摘要：本文将介绍一种新近开发的高密度连接器系统及其相应的装配方法。这一连接器采用两维和三维电性能分析模拟系统进行开发。在完成建模之后，测量其电气特性数据，结果显示这一连接器符合原先的技术规范设计要求。用于测试连接器可靠性的总体环境测试也显示，这一连接器完全满足甚至超出现行的工业标准要求。

关键词：差分数据传输;高密度连接器;特性电阻;串扰

1 引言

我们可以看出,从辅助功能的计算机环境转换到网络化用户服务器企业之后，网络系统中的数据信号传输速度便越来越成为制约网络系统性能提高的一大瓶颈。伴随着一些新技术(视频会议、图形界面等等)的蓬勃兴起和高速服务器而带来的PC机性能的改进促使网络通信系统使用差分信号以达到1G比特甚至更高的数据网络性能要求。IEEE 802目前正在研究制定1.026 G比特以太网标准以满足这一新兴的技术规范要求。

对于交换机、集线器和服务器制造商来说，其关键性的制约条件之一就是要采用背板连接器。这是一种可以让数据信号以G比特速度传输的非同轴、非光纤、成本低廉而且其匹配的特性阻抗达到规定要求的差分数据传输连接器。

最近，日本富士通元件公司已经开发出一种用于差分数据传输的新型高密度连接器以满足上述技术要求。这种新型连接器系统采用一种适合于差分信号传输的带状线结构排列,即将几个波纹管接触件安装在大型接地板之间，这样就可以减小相邻信号对之间的信号串扰。这一结构利用0.635mm(0.025')的中心线间距。采用专用屏蔽线缆和成本效率比较好的装配方法对于G比特级数据传输速度来说也是非常重要的。

计算机工业的历史发展趋势引发了更高速度网络的技术要求，即要求更快的数据传输速率。要达到这些技术要求，网络系统现在必须能够为用户提供1G甚至更高的信号传输速率。

过去，由于相比于线缆或PCB组件来说，其电信号的传输路径较短，所以设计工程师们并不怎么关心连接器的信号传输路径。不过，在利用高频信号的一些应用领域，连接器不再是无关紧要的电气器件了。我们必须将它们设计成具有最优良的性能，将其串扰和磁化率对噪音影响降至最低。

单端传输是计算机及其外围设备一种非常普遍的信号传输方式。这主要是由于它具有较高的成本-效率比，不过，这种传输方式极容易受到周围噪音的干扰。所以，其抗扰度和信号的完整性成为推动这一连接器技术规范要求在差分信号传输系统中应用的动力。这一技术要求如今已经成为高速信号传输应用(如网络系统)的关键。计算机系统的建立要求新的高密度连接器能够满足数据高速传输的需要。

本文将介绍这一新开发的用于差分数据传输的高密度连接器的设计理念以及相关的电气性能。

2 设计方法

高密度连接器采用一种带状线结构来满足高频信号的应用要求。这种连接器结构已经众所周知，在许多出版物中也有所介绍。带状线结构连接器的设计理念包括其较大的电源/接地接触件(定中于接地面)。接地面可以吸收串扰噪音并提供一个可以匹配50Ω的特性阻抗。这一专用连接器可以用于单端数据信号的传输。

近年来，日本富士通元件公司利用带状线结构基本原理设计开发出这种新型差分数据传输连接器(见图1)。从图1中我们可以看出，每个信号对位于大型接地接触件之间。信号对传输“+”和“-”信号。每个信号对的中线形成一个虚拟的接地面。大型接地接触件安装在连接器两端以完成框架接地功能。差分信号对外面围着一圈接地接触件，类似于同轴连接器。其特性阻抗采用二维模型来进行计算。然后再确定每个尺寸，这样特性阻抗就可以匹配150Ω。

图1 高密度连接器的基本结构

高密度连接器的两个设计要求是：适合于热插拔场合并可以进行盲插。

可以采用一个具体的机械设计来达到这些基本的设计功能特性。根据日本富士通元件公司的设计经验，要达到与业界认可的1.27mm(0.050’)间距相同的信号密度，则需要采用0.635 mm(0.025’)间距的接触件。

3 具体设计

图2表示这种连接器的接触件结构，图3是连接器的实物图片。

图2-1 阳连接器接触件结构

图2-2 阴连接器接触件结构

选择一种单悬臂梁作为接触件的构造以便于进行斜插。这种接触件是由磷青铜冲压成型的。只需要通过金属片的冲切就可以制成精密的接触件架构，然后在钯镍合金上选择金作为表面镀覆整理，以提高其可靠性。这样处理之后，即使在恶劣的条件下也可以提高其耐磨性并提高其对工业气体的耐腐蚀性。

图3 连接器实物图片

由于长链聚合物(LCP)树脂在模塑成型过程中具有良好的流动特性以及它所具有的较低的介电常数，所以可以作为电连接的绝缘体材料。可以选择不锈钢作为外部接地接触件来实现初次连接(在信号或纵向接地接触件之前)以提供良好的静电(ESD)保护性能。

4 模拟电气性能

在利用一种三维CAD系统进行机械设计之后，我们采用一种三维模型方法进行电气性能的模拟试验。电气性能模拟试验的具体步骤如下：

(1)在三维CAD系统中将阳连接器和阴连接器模型插合在一起;

(2)采用三维FEM方法测算其电容和电感，然后绘制出SPICE模型;

(3)计算其特性阻抗、信号串扰和信号时滞。

模拟结果可以用来结束初步设计。电模型和模拟结果见图4所示。

图4-1 模拟模型

图4-2 SPICE模型

在差分传输模式中，连接器的特性阻抗达到了150Ω的设计目标。当上升时间为100 微微秒时，其信号串扰低于1%。这些结果说明，连接器特性完全适用于高速、差分数据传输应用领域。

图4-3 连接器特性阻抗变化曲线

图4-4 连接器信号串扰

5 性能数据

测量连接器的环境性能和电气性能。假定其预测结果是根据模拟数据得出的，那么就可以采用时间域反射测量法(TDR)来确定其特性阻抗和信号串扰值。

为此，需要完成下列5个环境测试项目：

(1)插/拔循环(50次);

(2)湿热试验;

(3)湿度;

(4)腐蚀性气体试验;

(5)机械振动和冲击。

图5 连接器环境试验

图5为环境试验的一个实例。在本试验中，没有发现任何连接器出现物理损伤或其接触电阻出现明显增大现象。

6 线缆应用

线缆应用方法也需要进行相关分析和研究，适用于这种连接器的线缆为屏蔽式绞合对，如图6所示。

采用线缆的高密度连接器的结构与上述连接器基本相同。其组装过程如下，见图7所示。

(1)回流焊接PCB和连接器;

图6 线缆剖面示意图

(2)压接带有接地接触件的绞合对屏蔽板;

(3)将压接好的接地接触件和信号芯线焊接到PCB上;

(4)将外部屏蔽板焊接在连接器的屏蔽板上;

(5)绝缘安装板的模塑成型。

图7-1 PCB板的焊接

图7-2 接地编织导线的压接

图7-3 导线的焊接

图7-4 绝缘安装板模塑成型

7 结论

新开发的高密度连接器包括下列技术特性:

(1) 在差分传输中具有150Ω的受控特性阻抗;

(2) 信号串扰较低(当上升时间为100微微秒时，其串扰低于1%);

(3)密度高，其接触件间距为0.635mm(0.025’);

(4) 具有良好的静电(ESD)保护功能;

(5) 具有独特的自校准特性。

参考文献：

[1] Robert J.James et al., "A low cost high performance optical interconnect," Connector Specifier: 1778-1928, 2009.

[2] IEC 60603-7-1:2009, Connectors for electronic equipment – Part 7: Detail specification for 8-way shielded, free and fixed connectors.

作者简介：

闻春国，译审，中国翻译协会专家会员，从事情报与翻译30余年，出版有多部译著。