)，目前產(chǎn)品處于樣品測(cè)試階段，接下來進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證工作。受限于模具加工工藝水平，有些零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了讓步設(shè)計(jì)。相信隨著設(shè)計(jì)水平和工藝水平的提高，國(guó)內(nèi)將涌現(xiàn)出越來越多性能優(yōu)異、成本經(jīng)濟(jì)的高速連接器。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 徐斌.高速背板連接器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南京：南京郵電大學(xué)，2017.

收稿日期：2020-03-18

作者簡(jiǎn)介：木青峰（1990—），男，湖北襄陽人，助理工程師，研究方向：高速互連。