“浮动”和“高速传输”可以兼容吗?

2020年10月，在CEATEC的同时，我们发布了“ 10143系列”，作为“结合了浮动功能和高速传输的板对板连接器”。 （25Gbps兼容性验证已于2021年8月完成。）

我之所以费心写“兼容”，是因为这两个功能和性能最初处于权衡关系中。即使是我们公司以外的连接器制造商也可能在类似概念的产品发布中看到诸如“兼容冲突要求”的细微差别。这个问题正是我们连接器制造商的技能，花费技术和开发能力的部分之一。

然而，似乎没有解释“为什么相反?”的观点，只是模糊地解释为“冲突”。利益相关者可能会说“这是常识”，对于那些使用该产品的人来说，这可能是一个“这样的事情”的故事。不过，有些人对这个主题感兴趣，不是吗?对于这样的人来说，这次的内容是“让我们尽可能简单地解释”。

关于浮动连接器

什么是浮动连接器?

浮动就是浮动的，有可移动区域的连接器称为浮动连接器。它也被称为“可移动连接器”。该功能主要出现在连接两块板的连接器中。

特征1:消除多个接头的延迟

那么，“有活动区域”的目的是什么?

随着电子设备变得越来越复杂，可能需要使用两个或更多个连接器将两个或更多个板连接在一起。例如，如果有如下图所示的两个连接器，则将连接器安装到板上时发生的“错位”永远不会减少到零。如果这种错位超过一定程度，则两个连接器将无法同时配合。即使您设法组装它，应力也始终会施加到电路板上安装连接器的部分（焊接部分等）。浮动连接器试图通过“可移动性”来吸收这种错位。

特性2:提高可装配性

不仅可以减轻板上的安装错位，还可以减轻组装壳体时受力的板之间的位置的影响。连接器通常使用具有弹簧特性的端子进行连接，因此最典型的浮动结构是通过设计这种形状来允许一定范围的运动的结构。超过一定水平的运动范围可以更轻松地组装设备，并在安装精度和设计方面提供更大的灵活性。

支持高速传输的重点“特性阻抗”

特性阻抗很重要

现在，让我们继续讨论连接器支持“高速传输”的要点。评估传输线是否适合高速传输有几个重要参数。其中，特性阻抗对于连接器等距离相对较短的传输线部件尤为重要。

什么是特性阻抗?

正如您所知，我将解释一些特性阻抗。

当高频信号通过具有足够波长的尺寸的特定传输路径，部件或部件时，“可以存在”的电流和电压之间的平衡由该物体决定。这已经是一种自然现象，它就像一个规则。特性阻抗取此时电流与电压之比 (电流/电压=，因此单位与电阻相同Ω) 。

“信号反射”现象

问题是如果这与连续的物体和部分不同，相邻的状态会发生什么。下图显示了一个简单的示例。通过50Ω特性阻抗的50V信号电压涉及1A电流。如果它侵入100Ω的特性阻抗会发生什么?在电信号中，在传输过程中，所有“电压”，“电流”和“功率”都必须是连续的，但在这种情况下，如果它正常侵入则不一致。出现信号的一部分“逆流”以匹配它们的现象。这称为“反射”，当出现特性阻抗不连续时会发生这种情况。

为什么反射是一个问题?

那么这种反射如何对信号传输产生不利影响呢?

如下图所示，最简单的问题是“信号的能量因反射而降低=通过的信号变小”。此外，更严重的是，如果反射发生在两个或更多地方，则过去的信号分量通过重新反射加入当前信号而变成噪声。

浮动结构和特性阻抗

接下来，我将解释具有浮动结构的连接器的特性阻抗。

连接器通常是通过将主要由弹性铜金属等制成的“端子”组装到称为“外壳”的树脂部件中来构造的。连接器的特性阻抗由形状、尺寸比较以及金属和树脂部件之间的距离决定。下表简要总结了特性阻抗增加（增加）和减少（减少）的主要示例。我特别希望您从中理解的是“随着端子或外壳的形状变化，特性阻抗也会变化。”

具有复杂零件形状的浮动连接器

“制作”很重要

此外，在满足机械和电气特性的同时，还必须考虑产品的生产率=成本。不必要地选择复杂的形状并不能实现可装配性，或者需要很好且非常复杂的工艺。上述例子中提到的端子形状，端子加工和外壳安装都是一大挑战。将产品以与附加价值相应的价格投放市场并稳定供应是制造商的责任和义务。因此，除了在许多情况下制造的昂贵的定制产品之外，确保这种生产率是限制之一。

在不久的将来

当然，由于生产技术创新提高了设计的自由度，我们公司每天都在努力解决小问题。在未来，可以引入新的制造方法，使用3D打印机和金属/树脂 (或组合成型) 。近年来发展迅速的激光加工技术将得到有效利用，并且可能已经开发出完全不同的制造方法。当这种情况发生时，如果我认为到目前为止“放弃”的结构可能被建立为大规模生产产品，那将是一种乐趣。

总之，开发具有“浮动功能”，“稳定特性阻抗”和“具有良好生产率的结构”的连接器这一点是建立相互冲突的要求的问题，并且每个连接器制造商都在锐化它成为一部分。

必须考虑特性阻抗的频率及其部位的大小

物理大小和频率

在到目前为止的解释中，有些人可能会怀疑“我知道反射是一个问题，但为什么它只是高速 (高频) 的问题?低频信号呢?”。上一节中实际提出的问题随着频率的增加而变得更加突出。原因在于“必须考虑 (部件或部件的) 特性阻抗的频率和部件的尺寸”。

信号波长

电信号=交流电信号具有一定的长度，称为“波长”。如下图所示，此波长随着频率的增加而变短。虽然这将是一种略显粗糙的书写方式，但在相对于该波长足够短的情况下，“ (轻微) 特性阻抗的干扰可以忽略不计”。

应该考虑什么尺寸?

然而，要确定我们应该关注多少扰动是非常困难的，而且这还取决于扰动的大小。即使在大学教科书的层面上，也指出“1/4 x λ（波长）>>物理长度”的情况可以忽略（更准确地说，应该将其视为分布常数电路或集总常数电路） ）（这不是一个正确的表达，但我会再解释分布常数电路和集总常数电路。或者，如果你有兴趣，请查一下。）根据我个人的经验，我的印象是，效应在大约1/20波长处开始出现，如果大约是1/10波长，则不能忽略。更准确地说，可以通过对个别产品模型进行 HFSS 等电磁场分析来找到它。

是关于图像的。

考虑的大小已经改变，例如“在电话通信时代以“Km”为单位发生的事情在通信速度上升并进入“Mbps”时以“m”为单位发生。那个在“Gbps”时代的现在是以“mm”为单位发生的。”。

让我再补充一点“形象”：例如，想象道路上有一个直径20厘米的洞。即使大象走过它，它也不会注意到这个洞。作为人，大人可能会绊倒，小孩可能只是在浅洞里绊倒，但可能会被深洞卡住。如果是刺猬路过，它就会掉进洞里，如果是很深的洞，它可能永远都出不来。我希望你能想象一下，每个穿过的人身体的大小是波长，孔的大小是部分或部分，孔的深度是阻抗的变化量。

物理尺寸和频率汇总

尽管连接器的特性阻抗受到干扰，但从信号角度来看，这是一个相对较小的孔。然而，随着信号速度的提高和波长的缩短（这意味着机身变得更小），我们已经进入了一个时代，即使连接器内部最轻微的结构变化也会影响信号传输。这就是为什么“浮动功能和高速传输的结合”可以成为产品特征或卖点。

只考虑特性阻抗可以吗？

特性阻抗是高速传输的唯一考虑因素吗？

在使用各种传输标准和连接器的人所关心的传输参数中，有许多与实际操作有更直接的联系，并且被认为比特性阻抗更重要和有用。在我们公司，我们在评估产品和创建规格时经常重视这些参数。然而，在连接器中，决定或恶化这些参数的根本原因是“由于特性阻抗变化引起的反射”。

反射的负面影响

例如，回波损耗是最重要的S参数之一，是反射的指标，而在电气长度较短的连接器中，反射是插入损耗恶化的主要因素。此外，耦合在反射点处变得更强，从而降低串扰特性，并且由于多点反射而产生谐振的天线对串扰和EMC具有显着影响。特性阻抗，尤其是局部阻抗对传输性能的影响取决于其细微的运动而变化，因此很难轻松指定诸如XX~YY之类的定量值。因此，近年来，更实用的频域传输参数主要作为规范变得有效。另一方面，从“连接器设计”的角度来看，特性阻抗很重要，如何稳定它（减少变化）将实现高速传输。

总结

这次，我们重点讨论了同时实现浮动机构和高速传动特性的难度，并解释了原因和一般技术背景。这不仅是我们公司，也是当前所有连接器制造商正在认真研究的主题之一，我希望我能传达一些其中的艰辛。我们希望处于行业的顶端，特别是在实现浮动和高速传输方面，我们每天都在为实现这一目标而努力。另一方面，当我看到同行业的公司发布新产品的伟大理念时，我会感到一种独特的挫败感和喜悦感。通过这样的努力，我希望能够继续为各地高速信号的连接做出贡献。

在这里您可以找到有关我们针对高速传输连接器的各种举措的信息。请看一下。