摘要：针对新一代输入输出端口连接器多路可支持112G PAM4调制信号的超高速信号传输需求，进行了特征阻抗高精密调控、高速信号高频谐振创新优化设计采用了全新的结构分段及组合特征阻抗调整技术、基于高可靠性要求的金属跨骑共地组配技术，实现0.8mm间距高密112Gbps速率信号的频域带宽要求。本文从理论分析切入，介绍了高速差分信号的特征阻抗及信号谐振概念，并采用仿真的手法详细分析了NGSFP-DD高速连接器特征阻抗及高频谐振的优化过程。

关键词：NGSFP-DD， 112Gbps, 信号完整性仿真，特征阻抗，信号谐振

1. 引言

随着人工智能、大数据、高通量计算等技术的迅猛发展，全球数据中心、计算交换设备的数据通信量呈指数增加。为满足当前及未来超高通量数据传输及交换的需求，当前数据网络采用光电接力复合传输的方式进行数据传输及交换，在设备内采用电信号传输，设备之间采用光缆进行远距离传输用以克服长距传输电信号失真的技术问题，光缆两端接入光电转换接口（光模块）实现光电信号的低损耗转换，当前在设备内高速光电连接器作为承担5G+网通设备对接5G+光模块的无源高速信号传输器件是整个网络构成中必不可少的器件之一，高速光信号通过光模块做光电转换后必须经由高速光电连接器将信号传递给各级网络设备，反之各级网络设备对外发送高速信号亦必须通过高速光电连接器传递给对接光模块其后经由光电转换后将光信号在高速光纤中做低损耗长距离传输，进而完成整个5G+网络的构成。

图1 5G网络构成

在当前诸多高速IO端口类型之中，SFP端口是应用最为广泛的端口之一，在4G网络设备中具有10Gbps传输速率的SFP+端口及5G网络设备中具有25/56Gbps传输速率的SFP28/56端口均得到广泛应用。与其他高速IO端口相比,SFP端口具有最小的物理封装尺寸，内置1lane差分信号通路，实现高速信号全双工收发（1收1发）。基于封装尺寸方面的优势及比同类端口如QSFP端口更低的使用功率（SFP最大1.5W /QSFP 最大3.5W)，在无线基站设备上SFP端口是最优选的高速IO端口。为进一步提高SFP端口的数据吞吐量，2019年华为/百度/腾讯等联合成立了NGSFP MSA(Next Generation SFP Multisource Agreement下一代SFP多源协议)行业联盟，制定了全新的NGSFP MSA行业标准，NGSFP MSA立足于25/50/100GE光模块需求，面向10km以内的应用市场，在延续传统SFP界面端口的基础上，推出全新的支持2 lane电接口NGSFP端口及支持4 lane电接口的NGSFP-DD端口，其中的NGSFP-DD端口界面维持SFP端口界面尺寸，内置4路高速差分通路，支持56G/112G PAM4信号，可实现200G/400G数据吞吐量，并可实现向下兼容SFP56/SFP28/SFP+光模块。

作为未来端口传输速率密度最高的高速端口之一，NGSFP-DD 端口传输速率是现有5G+无线网络SFP56端口的8倍，是下一代5G+/6G无线网通设备优先选择的高速端口。

与上代高速连接器相比，NGSFP-DD连接器产品满足112Gbps PAM4 调制信号传输的要求，连接器通过的112G高速信号上升时间更短，特征阻抗 插入损耗 回波损耗 近端串扰 远端串扰 综合串扰等连接器信号完整性指标需要满足OIF协会制定的CEI-112G-VSR定义信号完整性要求，端口传输的高速差分信号对从SFP原有的2对（一收一发）增加到8对（四收四发），由此高速信号对之间的信号干扰加剧，更难实现高速信号的信号完整性。此类高速连接器产品结构紧凑端子间距仅有0.8mm，对信号完整性要求严苛，为实现NGSFP-DD高速连接器苛刻的信号完整性要求，在温州市重大科技攻关项目：支持112G PAM4差分信号传输的NGSFP-DD 400G高速IO端口连接器及组件开发关键技术（项目编号：ZG2023026）支持下，我们针对NGSFP-DD高速连接器进行了基于112G PAM4调制信号要求的特征阻抗高精密调控及高速信号高频谐振技术创新并采用有限元仿真分析的手法完成了特征阻抗的高精度调控，实现了112G高速信号高频段的高频谐振的优化及改善。

2. NGSFP-DD特征阻抗高精度调控

当前高速信号的工作频率与频宽越来越高 传输信号之高速互连原件设计面临很大挑战，因连接器产品小型化及高频化的要求 连接器布局也越来越紧密，信号完整性问题日益突出，阻抗 衰减 串音等影响高速连接器及线缆之高速信号完整性（signal integrity）设计成为连接器产品必须解决的瓶颈问题。当前国内已有一些专家学者进行过相关高速信号完整性研究江西理工大学陈仁义有进行高速PCB传输路径信号完整性分析及优化方面研究， 通过对传输线及过孔进行电磁仿真、 分析过孔及传输线的结构参数对连接器信号传输性能的影响， 得出差分线间距为2倍差分线宽度时， 差分线特征阻抗较好， 并提出创新的半圆弧拐角结构， 利用仿真及实验证明信结构比传统折角结构反射效应降低11.2%， 孔间距拉大可有效减少两孔间串扰。【1】

【2】北京邮电大学何晴有进行高速连接器与线缆信号完整性方面研究，对高清晰度多媒体接口HDMI高速连接器及线缆进行了系统的信号完整性分析 以此为例 系统的评估了高速连接器及线缆相关信号完整性参数测试治具设计及如何正确使用量测设备，对如何进行高速连接器及线缆的信号完整性研究流程及方法有较为系统的阐述。【3】【4】桂林电子科技大学 张少华及周德俭对高速互连线间德串扰规律进行了研究并利用HSPCIE高速电路仿真软件进行了相关串扰模型的仿真分析并总结了三种变化因素下互连线之间的串扰规律 对部分串扰规律进行了探索性的研究这些高速连接器高速PCB相关的信号完整性研究工作有力的推动了高速连接器信号完整性仿真分析的深入及发展。

但这些研究集中在高速信号领域相对速率及频率较低的领域如HDMI传输速率只有10.2Gbps相关高速PCB研究也仅有最大10GHZ频域，并未进行超高速信号特别是目前最前沿的112GPAM4信号进行仿真分析且相关研究虽有使用性能较好的仿真分析软件但分析手法局限在相对传统的规则结构高速信号完整性分析方法并未针对超高速连接器产品复杂多变的结构造成特征阻抗难以精确调控问题进行相关研究及分析

NGSFP-DD 400G高速连接器产品采用112Gbps　PAM4调制信号用于400Gbps高速信号传输，共有8对差分信号对，构成4个信号传输通道实现四收四发，结构异常复杂，八个信号通道超高速信号因为距离近（最近的差分信号间距仅为1.6mm）信号通道间存在多重串扰影响

针对这一难题我们提出了利用FEM分析算法提高分析精确度及采用分段式高精度特征阻抗分析及调控的全新信号完整性分析方法。

高速信号完整性分析算法较多　选择最为合适的算法对于此种超高速率信号完整性分析至关重要当前应用于高速信号完整性分析的分析算法有PDTD FEM MOM等五种，经比较分析，FEM分析方法最为适用于此种复杂结构小体积连接器产品之信号完整性分析,同时分析算法确定后如何进行分析网格划分是提高分析准确度的关键，分析网格划分不当及设置错误会造成分析完成输出之分析结果失真的问题

为此我们采用了自研基于空气盒子网格精密划分技术使用HFSS软件进行该连接器产品信号完整性分析，采用全波形仿真法进行连接器产品全波形高精度信号完整性仿真，该技术应用突破了国内原有高频分析技术基本采用PEEC及TLM技术进行高速连接器分析因算法本身局限造成信号完整性分析精度不足的局面，有效的提高了高速连接器产品分析准确度，HFSS电磁仿真软件可分析整个连接器产品之全波段信号完整性性能（包含特征阻抗，S参数及串扰等性能），模型采用辐射边界进行设定，使用FEM有限元法将空气和其他所有材质（导体及绝缘体）分割成精密空气盒子网格（三角网格，电小尺寸单元），假定每个单元内部的场为常数，使用变分技术求解麦克斯韦方程组，此分析技术仿真时可对空间进行任意分割，特别适用于高速连接器因变截面多，分析结构复杂的场景。

HFSS软件自身带有自动设置空气盒子的功能，一般是在待分析模型外围设置距离模型上表面10mm整体围覆构成，这种自动设置的空气盒子具有较好的分析精度适用范围较广，但对于112Gps及以上超高速信号分析准确度较差，此外高速IO连接器外形结构复杂多变，应用自动带出空气盒子分析精度难以满足实际需求，因此结合超高速信号对于空气盒子距离敏感并充分考虑400G高速连接器产品结构特点，基于空气盒子网格精密划分技术 我们自主设计及设置了适合400G高速结构的高精度空气盒子，提高了此类连接器产品信号完整性分析的准确度。

在连接器信号完整性的重要参数中 特征阻抗（Characteristic Impedance）是至关重要的参数，损耗及信号串扰都和特征阻抗的精确性息息相关,和电阻不同，特性阻抗是应用于传输线的概念。在高速应用场景，连接器信号传输线已经不能看作理想导线，不能忽略传输线上的一些寄生参数，如寄生电阻、寄生电容、寄生电感。特性阻抗就是一个综合传输线场景下这些参数的合成参数。

单位长度的传输线可以等效为以下模型：

该连接器产品模型的阻抗表达式为：

理论上精确的连接器产品特性阻抗是一个与频率相关的量。而在实际应用中，传输线的电阻部分，即耗散能量的部分往往可以忽略不计，即上式中的R和G为0。近似为无损传输线。对于无损传输线，阻抗表达式可以表示为：

由于特征阻抗是基于传输线本身的参数因此特征阻抗对于信号完整性其他关键参数如插入损耗 回波损耗串扰等均有重要影响，特征阻抗的一致性与否对于连接器产品的整个信号完整性参数要求能否达成起到关键作用。

目前传统的高速信号完整性分析对于如何调控分析连接器产品之特征阻抗采用一体式分析方法，即对连接器产品整体进行信号完整性分析求解，得到特征阻抗数值曲线后进行整体式分析找出特征阻抗偏离规格线部分依照特征阻抗偏大或者偏小进行阻抗容抗调控来进行改善，整体流程上按照3D绘制 – 信号仿真 – 输出结果方式进行这种分析方法对于较为规则的结构特征有较好的调控效果，比如RF射频器件 结构上为规格的矩形圆形等，利用传统分析方法可较好的调控连接器产品的特征阻抗配合结构设计进而完成精准调控产品信号完整性参数的目的此外原始3D的绘制质量对仿真分析结果也非常关键

基于112G PAM4信号之400G高速连接器 产品结构复杂且不规则，如采用上述传统信号完整性分析方法，绘制整体3D 其后进行整体信号仿真分析后找出异常点改进，因连接器产品结构复杂多变，特征阻抗端面既有金属端子又有塑胶还有空气且为进一步改善连接器产品的信号完整性，连接器产品结构设计中在局部有带入多种塑胶 多种金属，整体式分析很难实现特征阻抗的精确分析及调控，也不利于其他信号完整性设计参数之达成 此外较为复杂的整体结构，3D绘制工作量巨大容易存在小部分结构未绘制到位进而影响分析结果的问题

因此如何更好更加精准的进行连接器产品特征阻抗分析成为焦点问题

为提高连接器产品特征阻抗精准分析及调控 我们研究及发展了基于FEM算法利用HFSS等全波分析软件进行复杂结构超高速信号特征阻抗分析及调控的全新方法，较好的解决了超高速信号特征阻抗分析及调控精准度的难题。

我们的思路是将繁化简,基于当前已有的传统特征阻抗分析手法已可进行简单结构超高速信号特征阻抗精准分析，我们将待分析的高速连接器进行分段展开，类似面包切片，先切割成较为简单的部分，各部分进行精确的特征阻抗分析并进行调控并基于此进行结构优化，分段式特征阻抗调控完成后再组合各段优化结构进行整体分析.

如图示 我们把连接器按照金属材料周围包覆介质不同分成不同区域切分成结构简单部分并绘制A B C D E各段拆分模型 并按照五步法进行特征阻抗精密调控

步骤一 3D模型分段 拆分后各部分结构简单且规则

步骤二 使用HFSS分析软件 进行各段特征阻抗分析及调控

调整要求 端子宽度从0.59mm增加到0.69mm调整后特征阻抗98-101欧姆

调整要求 端子宽度从0.56mm增加到0.71mm调整后特征阻抗98-102欧姆

各段均按照上述方法进行特征阻抗精密调控

步骤三 依据特征阻抗调控结构 修正各分段结构及相关尺寸

步骤四 修正后各分段组合 利用HFSS软件进行整体结构特征阻抗分析

和之前整体式分析方式相比 分析精度提高明显，特征阻抗浮动范围明显缩小，这种分析方法分段后因切片结构简单，软件运算速度大幅度提高，分析效率大幅度提高，分段切片分析因结构简单化可对切片特征阻抗做高精度调整，最后组合分析时整体阻抗一致性非常理想，对于部分阻抗异常处也容易精确定位并再次进行精确分析及调整 ，此外分段式分析因各片段结构简单 3D绘制难度大大降低也改善了因3D绘制质量不高导致分析结果不理想的问题

运用此种基于FEM算法利用HFSS等全波分析软件进行的复杂结构简单化超高速信号特征阻抗分析及调控方法。我们较好的解决了此类复杂结构高速连接器超高速信号特征阻抗精确分析及调控难题。

3. NGSFP-DD 112G高频谐振调控

高频谐振概念类似物理学中的共振，当激动力的频率和当前物理结构的固有频率相等时，物理结构受迫震动的振幅最大，高频谐振意思是当电路的激荡频率等于电路固有频率时，电路电磁震荡的振幅达到峰值。

谐振电路是由电感（L)和电容（C)组成的电路，其工作原理基于LC串联回路的特性。当电压方波作用于该回路时，方波的前后沿会激发回路的能量接收，即产生激励。随后，回路会产生阻尼振荡，损耗部分能量。激励与阻尼的平衡，使得振荡电压在每次激励后都能叠加，当激励相位与振荡波形相位同步时，振荡电压幅度逐渐增大，直至激励能量与损耗能量达到平衡。当谐振电路中的电感和电容的电抗相等，此时XL=XC，谐振回路达到谐振状态，电路阻抗最小，能量传输效率最高。谐振频率可以通过以下公式计算

高频连接器信号在传输过程中，如出现频率点满足电路谐振条件，根据谐振频率公式，谐振频率需要加大或者减小回流路径才能将谐振点往更高频方向移动，移除出连接器信号传输使用频段。

为改善NGSFP-DD高速连接器电路高频谐振问题，我们通过在112G高速差分信号全路径上方设置全路径跨骑式屏蔽片并将其同信号端子两侧的接地端子进行连接实现接地端子多点并联，多点并联减小了地线的电感，同时将信号端子孽生电流回流路径缩短，减少连接器信号反射和串扰。降低了孽生电流及孽生磁场对于高速差分信号耦合的影响及干扰，增强了高速连接器信号对之间的连接器信号干扰抑制能力进而提升多路112G高速连接器信号的信号完整性。

骑式接地回路对信号磁场的影响

高精度跨骑式接地回路并联技术方案

4. 结语：

本文通过对特征阻抗及高频谐振概念的研究，提出了分段式特征阻抗精密调控方法及跨骑式接地回路并联技术等新一代超高速信号高频性能调控方案，较好的解决了NGSFP-DD高速连接器高频信号指标达成的技术难题，为实现此类新一代基于112G PAM4信号应用的400G高速连接器的产业化提供了坚实的技术基础。

参考文献：

【1】高速PCB传输路径信号完整性分析及优化，陈仁义，2020，江西理工大学

【2】HDMI 高速连接电路信号完整性仿真分析，何晴，2020 北京邮电大学

【3】若干因素下的高速互连线间的串扰规律研究，张少华 周德俭，2009，桂林电子科大

【4】微型板-板连接器结构的仿真分析，刘绪磊 周德俭，黄春跃，2008，桂林电子科大

【5】112G PAM4/56G NRZ Interconnect Design for High Channel Count Packages，Hui Liu、Qian Ding、Jenny Jiang，2018，IEEE electrical performance of electronic packaging

【6】高速数字电路信号完整性与电源完整性协同仿真新方法研究，黄昊，2024，浙江大学

【7】具有电或磁耦合关系谐振电路的谐振频率，曹磊、甘志龙，2024，电气电子教学学报