連接器高頻設(shè)計

高頻連接器設(shè)計重點目前一頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點1前言------------------------------------------------2信號傳輸?shù)姆绞?--------------------------------3高頻連接器的條件------------------------------4高頻連接器的重點要求項目------------------5波動和波導---------------------------------------6特性阻抗------------------------------------------7串音雜訊------------------------------------------8傳遞延遲------------------------------------------9偏移------------------------------------------------10衰減------------------------------------------------11實際分析部分------------------------------------------目錄目前二頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點電子連接器（Electricalconnector）是泛指所有用在電子訊號與電源上的連接元件及附屬配件，廣義的連接器還包含插座、插頭及Cable組立等。從電子封裝的觀點上來看，連接器是互相連接（interconnection）部份可離合或是替換的元件，換言之是所有訊號間的橋梁，因此連接器的性質(zhì)將會牽動整個電子系統(tǒng)的運作品質(zhì)。電子連接器主要的功能為完整且正確的傳輸訊號，所以在整個電子系統(tǒng)中，電子連接器是一個典型的被動元件，它的發(fā)展與演進完全跟著電腦的CPU，近年來由于CPU的速度不斷提高，由早期的33MHz、66MHz到PentiumIII500MHz至最近的Pentium43.06GHz，連帶地提升主機板與電腦周邊的電子信號傳輸速度，因此擔任電子信號傳輸橋梁的電子連接器的高頻電氣特性，便成為電子連接器廠商一個重要的議題。1.前言目前三頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點信號的傳輸方式，可分為兩種：1.單端信號（single-ended）2.差動信號（differentialmodesignal）2.信號傳輸?shù)姆绞剿^的單端信號，既是在驅(qū)動器和接收器中，一個信號的傳輸僅需要一個導體（端子pin）。差動信號的傳輸則是在驅(qū)動器和接收器中，需要兩個完全相同并且匹配的導體，在這兩個導體上所傳輸?shù)男盘枮閮蓚€互補的信號，也就是大小相同（振幅相同）并且極性相反（相位差180度）的兩個信號。目前四頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點由于電子連接器為一被動元件，它的主要功能為將信號完整的由IC傳至DEVICE及傳回IC，而所謂信號完整的定義為信號在電路中能以要求的時序和電壓做出響應(yīng)的能力，也就是判斷數(shù)位訊號是0或是1。當電路中信號能以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達IC，該電路就有很好的信號完整性：反之，就出現(xiàn)了信號完整性的問題，IC就可能誤判或丟失部分數(shù)據(jù)。在基本的電路學理論，只是電磁理論馬克斯威爾方程式的近似，也就是在特殊的狀況下才合理，主要是因為在電路學中，元件大小遠小于信號的波長，由于波長遠大于元件尺寸時，信號通過元件后的電壓電流的相位差可以忽略不計，則此時的元件視為集總元件（Lumpedelement），換句話說，當工作頻率在微波頻段中時，元件的尺寸與波長大小差不多，則信號通過元件后的電壓電流位差異很可能有大的差異，則此時的元件為散布元件（distributedelement）。2.信號傳輸?shù)姆绞侥壳拔屙揬總數(shù)六十二頁\編于十九點3.高頻連接器的條件何種電子連接器必須考慮高頻的影響，以下為一般的推論：由上可得若電子連接器長度大于λ/12mm，則必須視為散布元件（distributedelement），在此狀況下就要考慮高頻效應(yīng)的影響。目前六頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點例：USB連接器長度約為33mmUSB1.1中其最快傳輸速度為12Mbps，上升時間（risetime）為20ns所以由Tr×f=0.5中可得出f=0.5/Tr=25MHz再由λ=c/f中可求出λ=3×108/25×106M=12M=12000mmL/6=λ/12=12000/12(mm)=1000(mm)>>33(mm)所以在USB1.1中并不須去考慮高頻的效應(yīng)。反觀在USB2.0中，其最快傳輸速度為480Mbps，上升時間（risetime）為500ps，所以由Tr×f=0.5中可得出f=0.5/Tr=1GHz再由λ=c/f中可求出λ=3×108/1×109M=0.3M=300mmL/6=λ/12=300/12(mm)=25(mm)<33(mm)所以在USB2.0中就必須考慮高頻的效應(yīng)。（以上推論是在€=1的條件下）3.高頻連接器的條件目前七頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點特性阻抗（CharacteristicImpedance)串音雜訊（Crosstalk）傳遞延遲（PropagationDelay）偏移（Skew）介入損失（InsertionLoss）or衰減（Attenuation）4.高頻連接器的重點要求項目目前八頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點波動的幾個重要物理概念：波速（wavevelocity）阻抗（impedance）反射（reflection）與穿射（transmission）

5.波動和波導波動和波導目前九頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點6.特性阻抗連接器的自容和自感會影響其特性阻抗(impedance)電磁波在傳輸線中傳遞時，會因為傳輸線中特性阻抗的不連續(xù)或不匹配，而造成電磁波的反射，因此連接器的特性阻抗必須與前后的傳輸線相近。若是連接器和系統(tǒng)發(fā)生阻抗不匹配(impedancemismatch)的現(xiàn)象，如此一來此高頻參數(shù)（特性阻抗）將扮演信號傳輸時衰減量的來源之一。為什么談特性阻抗目前十頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬訊號線長度變化對自容和自感值的影響電氣參數(shù)高度變化自容值Cself（pF)自感值Lself（nH)4.5mm0.7134751.867996.5mm0.8115672.7201112mm1.07445.0986414mm1.164625.93517發(fā)現(xiàn)隨著訊號線長度越長自容和自感值有上升的趨勢6.特性阻抗目前十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬訊號線長度變化對特性阻抗的影響發(fā)現(xiàn)隨著訊號線長度越長自容和自感值有上升的趨勢。6.特性阻抗目前十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬介電常數(shù)變化對自容和自感值的影響隨著介電常數(shù)的增加，其自容值也會隨之增加，然而軟體中，改變介電常數(shù)只會影響電容值的計算，然而不會改變電感值的計算。6.特性阻抗目前十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬介電常數(shù)變化對特性阻抗的影響隨著介電常數(shù)的增加，其特性阻抗值會隨之減少。6.特性阻抗目前十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點Pointtoremember隨著訊號線長度越長其特性阻抗會有上升的趨勢。隨著介電常數(shù)的增加，其特性阻抗值會隨之減少。6.特性阻抗目前十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點什么是串音雜訊（Crosstalk）串音雜訊是由于動態(tài)信號（或時變電壓、電流），因電磁感應(yīng)定律所引起的電磁波，對鄰近的信號線造成的干擾，在高頻的時候此種現(xiàn)象將會更加嚴重。在兩導體間的串音雜訊是依據(jù)其間的互容與互感。串音雜訊又分為近端雜訊(backward)和遠端雜訊(forward)7.串音雜訊目前十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點為什么要談串音雜訊控制串音雜訊的原因，首先是串音雜訊會使得信號線上的信號衰減，極度的衰減會使得無法觸發(fā)想驅(qū)動的元件。再者若被害端作為信號線時，則串音雜訊會使得被害端的信號失真，進而使得被害端無法稱為觸發(fā)元件。串音雜訊會產(chǎn)生假信號。7.串音雜訊目前十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬串音雜訊和頻率的關(guān)系上升時間愈短表示愈高頻，由上圖得知當上升時間愈短。時其近端和遠端串音雜訊會愈大。Tr*f=0.57.串音雜訊目前十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點由上圖可以發(fā)現(xiàn)當兩信號線間的距離愈靠近時，串音雜訊的峰值會愈大，也就是產(chǎn)生的串音雜訊愈嚴重。模擬串音雜訊和信號線間距的關(guān)系7.串音雜訊目前十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬串音雜訊和介電常數(shù)的關(guān)系在遠端時互容造成的電容性電流和互感造成的電感性電流的極性相反，當互容值隨著介電參數(shù)的增加而增加，加上互感值不變，可以發(fā)現(xiàn)當介電常數(shù)增加時，對應(yīng)的遠端串音雜訊將會變小。在近端時，因為電容性電流和電感性電流的極性是相同的，所以具有相加性，所以近端串音雜訊將隨著介電常數(shù)的增加而增加。7.串音雜訊目前二十頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點模擬不同高度對串音雜訊的影響由上圖得知，當連接器高度愈高時（即端子長度愈長），其近端和遠端串音雜訊會愈大。7.串音雜訊目前二十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點Pointtoremember串音雜訊的產(chǎn)生是由于驅(qū)動導體的周圍電磁場耦合到鄰近的導體。串音雜訊的強度主要是由兩導體分開的距離和入侵與被害端的橫截面幾何來決定。減少串音雜訊的方法：

1.增加兩導體之間的距離。

2.減少導體的橫截面。

3.導體長度愈短愈好。

4.改變膠芯的介電常數(shù)。7.串音雜訊目前二十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點把人比喻成訊號人跑步比喻成訊號傳輸跑步經(jīng)過的路比喻成訊號傳輸?shù)穆窂饺藦钠鹋苎刂纷詈蟮竭_目的地所花費的時間稱為總共的傳遞時間延遲何謂傳遞延遲（PropagationDelay）8.傳遞延遲目前二十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂傳遞延遲（PropagationDelay）根據(jù)ANSI/EIA364-103規(guī)范所定義，傳遞時間乃是訊號通過待測物所需要的時間。所謂的傳遞時間乃是電磁波在每單位長度傳輸線中，傳遞所需要的時間，因此傳遞時間也就是波傳速度的倒數(shù)。對連接器而言，有時傳遞時間是指電磁波通過整個連接器所需要的時間。8.傳遞延遲目前二十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點傳遞速度（PropagationVelocity）電子信號的傳遞速度是依據(jù)其周遭的環(huán)境所決定，在傳輸線中的傳遞速度為：無損耗傳輸線的傳遞速度可以表示為：8.傳遞延遲目前二十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點傳遞延遲（PropagationDelay）的決定根據(jù)ANSI/EIA364-103規(guī)范所定義，量測傳遞延遲是以輸入信號和輸出信號在振幅10%和50%之間的時間差。8.傳遞延遲目前二十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點Pointtoremember降低單位長度的電容或降低單位長度的電感，可降低傳遞延遲（PropagationDelay）增加介質(zhì)的介電系數(shù)，可降低傳遞延遲（PropagationDelay）8.傳遞延遲目前二十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點許多的人比喻成許多的訊號許多人跑步比喻成許多的訊號傳輸跑步經(jīng)過的路比喻成訊號傳輸?shù)穆窂矫總€人從起跑沿著路最后到達目的地所花費的時間差異稱為Skew何謂偏移（Skew）9.偏移目前二十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂偏移（Skew）偏移（skew）也就是信號傳遞的時間差，時間偏移又有分成兩種，分別是intra-pairskew和inter-pairskew。intra-pairskew是信號在相同信號對（samedatapair）中傳遞的時間差。inter-pairskew是信號在不同信號對（differentialdatapair）中傳遞的時間差。9.偏移目前二十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點偏移（Skew）的影響規(guī)范中定義的Intra-pairskew是為了確保同一對差動信號經(jīng)過連接器一對端子后，還可以保持能接受的差動不平衡，才能使得差動信號的優(yōu)點表現(xiàn)出來。若此兩互補的差動信號的Intra-pairskew不相同，則會影響邏輯轉(zhuǎn)換的時間，嚴重則會造成不觸發(fā)。Inter-pairskew若是差異太大，則會造成不觸發(fā)或是不同步觸發(fā)。9.偏移目前三十頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點Pointtoremember偏移為傳輸路徑的設(shè)計、尤其是傳輸路徑的長度和絕緣介電值的一個函數(shù)。Intra-pairskew的考量中，在同一對信號中的兩個導體其傳輸路徑的長度必須相同，傳輸環(huán)境必須相同，也就是導體的結(jié)構(gòu)和材料以及周圍的絕緣介電質(zhì)（介電常數(shù)）必須相同。而Inter-pairskew的考量和Intra-pairskew的考量是相同的，不過要不同對的傳輸路徑。傳遞信號的導體長度越長，其造成的intra-pairskew會越大。9.偏移目前三十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點把人比喻成訊號人跑步比喻成訊號傳輸跑步經(jīng)過的路比喻成訊號傳輸?shù)穆窂饺藦钠鹋苎刂纷詈蟮竭_目的地所消耗的能量稱為總共的衰減量何謂衰減10.衰減目前三十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂衰減（Attenuation）或介入損失（Insertionloss）平均功率（averagepower）的傳輸經(jīng)由待側(cè)無（連接器）的輸入端到輸出端所產(chǎn)生的損失稱為衰減，通常是以dB值來測量。10.衰減目前三十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點為什么談衰減原始的方波信號走的越遠，信號就越來越不像方波，其改變不只是振幅而已，還會改變其邊緣的情況，這就是信號的衰減。10.衰減目前三十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點造成衰減的因素船速線的結(jié)構(gòu)（TransmissionLineStructure）。介質(zhì)材料性質(zhì)（DielectricMaterialProperty）。導體的電氣特性（Resistance）。信號的頻率（SignalFrequency）。10.衰減目前三十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點衰減的模式導體的損失（copperloss，電阻所導致功率的損失，所以要減少電阻所造成的損失）。發(fā)射損失（reflectionloss，傳輸路徑中的不連續(xù)處的阻抗不匹配所造成的損失）。介電損失（dielectricloss，介電材料性質(zhì)，由于介電質(zhì)材料具有很大但不是無限大的電阻，因此會造成一些功率的損失，為頻率和傳輸距離的函數(shù)，頻率愈高或距離愈長介電損失愈嚴重）。輻射損失（radiationloss，在高頻的時候有較多的電磁波能量輻射出去）。10.衰減目前三十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂導體的損失電阻：代表電流在物體中的傳導阻礙強度，能量以熱能的方式損耗，即信號通過電阻時會產(chǎn)生壓降。10.衰減目前三十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂反射的損失10.衰減目前三十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂介電損失（dielectricloss）所謂的介電損失乃是介質(zhì)材料的一種高頻特性，入射的電磁波功率因為介電而轉(zhuǎn)變成熱，稱為介電損失。介電質(zhì)材料所造成的介電損失是由其losstangent的參數(shù)來決定的，losstangent越小則介電損失就越少?？諝獾膌osstangent為0。10.衰減目前三十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點常用塑膠材料的介電系數(shù)與損失因子種類LCPPA6TPBTPA46PA9T編號VectraE130iC430NSHINITED202TE250F6G2330供應(yīng)商Ticona三井（Mistsui）新光DSMGenestar介電常數(shù)（1MHz）（DielectricConstant）3.843到443.7正切損耗或散失因子（1MHz）（Dielectricdissapation）0.0320.013？？？0.0160.01410.衰減目前四十頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點何謂輻射損失（radiationloss）

當在頻率非常高時，具有一段長度的傳輸導體就會像天線一樣，會輻射電磁的能量。輻射損失和介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)，介質(zhì)的介電常數(shù)以及傳輸導體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

10.衰減目前四十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點Summary高頻連接器設(shè)計重點：1.定數(shù)：接觸面的端子Pitch及寬度，Connector的高度。2.變數(shù)：端子寬度（非接觸區(qū)）、厚度、結(jié)構(gòu)，Housing的結(jié)構(gòu)及介電常數(shù)。3.交互影響：阻抗低→增加電感→增加端子長度→阻抗提高端子長度加長→

PropagationDelay更嚴重Insertionloss更大11.Summary目前四十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點實際分析部分一.相關(guān)概念二.高頻連接器的特點三.高頻連接器的性能四.設(shè)計流程及範例目前四十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點目前四十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點1.按工作頻率：低頻和高頻視頻：頻率范圍在3HZ∽30MHZ之間的無線電波

射頻：頻率范圍在3千HZ∽3000GHZ之間的無線電波

(RadioFrequency)一.高頻及其他相關(guān)概念Notes:1GHz=1,000MHz,1MHz=1,000,000Hz目前四十五頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點同軸射頻連接器范例目前四十六頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點目前四十七頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點二.高頻連接器,具備如下幾個特點:目前四十八頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點1-1特性阻抗(impendence):水管例子講解1-2插入損耗(insertionloss):對連接器的要求主要是插入損耗小，反射損耗高,插入損失是指由于連接器的引入而導致的鏈路功率損耗,定義為連接器的輸出功率與輸入功率比的分貝數(shù).如圖2,設(shè)輸入功率為PI,輸出功率為PO,.則此連接器的插入損耗為:

三.高頻/射頻連接器的基本性能

目前四十九頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點1-3電壓駐波比（VSWR）（VoltageStandingWaveRatio):電壓駐波比（VSWR）是射頻技術(shù)中最常用的參數(shù)，用來衡量部件之間的匹配是否良好。

電壓駐波比用來表述端口的匹配性能的。同一性能還可用回波損耗來表述。這兩個指標定義如下，

電壓駐波比：

VSWR=(1+|r|)/(1-|r|)

r：為發(fā)射系數(shù)=ZL-Z0/ZL+Z0

ZL為輸入阻抗，Z0為理想阻抗

回波損耗：

RL=10log(入射功率/反射功率)

1-4串擾（crosstalk）GroundandgroundpindistributionPinlengthAggressortovictimpindistanceGroundloopsImpedancemismatchesRise-time目前五十頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點1-5傳輸延遲（delay）1-6時滯（skew）:時滯即時間延遲1-7

衰減:信號在通道中傳輸時，會隨著傳輸距離的增加而逐漸變小,衰減(Attenuation)

衰減是指信號幅度沿鏈路傳輸?shù)臏p弱，是由于電纜的電阻所造成的電能損耗以及電纜絕緣材料所造成的電能泄漏，衰減以分貝（db）表示，低的衰減值表示鏈路的性能好，而鏈路越長，頻率越高，衰減就越大。試想一下，一個過分衰減的的信號，接收端又怎能識別呢！

目前五十一頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點四.設(shè)計相關(guān)技術(shù)與流程目前五十二頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點目前五十三頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點SASConnector,CompleteMechanicalModelAreaofinterestReceptacleSidePlugSideTocharacterizetheelectricalperformanceoftheSASconnector,themodelonlyincludedtheportionhighlightedabove.目前五十四頁\總數(shù)六十二頁\編于十九點ElectricalAnalysisModelThisfigureshowsthe9-pinmodelfortheelectricalsimulation.T