28芯高速圓形連接器設計與仿真

莊申樂，王秀劍，劉云廣，李榮蘭

（山東龍立電子有限公司，李榮蘭創新工作室，山東臨沂，276000）

1 引言

高速連接器不僅具備常規的電氣性能，還具有高速性能，兩類性能是共同影響整個高速數字傳輸系統信號完整性的重要因素。然而，信號的高傳輸速率和信道的高密度使得高速連接器中的反射、串擾、衰減等問題越發嚴重［1］。因此，在設計過程中，通過相關電接觸理論和信號完整性理論對連接器進行研究和分析，提升設計的效率和產品可靠性。

2 結構方案

2.1 主要技術指標

28芯高速圓形連接器通過簧片彈性變形壓緊后實現系統間可靠耐久的高速連接。其主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標

2.2 結構設計

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，同時可耐－65℃的低溫環境，完全滿足產品的使用溫度要求。接觸簧片為寶理C17200青銅帶。

本產品傳輸信號為10Gbps，為減小信號衰減、反射和串擾，在設計上采取以下措施：

1.導電體基材為鈹青銅和錫青銅，鍍金處理，使直流阻抗小而穩定。

2.導電體采用等截面平直設計，降低阻抗不連續性引起的反射與衰減。

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

4.每排接觸件在空間上交錯排列，減少分布電容降低串擾［2］。

5.為避免其它信號的影響，采用屏蔽地結構，可有效避免產品排間和列間信號之間的串擾。

3 電氣性能

3.1 低電平接觸電阻

3.2 絕緣電阻

產品的絕緣電阻由體積電阻和表面電阻兩部分組成，計算公式如下：

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為導體間的正對面積。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為兩導體之間的絕緣體的最小壁厚，a為導體間的正對寬度［3］。LCP材料的表面電阻率為1.0×1015Ω·mm。通過計算可得 ＝1×109MΩ，滿足絕緣電阻不小于5000的要求。

3.3 耐電壓

產品耐電壓性能與產品的絕緣間隙和爬電距離有關。而差分對之間的電氣間隙為0.47mm，爬電距離為0.47mm，因此根據表2耐電壓經驗數據可以得到，耐電壓理論值約為658V。滿足耐電壓300VDC的要求。

表2 耐電壓經驗數據表

4 28芯連接器高速性能仿真分析

該連接器為中心對稱結構，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，由于連接器差分對數量多，模型體積大，全模型仿真速度慢且不穩定，因此對連接器分層研究。

4.1 A層仿真模型及結果

4.1.1 仿真模型

A層無定位板模型，只保留傳輸線、介質和接地片。A層有定位板模型，對定位板進行切割，切割的原則是對A、B層之間的定位板平分，然后將B層一側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 仿真結果

（1）阻抗仿真結果

A層模型的阻抗仿真結果如下圖3、4所示，紅線代表插頭端差分線阻抗值，藍線代表插座端差分線阻抗值。根據圖中所示，阻抗滿足指標要求。

圖3 A層無定位板差分阻抗仿真結果圖

（2）插損仿真結果

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

圖4 A層有定位板差分阻抗仿真結果圖

圖5 A層無定位板插損仿真結果圖

圖6 A層有定位板插損仿真結果圖

4.2 B層仿真模型及結果

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，并對定位板進行切割。切割后保留定位板長度3.47mm。A層傳輸線線寬為0.73mm，二分之一波長為15mm，介質層高度為3.47mm，波端口尺寸設置為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層仿真結果

（1）阻抗仿真結果

B層模型的阻抗仿真結果如下圖9、10所示，紅線和淡紫線代表插頭端兩對差分線的差分阻抗，藍線和深紫線代表插座端兩對差分線的差分阻抗，阻抗滿足指標要求。

圖9 B層無定位板阻抗仿真結果圖

圖10 B層有定位板阻抗仿真結果圖

（2）插損仿真結果B層模型的插損仿真結果如下圖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，在插頭端接收信號后測到的插入損耗值；藍線（diff3，diff1）和深紫線（diff4，diff2）代表從插頭端輸入差分信號，在插座端接收信號后測到的插入損耗值。紅線和藍線重合，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要求。

圖11 B層無定位板插損仿真結果圖

圖12 B層有定位板插損仿真結果圖

（3）串擾仿真結果

B層模型串擾仿真結果如下圖13、14所示。紅線代表插頭端兩差分對間的串擾，紫線代表插座端兩差分對間的串擾。串擾的指標要求為0－5GHz內小于－15dB，從圖上可以看出，在10GHz范圍內，串擾小于－15dB，因此串擾符合指標要求。

圖13 B層無定位板近端串擾仿真結果圖

5 結論

通過理論計算和仿真分析可知，該連接器結構設計符合指標要求，由于其內部結構與PCB板的帶狀線結構較為相似，因此可以參考PCB板的差分帶狀線阻抗計算公式和信號完整性理論分析可知：介質厚度和差分阻抗的關系為正相關。

圖14 B層有定位板近端串擾仿真結果圖

插損及回損都與阻抗值有密切聯系，因此插損及回損的優化應當以阻抗的優化為前提。而串擾與線寬和線間距的比值成比例，與介質厚度也有密切的關系，在后續的設計中可以優化介質材料。