淺談高速連接器的選擇及注意事項

對于當前的任何一個電子產品來講，什么是必不可少的？這個回答肯定有非常多的答案。今天我們要討論的是其中不可或缺的一個器件，就是連接器。當然，是對于一個產品設計工程師來講，選擇連接器已然成為了其工作中非常重要的一個部分。

現(xiàn)在在一些大型的公司，都有專門的連接器（connector）和線纜（cable）工程師，他們會負責所有的連接器的選型和驗證。當然，小型點的公司可能由結構工程師（ME）或者電子工程師進行選擇和驗證。顯然，當產品的接口速率非常高的時候，傳統(tǒng)的結構工程師或者是普通的電子工程師已經無法判斷所選擇的連接器是否能滿足產品設計的要求。這個時候就需要更加專業(yè)的工程師來完成這個工作，所以就出現(xiàn)了像SI工程師或者比較懂高速的硬件工程師參與到連接器和線纜的選型中。那么對于連接器應該如何來選擇呢？需要注意一些什么？對于產品有什么影響？

對于連接器的選擇主要是從兩個大的方向著手，首先就是結構，其次就是電氣性能。

在結構方面，連接器首先要滿足連接的作用，所以符合結構設計，pin與pin一一對應。

在電氣性能方面，連接器需要滿足阻抗、插入損耗、回波損耗、遠端串擾、近端串擾、延時等等要求。

在這里就針對電氣方面的參數(shù)做點說明，下面是我測試的某公司一款的連接器。

阻抗:

阻抗設計要求在100ohm+/-10%。從結果上看，并不能滿足要求。在連接器處到了85ohm。

插入損耗：

插入損耗在28GHz范圍內都能滿足規(guī)范對插入損耗的要求。

回波損耗：

回波損耗在28GHz以內都在回損指標范圍以內，滿足規(guī)范要求。

遠端串擾：

遠端串擾，在28GHz以內基本滿足-20dB以內。

近端串擾：

近端串擾，在28GHz以內都在-25dB以內。由于沒有明確近端串擾和遠端串擾的要求，而是要求做ICN計算。本文暫且不做ICN介紹。

通過測試后，發(fā)現(xiàn)此款連接器基本都滿足規(guī)范要求，只是阻抗沒有滿足要求（本文只介紹分析流程，細節(jié)不贅述）。

當然，這種通過測試板測試連接器的方式，在某種意義上，很多公司難以做到，畢竟這需要花費很大的人力和財力，比如你至少需要一臺高帶寬的網絡分析儀，每次做測試板的時候需要打板，需要一個比較了解連接器測試流程的工程師等等。但是即使自己公司不這樣做，也要學會看懂供應商提供的測試報告，這是最基本的要求。否則在使用高速連接器的時候就會遇到不可預知的麻煩。

比如，如果您選用的連接器其串擾非常大，那么在設計的時候，即使在傳輸線上做的再好，在產品測試時，其誤碼率很可能就會達不到要求。之前有一個朋友就遇到了這種狀況。在第一版產品研發(fā)的時候，發(fā)現(xiàn)誤碼率一直過不了規(guī)范，在產品設計上找了所有能找的原因，包括芯片、鏈路設計等，都覺得沒有問題，找到我們的時候，我們分析了一遍之后，也覺得沒有問題，芯片也是我們用過的，距離更長都不會存在問題，拿到他們的產品實物一看，就發(fā)現(xiàn)其使用的高速連接器顯然是沒有升級的，廠家標稱說是可以達到那么高的速率，但是實際上還是存在一定的水分。因為其兩個版本的連接器在物理結構上是完全兼容的，但是由于連接器內部重新進行了升級設計，使原來的串擾效果得到了大大的提高。后來換掉連接器之后，產品完美的達到了規(guī)范要求。

很多時候廠家提供的參數(shù)是在他們設計和生產的條件下得到的，推薦各位用戶工程師使用，一般不會出現(xiàn)什么太大的問題，但是如果您在設計和生產的時候，使用的過孔不同或是材料不同或是生產工藝不同，這就即有可能出現(xiàn)問題，這個時候如果通過自己公司本身的設計和生產工藝驗證過之后，沒有任何問題才是最保險的。這種方式在做大型高速產品的時候，是一種非常有必要的研發(fā)手段。

如下是之前測試的一款連接器和廠商提供數(shù)據的插入損耗對比圖：

從結果上分析，在12.5GHz時，相差1dB，還是差別有點大。使用好一點的材料，都可以達到將近2inch的走線距離，著實有點小恐怖。當然，這并不是所有的連接器都是如此這種情況，有的還是非常接近。

隨著電子通訊技術的快速發(fā)展，集成電路的封裝與板上互連，對信號傳輸?shù)膸捯笤絹碓礁?。與此同時，互連通道傳輸?shù)乃俾试絹碓娇?，邏輯門的判決時間窗口也越來越小。因此，信息化技術的發(fā)展直接導致互連通道中的集成電路封裝、傳輸線以及連接，從開始的“集總參數(shù)模型”，發(fā)展到了“分布參數(shù)模型”。相對于集成電路的封裝，印制電路板上的傳輸線以及連接器，由于幾何尺寸相對較大，更容易進入“分布參數(shù)模型”，即高速信號互連通道。PCB互連線、連接器以及布置在上的元件構成了電子設備互連系統(tǒng)的主要組成部分，信號通過印制板互連線以及連接器擴展到其他的印制板上，從而構成了整個背板系統(tǒng)。連接器作為整個互連系統(tǒng)的關鍵部位，已經成為提高系統(tǒng)傳輸速率的瓶頸，因此，研制滿足高速率傳輸性能的連接器，是提升系統(tǒng)高速互連性能的主要手段，也是解決信息化系統(tǒng)高速互連問題的關鍵因素。

上世紀九十年代初，在信息技術的強勁推動下，用于連接和傳輸高速數(shù)字信號的高速連接器開始發(fā)展起來了。當前，國外的高速連接器傳輸速率己經達到10Gbps，同時正在向40Gbps發(fā)展。早在2005年，世界著名連接器生產廠商FCI就與朗訊貝爾實驗室合作，利用FCI的高速連接器AirMaxVS和貝爾實驗室的信號傳輸架構成功的實現(xiàn)了高達25Gbps傳輸速率的信號傳輸，再次提高了高速連接器的性能。

在信息化裝備技術的推動下，通訊、鐵路交通、宇航、醫(yī)療儀器、高端武器等領域的數(shù)字信息化裝備將會對高速連接器產品的性能提出更高的要求，諸如高密度、模塊化、高可靠、多功能等方面，以滿足系統(tǒng)傳輸?shù)哪K化、集成化、耐環(huán)境、抗干擾等各種應用需求。以往在電連接器的開發(fā)最主要考慮因素為機械特性，如插拔力以及腳位平整度等。其次再考慮連接器的電氣特性，如絕緣電阻、額定電流、接觸電阻等。但隨著高速通訊時代的來臨，對電連接器的性能要求更加茍刻，其高速傳輸引發(fā)的傳輸線效應不可忽略，解決高速連接器的信號完整性問題成為連接器設計的關鍵因素。

國內外研究現(xiàn)狀

當前，連接器已經成為電子元件的第二大支柱產業(yè)，根據最新的連接器權威研究機構Bishop& Associates公司統(tǒng)計的數(shù)據顯示，2013年中國市場連接器的銷售額已經達到136億美元，占全球市場份額的24%，中國己經成為連接器最大的銷售市場高速連接器的研發(fā)以及應用始于歐美發(fā)達國家，以莫仕、泰科、FCI等公司為首的國際大型連接器制造企業(yè)憑借技術和規(guī)模優(yōu)勢，一直掌握著連接器制造產業(yè)的前沿技術，尤其是在要求解決高傳輸速度、耐環(huán)境、高可靠性、低串擾和低噪聲等問題的通訊和軍工應用領域，國際大公司有著明顯的優(yōu)勢，而且該領域的連接器產品利潤水平也相對較高。

隨著客戶對傳輸速度的要求越來越高，國外連接器供應商在其原有產品的基礎上，不斷采用新的設計技術及工藝以優(yōu)化微調其產品，如采用軟干涉連接電路板技術（電路板的孔可以做得更?。?；用定制的塑膠來補償信號傾斜推薦在電路板擴孔等。為了滿足系統(tǒng)性能和可靠性要求，系統(tǒng)設計者仔細平衡傳輸速度、功率和封裝密度之間的關系。隨著互聯(lián)系統(tǒng)中對大數(shù)據量處理和傳輸?shù)脑鲩L，不斷推動對傳輸速度的要求。國外高速通信系統(tǒng)的數(shù)據傳輸速率已由原來的6.25Gbps跳變至12.5Gbps，且向25Gbps普及推廣，將來數(shù)據傳輸速率會被提升到40Gbps、100Gbps甚至1Tbps，與其相配套的高速連接器也必將得到更快的發(fā)展。

半導體技術的發(fā)展促使連接器生產企業(yè)設計研發(fā)更高速率的產品。背板連接器市場經歷了新世紀暴增時代，這些連接器是為了迎接新一代應用的競爭而準備。在這個領域主要有個廠商：Amphenol TCS、FCI、Molex、Tyco，他們均能供應25Gbps的連接器。目前幾乎沒有量產的領域要求這么高的傳輸速度，但是這種高性能的連接器卻給了未來系統(tǒng)更新的空間，對系統(tǒng)設計者很有吸引力。

高速背板連接器是新系統(tǒng)硬件的至關重要零件，一旦在系統(tǒng)設計初期被選上，很可能無法用別家的連接器替換。因為在10Gbps以上工作頻率，若連接器的內部結構不同，傳輸性能會大不樣。有鑒于此，國外設備廠商與其主要連接器供應商達成協(xié)議，要求連接器供應商共享設計和生產方面的知識產權，在設計和生產上具備足夠的一致性以保證界面的互換性及高速傳輸?shù)募嫒菪?。這種要求連接器供應商之間共賞連接器技術的做法是史上少見的，創(chuàng)了歷史先河，很可能是未來連接器產業(yè)的發(fā)展趨勢。材料和產品結構技術的發(fā)展拓寬電纜組件的帶寬和提高電纜組件的傳輸速度。采用被動和主動的信號調理技術，銅件電纜能夠提供速度高于10Gbps距離高達24m性價比優(yōu)越的方案。通過近二十年的產品開發(fā)，形成了以泰科、安費諾、莫仕、FCI、ENRI等為主的高速連接器生產廠商，通過對基礎理論、材料研發(fā)等技術創(chuàng)新，完成了諸如HM 2mm、ZD、ExaMax、LRM等高端高速連接器的普及應用，如下圖所示連接器信號傳輸速率由2.5Gbps逐漸到12.5Gbps，再攀升至25Gbps甚至是40Gbps。

VITA高速連接器

ZD高速連接器

LRM高速連接器

在信號完整性設計方面，其具有完備的理論分析基礎，如《電磁場與微波技術》、《高速信號傳輸》、《高速數(shù)字系統(tǒng)的信號完整性和轄射發(fā)射》等經典著作；擁有多種的高速信號仿真分析軟件，如keysight 的ADS等；以及完備的信號完整性測試平臺，如信號發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網絡分析儀、示波器、時域阻抗測試儀、誤碼率分析儀以及、等配套分析軟件等。

國內專業(yè)的高速連接器生產廠商主要有航天電器、中航光電、四川華豐，相關的科研院所有北京航空航天大學、北京郵電大學、上海交通大學等。隨著近幾年軍用武器型號的配套需要，國內各大連接器生產廠商通過仿制或改進國外相關的高速傳輸連接器產品，相繼開發(fā)了VITA46、LRM、JVPX、J599、1394等高速傳輸連接器，但該類連接器的傳輸一般不超過6.25Gbps。此外，部分廠家也開始配合用戶使用需求開始研制更高傳輸速率的連接器產品，并取得了一定成效。

總體來看，國內連接器發(fā)展起步較晚，在基礎理論、原材料、機械加工、產品測試等方面嚴重滯后于歐美發(fā)達國家。此外，由于國內各電子、航空、船舶、航天等系統(tǒng)對高速連接器使用需求的不一致性，加之各高速連接器廠商之間疏于交流合作，導致國內高速產品互不兼容，產品研發(fā)水平參差不齊，嚴重阻礙了高速產品的發(fā)展，與國外高速連接器的研制水平相比，國內高速連接器的研制主要有以下幾個方面的不足：

（1）在信號完整性理論研究方面，國內科研院所（如西安電子科技大學、上海交通大學、東南大學、國防科學技術大學、中國科學技術大學、南京航空航天大學、西南交通大學、中國科學院研究生院等）的研宄較為深入，但主要停留在理論研究及計算機仿真分析上面，真正的工程實用化較少。國內華為、中興等通信設備商也較早成立了自己獨立的信號完整性研究部門，具有較為完整的信號完整性測試平臺，但基本上還沒有以上的信號完整性問題方面的報道。國內各大武器型號研制及配套單位（如航天科工、航天科技、中電集團、中船重工、兵器集團等）雖在理論和工程實踐應用上達到了有機集合，但受各種因素限制，理論應用程度尚待深入。

（2）在原材料研制方面，國內的原材料生產廠商所生產的高速連接器用材料（如PPS、LCP、TPX、Rogers等）基本達不到實際使用要求，性能穩(wěn)定性差，且有些材料甚至無法生產。國內高速連接器用材料基本依賴進口，從而對高速連接器的國產化及普及應用造成了嚴重的隱患。

（3）在零部件加工制造方面，因高速連接器的結構特點，很多零部件尺寸精度要求極高，國內的加工設備、模具及工藝方式方法尚無法滿足要求，從而在某種程度上限制了高速連接器的傳輸性能的提升。

（4）在產品精密組裝方面，與國外的自動化一體式裝配相比，國內基本采用手工或是手工加半自動的裝配方式，其裝配一致性較差，效率低，且連接器的一致性受人為因素的較大。

（5）在產品測試及驗證方面，國內目前還未有統(tǒng)一的高速連接器規(guī)范。各生產廠家的連接器測試規(guī)范、方法及指標互有差異，高速信號完整性測試平臺技術水平參差不齊，嚴重滯后了產品研發(fā)。

近幾年，國內各大連接器廠商和高?？蒲性核_始認識到這些不足，開始重視高速連接器信號完整性問題的研究，并取得了一些成果。北京郵電大學電接觸實驗室在良好的通信技術背景下，對高速連接器的信號完整信問題展開了一系列的研究，葉小蘭碩士研究了HDMI高速連接器的信號完整性并進行了優(yōu)化，何晴研究了高頻電連接器的性能。電子科技大學的李迅波等仿真分析了SFP的損耗，初步得到了損耗與頻率的數(shù)學擬合關系。

編輯：黃飛

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