原创 线缆连接器—高频常见问题与案例分享

随着科技的日新月异，高速影音数据传输的需求也不断进化，例如HDMI的规范从 HDMI 2.0 发展到 HDMI 2.1，传输速率由6.0 Gbps 发展至为12Gbps，让影像传输的效率更上一层楼；又如USB 3.2 Gen 2的最大传输速度为10 Gbps，为了让速度快上加快，USB-IF 协会已推出USB 4 Gen3让传输速度跃升至双通道40Gbps. 然而，当用户在追求绝佳传输质量与实时性的那一刻，线材的稳定性和优劣必然会直接影响到使用者体验；举例来说，当使用者将未认证的线缆插上设备后，常会发生装置无反应的情况。

一.   阻抗不匹配(Impedance NOT Matching)

阻抗匹配（Impedance Matching）是指为了使信号功率能从信号源（source）到负载（load）得到最有效的传递，让信号在传递过程中尽可能不发生反射现象。Issue：阻抗不匹配若发生时，会形成反射、能量无法传递，不仅降低效率还会产生震荡、辐射、干扰等不良影响。

二.   串音干扰(Crosstalk)

两条信号线之间的耦合干扰现象，可分为近端及远程干扰。Issue：串音干扰发生时，会影响信号完整性。

三. 频域的衰减(Attenuation)

高频信号由A传递至B，于传输过程中产生的信号损失以及各种损耗成分的总和。Issue：频域的衰减发生时，会造成信号传导不良，降低效率等不良影响。

四. 反射损失(Return Loss)

高频信号由A传递至B，于传输过程中产生的信号损失以及各种损耗成分的总和。Issue：频域的衰减发生时，会造成信号传导不良，降低效率等不良影响。

五. 衰减串音比ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio)

远程串音与衰减的差值。Issue：当ACR发生时，即代表Crosstalk与Insertion Loss可能也有相应的问题发生，造成信号完整性可能有所影响及讯号效率降低的不良情况产生。

高频治具解决方案应用于实际案例

我们以测试验证和实际上遇到的案例提供客制化高频治具解决方案，可逐一对应，让您的产品无论从开发初期到上市都能保有良好的质量。以下为百佳泰在高频治具设计上所搜集的一些案例：

Example 1:  待测物 pin脚与治具板连接处，接触面所造成的阻抗不匹配（Impedance not Matching）:

解决方案：减少待测物 pin脚与治具板连接处，因电容效应过大而造成阻抗偏低的影响。

Example 2: 客户连接器加工方式所造成的Insertion Loss影响

解决方案：改善加工方式，减少Insertion Loss。

Example 3: 同一平面，相邻太近的Trace，造成Crosstalk的现象

解决方案：相邻的Differential pair采不同层面的走线方式，减少信号太近造成的串音干扰。同时利用贯穿孔（via），缩短信号的Return Path。

Example 4: HDMI ACR Test Failed

解决方案：由于ACR是测试 远程串音与衰减的差异值，藉由减少Crosstalk & Insertion Loss来让ACR test更容易通过。

高频常见问题与改善方案案例分享

为协助您的产品从开发初期到上市都能拥有良好的质量，百佳泰搜集了实际测试中最常发生问题的以下三个Potential Risks，以此作为分享:

n   Impedance not matching 阻抗不匹配

n   Attenuation 衰减

n   Crosstalk 串音干扰

案例 1：A公司的HDMI 2.1 Receptacle Connector测试时，Receptacle端的CLK Trace阻抗就算为95.809Ω，但Insertion Loss表现不见得为佳。

Impedance: 95.809Ω（改善前）:  

Insertion Loss（改善前）：

解决方案：连接器加工方式所造成的Insertion Loss影响，重新检视Receptacle端的焊接问题，即有所改善，所谓眼见不一定为凭，即为此例。

Insertion Loss（改善后）:

案例 2： B公司的USB3.0 Type A Receptacle Connector 其D+ & D- pin SMD pad面积大，焊接时更要注意阻抗匹配的问题，否则容易造成接触面Impedance偏低的状况发生。

解决方案：此例的焊锡量要少，并确保connector pin与PCB pad平贴，才能减低connector pin与PCB pad接触面阻抗不匹配的情况发生。

改善后：

案例 3：C公司的TBT3的 Receptacle Connector其RX2_P & RX2_N IRL(Integrated Return Loss)在标准附近未过，PCB阻抗设计或是connector内部设计都有可能是原因之一。

解决方案：经过比对确认，此案例虽然Trace设计阻抗为50Ω，但实际状况下阻抗却不见得会落在50Ω左右，故设计时可提高PCB设计阻抗以避免此风险。

改善后：

案例 4： D公司的Type A Receptacle connector 设计为pin脚为深入铁壳内的设计，测试过后此设计会造成Near End Crosstalk(SS：TX/RX)超过协会规范(3.6mV)而Fail。

解决方案：经过验证，其问题点为铁壳内部的GND所造成，加强内外部铁壳与PCB GND连接其信号完整性才会提高而通过规范。

改善后：3.5948mV

案例 5：E公司的HDMI 2.1 Receptacle Connector为Dip孔设计型式，因其本身连接器设计之故，测试时会有CLK Insertion Loss Fail的情况发生。

Insertion Loss FAIL（改善前）:

解决方案：调整Dip孔与GND距离，使其Impedance升高或降低，再观察Insertion Loss变化，此案为降低阻抗即能有所改善。

Insertion Loss Pass（改善后）：

高频治具的开发设计，俨然已成为连接器、线缆验证不可或缺的一环。通过以上所举例出的的案例，都显示出高频设计上的一些不能轻忽的要点，从设计规划、治具焊接、再到加工方式，每一步的操作都会影响到高频性能。尤以焊接部分为例，轻则影响信号表现，重则阻抗不匹配或是 IL 以及RL 不佳而使高频信号失真，这是在高频版设计上所不能轻忽的。