高频连接器设计

电流
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特征阻抗:
传输线
信号的传输过程中，在信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源平 面或地平面）之间由于电场的建立，就会产生一个瞬间的电流，那么只要信号在传 输，就会始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，则在信号传输过程中（注 意是传输过程中），传输线就会等效成一个“电阻”，大小为V/I，我们把这个等效的“电 阻”称为传输线的特征阻抗（characteristic Impedance)
非磁性材料
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电磁波及其传播
电磁波速度,波长和频率的关系: 电磁波在导体和绝缘材料中的传播特点： 高频信号在一组导体中传播时,导体引导电磁 波位于导体间且电磁波几乎被包容在周围的绝缘材料中--事实上导体内的电磁场几乎 是零,换而言之,电磁能量的传输几乎发生在绝缘材料中而不是导体中, 故高频传输中 绝缘材料的特征(如介电常数)是我们的关注重点. 趋肤效应skin effect: 高频传输中, 几乎所有的电流集中在导体的表面, 因为导体内部 的电磁场几乎等于零. 趋肤深度(skin depth), 表征电流趋肤的程度, 指电流降至表 面电流1/e(0.386)的深度. 频率与导电性和趋肤深度存在反向比例.这意味着频率越高 导体表面电流越大,产生的热量损耗越大. 导体表面电荷分布: 正负电荷总是在正(信号线)负(地线)导体表面成对同向流动
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材料的电磁特性
磁导率magnetic permeability: 在电磁学中，磁导率是一种材料对一个外加磁场线性反应的磁化程 度，磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。分为绝对磁导率和相对磁导 率，是表征磁介质导磁性能的物理量.分为绝对磁导率和相对磁导率.通 常使用的是磁介质的相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率 μ0之比，即μr=μ/μ0. 对于顺磁质μr>1；对于抗磁质μr<1，但两者 的μr都与1相差无几 。在铁磁质中，B与 H 的关系是非线性的磁滞回 线，μr不是常量，与H有关，其数值远大于1。 例如，如果空气(非磁性材料)的磁导率是1，则铁氧体的磁导率为10， 000，即当比较时，以通过磁性材料的磁通密度是10,000倍.通常，磁导 率不是一个常数，它可随在媒质中的位置，施加场的频率，湿度，温 度，和其他一些参数而变化。在一个非线性介质中，磁导率取决于磁场 的强度。磁导率作为频率的函数可以呈现实值也可以是复值。在铁磁性 材料中，B和H的关系表现为非线性和迟滞性 损耗Loss: 材料引起的传输损耗有两方面因素: 导体的电阻和绝缘材料的电流 在设计时,我们可以将导体认为是理想导体-没有电阻,实际上任何导 体都存在一定电阻, 会消耗能量(生成热量).也就是直流电压变化. 在设计时,我们可以将绝缘材料认为是理想材料-不消耗任何电磁能量,实 际上任何绝缘材料会储存电能-也就是漏电引起的电压波形畸变,也以热 的形式体现--见介电常数定义
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高频信号分析
历史上直流电阻是连接器电性能的主要指标,随着信号传输速度的不断提 高,连接器高频传输性能日益重要,在有些应用领域,特征阻抗比电阻还重 要. 正如经典牛顿定律是相对论力学在一定条件下的一种近似理论,欧姆定律 是麦克斯韦方程在一定条件下的一种近似表达法.当速度很低(相对于光 速)时牛顿定律非常精准,实际上人类登月球就在牛顿定律应用范围内,但 在微观粒子高速领域牛顿定律就失效,相对论力学才能准确描述时空问题. 相似的,当频率较高时欧姆定律无法解决高速信号传输问题,只有麦克斯 韦方程才适合 案例1案例2立体声系统电路 多高频率需做信号传输分析呢？ 电脑子板电路
25kHz—波长12km 1GHz—波长0.3m
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模拟与数字信号
信号分为模拟信号和数字信号.模拟信号需留意波形的保持,因为波 形包含了被传输的信息 数字信号是二进制(1或0),往往以脉冲体现（脉冲的存在为1,否则 为0).需确保脉冲的一定幅度,因为一定的电压或电流才能触发信号, 也需保证脉冲的形状(特别是上升时间-rise time)- 传输过程影响 脉冲幅度 数字信号往往是高频的脉冲信号,模拟信号能用组合的数字信号来 替代.连接器更注重高频脉冲信号的性能要求 模拟信号是正弦波,数字信号常常是”方波”
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电磁波及其传播
电磁能量以波的形式在媒介传播,电磁波及其传播特性如下: 电磁场
电磁波由电场和 磁场组成.电场和 磁场与传播方向3 者相互垂直.电场 和磁场总是同相 位传播. 电场与 磁场的幅度关系 是一个常数, 它 决定于媒介的介 电常数与磁导率
电磁波传播速度
电磁波在真空中以光的速度传播,在其他介质相应降低 公式中的介电常数是有效介电常数,因为电磁波可能在不止一种介质中传播.有效介电 常数不是算术平均值，因为它决定于电场在介质中的分布, 电场分布较大的介质的介 电常数应更重地加权 磁性材料
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电容:
电容增大: 介电常数增大 导体的表面积增大 导体间的距离减小
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电容减小: 介电常数减小 导体的表面积减小 导体间的距离减加
传输线
电感:电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。当线圈通入非稳态电流时，周围
就会产生变化的磁场。通入线圈的功率越大，激励出来的磁场强度越高，反之则小 （磁感应强度达到饱和之前）。电感是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电 流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变。这种电感称为自感（self-inductance)两 个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响 就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度. 电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量.电感器电感量的大 小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通 常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线 圈电感量大；磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。 单圈磁通量
高频连接器简介
高频连接器用于这样的场合:在两个系统或子系统间传输电流 或电压脉冲,脉冲的幅度和形状必须控制在可接受的范围内, 电压和电流往往较低-几伏，小于1安培. 高频信号一般从两个角度来阐述: 信号的完整性(SI)---简单地说,是指信号在电路中以正确的 时序和电压作出响应的能力.高频信号知识的主体,高频信号 理想传输的设计.如波形的完整性,信号的相位的正确性,信号 传输组件的固有特征,这些固有特征决定于组件的几何结构和 材料性能.目的使被接受的信号接近被发送的信号. 电磁波的兼容性(EMC)---外来电磁波,噪声和干扰的排除或限 制,包括屏蔽,滤波,接地等方式及控制电磁波的干扰和射频干 扰的做法 信号完整性和电磁波兼容性都是设计的重要方面. 电磁波兼 容性好的系统往往不干扰或不遭受周围其他设备的干扰. 高速数字电子系统的发展和繁衍使EMC和SI成为主要的连接技 术
连接器设计培训系列
高频连接器设计
高频连接器简介 高频信号分析 材料的电磁特性 电磁波及其传播 传输线 连接器传输特性 连接器信号完整性 电磁波兼容性(EMC) 电磁波仿真
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案 例, 数 据, 图 片, 图 示 培 训 时 提 供
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高频信号分析
上升时间(Rise-time)：信号从10%的幅度上升到90%的幅度所需的时间有些定义的百分比可能不同.上升时间衡量数字信号的上升边缘的“陡峭 性”,决定最高频率 傅里叶分解:任何周期信号能用无限(实际应用是有限谐波-精度够便可) 的正弦波组合而成.最高频率组分决定了信号的最高频率 4个奇次谐波组合 接近方波 方波的上升边缘由 最高频率组分逼近 ,上升边缘决定最 高频率 最高频率与上升时间的关系
传输线的等效 电路是由无数 个微分线段的 等效电路串联 而成. 一个传输线的 微分线段可以 用等效电路描 述如右图： 若每一小段线的阻抗 都是相等的。传输线 的特性阻抗就是微分 线段的特性阻抗。
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传输线
特征阻抗: 信号在传输的过程中，如果传输路径上的特征阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续 的结点产生反射。 传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟. 传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分 布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表 示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和 电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些 参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。 同轴线获得最大通过功率的最佳直径比是1.65,对于空气介质，特征阻抗是30欧姆.同 轴线获得最小衰减系数的最佳直径比是3.6,对于空气介质，特征阻抗是77欧姆. 目前微波技术常用的同轴线特征阻抗为75和50欧姆,前者接近衰减最小的要求,后者兼 顾了大功率与小衰减系数的要求.
单端传输线
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传输线
单端传输线（通常称为非平衡式）:
单端传输线是连接两个设备的最为常见的方法。在上图中，一条导线连接了一 个设备的源和另一个设备的负载， 参考（接地）层提供了信号回路。信号跃 变时，电流回路中的电流也是变化的，它将产生地线回路的电压降，构成地 线回路噪声，这也成为系统中其他单端传输线接收器的噪声源，从而降低系 统噪声容限。 这是一个非平衡线路的示例，信号线路和返回线路在几何尺寸上不同 高频情况下单端传输线的特性阻抗（也就是通常所说的单端阻抗）为： 其中：L为单位长度传输线的固有电感，C为单位长度传输线的固有电容。 单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关系如下： 与迹线到参考平面的距离（介质层厚度）成正比 与迹线的线宽成反比 与迹线的高度成反比 与介电常数的平方根成反比 单端传输线特性阻抗的范围通常情况下为 25Ω至120Ω，几个较常用的值是 28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。
σ-导电率
μ-导电率
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传输线
传输线的意义: 在做高频信号传输分析时,一般不会直接应用麦克斯韦方程直接来求解, 因为处理该方 程甚为复杂.人们在应用中探索出一些较为简便的电磁波的传输方式,据此也得到传输 线理论.传输线理论是常用的简单化的分析电磁波的手段,传输线的性能及常见指标如 下:
单位:赫兹,秒 如,100皮秒上升时间 对应3.5GHz
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材料的电磁特性
材料的电磁特性决定电磁波在材料中的传输性能.材料可分为导体和绝缘材 料.材料的电磁特性包括导电率,介电常数,磁导率,损耗 导体与绝缘材料: 导体主要是金属材料,导电性是导体的主要特征,含有磁性物质的导体,磁 导率是另外一个重要特征.绝缘材料导电性很差,介电常数和磁导率是绝 缘材料的主要特征,对于连接器的绝缘材料,更常用的是介电常数 导电性: 衡量电流在材料里流动的难易程度，是电流密度与电场的比值,银具有最 好的导电性.在高频连接器导体被视为理想导体,具有无限的导电性. 介电常数: 用于衡量绝缘体储存电能的性能,代表了电介质的极化程度，也就是对电 荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强. 介质在外加电场 时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电 场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率或相对电容率。如果有 高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。 一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。电介质有使空 间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在 两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样. 当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长.连接器常用的绝 缘材料的介电常数一般在2-5间,如特氟龙是2.1,FR4是4.6