28芯高速圆形连接器设计与仿真

庄申乐，王秀剑，刘云广，李荣兰

（山东龙立电子有限公司，李荣兰创新工作室，山东临沂，276000）

1 引言

高速连接器不仅具备常规的电气性能，还具有高速性能，两类性能是共同影响整个高速数字传输系统信号完整性的重要因素。然而，信号的高传输速率和信道的高密度使得高速连接器中的反射、串扰、衰减等问题越发严重［1］。因此，在设计过程中，通过相关电接触理论和信号完整性理论对连接器进行研究和分析，提升设计的效率和产品可靠性。

2 结构方案

2.1 主要技术指标

28芯高速圆形连接器通过簧片弹性变形压紧后实现系统间可靠耐久的高速连接。其主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标

2.2 结构设计

外壳采用J599铝外壳，绝缘体材料为液晶高分子LCP，该材料热变形温度为190～260℃之间，同时可耐－65℃的低温环境，完全满足产品的使用温度要求。接触簧片为宝理C17200青铜带。

本产品传输信号为10Gbps，为减小信号衰减、反射和串扰，在设计上采取以下措施：

1.导电体基材为铍青铜和锡青铜，镀金处理，使直流阻抗小而稳定。

2.导电体采用等截面平直设计，降低阻抗不连续性引起的反射与衰减。

3.采用介电性能良好、介质损耗小的绝缘材料，增加信号间的隔离度，有效降低介电损耗。

4.每排接触件在空间上交错排列，减少分布电容降低串扰［2］。

5.为避免其它信号的影响，采用屏蔽地结构，可有效避免产品排间和列间信号之间的串扰。

3 电气性能

3.1 低电平接触电阻

3.2 绝缘电阻

产品的绝缘电阻由体积电阻和表面电阻两部分组成，计算公式如下：

其中，RV为体积电阻，RS为表面电阻。

体积电阻RV＝。其中，ρV为绝缘材料的体积电阻率，d为最小绝缘间隙，S为导体间的正对面积。LCP材料的体积电阻率为1.0×1017Ω·mm。

表面电阻RS＝。其中，ρS为绝缘材料的表面电阻率，b为两导体之间的绝缘体的最小壁厚，a为导体间的正对宽度［3］。LCP材料的表面电阻率为1.0×1015Ω·mm。通过计算可得 ＝1×109MΩ，满足绝缘电阻不小于5000的要求。

3.3 耐电压

产品耐电压性能与产品的绝缘间隙和爬电距离有关。而差分对之间的电气间隙为0.47mm，爬电距离为0.47mm，因此根据表2耐电压经验数据可以得到，耐电压理论值约为658V。满足耐电压300VDC的要求。

表2 耐电压经验数据表

4 28芯连接器高速性能仿真分析

该连接器为中心对称结构，可分为A、B、C、D四层，A、D层的传输线分别由2根差分传输线、2根地线和2根备用传输线组成；B、C两层分别由4根差分传输线、3根地线和1根备用传输线组成。提取连接器A、B两层，研究每层的传输性能，在HFSS13.0中建立仿真模型，而每层的仿真又分为无定位板和有定位板两种情况，由于连接器差分对数量多，模型体积大，全模型仿真速度慢且不稳定，因此对连接器分层研究。

4.1 A层仿真模型及结果

4.1.1 仿真模型

A层无定位板模型，只保留传输线、介质和接地片。A层有定位板模型，对定位板进行切割，切割的原则是对A、B层之间的定位板平分，然后将B层一侧平分线以下的定位板部分都切除，模型如下图1、2所示。

图1 A层无定位板模型

图2 A层有定位板模型图

4.1.2 仿真结果

（1）阻抗仿真结果

A层模型的阻抗仿真结果如下图3、4所示，红线代表插头端差分线阻抗值，蓝线代表插座端差分线阻抗值。根据图中所示，阻抗满足指标要求。

图3 A层无定位板差分阻抗仿真结果图

（2）插损仿真结果

A层模型的插损仿真结果如下图5、6所示，红线代表从插座端输入差分信号，在插头端接收信号后测到的插入损耗值，蓝线代表从插头端输入差分信号，在插座端接收信号后测到的插入损耗值。两条线重合，代表该连接器为线性无源器件。根据图中所示，插损满足指标要求。

图4 A层有定位板差分阻抗仿真结果图

图5 A层无定位板插损仿真结果图

图6 A层有定位板插损仿真结果图

4.2 B层仿真模型及结果

4.2.1 B层仿真模型

B层无定位板模型，将A、C、D和定位板删除。B层有定位板模型，将A、C、D删除，并对定位板进行切割。切割后保留定位板长度3.47mm。A层传输线线宽为0.73mm，二分之一波长为15mm，介质层高度为3.47mm，波端口尺寸设置为13.5mm×3.47mm。模型如下图7、8所示。

图7 B层无定位板模型图

图8 B层有定位板模型图

4.2.2 B层仿真结果

（1）阻抗仿真结果

B层模型的阻抗仿真结果如下图9、10所示，红线和淡紫线代表插头端两对差分线的差分阻抗，蓝线和深紫线代表插座端两对差分线的差分阻抗，阻抗满足指标要求。

图9 B层无定位板阻抗仿真结果图

图10 B层有定位板阻抗仿真结果图

（2）插损仿真结果B层模型的插损仿真结果如下图11、12所示，红线（diff1，diff3）和淡紫线（diff2，diff4）代表从插座端输入差分信号，在插头端接收信号后测到的插入损耗值；蓝线（diff3，diff1）和深紫线（diff4，diff2）代表从插头端输入差分信号，在插座端接收信号后测到的插入损耗值。红线和蓝线重合，淡紫线和深紫线重合，说明该连接器为线性无源器件。由图得出插损满足指标要求。

图11 B层无定位板插损仿真结果图

图12 B层有定位板插损仿真结果图

（3）串扰仿真结果

B层模型串扰仿真结果如下图13、14所示。红线代表插头端两差分对间的串扰，紫线代表插座端两差分对间的串扰。串扰的指标要求为0－5GHz内小于－15dB，从图上可以看出，在10GHz范围内，串扰小于－15dB，因此串扰符合指标要求。

图13 B层无定位板近端串扰仿真结果图

5 结论

通过理论计算和仿真分析可知，该连接器结构设计符合指标要求，由于其内部结构与PCB板的带状线结构较为相似，因此可以参考PCB板的差分带状线阻抗计算公式和信号完整性理论分析可知：介质厚度和差分阻抗的关系为正相关。

图14 B层有定位板近端串扰仿真结果图

插损及回损都与阻抗值有密切联系，因此插损及回损的优化应当以阻抗的优化为前提。而串扰与线宽和线间距的比值成比例，与介质厚度也有密切的关系，在后续的设计中可以优化介质材料。