一文读懂高速连接器的信号完整性分析

研究背景

    随着电子通讯技术的快速发展，集成电路的封装与板上互连，对信号传输的带宽要求越来越高。与此同时，互连通道传输的速率越来越快，逻辑门的判决时间窗口也越来越小。因此，信息化技术的发展直接导致互连通道中的集成电路封装、传输线以及连接，从开始的“集总参数模型”，发展到了“分布参数模型”。相对于集成电路的封装，印制电路板上的传输线以及连接器，由于几何尺寸相对较大，更容易进入“分布参数模型”，即高速信号互连通道。PCB互连线、连接器以及布置在上的元件构成了电子设备互连系统的主要组成部分，信号通过印制板互连线以及连接器扩展到其他的印制板上，从而构成了整个背板系统。连接器作为整个互连系统的关键部位，已经成为提高系统传输速率的瓶颈，因此，研制满足高速率传输性能的连接器，是提升系统高速互连性能的主要手段，也是解决信息化系统高速互连问题的关键因素。

    上世纪九十年代初，在信息技术的强劲推动下，用于连接和传输高速数字信号的高速连接器开始发展起来了。当前，国外的高速连接器传输速率己经达到10Gbps，同时正在向40Gbps发展。早在2005年，世界著名连接器生产厂商FCI就与朗讯贝尔实验室合作，利用FCI的高速连接器AirMaxVS和贝尔实验室的信号传输架构成功的实现了高达25Gbps传输速率的信号传输，再次提高了高速连接器的性能。

    在信息化装备技术的推动下，通讯、铁路交通、宇航、医疗仪器、高端武器等领域的数字信息化装备将会对高速连接器产品的性能提出更高的要求，诸如高密度、模块化、高可靠、多功能等方面，以满足系统传输的模块化、集成化、耐环境、抗干扰等各种应用需求。以往在电连接器的开发最主要考虑因素为机械特性，如插拔力以及脚位平整度等。其次再考虑连接器的电气特性，如绝缘电阻、额定电流、接触电阻等。但随着高速通讯时代的来临，对电连接器的性能要求更加苟刻，其高速传输引发的传输线效应不可忽略，解决高速连接器的信号完整性问题成为连接器设计的关键因素。

国内外研究现状

    当前，连接器已经成为电子元件的第二大支柱产业，根据最新的连接器权威研究机构Bishop& Associates公司统计的数据显示，2013年中国市场连接器的销售额已经达到136亿美元，占全球市场份额的24%，中国己经成为连接器最大的销售市场高速连接器的研发以及应用始于欧美发达国家，以莫仕、泰科、FCI等公司为首的国际大型连接器制造企业凭借技术和规模优势，一直掌握着连接器制造产业的前沿技术，尤其是在要求解决高传输速度、耐环境、高可靠性、低串扰和低噪声等问题的通讯和军工应用领域，国际大公司有着明显的优势，而且该领域的连接器产品利润水平也相对较高。

    随着客户对传输速度的要求越来越高，国外连接器供应商在其原有产品的基础上，不断采用新的设计技术及工艺以优化微调其产品，如采用软干涉连接电路板技术（电路板的孔可以做得更小）；用定制的塑胶来补偿信号倾斜推荐在电路板扩孔等。为了满足系统性能和可靠性要求，系统设计者仔细平衡传输速度、功率和封装密度之间的关系。随着互联系统中对大数据量处理和传输的增长，不断推动对传输速度的要求。国外高速通信系统的数据传输速率已由原来的6.25Gbps跳变至12.5Gbps，且向25Gbps普及推广，将来数据传输速率会被提升到40Gbps、100Gbps甚至1Tbps，与其相配套的高速连接器也必将得到更快的发展。

    半导体技术的发展促使连接器生产企业设计研发更高速率的产品。背板连接器市场经历了新世纪暴增时代，这些连接器是为了迎接新一代应用的竞争而准备。在这个领域主要有个厂商：Amphenol TCS、FCI、Molex、Tyco，他们均能供应25Gbps的连接器。目前几乎没有量产的领域要求这么高的传输速度，但是这种高性能的连接器却给了未来系统更新的空间，对系统设计者很有吸引力。

    高速背板连接器是新系统硬件的至关重要零件，一旦在系统设计初期被选上，很可能无法用别家的连接器替换。因为在10Gbps以上工作频率，若连接器的内部结构不同，传输性能会大不样。有鉴于此，国外设备厂商与其主要连接器供应商达成协议，要求连接器供应商共享设计和生产方面的知识产权，在设计和生产上具备足够的一致性以保证界面的互换性及高速传输的兼容性。这种要求连接器供应商之间共赏连接器技术的做法是史上少见的，创了历史先河，很可能是未来连接器产业的发展趋势。材料和产品结构技术的发展拓宽电缆组件的带宽和提高电缆组件的传输速度。采用被动和主动的信号调理技术，铜件电缆能够提供速度高于10Gbps距离高达24m性价比优越的方案。通过近二十年的产品开发，形成了以泰科、安费诺、莫仕、FCI、ENRI等为主的高速连接器生产厂商，通过对基础理论、材料研发等技术创新，完成了诸如HM 2mm、ZD、ExaMax、LRM等高端高速连接器的普及应用，如下图所示连接器信号传输速率由2.5Gbps逐渐到12.5Gbps，再攀升至25Gbps甚至是40Gbps。

VITA高速连接器

ZD高速连接器

LRM高速连接器

    在信号完整性设计方面，其具有完备的理论分析基础，如《电磁场与微波技术》、《高速信号传输》、《高速数字系统的信号完整性和辖射发射》等经典著作；拥有多种的高速信号仿真分析软件，如keysight 的ADS等；以及完备的信号完整性测试平台，如信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、示波器、时域阻抗测试仪、误码率分析仪以及、等配套分析软件等。

    国内专业的高速连接器生产厂商主要有航天电器、中航光电、四川华丰，相关的科研院所有北京航空航天大学、北京邮电大学、上海交通大学等。随着近几年军用武器型号的配套需要，国内各大连接器生产厂商通过仿制或改进国外相关的高速传输连接器产品，相继开发了VITA46、LRM、JVPX、J599、1394等高速传输连接器，但该类连接器的传输一般不超过6.25Gbps。此外，部分厂家也开始配合用户使用需求开始研制更高传输速率的连接器产品，并取得了一定成效。

    总体来看，国内连接器发展起步较晚，在基础理论、原材料、机械加工、产品测试等方面严重滞后于欧美发达国家。此外，由于国内各电子、航空、船舶、航天等系统对高速连接器使用需求的不一致性，加之各高速连接器厂商之间疏于交流合作，导致国内高速产品互不兼容，产品研发水平参差不齐，严重阻碍了高速产品的发展，与国外高速连接器的研制水平相比，国内高速连接器的研制主要有以下几个方面的不足：

    （1）在信号完整性理论研究方面，国内科研院所（如西安电子科技大学、上海交通大学、东南大学、国防科学技术大学、中国科学技术大学、南京航空航天大学、西南交通大学、中国科学院研究生院等）的研宄较为深入，但主要停留在理论研究及计算机仿真分析上面，真正的工程实用化较少。国内华为、中兴等通信设备商也较早成立了自己独立的信号完整性研究部门，具有较为完整的信号完整性测试平台，但基本上还没有以上的信号完整性问题方面的报道。国内各大武器型号研制及配套单位（如航天科工、航天科技、中电集团、中船重工、兵器集团等）虽在理论和工程实践应用上达到了有机集合，但受各种因素限制，理论应用程度尚待深入。

    （2）在原材料研制方面，国内的原材料生产厂商所生产的高速连接器用材料（如PPS、LCP、TPX、Rogers等）基本达不到实际使用要求，性能稳定性差，且有些材料甚至无法生产。国内高速连接器用材料基本依赖进口，从而对高速连接器的国产化及普及应用造成了严重的隐患。

    （3）在零部件加工制造方面，因高速连接器的结构特点，很多零部件尺寸精度要求极高，国内的加工设备、模具及工艺方式方法尚无法满足要求，从而在某种程度上限制了高速连接器的传输性能的提升。

（4）在产品精密组装方面，与国外的自动化一体式装配相比，国内基本采用手工或是手工加半自动的装配方式，其装配一致性较差，效率低，且连接器的一致性受人为因素的较大。

（5）在产品测试及验证方面，国内目前还未有统一的高速连接器规范。各生产厂家的连接器测试规范、方法及指标互有差异，高速信号完整性测试平台技术水平参差不齐，严重滞后了产品研发。

    近几年，国内各大连接器厂商和高校科研院所开始认识到这些不足，开始重视高速连接器信号完整性问题的研究，并取得了一些成果。北京邮电大学电接触实验室在良好的通信技术背景下，对高速连接器的信号完整信问题展开了一系列的研究，叶小兰硕士研究了HDMI高速连接器的信号完整性并进行了优化，何晴研究了高频电连接器的性能。电子科技大学的李迅波等仿真分析了SFP的损耗，初步得到了损耗与频率的数学拟合关系。