高速連接器的信號完整性分析都在這里了
研究背景
隨著電子通訊技術的快速發展，集成電路的封裝與板上互連，對信號傳輸的帶寬要求越來越高。與此同時，互連通道傳輸的速率越來越快，邏輯門的判決時間窗口也越來越小。因此，信息化技術的發展直接導致互連通道中的集成電路封裝、傳輸線以及連接，從開始的“集總參數模型”，發展到了“分布參數模型”。相對于集成電路的封裝，印制電路板上的傳輸線以及連接器，由于幾何尺寸相對較大，更容易進入“分布參數模型”，即高速信號互連通道。PCB互連線、連接器以及布置在上的元件構成了電子設備互連系統的主要組成部分，信號通過印制板互連線以及連接器擴展到其他的印制板上，從而構成了整個背板系統。連接器作為整個互連系統的關鍵部位，已經成為提高系統傳輸速率的瓶頸，因此，研制滿足高速率傳輸性能的連接器，是提升系統高速互連性能的主要手段，也是解決信息化系統高速互連問題的關鍵因素。
上世紀九十年代初，在信息技術的強勁推動下，用于連接和傳輸高速數字信號的高速連接器開始發展起來了。當前，國外的高速連接器傳輸速率己經達到10Gbps，同時正在向40Gbps發展。早在2005年，世界著名連接器生產廠商FCI就與朗訊貝爾實驗室合作，利用FCI的高速連接器AirMaxVS和貝爾實驗室的信號傳輸架構成功的實現了高達25Gbps傳輸速率的信號傳輸，再次提高了高速連接器的性能。
在信息化裝備技術的推動下，通訊、鐵路交通、宇航、醫療儀器、高端武器等領域的數字信息化裝備將會對高速連接器產品的性能提出更高的要求，諸如高密度、模塊化、高可靠、多功能等方面，以滿足系統傳輸的模塊化、集成化、耐環境、抗干擾等各種應用需求。以往在電連接器的開發最主要考慮因素為機械特性，如插拔力以及腳位平整度等。其次再考慮連接器的電氣特性，如絕緣電阻、額定電流、接觸電阻等。但隨著高速通訊時代的來臨，對電連接器的性能要求更加茍刻，其高速傳輸引發的傳輸線效應不可忽略，解決高速連接器的信號完整性問題成為連接器設計的關鍵因素。
國內外研究現狀
當前，連接器已經成為電子元件的第二大支柱產業，根據最新的連接器權威研究機構Bishop& Associates公司統計的數據顯示，2013年中國市場連接器的銷售額已經達到136億美元，占全球市場份額的24%，中國己經成為連接器最大的銷售市場高速連接器的研發以及應用始于歐美發達國家，以莫仕、泰科、FCI等公司為首的國際大型連接器制造企業憑借技術和規模優勢，一直掌握著連接器制造產業的前沿技術，尤其是在要求解決高傳輸速度、耐環境、高可靠性、低串擾和低噪聲等問題的通訊和工防應用領域，國際大公司有著明顯的優勢，而且該領域的連接器產品利潤水平也相對較高。
隨著客戶對傳輸速度的要求越來越高，國外連接器供應商在其原有產品的基礎上，不斷采用新的設計技術及工藝以優化微調其產品，如采用軟干涉連接電路板技術(電路板的孔可以做得更小);用定制的塑膠來補償信號傾斜推薦在電路板擴孔等。為了滿足系統性能和可靠性要求，系統設計者仔細平衡傳輸速度、功率和封裝密度之間的關系。隨著互聯系統中對大數據量處理和傳輸的增長，不斷推動對傳輸速度的要求。國外高速通信系統的數據傳輸速率已由原來的6.25Gbps跳變至12.5Gbps，且向25Gbps普及推廣，將來數據傳輸速率會被提升到40Gbps、100Gbps甚至1Tbps，與其相配套的高速連接器也必將得到更快的發展。
半導體技術的發展促使連接器生產企業設計研發更高速率的產品。背板連接器市場經歷了新世紀暴增時代，這些連接器是為了迎接新一代應用的競爭而準備。在這個領域主要有個廠商：Amphenol TCS、FCI、Molex、Tyco，他們均能供應25Gbps的連接器。目前幾乎沒有量產的領域要求這么高的傳輸速度，但是這種高性能的連接器卻給了未來系統更新的空間，對系統設計者很有吸引力。
高速背板連接器是新系統硬件的至關重要零件，一旦在系統設計初期被選上，很可能無法用別家的連接器替換。因為在10Gbps以上工作頻率，若連接器的內部結構不同，傳輸性能會大不樣。有鑒于此，國外設備廠商與其主要連接器供應商達成協議，要求連接器供應商共享設計和生產方面的知識產權，在設計和生產上具備足夠的一致性以保證界面的互換性及高速傳輸的兼容性。這種要求連接器供應商之間共賞連接器技術的做法是史上少見的，創了歷史先河，很可能是未來連接器產業的發展趨勢。材料和產品結構技術的發展拓寬電纜組件的帶寬和提高電纜組件的傳輸速度。采用被動和主動的信號調理技術，銅件電纜能夠提供速度高于10Gbps距離高達24m性價比優越的方案。通過近二十年的產品開發，形成了以泰科、安費諾、莫仕、FCI、ENRI等為主的高速連接器生產廠商，通過對基礎理論、材料研發等技術創新，完成了諸如HM 2mm、ZD、ExaMax、LRM等高端高速連接器的普及應用，如下圖所示連接器信號傳輸速率由2.5Gbps逐漸到12.5Gbps，再攀升至25Gbps甚至是40Gbps。
在信號完整性設計方面，其具有完備的理論分析基礎，如《電磁場與微波技術》、《高速信號傳輸》、《高速數字系統的信號完整性和轄射發射》等經典著作;擁有多種的高速信號仿真分析軟件，如keysight 的ADS等;以及完備的信號完整性測試平臺，如信號發生器、頻譜分析儀、矢量網絡分析儀、示波器、時域阻抗測試儀、誤碼率分析儀以及、等配套分析軟件等。
國內專業的高速連接器生產廠商主要有航天電器、中航光電、四川華豐，相關的科研院所有北京航空航天大學、北京郵電大學、上海交通大學等。隨著近幾年工防武器型號的配套需要，國內各大連接器生產廠商通過仿制或改進國外相關的高速傳輸連接器產品，相繼開發了VITA46、LRM、JVPX、J599、1394等高速傳輸連接器，但該類連接器的傳輸一般不超過6.25Gbps。此外，部分廠家也開始配合用戶使用需求開始研制更高傳輸速率的連接器產品，并取得了一定成效。
總體來看，國內連接器發展起步較晚，在基礎理論、原材料、機械加工、產品測試等方面嚴重滯后于歐美發達國家。此外，由于國內各電子、航空、船舶、航天等系統對高速連接器使用需求的不一致性，加之各高速連接器廠商之間疏于交流合作，導致國內高速產品互不兼容，產品研發水平參差不齊，嚴重阻礙了高速產品的發展，與國外高速連接器的研制水平相比，國內高速連接器的研制主要有以下幾個方面的不足：
(1)在信號完整性理論研究方面，國內科研院所(如西安電子科技大學、上海交通大學、東南大學、工防科學技術大學、中國科學技術大學、南京航空航天大學、西南交通大學、中國科學院研究生院等)的研宄較為深入，但主要停留在理論研究及計算機仿真分析上面，真正的工程實用化較少。國內華為、中興等通信設備商也較早成立了自己獨立的信號完整性研究部門，具有較為完整的信號完整性測試平臺，但基本上還沒有以上的信號完整性問題方面的報道。國內各大武器型號研制及配套單位(如航天科工、航天科技、中電集團、中船重工、兵器集團等)雖在理論和工程實踐應用上達到了有機集合，但受各種因素限制，理論應用程度尚待深入。
(2)在原材料研制方面，國內的原材料生產廠商所生產的高速連接器用材料(如PPS、LCP、TPX、Rogers等)基本達不到實際使用要求，性能穩定性差，且有些材料甚至無法生產。國內高速連接器用材料基本依賴進口，從而對高速連接器的國產化及普及應用造成了嚴重的隱患。
(3)在零部件加工制造方面，因高速連接器的結構特點，很多零部件尺寸精度要求極高，國內的加工設備、模具及工藝方式方法尚無法滿足要求，從而在某種程度上限制了高速連接器的傳輸性能的提升。
(4)在產品精密組裝方面，與國外的自動化一體式裝配相比，國內基本采用手工或是手工加半自動的裝配方式，其裝配一致性較差，效率低，且連接器的一致性受人為因素的較大。
(5)在產品測試及驗證方面，國內目前還未有統一的高速連接器規范。各生產廠家的連接器測試規范、方法及指標互有差異，高速信號完整性測試平臺技術水平參差不齊，嚴重滯后了產品研發。
近幾年，國內各大連接器廠商和高校科研院所開始認識到這些不足，開始重視高速連接器信號完整性問題的研究，并取得了一些成果。北京郵電大學電接觸實驗室在良好的通信技術背景下，對高速連接器的信號完整信問題展開了一系列的研究，葉小蘭碩士研究了HDMI高速連接器的信號完整性并進行了優化，何晴研究了高頻電連接器的性能。電子科技大學的李迅波等仿真分析了SFP的損耗，初步得到了損耗與頻率的數學擬合關系。
