在本文中，我们提出了一种用于 5G 毫米波和高速信号传输的新型板对板连接器设计。建议的板对板连接器在引脚之间有一个插座屏蔽和中间板。插座外壳减少了发射到外部的电磁干扰(EMI)，中间板减少了端子之间的串扰。我们通过EM仿真验证了新增接地结构的信号完整性性能和EMI降低效果。但是，由于增加了接地结构，信号的回流路径被分割，产生了谐振。我们根据频率通过 J 场变化分析了共振。

介绍

近年来，移动电子设备变得越来越紧凑和集成。移动设备需要各种传感器、天线和芯片来执行一组功能，并且必须将它们组合成一个系统。然而，每个组件都是模块化的，因此需要一个小型化的连接器来无损耗地连接每个组件。其中一个组件是板对板(BtB)连接器，用于连接两个印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)。

图 1. 显示了BtB连接器的大致形式及其在移动应用中的使用方式。BtB连接器的优点是可以同时使用模拟和数字信号，单端和差分信号。对于RF，BtB连接器将数据从5GmmWave 天线模块或 3G/4G/GPS/Wi-Fi 天线传输到主 PCB。它还可用于高速信号传输，其中包括用于USB或Thunderbolt的差分对，也可以将电池的电源传输到主PCB。

然而，移动设备不断提高的数据速率和 5G 毫米波等高频段的使用导致 BtB 连接器出现信号完整性(SI)和电磁干扰(EMI) 问题。首先，EMI 问题很严重，因为 BtB 连接器中的接地结构少于 PCB 走线。此外，在一块PCB上有RF模块、模拟电路、传感器等各种组件，随着数据速率的增加，由于每个组件产生的噪声以及损耗导致的系统内噪声正成为一个更大的问题。特别是在射频噪声的情况下，即使是很小的噪声也能被极大地放大，因此更加灵敏，如图1所示。　　

图 1：移动设备上的板对板连接器和 EMI 问题

有许多尝试添加额外的屏蔽结构以减少各种连接器上的EMI或串扰，包括BtB连接器。尽管有多种方法可以降低 EMI 或串扰，但简单地添加接地结构的方法可能会进一步加深EMI问题或降低SI性能。当存在浮动导体或具有多个返回电流路径时，可能会发生谐振。

在本文中，我们提出了一种BtB连接器，带有插座屏蔽和位于插头端子之间的中间板。增加的接地结构可有效减少因数据速率增加而增加的串扰和EMI。通过3-D EM模拟获得的电场验证了所提出的结构。此外，如何根据返回电流路径分析所提出结构的附加副作用，并提出了更好性能的设计指南。

带插座外壳和中板的板对板连接器方案

图2和表1显示了我们提议的BtB 连接器的外观和尺寸信息。BtB连接器分为插头和插座两部分。插头和插座具有传输信号或作为参考的端子，由满足阻焊定义(SMD)型焊盘的水平部分和允许插头和插座以夹子形式稳定接触的垂直部分组成。每个接线端子按照规范间隔一定的距离。如图2(b)所示，减少端子间串扰的中板属于插头部分，考虑工艺性，分为两部分组装。插座具有外壳结构，可防止EMI发射到外部。中间板和端子由铜合金制成，而插座由不锈钢制成。插座外壳的下部略微向外弯曲，以尽量减少与端子的耦合效应。

图 2：(a)建议的板对板(BtB)连接器(b)及其侧视图

表1：拟议的板对板连接器的材料特性和尺寸

传统BtB连接器的阻抗由相邻的接地端子定义，而外壳和中板还会影响建议的BtB连接器的阻抗。此外，中板仅在插头PCB侧较短，外壳仅在插座PCB侧较短。

拟议的 BtB 连接器旨在同时用于单端射频(例如5G毫米波)和使用差分对的高速信号(例如 USB/Thunderbolt)。图 3为每种情况的示例引脚图。我们所提出的 BtB 连接器结构不仅适用于图 2中所示的 10 针 BtB 连接器，而且适用于具有各种引脚数的所有 BtB 连接器。

　　图3：(a)用于5g毫米波的10 针BtB连接器的针脚图和(b)用于高速信号的针脚图

拟议 Btb 连接器的仿真结果和分析

图4显示了所提出的带有外壳和中板的BtB连接器以及传统BtB连接器在1GHz时的电场。在没有外壳的BtB连接器中，端子形成的电场不受任何限制地发射到外部。另一方面，带有外壳的BtB连接器可以阻止端子产生的EMI。此外，外壳的下侧向外弯曲，与端子保持距离，从而消除了与端子不必要的耦合作用。与插头侧 PCB 短路的中间板显著降低了对相对端子的串扰。然而，插座侧的电场仍然发射到对面，因为中板与插座侧PCB接地开路。

图4：(a)1 GHz时带插座外壳和中板的BtB连接器的电场(b)1 GHz时不带插座外壳和中板的 BtB连接器的电场

首先，在应用5G 毫米波的引脚图时，所有四种情况在插入损耗和FEXT方面都有多重谐振。由于BtB连接器的长度很短，因此通过尽可能大的谐振频率来降低工作频率谐振的影响比降低连接器本身的损耗更重要。这些共振是由于信号的返回电流路径根据频率而变化而引起的。共振发生在不同的频率，因为每个案例的接地结构不同。

由于返回电流路径分裂引起的谐振频率定义如下：

其中 fres是共振频率，λres 是共振频率处的波长，c是光速，eeff是端子的有效介电常数，ΔL是返回电流路径的差异。这是因为在通过每个返回电流路径传输的信号的相位差变为 180 度的频率下发生响应。

根据所提出的 BtB 连接器频率的返回电流路径通过复杂的J场进行分析，如图6所示。返回电流路径分类为返回路径0(RP0)到相邻的接地端子，返回路径1(RP1)到左下角的外壳，返回路径2(RP2)到右上角的外壳，返回路径3(RP3)到右下角的外壳，返回路径 4 (RP4)到对面的端子。谐振发生在34.5 GHz、35.5 GHz和40 GHz，如图5所示。

由于在28 GHz 5Gmm波段使用 64-QAM 时的奈奎斯特频率为4.67GHz，而USB4中每通道具有20 Gbps数据速率的奈奎斯特频率为10GHz，假设高达7次谐波频率会影响信号性能，所有的共振都会影响性能。虽然每条返回电流路径的传播速度和有效介电常数不同，但根据端子的微带线有效介电常数，路径长度差ΔL为2.56 mm、2.48 mm和2.22 mm。这些值分别是RP1和RP2、RP1和RP3、RP0和RP4之间的长度差。

图5：(a)5G毫米波BtB连接器的插入损耗和(b)远端串扰(FEXT)。(c)用于高速信号传输的BtB连接器的插入损耗和(d)远端串扰(FEXT)。

当高速信号的引脚映射应用于BtB连接器时，共振尺寸变得非常小，因为它具有不同的线对并且接地端子的数量显著减少。此外，得益于中间板，两个引脚图中的FEXT都显著降低

结论

在本文中，我们提出了一种带有插座外壳和中板的BtB 连接器以实现低EMI。通过3-DEM 仿真，我们验证了降低的EMI和串扰。此外，我们从返回电流路径方面分析了当BtB连接器用于 5G 毫米波和USB4时极大地影响信号性能的共振。

随着额外接地结构的添加，FEXT的幅度降低，谐振频率增加。FEXT减少的原因是额外的接地结构，谐振频率增加的原因是返回电流路径之间的长度差减小。因此，要获得比建议的BtB连接器更好的性能，中板和插座外壳必须短接至两侧PCB地平面，但对于微带线型PCB 和FPC来说在物理上是不可能的。唯一的办法就是通过简单地变换PCB焊盘的位置和外壳的形状，使返回电流路径的差异变小。

图6：(a)建议的 BtB连接器在32.5 GHz时的复J场，(b)35 GHz，(c)40 GHz