在結構密集、體積緊湊的系統(tǒng)中采用屏蔽連接器實現(xiàn)可靠的高速連接

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

自電子產品問世之初，電氣屏蔽就一直是工程師關注的問題，需要在設計和制造過程中予以考慮。然而，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高、系統(tǒng)愈加小型化，并且信號線越來越多、集成度越來越高、距離越來越近，電氣屏蔽問題愈發(fā)引人擔憂。這些趨勢使得原本簡單的概念變得非常復雜，因為要考慮的因素越來越多，主要體現(xiàn)在：防止外界無用信號到達并影響到承載信號的導體、防止有用信號的能量向外輻射，進而影響到附近的導體和電路。

要想做到有效屏蔽，屏蔽層必須完全包圍住有源導體，形成包括端接連接器在內的全路徑 360° 傳導屏障。為了實現(xiàn)這一目標，許多設計人員認為必須使用同軸電纜和連接器，因為這種內置電纜屏蔽可在保持 360° 屏蔽完整性的同時實現(xiàn)端接。然而，使用同軸電纜使得單位面積上的通道密度較低，因此這種方法不適合滿足許多板對板和板對背板互連應用的高速、高密度電氣和物理要求。要解決這一問題，需要選擇高速、全屏蔽的互連器件，以便在單個全屏蔽連接器外殼中支持高信號路徑數(shù)。

本文簡要討論了屏蔽基礎知識，以及設計人員在實施高通道數(shù)互連及屏蔽（多個單通道同軸電纜會造成總體尺寸和體積過大）時所面臨的挑戰(zhàn)，并且說明了全方位 360° 屏蔽尤為重要的原因，還列舉了 [Samtec]的多個屏蔽連接器系列產品來說明在狹小空間內實現(xiàn)高速信號完整性的最佳設計和實施做法。

首先介紹屏蔽的基礎知識

電纜及其互連器件（連接器）幾乎是所有系統(tǒng)的重要組成部件，可用于連接母板與夾層板，以及板與用戶面板、專用接口或輸入/輸出 (I/O) 裝置。為保持信號完整性，互連器件必須支持信號的帶寬，并且能抵御電磁干擾/射頻干擾 (EMI/RFI)。同時，也不能讓 EMI/RFI 輻射到相鄰的互連器件、電路板或元器件，尤其不能輻射到傳輸?shù)碗娖叫盘柣蛎舾行盘柕幕ミB器件、電路板或元器件。

屏蔽層可以減弱電磁干擾和射頻干擾的影響。根據(jù)放置位置和方式的不同，屏蔽層的主要作用是：衰減靠近其源的噪聲（有時稱噪聲為“侵擾者”）；或阻止噪聲到達對噪聲敏感的電路（“受侵者”）（圖 1）。

圖 1：屏蔽層充當侵擾源與 EMI 和 RFI 的意外無辜受侵者之間的一道屏障。（圖片來源：Journal of Computer Science and Engineering，通過 Arvix）

請注意，某一導體可能既是發(fā)射 EMI/RFI 能量簇的侵擾者，又是另一侵擾源能量的受侵者。此外，EMI/RFI 侵擾者不一定是與產品無關的某個外界“第三方”侵擾源，很可能就是同一個系統(tǒng)的另外一個零件，這個零件通過向鄰近導體或元器件輻射能量而無意中充當了侵擾者。

目前，圍繞著如何以及在什么位置對這些電纜和互連器件進行接地屏蔽，以阻止或顯著衰減侵擾者和受侵者之間的噪聲能量傳輸，有著許多準則和所謂的“經驗法則”。遺憾的是，這些準則不僅會經常相互沖突，而且正確或最佳答案似乎往往有特定的前提條件。建議的準則包括：

• 屏蔽層雙端端接（接地）。
• 屏蔽層僅一端接地（輸出端）。
• 屏蔽層僅一端接地（接收端）

直觀上看，這些準則似乎不可能全是正確的，或者說，也許都是正確的，但取決于特定的設計及衰減程度要求。綜合實驗室測試表明，要想在千兆赫 (GHz) 級別的頻段內實現(xiàn)有效屏蔽，屏蔽層兩端均需接地，換句話說，屏蔽層必須連續(xù)且不間斷。

音頻和較低射頻方面的準則相對靈活一些。不過，對于 1 兆赫茲 (MHz) 以下的應用，屏蔽層采用單端接地是可以接受的，但對于 10 MHz 及以上的應用，單端接地則不合適。

需要全屏蔽

詳細測試結果還表明，屏蔽層端接廣泛采用的短“引線”端接方式的效果往往不佳（圖 2）。即使“引線”只有幾毫米 (mm) 長，但在頻率較高時，其低電感也會影響屏蔽性能，甚至可能會抵消屏蔽層的大部分作用。更糟糕的是，原本無害的引線接頭不僅會導致衰減能力無效，實際上可能適得其反，充當電磁能輻射源（天線）輻射更多 EMI/RFI。

圖 2：這條 HDMI 電纜采用了貌似無害的引線式屏蔽層端接，不僅沒有效果，而且可能適得其反地成為電磁輻射源。（圖片來源：Dana Bergey and Nathan Altland，通過 Interference Technology）

因此，屏蔽層端接需要改用 360° 全屏蔽方式，這種方式也是大多數(shù)高性能和 MIL 標準的要求（圖 3）。

圖 3：要想最大限度地提高屏蔽效果，需要采用 360° 全屏蔽端接方式（上圖），而不是采用快速簡單的引線式端接（下圖）。（圖片來源：ResearchGate）

需要采用屏蔽層兩端接地以及無間隙 360° 全覆蓋接地方式是基于這樣的物理學原因：當工作頻率提高到數(shù)百 MHz 到 GHz 這一區(qū)段時，相應波長就會變短，這意味著即使屏蔽層覆蓋范圍內出現(xiàn)微小縫隙，也可能成為信號能量穿過的窗口，并且信號能量幾乎不會衰減。

隨著頻率的提高，當今系統(tǒng)的封裝密度也越來越高。這樣就會使得侵擾者與受侵者之間所有射頻傳播的路徑損耗降低很多，因為路徑損耗隨距離的平方而增加。因此，即使是看似微不足道的無意侵擾者信號量，也可能以相對較高的強度到達并影響到受侵者電路。

采用 360° 全屏蔽端接方式的屏蔽層（通常以單獨同軸電纜和連接器為代表）對于 EMI/RFI 防護無疑是有效的。然而，使用同軸電纜往往會影響許多系統(tǒng)對高物理密度的需求。

此外，許多高性能系統(tǒng)要求對多條并行信號線進行屏蔽，比如以下兩個基本場景：

? 板對板互連，如母板和夾層板互連，多條線路周圍設一個屏蔽

? 單個電纜組件內有多根屏蔽同軸電纜，設一個配接連接器

適用于板對板設計的單屏蔽層

多根信號線用一個屏蔽這一概念在原理上很簡單。一個屏蔽層疊在扣箍上圍住多根信號線，與連接器外殼接觸（圖 4）。

圖 4：通過將屏蔽層圍在多條信號線周圍，可將多條信號線作為一組進行屏蔽。（圖片來源：Samtec）

與未屏蔽互連器件相比，這種方法解決了屏蔽問題，并且只需多占用極小的電路板空間。重要的是，屏蔽后的多線路連接器不僅具有未屏蔽連接器相同的基本信號線性能，而且還能確?？煽恳恢碌膶雍桶纬觯粫绊懫帘涡Ч?。

舉例說明，20 針位、板對板屏蔽連接器對就是其中一種多線路屏蔽互連器件，如 Samtec 的 [ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR] 插頭和 [ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR] 插座（圖 5）。這些堅固耐用的高速連接器條專為高速（28 Gbits/s 的非歸零 (NRZ) 編碼以及 56 Gbits/s 的四級脈沖調幅 (PAM4)）、高周期應用而設計。

圖 5：20 針位 ERM8 插頭（左）和相應的 ERF8 插座（右）提供屏蔽的板對板連接。（圖片來源：Samtec）

這些連接器的觸點滑接最大可達 1.5 mm，具有堅固耐用的閂鎖、鎖定和 360° 屏蔽功能，在拆拔過程中像“拉鏈”一樣拉出（用離軸的非正常力拉動）時也非常穩(wěn)固。專為高速、高周期應用設計的 Samtec 的 Edge Rate 觸點系統(tǒng)也可實現(xiàn)高速性能。通過減少寬邊耦合，該觸點系統(tǒng)針對信號完整性進行了優(yōu)化，并且具有光滑的寬銑觸頭面，可減少磨損（圖 6）。

圖 6：為減少寬邊信號耦合，ERM8 和 ERF8 采用了專有的 Edge Rate 觸頭系統(tǒng)。（圖片來源：Samtec）

與在切邊上配接的沖壓觸頭不同的是，寬銑觸頭可形成光滑的配接面。這種光滑的配接面可減少觸點上的磨損痕跡，從而提高了觸頭系統(tǒng)的耐用性和周期壽命，并且降低了插拔力。

同樣需要同軸電纜

同軸電纜在信號傳輸中起著重要且不可替代的作用。但是，當需要多個并行信號時，使用僅支持一條同軸電纜的互連器件可能會令人抓狂。針對這種情況，Samtec 提供了一系列支持 20、30、40 和 50 針位的多線路屏蔽同軸電纜連接器。其中，[LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR] 是一款 20 針位、自配接、無極性表面貼裝連接器（圖 7）。

圖 7：LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 是一款 20 針位、自配接、無極性表面貼裝連接器（多達 50 個針位）。（圖片來源：Samtec）

LSHM 系列是一種高密度耐用型連接器，用于板對板以及板對電纜應用，可選用于 EMI 保護的屏蔽層。憑借其 Razor Beam 細間距接觸系統(tǒng)，無極性設計節(jié)省了 X、Y 和 Z 軸上的印刷電路板（pc 板）面積。這種連接器的間距為 0.50 mm，配接時會發(fā)出咔嗒聲，對接和拆拔力約為普通微間距連接器的 4-6 倍。

這種板載連接器僅占互連解決方案的一半，因為還需要電纜組件（圖 8）。這種電纜組件同樣采用了 Razor Beam 技術，間距為 0.50 mm。

圖 8：Razor Beam 細間距自配接同軸電纜組件提供了完整的多線路板對電纜解決方案。（圖片來源：Samtec）

[HLCD-10-40.00-TD-TH-1]是一款與上述 20 針位、板安裝、屏蔽多線路同軸連接器相配套的電纜組件，該組件的電纜長度為一米，兩端配有自配接、不分公母的無極性連接器（圖 9），所用電纜為 38 AWG 微型同軸電纜，阻抗 50 Ω，各觸點額定速率 14 Gbits/s。

圖 9：多線路 50 Ω 微型同軸電纜組件（如 20 針位 HLCD-10-40.00-TD-TH-1）兩端均配有自配接、不分公母的無極性連接器。（圖片來源：Samtec）

綜合應用

為了使這些高速連接器的選擇和使用更加容易，Samtec 擴展了制造商印刷電路板布局和連接器 SPICE 模型的概念，針對電路板最困難的設計問題之一提供了參考設計：高速連接器周圍的關鍵“突破區(qū)域”(BOR)。Samtec 的信號完整性工程師已經開發(fā)出他們稱之為“最后一寸突破區(qū)域”的一個區(qū)域，并且針對 Samtec 的多系列高速連接器提供了有關印刷電路板印制線走線的建議。

這些設計建議基于使用標準的電路板材料、多層以及低成本、高產出的制造工藝，無需特殊處理。這些建議可以節(jié)省設計、開發(fā)和驗證的時間和資源，并且可以在性能與可制造性和成本之間取得平衡。

結束語

對電纜、連接器和互連器件進行全面電氣屏蔽對于板對板以及板對電纜應用的信號完整性和性能至關重要。當有多個并行信號必須進行屏蔽以防止 EMI/RFI 輻射或易受這些輻射影響時，屏蔽問題就更具挑戰(zhàn)性。如上所述，Samtec 提供了適用于多線路板對板、同軸電纜對板應用的多個系列互連器件，可以簡化設計和制造，同時保持高水平的機械和電氣完整性及性