10Gbps高速连接器的仿真、测试及优化

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近几年来,受益于通信需求的快速增长,数据传输的速度越来越快。连接器是电气连接的重要组成部分,被广泛应用于电气工程和电子产品的所有领域,已成为实现信号可靠传输必不可少的一部分。随着通信互联网技术的发展,信号传输的速率不断提升,电路中开始出现分布电导、分布电容和分布电感等寄生参数,电流在导线中的流通呈现出趋肤效应,传输线上存在分布参数效应,电路被视为分布参数电路。这一转变将会对信号的可靠传输造成影响,从而引出了信号完整性的研究。差分传输得益于其较强的抗干扰能力以及精准的时序控制,目前已成为高速互连中传输信号的主要方式。对采用差分方式传输信号的高速连接器进行信号完整性方面的研究,对高速互连系统实现信号可靠传输有着重要意义。本课题在传输线理论及信号完整性研究的基础上,选取了一款传输速率高达1OGbps、采用差分传输的高速连接器,对其信号传输性能进行研究。本课题首先介绍了研究所用到的信号完整性的相关理论知识,根据该连接器的物理结构,从理论上分析了该差分连接器的信号传输原理。然后从建模仿真的研究方法入手,配合理论计算的手段,选取了合适的仿真分析软件,对边界条件进行合理设置后分别研究了其特性阻抗、插入损耗、近远端串扰等性能,并对仿真过程中遇到的一系列问题展开研究讨论,并给出理论解释。将仿真结果与连接器所给性能指标参数对照,经验证,该课题针对这款连接器建立的仿真方法及流程合理,仿真结果与给定指标较为一致。确认仿真方法无误后,仍需对该连接器进行测试。本课题选择了在频域对性能进行测量,因此自带信号发生器的矢量网络分析仪是最佳测量仪器的选择,同时该仪器具备较强的误差校准功能。为了保持PCB夹具、连接线缆等部件对测试过程透明,测试前选定了TRL校准方法去除系统误差,并测试了PCB夹具的信号完整性,检验其是否合格。结合最终的测试结果与仿真结果综合分析,判定基于原模型的仿真测试方法可以为高速连接器的信号完整性提供较为系统的分析。制造公差在实际生产制造时必不可少,根据该连接器给定的公差范围,在上述工作的基础上,本课题分别分析了差分对内间距、差分线宽度、介质厚度以及介电常数的变化对信号完整性性能指标的影响,并从理论方面进行了分析。找出可能影响上述信号完整性性能的参数尺寸后,本课题在公差范围内对该连接器进行了优化。根据一系列的分析,本课题最终确定了减小差分对内间距,增大差分线耦合力度的优化方案,该方案对连接器的插入损耗、近端串扰及远端串扰等性能有约3%的改善,实现了预期的目标。本课题所做的工作为后续采用差分传输方式传输的高速率连接器的信号完整性研究奠定了基础。本课题采用的优化手段可以为高速PCB设计提供重要参考,为工程中的故障定位以及问题解决提供帮助。
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