一文讀懂高速連接器的信號(hào)完整性分析

隨著電子通訊技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路的封裝與板上互連，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膸捯笤絹碓礁摺Ｅc此同時(shí)，互連通道傳輸?shù)乃俾试絹碓娇?，邏輯門的判決時(shí)間窗口也越來越小。因此，信息化技術(shù)的發(fā)展直接導(dǎo)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(duì)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(duì)較大，更容易進(jìn)入“分布參數(shù)模型”，即高速信號(hào)互連通道。PCB互連線、連接器以及布置在上的元件構(gòu)成了電子設(shè)備互連系統(tǒng)的主要組成部分，信號(hào)通過印制板互連線以及連接器擴(kuò)展到其他的印制板上，從而構(gòu)成了整個(gè)背板系統(tǒng)。連接器作為整個(gè)互連系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，已經(jīng)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(guān)鍵因素。

上世紀(jì)九十年代初，在信息技術(shù)的強(qiáng)勁推動(dòng)下，用于連接和傳輸高速數(shù)字信號(hào)的高速連接器開始發(fā)展起來了。當(dāng)前，國(guó)外的高速連接器傳輸速率己經(jīng)達(dá)到10Gbps，同時(shí)正在向40Gbps發(fā)展。早在2005年，世界著名連接器生產(chǎn)廠商FCI就與朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室合作，利用FCI的高速連接器AirMaxVS和貝爾實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)傳輸架構(gòu)成功的實(shí)現(xiàn)了高達(dá)25Gbps傳輸速率的信號(hào)傳輸，再次提高了高速連接器的性能。

在信息化裝備技術(shù)的推動(dòng)下，通訊、鐵路交通、宇航、醫(yī)療儀器、高端武器等領(lǐng)域的數(shù)字信息化裝備將會(huì)對(duì)高速連接器產(chǎn)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(yīng)用需求。以往在電連接器的開發(fā)最主要考慮因素為機(jī)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(shí)代的來臨，對(duì)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(yīng)不可忽略，解決高速連接器的信號(hào)完整性問題成為連接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，連接器已經(jīng)成為電子元件的第二大支柱產(chǎn)業(yè)，根據(jù)最新的連接器權(quán)威研究機(jī)構(gòu)Bishop& Associates公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2013年中國(guó)市場(chǎng)連接器的銷售額已經(jīng)達(dá)到136億美元，占全球市場(chǎng)份額的24%，中國(guó)己經(jīng)成為連接器最大的銷售市場(chǎng)高速連接器的研發(fā)以及應(yīng)用始于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，以莫仕、泰科、FCI等公司為首的國(guó)際大型連接器制造企業(yè)憑借技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢(shì)，一直掌握著連接器制造產(chǎn)業(yè)的前沿技術(shù)，尤其是在要求解決高傳輸速度、耐環(huán)境、高可靠性、低串?dāng)_和低噪聲等問題的通訊和軍工應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)際大公司有著明顯的優(yōu)勢(shì)，而且該領(lǐng)域的連接器產(chǎn)品利潤(rùn)水平也相對(duì)較高。

隨著客戶對(duì)傳輸速度的要求越來越高，國(guó)外連接器供應(yīng)商在其原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，不斷采用新的設(shè)計(jì)技術(shù)及工藝以優(yōu)化微調(diào)其產(chǎn)品，如采用軟干涉連接電路板技術(shù)（電路板的孔可以做得更小）；用定制的塑膠來補(bǔ)償信號(hào)傾斜推薦在電路板擴(kuò)孔等。為了滿足系統(tǒng)性能和可靠性要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者仔細(xì)平衡傳輸速度、功率和封裝密度之間的關(guān)系。隨著互聯(lián)系統(tǒng)中對(duì)大數(shù)據(jù)量處理和傳輸?shù)脑鲩L(zhǎng)，不斷推動(dòng)對(duì)傳輸速度的要求。國(guó)外高速通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(jù)傳輸速率會(huì)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展促使連接器生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)更高速率的產(chǎn)品。背板連接器市場(chǎng)經(jīng)歷了新世紀(jì)暴增時(shí)代，這些連接器是為了迎接新一代應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)而準(zhǔn)備。在這個(gè)領(lǐng)域主要有個(gè)廠商：Amphenol TCS、FCI、Molex、Tyco，他們均能供應(yīng)25Gbps的連接器。目前幾乎沒有量產(chǎn)的領(lǐng)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很有吸引力。

高速背板連接器是新系統(tǒng)硬件的至關(guān)重要零件，一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期被選上，很可能無法用別家的連接器替換。因?yàn)樵?0Gbps以上工作頻率，若連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，傳輸性能會(huì)大不樣。有鑒于此，國(guó)外設(shè)備廠商與其主要連接器供應(yīng)商達(dá)成協(xié)議，要求連接器供應(yīng)商共享設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上具備足夠的一致性以保證界面的互換性及高速傳輸?shù)募嫒菪浴＿@種要求連接器供應(yīng)商之間共賞連接器技術(shù)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)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(dòng)和主動(dòng)的信號(hào)調(diào)理技術(shù)，銅件電纜能夠提供速度高于10Gbps距離高達(dá)24m性價(jià)比優(yōu)越的方案。通過近二十年的產(chǎn)品開發(fā)，形成了以泰科、安費(fèi)諾、莫仕、FCI、ENRI等為主的高速連接器生產(chǎn)廠商，通過對(duì)基礎(chǔ)理論、材料研發(fā)等技術(shù)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(yīng)用，如下圖所示連接器信號(hào)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(hào)完整性設(shè)計(jì)方面，其具有完備的理論分析基礎(chǔ)，如《電磁場(chǎng)與微波技術(shù)》、《高速信號(hào)傳輸》、《高速數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)完整性和轄射發(fā)射》等經(jīng)典著作；擁有多種的高速信號(hào)仿真分析軟件，如keysight 的ADS等；以及完備的信號(hào)完整性測(cè)試平臺(tái)，如信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器、時(shí)域阻抗測(cè)試儀、誤碼率分析儀以及、等配套分析軟件等。

國(guó)內(nèi)專業(yè)的高速連接器生產(chǎn)廠商主要有航天電器、中航光電、四川華豐，相關(guān)的科研院所有北京航空航天大學(xué)、北京郵電大學(xué)、上海交通大學(xué)等。隨著近幾年軍用武器型號(hào)的配套需要，國(guó)內(nèi)各大連接器生產(chǎn)廠商通過仿制或改進(jìn)國(guó)外相關(guān)的高速傳輸連接器產(chǎn)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(chǎn)品，并取得了一定成效。

總體來看，國(guó)內(nèi)連接器發(fā)展起步較晚，在基礎(chǔ)理論、原材料、機(jī)械加工、產(chǎn)品測(cè)試等方面嚴(yán)重滯后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。此外，由于國(guó)內(nèi)各電子、航空、船舶、航天等系統(tǒng)對(duì)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(dǎo)致國(guó)內(nèi)高速產(chǎn)品互不兼容，產(chǎn)品研發(fā)水平參差不齊，嚴(yán)重阻礙了高速產(chǎn)品的發(fā)展，與國(guó)外高速連接器的研制水平相比，國(guó)內(nèi)高速連接器的研制主要有以下幾個(gè)方面的不足：

（1）在信號(hào)完整性理論研究方面，國(guó)內(nèi)科研院所（如西安電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)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(jì)算機(jī)仿真分析上面，真正的工程實(shí)用化較少。國(guó)內(nèi)華為、中興等通信設(shè)備商也較早成立了自己獨(dú)立的信號(hào)完整性研究部門，具有較為完整的信號(hào)完整性測(cè)試平臺(tái)，但基本上還沒有以上的信號(hào)完整性問題方面的報(bào)道。國(guó)內(nèi)各大武器型號(hào)研制及配套單位（如航天科工、航天科技、中電集團(tuán)、中船重工、兵器集團(tuán)等）雖在理論和工程實(shí)踐應(yīng)用上達(dá)到了有機(jī)集合，但受各種因素限制，理論應(yīng)用程度尚待深入。

（2）在原材料研制方面，國(guó)內(nèi)的原材料生產(chǎn)廠商所生產(chǎn)的高速連接器用材料（如PPS、LCP、TPX、Rogers等）基本達(dá)不到實(shí)際使用要求，性能穩(wěn)定性差，且有些材料甚至無法生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)高速連接器用材料基本依賴進(jìn)口，從而對(duì)高速連接器的國(guó)產(chǎn)化及普及應(yīng)用造成了嚴(yán)重的隱患。

（3）在零部件加工制造方面，因高速連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很多零部件尺寸精度要求極高，國(guó)內(nèi)的加工設(shè)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(chǎn)品精密組裝方面，與國(guó)外的自動(dòng)化一體式裝配相比，國(guó)內(nèi)基本采用手工或是手工加半自動(dòng)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(chǎn)品測(cè)試及驗(yàn)證方面，國(guó)內(nèi)目前還未有統(tǒng)一的高速連接器規(guī)范。各生產(chǎn)廠家的連接器測(cè)試規(guī)范、方法及指標(biāo)互有差異，高速信號(hào)完整性測(cè)試平臺(tái)技術(shù)水平參差不齊，嚴(yán)重滯后了產(chǎn)品研發(fā)。

近幾年，國(guó)內(nèi)各大連接器廠商和高?？蒲性核_始認(rèn)識(shí)到這些不足，開始重視高速連接器信號(hào)完整性問題的研究，并取得了一些成果。北京郵電大學(xué)電接觸實(shí)驗(yàn)室在良好的通信技術(shù)背景下，對(duì)高速連接器的信號(hào)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(hào)完整性并進(jìn)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(xué)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(xué)擬合關(guān)系。