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技術的日益發展，通訊設備不斷升級換代，信號傳輸速率不斷上升，系統鏈路信號完整性要求進一步提高；高速連接器作為系統鏈路至關重要的一環，連接器的性能要求也是越來越嚴苛，作為連接器廠商，如何保證產品設計及加工性能，是很大的挑戰。

高速連接器經常會遇到很多問題，由于結構復雜，往往對連接器的阻抗、插損、回損、串擾等優化難度更大，本文通過理論及仿真手段講述了高速信號中stub對連接器信號完整性的影響。

2 STUB的產生原因

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，對信號完整性有害無益。但是，stub在連接器結構上非常常見，下面我們列舉高速連接器中典型的STUB結構。

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，而這兩個部分無法消除，端子的STUB與水平方向呈一定夾角，這是因為對插前端子會被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，主要是因為產品本身互配時存在公差，需要預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STUB因為涉及到可靠性問題，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，會存在STUB，如圖3。

對于壓接到PCB上的魚眼，魚眼接觸區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，該部分起導向作用，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，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，當鏈路中存在STUB，這一段STUB類似于電阻的并聯，我們知道電阻并聯阻值將會減小，阻抗也是相同特性，STUB會降低阻抗值，STUB越長，體積越大，阻抗將會越低。

我們建立兩個不同長度的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

其阻抗仿真結果如圖5所示。

圖5 阻抗仿真結果

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

3.2 STUB對回波損耗的影響

STUB在影響阻抗的同時，也會導致回波損耗惡化。信號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，但實際上，遇到STUB信號會分流朝STUB傳輸。當然回波損耗的產生與阻抗也息息相關，阻抗不連續將造成反射，對于走線來說，我們可以通過調整線寬、線距、介質等調整阻抗值，從而降低回波損耗，但是對于STUB而言，其尾部為開路，信號到尾部后無法繼續向前傳輸將會發生全反射，遇阻抗不連續處會再次反射，這樣周而復始震蕩，直到完全損耗掉，如下圖6，這對信號傳輸非常不利，理論上STUB產生的回波損耗無法規避，只能通過減小STUB來優化。

圖6 兩種不同的串擾模型

我們繼續阻抗的驗證，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

從仿真結果看出，STUB較長的case2回損明顯惡化，所以STUB在我們設計中應該盡量短，這樣可以有效減小反射，降低回波損耗。當然，我們實例中case2阻抗較差，我們可以通過匹配阻抗進一步降低回避損耗，但是從圖5阻抗可以看出，阻抗匹配的難度已將非常大了，能降低一點回損也是好的。

3.3 STUB對插入損耗的影響

對于插入損耗來說，STUB同樣會有非常大的影響；這個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，其計算公式如下：

IL=-20log(Uo/Ui)

式中：

Uo-輸出信號；

Ui-輸入信號。

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

所以回波損耗中講到STUB會增大回波損耗，信號反射多了自然終端接受就會變少，所以結論是STUB會使插入損耗惡化，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，而且插損的諧振點由原來的40GHz提前到28GHz，諧振對于信號傳輸來說是致命的，直接影響系統的傳輸速率，所以不難看出，降低STUB對產品信號速率提升具有非常重要的意義。

3.4 STUB對串擾的影響

影響串擾的因素很多，串擾的產生是由于感性耦合和容性耦合，產生耦合主要是信號與信號，信號與回流地之間，耦合為串擾產生提供有效路徑。

而根據STUB的結構形態，同樣存在耦合作用，因為STUB和主路徑的結構一般都是相同，所以理論上產生的耦合形式也是相同的，所以STUB不會對串擾產生明顯的影響。

我們在HFSS中建立仿真模型，如下圖9所示。兩根單端信號兩側都帶伴隨地，建立STUB長度不同的P1為2mm，P2為3mm，P3為7mm，對比其串擾影響。

其串擾仿真結果如圖10所示。

從仿真結果可以看出，串擾基本上變化很小，特別是40GHz以內；因為該驗證只加長的STUB，當STUB越長，阻抗會很低，這樣會增大反射，反射增大會導致串擾變差，所以在高頻段會產生一定的差異，所以如果變相論證，STUB也會對串擾造成一定的影響。

圖9 串擾仿真模型

4 結束語

我們在高速連接器設計中，STUB是很常見的結構，很容易被設計時忽略；對于目前高速連接速率不斷更新換代，在設計中對STUB結構也應該引起重視，在減小STUB的同時，我們也應該保證可靠性，隨著高速連接器不斷發展，未來設計的產品朝著無STUB方向邁進也未可知。