高速传输信号连接器的设计与性能分析

王晓东

摘 要：高速传输信号连接器关乎到整个数据通信系统中信号传输的整体质量，是电子设备不可或缺的关键部件。它起到了开关高频信号传输信号的作用，在业界被广泛应用。但是就目前来看，我国对于连接器的信号高速传输性能测试还没有统一的标准，对于连接器的设计也存在技术方面的不足，难以有效的反映高速传输连接器的真实性能。所以为了满足电子设备应用领域的高科技要求和使用可靠性，该文将简要的谈一谈高速传输信号连接器的设计方法并对其性能进行了分析。

关键词：高速传输信号连接器 特性阻抗 信号完整性 测试方法

中图分类号：TM503 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0023-01

目前，传统连接器已经退出历史舞台，取而代之的是能够解决高频信号在高速线路传输过程中发生信号衰减、串扰、阻抗匹配等问题的新一代连接器——高速传输信号连接器。它无论从外形还是数据传输性能方面都几乎完美胜任于现代社会的发展。

1 连接器

在电子设备中连接器主要的作用是承上启下，即将器件、组件、系统之间的电气和信号进行连接和传递，简单说就是把两个完全断开的电路联系起来，从而使它们导通，完成信号的传输。在滤波、高温环境、高速传递、射频信号传输等领域，都可以采用电连接器。目前我国较为常用的是高速差分连接器，它在传输信号方面损耗小、质量稳定且传输速度快。

2 高速传输信号连接器各参数的设计

2.1 特性抗阻的设计

特性抗阻是连接器的固有属性，它描述了电子信号在均匀的传输线路中传输时受到抗阻而发生的动态变化。它的数值等同于瞬态抗阻，数值的大小受影响于材料的介电常数、单位电容量和其他材料属性，但与传输线长度无关。对于连接器来说，如果特性抗阻不能合理设计，就会造成信道传输的抗阻不匹配现象，导致信号反射的发生并最终降低信道的高速传输能力。

为了避免抗阻不匹配，该文采用了屏蔽四绞线且差分阻抗值为100Ω的LVDS电缆。LVDS是一种低摆幅差分信号技术，它能使信号在差分PCB线在平衡电缆上以每秒上百兆比特的速率进行传输，是低压供电线缆信号传输的未来发展趋势。高速差分连接器的四分同轴接触件的差分阻抗与它的内导体外径d，外导体内径D，内导体中心距L和相关的填充介质相对介电常数ε都有关联。所以连接器的特性阻抗值的近似理论公式应为：

Zdiff=120/εr*ln（4D/1.2πd）*（1-0.347e-2.9（L-d）d/D）

考虑到连接器的生产化问题，其内导体的尺寸应该符合国家标准。如果四个导体均以外导体作为对称中心，那么它们的位置关系应该是一个正方形分布。该文中所设计的内导体尺寸为边长2mm，L为2.7mm，εr为2.01，D为4.55mm，d为1.22mm。将相关参数带入到上文公式可以得到四分同轴接触件的差分抗阻为Zdiff=101.1Ω。

2.2 四分同轴接触件的串扰干扰分析及具体设计

高速差分连接器的差分串扰来自于干扰线，当干扰线在构成差分对的两条静态线时，因为耦合效应会产生电压值的差，即形成了差分串扰。四分同轴接触件进行高速信号的传输时，四个内导体的交叉会形成两对差分对，如果#1和#3，#2和#4分别构成动态差分配对和静态差分配对，那么对它们单根静态线和构成差分配对的两条静态线角度之间的串扰就可以进行计算。四分同轴接触件中由于四个导体是正方形的排列，所以#1和#3的内导体距离#2静态线的距离都是2mm。从静态线的电压感应理论来看，它们应该是幅度相同但极性相反的组合，但是这些差分串扰是可以互相抵消的。因为#2和#4内导体是静态线，它们共同构成一路差分传输对。所以#2和#4的内导体传输数字信号逻辑值应该是根据它们之间的电压差而得来的。考虑到#2和#4内导体距离动态线相同，所以#1和#3动态线在串扰现象发生时，它们的串扰电压在幅度和极性上也是相同的。如此一来，接收端在接收到信号后，电压差不会发生变化更不会发生逻辑判断错误。在实际零件的生产时，由于尺寸位置上的偏差就会导致各内导体在静态线上的串扰电压不能完全相互抵消，所以在差分对间的差分串扰是依然存在的，但是量值很小。

为了控制甚至避免这些串扰，应该在四分同轴的接触件制造时，考虑采用高精密的成型工艺，这是为了保证四分同轴接触件的各部分零件尺寸和位置能够严格按照要求确保位置精度，也就是四个内导体之间的位置精度要达到0.06mm范围以内。当位置精度在0.06mm以内，四分轴的接触件就可以保证在10GHz的状态下其串扰可以控制在≤-45dB。

3 连接器四分轴内的性能效果分析及计算

3.1 无缝隙的屏蔽效果

连接器中四分轴的金属波阻抗比空气波阻抗要小，这就说明了四分轴金属内的电磁波能力传输主要方式最好以磁场形式传播，才能避免高阻抗。当然电磁波在通过金属时也会被迅速衰减。所以就要计算导体内的电流密度衰减到表面电流密度时电磁波所透入的深度，即集肤深度：。公式中，μr表示屏蔽材料的相对磁导率，f是信号的工作频率，是屏蔽材料的相对电导率。通过公式我们可以得知，如果能够确定屏蔽材料的情况下，μr和也是确定的。所以频率f越小，它的集肤深度就越大，相应的屏蔽体的厚度就越大。所以近区场的无缝隙屏蔽效果公式为：

公式中AT为屏蔽效果，t是屏蔽的金属层厚度。因为四分轴的接触件外导体材料均为铜质材料，当μ取1.0，f为108Hz，t是0.5mm，是1的时候，代入以上公式可得出AT为923.3dB。这就是相邻四分同轴接触件之间的无缝隙相互屏蔽效果。

3.2 缝隙处的屏蔽效果

如果两个四分同轴接触件之间有缝隙，那么这个缝隙就是四分同轴接触件的插孔外导体所造成的，它的尺寸不大，它的屏蔽效果应为：

公式中，Hg是泄漏磁场的强度，H0是缝隙处被屏蔽的磁场强度，g是四分同轴外导体开口处的缝隙宽度。根据实际产品设计结构带入数值，t为0.06mm，g为0.02m，e为2.71，可以得到A孔的数值是81.66dB，所以相邻两个四分同轴接触件之间的缝隙处屏蔽效果是81.66dB。

根据设计后的性能分析，本文中的连接器四分同轴接触件之间已经达到了高屏蔽能力，在80dB以上。考虑到差分信号能量微弱，四分同轴接触件之间的总电磁干扰也不会很强，所以完全可以忽略。

4 结论

该文对高速差分连接器中四分同轴接触件的主要参数指标进行了设计和性能分析，其计算结果表明了连接器的差分阻抗性能优良，而且具有极强的抗串扰性和屏蔽效果，满足了现代电子设备对信号高速传输的要求。

参考文献

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[2] 何晴.高频连接器性能分析[D].北京：北京邮电大学，2011.

[3] 陈毓彬.连接器高速传输性能测试技术研究[D].广州：华南理工大学，2013.