28芯高速圓形連接器設(shè)計(jì)與仿真

莊申樂，王秀劍，劉云廣，李榮蘭

（山東龍立電子有限公司，李榮蘭創(chuàng)新工作室，山東臨沂，276000）

1 引言

高速連接器不僅具備常規(guī)的電氣性能，還具有高速性能，兩類性能是共同影響整個(gè)高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)信號(hào)完整性的重要因素。然而，信號(hào)的高傳輸速率和信道的高密度使得高速連接器中的反射、串?dāng)_、衰減等問題越發(fā)嚴(yán)重［1］。因此，在設(shè)計(jì)過程中，通過相關(guān)電接觸理論和信號(hào)完整性理論對(duì)連接器進(jìn)行研究和分析，提升設(shè)計(jì)的效率和產(chǎn)品可靠性。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

28芯高速圓形連接器通過簧片彈性變形壓緊后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間可靠耐久的高速連接。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外殼采用J599鋁外殼，絕緣體材料為液晶高分子LCP，該材料熱變形溫度為190～260℃之間，同時(shí)可耐－65℃的低溫環(huán)境，完全滿足產(chǎn)品的使用溫度要求。接觸簧片為寶理C17200青銅帶。

本產(chǎn)品傳輸信號(hào)為10Gbps，為減小信號(hào)衰減、反射和串?dāng)_，在設(shè)計(jì)上采取以下措施：

1.導(dǎo)電體基材為鈹青銅和錫青銅，鍍金處理，使直流阻抗小而穩(wěn)定。

2.導(dǎo)電體采用等截面平直設(shè)計(jì)，降低阻抗不連續(xù)性引起的反射與衰減。

3.采用介電性能良好、介質(zhì)損耗小的絕緣材料，增加信號(hào)間的隔離度，有效降低介電損耗。

4.每排接觸件在空間上交錯(cuò)排列，減少分布電容降低串?dāng)_［2］。

5.為避免其它信號(hào)的影響，采用屏蔽地結(jié)構(gòu)，可有效避免產(chǎn)品排間和列間信號(hào)之間的串?dāng)_。

3 電氣性能

3.1 低電平接觸電阻

3.2 絕緣電阻

產(chǎn)品的絕緣電阻由體積電阻和表面電阻兩部分組成，計(jì)算公式如下：

其中，RV為體積電阻，RS為表面電阻。

體積電阻RV＝。其中，ρV為絕緣材料的體積電阻率，d為最小絕緣間隙，S為導(dǎo)體間的正對(duì)面積。LCP材料的體積電阻率為1.0×1017Ω·mm。

表面電阻RS＝。其中，ρS為絕緣材料的表面電阻率，b為兩導(dǎo)體之間的絕緣體的最小壁厚，a為導(dǎo)體間的正對(duì)寬度［3］。LCP材料的表面電阻率為1.0×1015Ω·mm。通過計(jì)算可得 ＝1×109MΩ，滿足絕緣電阻不小于5000的要求。

3.3 耐電壓

產(chǎn)品耐電壓性能與產(chǎn)品的絕緣間隙和爬電距離有關(guān)。而差分對(duì)之間的電氣間隙為0.47mm，爬電距離為0.47mm，因此根據(jù)表2耐電壓經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，耐電壓理論值約為658V。滿足耐電壓300VDC的要求。

表2 耐電壓經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 28芯連接器高速性能仿真分析

該連接器為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可分為A、B、C、D四層，A、D層的傳輸線分別由2根差分傳輸線、2根地線和2根備用傳輸線組成；B、C兩層分別由4根差分傳輸線、3根地線和1根備用傳輸線組成。提取連接器A、B兩層，研究每層的傳輸性能，在HFSS13.0中建立仿真模型，而每層的仿真又分為無定位板和有定位板兩種情況，由于連接器差分對(duì)數(shù)量多，模型體積大，全模型仿真速度慢且不穩(wěn)定，因此對(duì)連接器分層研究。

4.1 A層仿真模型及結(jié)果

4.1.1 仿真模型

A層無定位板模型，只保留傳輸線、介質(zhì)和接地片。A層有定位板模型，對(duì)定位板進(jìn)行切割，切割的原則是對(duì)A、B層之間的定位板平分，然后將B層一側(cè)平分線以下的定位板部分都切除，模型如下圖1、2所示。

圖1 A層無定位板模型

圖2 A層有定位板模型圖

4.1.2 仿真結(jié)果

（1）阻抗仿真結(jié)果

A層模型的阻抗仿真結(jié)果如下圖3、4所示，紅線代表插頭端差分線阻抗值，藍(lán)線代表插座端差分線阻抗值。根據(jù)圖中所示，阻抗?jié)M足指標(biāo)要求。

圖3 A層無定位板差分阻抗仿真結(jié)果圖

（2）插損仿真結(jié)果

A層模型的插損仿真結(jié)果如下圖5、6所示，紅線代表從插座端輸入差分信號(hào)，在插頭端接收信號(hào)后測(cè)到的插入損耗值，藍(lán)線代表從插頭端輸入差分信號(hào)，在插座端接收信號(hào)后測(cè)到的插入損耗值。兩條線重合，代表該連接器為線性無源器件。根據(jù)圖中所示，插損滿足指標(biāo)要求。

圖4 A層有定位板差分阻抗仿真結(jié)果圖

圖5 A層無定位板插損仿真結(jié)果圖

圖6 A層有定位板插損仿真結(jié)果圖

4.2 B層仿真模型及結(jié)果

4.2.1 B層仿真模型

B層無定位板模型，將A、C、D和定位板刪除。B層有定位板模型，將A、C、D刪除，并對(duì)定位板進(jìn)行切割。切割后保留定位板長(zhǎng)度3.47mm。A層傳輸線線寬為0.73mm，二分之一波長(zhǎng)為15mm，介質(zhì)層高度為3.47mm，波端口尺寸設(shè)置為13.5mm×3.47mm。模型如下圖7、8所示。

圖7 B層無定位板模型圖

圖8 B層有定位板模型圖

4.2.2 B層仿真結(jié)果

（1）阻抗仿真結(jié)果

B層模型的阻抗仿真結(jié)果如下圖9、10所示，紅線和淡紫線代表插頭端兩對(duì)差分線的差分阻抗，藍(lán)線和深紫線代表插座端兩對(duì)差分線的差分阻抗，阻抗?jié)M足指標(biāo)要求。

圖9 B層無定位板阻抗仿真結(jié)果圖

圖10 B層有定位板阻抗仿真結(jié)果圖

（2）插損仿真結(jié)果B層模型的插損仿真結(jié)果如下圖11、12所示，紅線（diff1，diff3）和淡紫線（diff2，diff4）代表從插座端輸入差分信號(hào)，在插頭端接收信號(hào)后測(cè)到的插入損耗值；藍(lán)線（diff3，diff1）和深紫線（diff4，diff2）代表從插頭端輸入差分信號(hào)，在插座端接收信號(hào)后測(cè)到的插入損耗值。紅線和藍(lán)線重合，淡紫線和深紫線重合，說明該連接器為線性無源器件。由圖得出插損滿足指標(biāo)要求。

圖11 B層無定位板插損仿真結(jié)果圖

圖12 B層有定位板插損仿真結(jié)果圖

（3）串?dāng)_仿真結(jié)果

B層模型串?dāng)_仿真結(jié)果如下圖13、14所示。紅線代表插頭端兩差分對(duì)間的串?dāng)_，紫線代表插座端兩差分對(duì)間的串?dāng)_。串?dāng)_的指標(biāo)要求為0－5GHz內(nèi)小于－15dB，從圖上可以看出，在10GHz范圍內(nèi)，串?dāng)_小于－15dB，因此串?dāng)_符合指標(biāo)要求。

圖13 B層無定位板近端串?dāng)_仿真結(jié)果圖

5 結(jié)論

通過理論計(jì)算和仿真分析可知，該連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與PCB板的帶狀線結(jié)構(gòu)較為相似，因此可以參考PCB板的差分帶狀線阻抗計(jì)算公式和信號(hào)完整性理論分析可知：介質(zhì)厚度和差分阻抗的關(guān)系為正相關(guān)。

圖14 B層有定位板近端串?dāng)_仿真結(jié)果圖

插損及回?fù)p都與阻抗值有密切聯(lián)系，因此插損及回?fù)p的優(yōu)化應(yīng)當(dāng)以阻抗的優(yōu)化為前提。而串?dāng)_與線寬和線間距的比值成比例，與介質(zhì)厚度也有密切的關(guān)系，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中可以優(yōu)化介質(zhì)材料。