Правда о конструкции высокоскоростного разъема

Это не так легко, как просто соединить металл и пластик вместе

Проектирование частотных систем

В области проектирования высокоскоростных разъемов существуют две противоположные идеи. Некоторые считают, что это очень простой процесс: если вы соедините кусочки пластика и металла, то получите передачу сигнала. Но есть и другое мнение: прочная конструкция разъема требует глубокого понимания электромагнитной теории, мудрости, которой обладают только колдуны и волшебники. Как и почти всегда бывает в жизни, истина находится где-то посередине. В этой статье я попытаюсь прояснить некоторые концепции проектирования высокоскоростных разъемов.

Противоположные взгляды и соображения

Позвольте мне начать с утверждения: «Не все так просто». Если бы это было так, у компаний не было бы специализированных команд, занятых только проектированием разъемов. Эти группы состоят из инженеров по обеспечению целостности сигналов (SI), инженеров‑механиков и инженеров‑технологов. Обычно инженеры SI говорят о сопротивлении, перекрестных помехах и вносимых потерях (забавные вещи), инженеры-механики рассуждают о нормальной силе или циклах сопряжения (скучные вещи), а инженеры-технологи — об инструментах или формовании (еще более скучные). Я даже не будут рассматривать деловую сторону, ведь инженеры обычно не слишком заботятся о стоимости: «Кого волнует, что это слишком дорого? Это хорошая конструкция!» Как вы можете видеть, проектирование высокоскоростных разъемов — задача междисциплинарная, и она не столь проста, как соединение металла и пластика.

Впрочем, некоторые инженеры SI делают электрическую часть конструкции разъема похожей на волшебство. Когда возникает проблема с некоторыми извилистыми линиями, мы, SI-волшебники, способны заставить их подниматься, опускаться, появляться и исчезать! Это может потребовать некоторого опыта и знаний, но все это, конечно, не магия. Я расскажу о том, что мы делаем на стороне SI в дизайне разъема.

Электрическая сторона конструкции высокоскоростного разъема

Существует несколько параметров, которые необходимо учитывать при работе с высокоскоростными конструкциями. Они включают перекрестные помехи, потери, полное сопротивление, общий режим, преобразование режимов, связь и тому подобное, и никогда не будет согласия относительно того, что следует учитывать в первую очередь и что менее важно. В конечном счете все сводится к тому, что нужно заказчику. Здесь я хочу обратить внимание на два аспекта, на которые я трачу большую часть своего времени при проектировании высокоскоростных разъемов, — дифференциальное сопротивление (обратные потери) и резонансы (вносимые потери).

Поскольку конструкция высокоскоростных разъемов далеко не тривиальна, вполне понятно, почему большинство компаний очень бережно относится к своим разработкам. Было бы трудно убедить любую компанию, работающую на этом рынке, поделиться своей интеллектуальной собственностью, но мы можем собрать определенную информацию о том, что актуально, и решить проблемы с помощью простой платы. Например, дифференциальная микрополоска с копланарным заземлением и несколькими отверстиями для сшивания верхнего и нижнего слоя заземления служит хорошим испытательным средством для иллюстрации этих принципов проектирования.

Импеданс

Если профиль поперечного сечения не изменяется вдоль направления распространения, дифференциальный импеданс не изменяется тоже. Однако иногда плоскость заземления прорезается под дорожкой сигнала, повышая сопротивление. Или переходные отверстия расположены слишком близко к сигнальной дорожке, или две сигнальные дорожки находятся слишком близко друг к другу, что снижает сопротивление. На рис. 1 проиллюстрированы эти явления.

Рис. 1. Профиль дифференциального импеданса для дифференциальной микрополосковой трассировки. Импеданс увеличивается там, где есть срез плоскости заземления, и снижается там, где следы шире (ближе)

Вот как мы формируем импеданс при проектировании разъема: если мы хотим, чтобы импеданс уменьшился, то добавляем металл или сближаем дорожки (или «землю»). Если хотим, чтобы он увеличился, то разносим металл, или дорожки, или «землю» дальше друг от друга. В предложенном примере все довольно легко — ведь мы просто попытались бы сделать поперечное сечение постоянным. В реальной конструкции разъема все было бы сложнее. Мы бы настраивали дифференциальный импеданс до тех пор, пока не достигли максимально возможного уровня. Недавно был проведен подробный анализ расчета импеданса и разницы между односторонним и дифференциальным режимом [1].

Резонансы

После того как сформирован импеданс, обратим внимание на резонансы. Они появляются в виде вносимых потерь и обычно переносятся на обратные и перекрестные помехи.

Есть два типа резонансов, которые необходимо устранить: один, вызванный шлейфами сигнальных линий, другой, обусловленный обратным контуром или структурой заземления.

Первый из них несколько экспертов в отрасли [2, 3] объяснили с помощью шлейфов на плате. В конструкции разъема это явление также имеет место и связано с износом контактов. И хотя геометрия механически отличается, с электрической точки зрения она одинакова: если вы позволите сигналу проходить между или через точку контакта и коротким замыканием в конце, это создаст резонанс, пропорциональный длине шлейфа. На рис. 2 показана параллель между шлейфами через плату и соединительными шлейфами. В идеальном электрическом исполнении в разъеме не допускается износа, поэтому шлейф отсутствует. Но механически это невозможно, и необходимо достичь компромисса между электрическими характеристиками и механической надежностью. Чем дольше износ, тем ниже частота, с которой будет резонировать разъем. Таково одно из различий между разъемом с частотой 1 ГГц и разъемом с частотой 40 ГГц: разъем с частотой 40 ГГц не может позволить себе длительный износ таким же образом, как плата с производительностью 40 ГГц.

Рис. 2. Эффект сквозного шлейфа в точке сопряжения и разъема

Даже если путь прохождения сигнала идеален, все равно могут быть резонансы. Обратный контур — то, с чем здесь надо работать. Расстояние между соединительными отверстиями будет определять частоты, на которых возникают резонансы в структурах «плоскость-плоскость». Это еще одно отличие при проектировании разъема для работы на частоте 1 ГГц по сравнению с разъемом для работы на частоте 40 ГГц: чем выше частота, на которой действует разъем, тем короче должны быть соответствующие структуры обратного контура.

Если, например, разъем имеет контакты заземления, их придется прошивать таким образом, чтобы вывести резонанс за пределы минимально желаемой частоты. Еще раз мы используем пример микрополоски, чтобы проиллюстрировать данную концепцию. На рис. 3 показано это явление.

Рис. 3. Вносимые потери в зависимости от расстояния между сквозными отверстиями

Чем ближе расположены сшивающие отверстия, тем выше резонансная частота верхней и нижней плоскостей заземления.

Может возникнуть соблазн поверить, что теперь все ясно. Не так быстро… Обратите внимание на рис. 3: резонансные частоты с шагом 8 мм имеют частоту, кратную 10 ГГц, но существуют и различные комбинации на разных частотах, когда вы смотрите на пример с шагом 4 мм.

Так, есть некоторые проблемы на частотах 17 и 34 ГГц. Причина в том, что расстояние между соединительными отверстиями можно измерить не только вдоль направления верхней полосы заземления (как мы и делаем), но и поперек верхней полосы заземления. Последнее может стать доминирующим эффектом в некоторых случаях. Или комбинация обоих факторов может вызвать резонанс между плоскостью основания и полостью.

Имейте в виду, что это очень простая микрополосковая линия. В реальной конструкции разъема все сложнее. Один из способов определить, в чем заключается проблема, — посмотреть на поля на резонансной частоте. Мои коллеги и я более глубоко изучили эту проблему в прошлом [4]. На рис. 4 показана концепция, лежащая в основе данного подхода.

Рис. 4. Базовая электромагнитная теория, используемая для решения задач с резонансными внутренними пространствами

Итак, мы обратили внимание на принцип резонансов и задали вопрос: «Откуда они берутся?» Согласно фундаментальной электромагнитной теории, резонансы возникают, когда есть полость и электромагнитные поля попадают в ловушку внутри такой полости. Следует отметить, что режимы (возможные решения) могут быть функцией x, y или z и доминирующий режим будет зависеть от размеров полости. Аналогично, в нашем примере с микрополосковой линией резонансные частоты резонатора от верхней до нижней плоскости могут быть функцией сквозного расстояния в направлении x, в направлении y или их комбинации, и это не всегда очевидно, особенно если при проектировании разъема может возникнуть проблема.

Для того чтобы расширить основную теорию, мы заменим идеализированную полость геометрией, подобной разъему. Сделаем это с помощью решателя собственных мод для определения частот, на которых могут возникать резонансы. Решение по собственным модам не только значительно быстрее, чем полная развертка частоты. Как только решение становится доступным, доступны и графики полей. Это позволяет видеть области, в которых резонанс наиболее силен, и помогает инженеру решать проблему с теоретической и фундаментальной точки зрения, а не методом проб и ошибок.

Решение на основе собственных мод получено только для структуры заземления путем удаления сигнальных выводов, что позволяет рассматривать структуру заземления как резонансную полость, подобную основной полости, описанной на рис. 4. В дополнение к списку возможных резонансных частот, собственный преобразователь также предоставляет добротность, связанную с каждым резонансным режимом. Коэффициент добротности указывает, насколько сильно режим будет резонировать при возбуждении. Чем выше значение добротности, тем сильнее резонанс для этого режима.

Мы моделируем общую геометрию, которая используется в высокоскоростных разъемах и состоит из четырех пластин (металлических штырей, встроенных в пластик). Внутренние сигнальные пластины, составляющие дифференциальную пару, зажаты между двумя пластинами заземления, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Пример высокоскоростного разъема

В первой конструкции между сигнальными и заземляющими пластинами был воздушный зазор, как видно на рис. 6. Это называется структурой разрыва (GS).

Рис. 6. Поперечное сечение с зазором между сигналом и заземлением (GS)

Данная структура была проанализирована с помощью решателя собственных мод. В таблице 1 обобщены резонансные частоты и связанные с ними значения добротности.

Та же геометрия была проанализирована в частотной области с полной разверткой частоты. В общем случае полная развертка во всем интересующем диапазоне частот по крайней мере на порядок медленнее, чем решение для собственных мод. Соответствующая кривая вносимых потерь для этой структуры показана на рис. 7.

Рис. 7. График вносимых потерь для структуры зазора GS, показанный на рис. 6

Обратите внимание, что резонансы на рис. 7 совпадают с модами 1 и 5 в таблице 1. Решения на основе собственных мод определяют все частоты, на которых может резонировать данная структура, но не все моды будут возбуждаться дифференциальным сигналом. В случаях, когда собственный дифференциальный режим неочевиден, пользователь может просмотреть полное 3D-распределение поля решения для собственного режима.

Вместо того чтобы тратить время на вычисления для выполнения частотной развертки, можно использовать более эффективный способ исследовать, какие собственные моды имеют значение и это посмотреть на графиках их полей. Такой метод по крайней мере на порядок быстрее, чем традиционная полная развертка. Изучая поля, пользователь может определить, какие из них генерируются дифференциальным сигналом.

На рис. 8 показаны графики поля собственных мод, которые идентифицируют резонанс, возникающий с дифференциальной энергией (слева), и поле собственных мод, которое вряд ли будет возбуждено дифференциальной энергией (справа). Часто первый собственный режим (в данном примере на частоте 3,5 ГГц) относится к дифференциальному режиму, что имеет первостепенное значение. Кроме того, гармоники более высокого порядка (например, режим 5 на частоте 6,9 ГГц) также обычно актуальны.

Рис. 8. Распределения электрического поля, показывающие режим, возбуждаемый дифференциальной энергией (слева), и режим, не возбуждаемый дифференциальной энергией (справа)

Возвращаясь к структуре зазора GS, отметим, что производительность может быть улучшена за счет уменьшения силы резонансов. Другими словами, геометрия может быть настроена таким образом, чтобы резонансные моды давали более низкие добротности. Один из способов достижения этой цели с помощью такой геометрии — уменьшение воздушного зазора GS, как показано на рис. 9. Результаты собственного решения обобщены в таблице 2.

Рис. 9. Поперечное сечение с уменьшенным зазором GS

Снижение добротности очевидно при сравнении результатов в таблицах 1 и 2, особенно для режимов 1 и 5. Поэтому ожидается, что уменьшенная геометрия зазора GS будет работать лучше. Действительно, при моделировании полной развертки частоты кривая вносимых потерь показала значительное улучшение (рис. 10).

Рис. 10. Уменьшение добротности приводит к улучшению кривой вносимых потерь

Наконец, как мы видели ранее, добавление или удаление металла в разъеме окажет влияние на сопротивление. Изменение расположения пластин тоже влияет сопротивление. В большинстве случаев проектировщику придется пересмотреть настройку сопротивления, чтобы достичь оптимальных электрических характеристик.

Выводы

В идеальном мире SI мы бы просто сформировали импеданс, добавили больше соединений заземления везде, где мы видим t, и закончили бы на этом. Но нельзя просто игнорировать все происходящее вокруг разъема. Обычно мы фокусируемся на SI, механике и производстве. И на каждом этапе следим, чтобы по крайней мере сопротивление и вносимые потери работали должным образом, не говоря уже обо всех других показателях SI, способных «вступить в игру», — общем режиме, перекрестных помехах, преобразовании режимов, перекосе…

Нет, конструкция высокоскоростного разъема — это не просто пластик и металл, сшитые вместе. И не магия. Это процесс, требующий опыта и знаний, хотя некоторые вещи можно объяснить простыми словами. И даже некоторые более сложные.