高频连接器设计

Encnnenablesconnection!www.encnn.com连接器设计培训系列高频连接器设计高频连接器简介高频信号分析材料的电磁特性电磁波及其传播传输线连接器传输特性连接器信号完整性电磁波兼容性(EMC)电磁波仿真案例,数据,图片,图示培训时提供Encnnenablesconnection!www.encnn.com高频连接器用于这样的场合:在两个系统或子系统间传输电流或电压脉冲,脉冲的幅度和形状必须控制在可接受的范围内,电压和电流往往较低-几伏，小于1安培.高频信号一般从两个角度来阐述:信号的完整性(SI)---简单地说,是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力.高频信号知识的主体,高频信号理想传输的设计.如波形的完整性,信号的相位的正确性,信号传输组件的固有特征,这些固有特征决定于组件的几何结构和材料性能.目的使被接受的信号接近被发送的信号.电磁波的兼容性(EMC)---外来电磁波,噪声和干扰的排除或限制,包括屏蔽,滤波,接地等方式及控制电磁波的干扰和射频干扰的做法信号完整性和电磁波兼容性都是设计的重要方面.电磁波兼容性好的系统往往不干扰或不遭受周围其他设备的干扰.高速数字电子系统的发展和繁衍使EMC和SI成为主要的连接技术高频连接器简介Encnnenablesconnection!www.encnn.com历史上直流电阻是连接器电性能的主要指标,随着信号传输速度的不断提高,连接器高频传输性能日益重要,在有些应用领域,特征阻抗比电阻还重要.正如经典牛顿定律是相对论力学在一定条件下的一种近似理论,欧姆定律是麦克斯韦方程在一定条件下的一种近似表达法.当速度很低(相对于光速)时牛顿定律非常精准,实际上人类登月球就在牛顿定律应用范围内,但在微观粒子高速领域牛顿定律就失效,相对论力学才能准确描述时空问题.相似的,当频率较高时欧姆定律无法解决高速信号传输问题,只有麦克斯韦方程才适合多高频率需做信号传输分析呢？高频信号分析案例1-立体声系统电路25kHz—波长12km案例2-电脑子板电路1GHz—波长0.3mEncnnenablesconnection!www.encnn.com信号分为模拟信号和数字信号.模拟信号需留意波形的保持,因为波形包含了被传输的信息数字信号是二进制(1或0),往往以脉冲体现（脉冲的存在为1,否则为0).需确保脉冲的一定幅度,因为一定的电压或电流才能触发信号,也需保证脉冲的形状(特别是上升时间-risetime)-传输过程影响脉冲幅度数字信号往往是高频的脉冲信号,模拟信号能用组合的数字信号来替代.连接器更注重高频脉冲信号的性能要求模拟信号是正弦波,数字信号常常是”方波”模拟与数字信号Encnnenablesconnection!www.encnn.com上升时间(Rise-time)：信号从10%的幅度上升到90%的幅度所需的时间-有些定义的百分比可能不同.上升时间衡量数字信号的上升边缘的“陡峭性”,决定最高频率傅里叶分解:任何周期信号能用无限(实际应用是有限谐波-精度够便可)的正弦波组合而成.最高频率组分决定了信号的最高频率最高频率与上升时间的关系高频信号分析4个奇次谐波组合接近方波方波的上升边缘由最高频率组分逼近,上升边缘决定最高频率单位:赫兹,秒如,100皮秒上升时间对应3.5GHzEncnnenablesconnection!www.encnn.com材料的电磁特性决定电磁波在材料中的传输性能.材料可分为导体和绝缘材料.材料的电磁特性包括导电率,介电常数,磁导率,损耗导体与绝缘材料:导体主要是金属材料,导电性是导体的主要特征,含有磁性物质的导体,磁导率是另外一个重要特征.绝缘材料导电性很差,介电常数和磁导率是绝缘材料的主要特征,对于连接器的绝缘材料,更常用的是介电常数导电性:衡量电流在材料里流动的难易程度，是电流密度与电场的比值,银具有最好的导电性.在高频连接器导体被视为理想导体,具有无限的导电性.介电常数:用于衡量绝缘体储存电能的性能,代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强.介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率或相对电容率。如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样.当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长.连接器常用的绝缘材料的介电常数一般在2-5间,如特氟龙是2.1,FR4是4.6材料的电磁特性Encnnenablesconnection!www.encnn.com磁导率magneticpermeability:在电磁学中，磁导率是一种材料对一个外加磁场线性反应的磁化程度，磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。分为绝对磁导率和相对磁导率，是表征磁介质导磁性能的物理量.分为绝对磁导率和相对磁导率.通常使用的是磁介质的相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比，即μr=μ/μ0.对于顺磁质μr>1；对于抗磁质μr<1，但两者的μr都与1相差无几。在铁磁质中，B与H的关系是非线性的磁滞回线，μr不是常量，与H有关，其数值远大于1。例如，如果空气(非磁性材料)的磁导率是1，则铁氧体的磁导率为10，000，即当比较时，以通过磁性材料的磁通密度是10,000倍.通常，磁导率不是一个常数，它可随在媒质中的位置，施加场的频率，湿度，温度，和其他一些参数而变化。在一个非线性介质中，磁导率取决于磁场的强度。磁导率作为频率的函数可以呈现实值也可以是复值。在铁磁性材料中，B和H的关系表现为非线性和迟滞性损耗Loss:材料引起的传输损耗有两方面因素:导体的电阻和绝缘材料的电流在设计时,我们可以将导体认为是理想导体-没有电阻,实际上任何导体都存在一定电阻,会消耗能量(生成热量).也就是直流电压变化.在设计时,我们可以将绝缘材料认为是理想材料-不消耗任何电磁能量,实际上任何绝缘材料会储存电能-也就是漏电引起的电压波形畸变,也以热的形式体现--见介电常数定义材料的电磁特性Encnnenablesconnection!www.encnn.com电磁能量以波的形式在媒介传播,电磁波及其传播特性如下:电磁场电磁波及其传播电磁波由电场和磁场组成.电场和磁场与传播方向3者相互垂直.电场和磁场总是同相位传播.电场与磁场的幅度关系是一个常数,它决定于媒介的介电常数与磁导率电磁波传播速度电磁波在真空中以光的速度传播,在其他介质相应降低公式中的介电常数是有效介电常数,因为电磁波可能在不止一种介质中传播.有效介电常数不是算术平均值，因为它决定于电场在介质中的分布,电场分布较大的介质的介电常数应更重地加权磁性材料非磁性材料Encnnenablesconnection!www.encnn.com电磁波速度,波长和频率的关系:电磁波在导体和绝缘材料中的传播特点：高频信号在一组导体中传播时,导体引导电磁波位于导体间且电磁波几乎被包容在周围的绝缘材料中--事实上导体内的电磁场几乎是零,换而言之,电磁能量的传输几乎发生在绝缘材料中而不是导体中,故高频传输中绝缘材料的特征(如介电常数)是我们的关注重点.趋肤效应skineffect:高频传输中,几乎所有的电流集中在导体的表面,因为导体内部的电磁场几乎等于零.趋肤深度(skindepth),表征电流趋肤的程度,指电流降至表面电流1/e(0.386)的深度.频率与导电性和趋肤深度存在反向比例.这意味着频率越高导体表面电流越大,产生的热量损耗越大.导体表面电荷分布:正负电荷总是在正(信号线)负(地线)导体表面成对同向流动电磁波及其传播σ-导电率μ-导电率Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线的意义:在做高频信号传输分析时,一般不会直接应用麦克斯韦方程直接来求解,因为处理该方程甚为复杂.人们在应用中探索出一些较为简便的电磁波的传输方式,据此也得到传输线理论.传输线理论是常用的简单化的分析电磁波的手段,传输线的性能及常见指标如下:电容:传输线电容增大:介电常数增大导体的表面积增大导体间的距离减小电容减小:介电常数减小导体的表面积减小导体间的距离减加Encnnenablesconnection!www.encnn.com电感:电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。当线圈通入非稳态电流时，周围就会产生变化的磁场。通入线圈的功率越大，激励出来的磁场强度越高，反之则小（磁感应强度达到饱和之前）。电感是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变。这种电感称为自感（self-inductance)两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度.电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量.电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大；磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。传输线单圈磁通量电流Encnnenablesconnection!www.encnn.com特征阻抗:信号的传输过程中，在信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源平面或地平面）之间由于电场的建立，就会产生一个瞬间的电流，那么只要信号在传输，就会始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，则在信号传输过程中（注意是传输过程中），传输线就会等效成一个“电阻”，大小为V/I，我们把这个等效的“电阻”称为传输线的特征阻抗（characteristicImpedance)传输线传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成.一个传输线的微分线段可以用等效电路描述如右图：若每一小段线的阻抗都是相等的。传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。Encnnenablesconnection!www.encnn.com特征阻抗:信号在传输的过程中，如果传输路径上的特征阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟.传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。同轴线获得最大通过功率的最佳直径比是1.65,对于空气介质，特征阻抗是30欧姆.同轴线获得最小衰减系数的最佳直径比是3.6,对于空气介质，特征阻抗是77欧姆.目前微波技术常用的同轴线特征阻抗为75和50欧姆,前者接近衰减最小的要求,后者兼顾了大功率与小衰减系数的要求.传输线单端传输线Encnnenablesconnection!www.encnn.com单端传输线（通常称为非平衡式）:单端传输线是连接两个设备的最为常见的方法。在上图中，一条导线连接了一个设备的源和另一个设备的负载，参考（接地）层提供了信号回路。信号跃变时，电流回路中的电流也是变化的，它将产生地线回路的电压降，构成地线回路噪声，这也成为系统中其他单端传输线接收器的噪声源，从而降低系统噪声容限。这是一个非平衡线路的示例，信号线路和返回线路在几何尺寸上不同高频情况下单端传输线的特性阻抗（也就是通常所说的单端阻抗）为：其中：L为单位长度传输线的固有电感，C为单位长度传输线的固有电容。单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关系如下：与迹线到参考平面的距离（介质层厚度）成正比与迹线的线宽成反比与迹线的高度成反比与介电常数的平方根成反比单端传输线特性阻抗的范围通常情况下为25Ω至120Ω，几个较常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。传输线Encnnenablesconnection!www.encnn.com差分传输线(通常称为平衡式):差分传输线适用于对噪声隔离和改善时钟频率要求较高的情况。在差分模式中，传输线路是成对布放的，两条线路上传输的信号电压、电流值相等，但相位（极性）相反。由于信号在一对迹线中进行传输，在其中一条迹线上出现的任何电子噪声与另一条迹线上出现的电子噪声完全相同（并非反向），两条线路之间生成的场将相互抵消，因此与单端非平衡式传输线相比，只产生极小的地线回路噪声，并且减少了外部噪声的问题。这是一个平衡线路的示例--信号线和回路线的几何尺寸相同。平衡式传输线不会对其他线路产生噪声，同时也不易受系统其他线路产生的噪声的干扰。差分模式传输线的特性阻抗（也就是通常所说的差分阻抗）指的是差分传输线中两条导线之间的阻抗，它与差分传输线中每条导线对地的特性阻抗是有区别的，主要表现为：间距很远的差分对信号，其特性阻抗是单个信号线对地特性阻抗的两倍。间距较近的差分对信号，其特性阻抗比单个信号线对地特性阻抗的两倍小。别的因素保持不变时，差分对信号之间的间距越小其特性阻抗越低（差分阻抗与差份线对之间的间距成反比）。差分传输线特性阻抗通常情况下为100Ω，有时也用到75Ω。传输线Encnnenablesconnection!www.encnn.com多层PCB板生产时PCB迹线可分布于表面或者内层，这两种情况下PCB迹线的参考平面有所不同，所以又可将PCB迹线分为微波传输带（Microstrip）和带状线（Stripline）传输线路。微波传输带传输线路是由一条安装在可导接地层的低损耗绝缘体上的控制宽度的可导迹线构成的。该绝缘体通常使用强化玻璃环氧树脂制造，例如G10、FR-4或PTFE，用于超高频应用。带状线传输线路通常包括夹在两个参考层和绝缘材质之间的导线迹线。传输线路和层构成了控制阻抗。带状线与微波传输带的不同之处在于它嵌入到两个参考层之间的绝缘材质中，带状线阻抗参考两个平面，阻抗迹线在内层，而微波传输带只有一个参考平面，阻抗迹线在PCB板的外层（表层）。PCB迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定，这些因子将是迹线物理尺寸（例如迹线的宽度和厚度）和PCB底板材质的绝缘常数和绝缘厚度的函数，因此也可以说，PCB板迹线的阻抗值由信号迹线的物理尺寸（宽度和厚度）、线路板绝缘常数、绝缘介质厚度、信号迹线与层的配置决定。传输线Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线微带线单端表面式单端嵌入式单端覆盖式/阻焊层差分表面式边缘耦合差分嵌入式边缘耦合差分覆盖式边缘耦合Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线带状线单端对称单端偏移单端双路-信号相互垂直差分对称边缘耦合差分偏移边缘耦合差分宽边耦合Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线带状线—共面版本-表面共面带接地不带接地差分Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线特征阻抗计算Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线反射系数在传输线相交结点处(线路参数发生突变)，反射波电压(或电流)与入射波电压(或电流)之比Z1是界面处入射波的特征阻抗Z2是界面处入射波另一侧的特征阻抗Z2>Z1，系数为正,相位不变Z2<Z1，系数为负,相位改变180°Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线反射系数Encnnenablesconnection!www.encnn.com传输线多层反射Encnnenablesconnection!www.encnn.com连接器特征阻抗的不连续性连接器由于结构的固有特性使特征阻抗不具连续性,体现在:介电常数导体或绝缘零件的几何结构导体的间距连接器的传输特性介电常数变化:1,从PCB到空气2,从空气到塑胶3,从塑胶到空气导体间距变化:端子折弯处导体外径变化:Encnnenablesconnection!www.encnn.com屏蔽和非屏蔽连接器是否屏蔽:电磁场是否完全被限制在导体周围.连接器的传输特性Encnnenablesconnection!www.encnn.com影响信号完整性的因素有:特征阻抗;串扰;传播延迟;衰减;信号弥散(dispersion)A,反射:1,阻抗匹配阻抗匹配的工作是调整几何结构和材料性能使连接器的每个界面的特征阻抗尽可能接近设计理想值,包括介电常数,导体长度和间距及截面积的调控,由特征阻抗公式可知,无损耗传输线的特征阻抗决定于电容和电感,可这样调整:增加特征阻抗,降低电容降低特征阻抗,增加电容增加特征阻抗,增加电感降低特征阻抗,降低电感电容调整方式:增加电容:增加有效介电常数;增加导体间面对面的面积;减少导体间的间距降低电容:降低有效介电常数;减少导体间面对面的面积;增加导体间的间距连接器信号完整性Encnnenablesconnection!www.encnn.com电感调整方式:增加电感:增加导体长度;增加导体间距降低电感:减少导体长度;减少导体间距有些场合,有些参数的调整同时影响电容和电感,甚至相互抵消.如增加导体的长度可以增加导体间面对面的面积,这不仅增加电容也增加电感在很多场合电磁场的分布是极为复杂的工程技术问题,用传统方式很难计算出特征阻抗,经常要借助有限元分析增加地线控制连接器特征阻抗的变异:a,增加地线pin地线pin的设置和地线pin数量的增加改善信号的完整性,但降低可用信号pin的数量,降低信号pin密度.地线pin的位置也很有讲究:使信号pin与相邻地线pin的间距最小能改善性能,也能降低串扰.连接器信号完整性Encnnenablesconnection!www.encnn.comb,增加地线层连接器信号完整性地线层未画出带状线结构Encnnenablesconnection!www.encnn.com性能比较连接器信号完整性地线层在性能和信号密度有优势:相对于pin，地线层屏蔽效果较佳,故特征阻抗控制和串扰控制较好;密度的优势很明显直观—有的地线层甚至被兼用作电源分配路径.c,尽量降低连接器导体的长度和几何结构Encnnenablesconnection!www.encnn.com2,补偿补偿是控制特征阻抗的常用手段:当一段传输线无法实现所需的特征阻抗可通过在该传输线添加一小段特征阻抗不一样的传输线.若传输线特征阻抗比所需的特征阻抗小,则添加的一小段传输线的特征阻抗要比整体特征阻抗大些,反之也然.若空间许可,最好将补偿段分成两小段,分别放置于被补偿段的两侧连接器信号完整性Encnnenablesconnection!www.encnn.comB,串扰:串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响连接器信号完整性右图被干扰线耦合到容性噪声Sc和感性噪声Sl,容性噪声Sc以相同的极性向向两端传送而感性噪声Sl以不同的极性向向两端传送近端串扰:在近端感性噪声Sl和容性噪声Sc相加,串扰较强远端串扰:在远端感性噪声Sl和容性噪声Sc相减,串扰较强较弱串扰的控制/降低非所需的耦合•增加信号线的间距•减少信号线与地线的间距•降低反射•降低并行长度•信号线间添加地线•采用差分技术Encnnenablesconnection!www.encnn.comC,传输延迟:信号是以有限的速度在传输线传播,信号延迟是无法避免的,但是介电常数决定传播速度,故正确选择介电常数非常重要,较小的介电常数的媒介(如空气,发泡PE,Teflon）有利于减少传输延迟连接器信号完整性若两信号有不同的路径长度(见右图)或经历不同的有效介电常数,传输延迟会引起信号扭曲/信号倾斜(skew)现象.对于同步性要求较高的应用信号倾斜会出现问题,如差分线路,”与门”/ANDgate的输入Encnnenablesconnection!www.encnn.comD,衰减:信号传输时,信号幅度减小是不可避免的.因为真实的传输线路不是无损耗的.绝缘材料不是完全绝缘而导体也非零电阻,这些衰减以热量的形式体现.选择绝缘性好的绝缘材料和导电性好的导体有利于减低衰减连接器信号完整性由于趋肤效应,高频信号的电流倾向于在导体表面流动,这相当于减少导体的有效导电面积.在高频率时,有效导电面积的减少意味着电阻的增加.Encnnenablesconnection!www.encnn.comD,信号弥散:信号不同频率的组分在非均匀介质(如空气+塑胶料)中电磁场的分布是不一致的,即有效介电常数不一样,当信号在非均匀介质传播时,不同频率的组分的传播速度不一样---有效介电常数决定信号的速度.这样会产生信号变形,即信号弥散.连接器信号完整性降低信号弥散的措施:尽量应用均匀的介质Encnnenablesconnection!www.encnn.com电磁波兼容性(EMC).指电子设备或电子系统在它指定的工作环境中不产生干扰电磁波影响别的设备也不被别的设备产生的电磁波干扰的能力.要实现兼容性需管控或管理内外电磁波的干扰.电磁波干扰(EMI)电子设备往往工作在电磁波环境下,这种电磁波影响和干扰电子设备或系统.EMI可分为传导性的或辐射性的.传导性的EMI通过导体路径进入系统,如当两路信号连到同一地线或接点,两路信号的电压相互影响,地线电压也受另一路信号电压影响,这就是所说的共模阻抗耦合(电导耦合).辐射性干扰通过空气或其它绝缘材料辐射耦合,其中一路电路是发射天线(任何导体可用作天线)另一路是接收天线.任何好的接受天线也是好的发射电线,反之也然.电磁共振,当导体的尺寸或开槽尺寸(用作天线)接近电磁波的波长的1/4倍会产生电磁共振,其强度比原来电磁波高几个数量级.当特征阻抗不匹配时会出现反射,反射有助于辐射.故具有较好SI的设计也是具有较好EMC的设计,反之也然.电磁波兼容性Encnnenablesconnection!www.encnn.com接地:好的接地是必不可少的,但要小心处理接地系统.不良接地是噪声耦合和传导干扰的主要方式.理想接地点是共用的电压参考点,该点的电压不会因为电流的进出有什么变化.好的接地设计,特别是在高频应用,是低成本EMC的有效步骤,对其他改善EMC的方法也非常重要,如屏蔽,滤波.屏蔽:屏蔽是抵御辐射的电磁波,把它限制或排除在一定区域.屏蔽反射和吸收EMI,屏蔽的效果取决于入侵波的频率和阻抗,屏蔽材料特性,屏蔽不连续处的形状和数量.电磁波兼容性连接器的屏蔽效果与所连接的电缆息息相关,若电缆的屏蔽性能受损连接器的屏蔽也无法达到他的要求.连接器的屏蔽性能需与电缆一起定义Encnnenablesconnection!www.encnn.com滤波:滤波是抵御传导性EMI的手段.典型的是低通滤波,将高频噪音从低频信号分开,往往采用旁路电容结构,常应用于电源电路.电缆常是辐射的源头,将输出电缆滤波能避免辐射.电磁波兼容性Encnnenablesconnection!www.encnn.com从连接器的传输特性可知,连接器由于结构的固有特性使特征阻抗不具连续性,连接器传输性的设计是极为复杂的工程技术难题,借助有限元分析对连接器进行电磁仿真是连接器设计的趋势,甚至是必由之路.2D分析:连接器各截面(尤其是几何结构或材料发生改变的截面)的分析:特征阻抗,电容,电感,电阻3D频域分析:S参数；VSWR；IL；串扰；屏蔽效果3D时域分析:特征阻抗;S参数；VSWR；IL；串扰；电流和电荷密度动画电磁波仿真