连接器在通信系统中的应用

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1 连接器的基本概念

  连接器的基本性能可分为三大部分,即机械系能、电气性能和环境适应能力。机械性能有两方面的要求:

  一是关于连接器的两个接触件之间的插拔力,我们希望它插入的力量比较小,分离的力量要适当;二是关于连接器的机械寿命,也就是连接器使用的耐久性。电气性能包含四个部分,一是连接器的接触电阻,接触电阻要小,能够到几十毫欧为好;二是绝缘电阻,我们希望它很大,能够到几百兆欧甚至几千兆欧;三是抗电强度,指的是连接器之间、接触件之间,或者是接触件与外壳之间能承受的额定的试验电压的能力;四是一般的电磁性能,包括对电磁干扰引起的衰减,以及对电磁干扰屏蔽的能力等。环境能力包括三方面:一是耐温,根据连接器所使用的环境不同,实际上耐温的要求范围是不同的;二是耐潮湿,需要达到90% 甚至更高;三是耐盐雾,盐雾可以使连接器产生退化,或者表面被腐蚀;四是连接器要耐冲击、耐振动,因为在一些特殊的环境中,比如航空航天、铁路运输、公路运输等,对电器的冲击和振动是很强的。

  连接器的发展具有以下特点:

  1、朝着小型化、高密度、高速度传输的方向发展;

  2、朝着高性能、高频化技术方向发展;

  3、高电压、大电流的连接器需求市场也很大;

  4、连接器还朝着抗干扰技术、模块化技术和无铅化技术方向发展。

  表1中列出的是典型的高速连接器的型号。在传统并行同步数字信号的速率将要达到极限的情况下,高速串行方式是一个很好的解决思路。这使得低压差分信号(LVDS)成为主要的下一代高速信号的电平标准。而高速连接器的选择也成为高速率信号互联要解决的主要问题。

 

  高速连接器在发展中所采用的几个关键技术包括:

  1、为了减少串扰所采用的差分信号、无噪声信号和接地层技术;

  2、为了调整连接器的引线,可以改变由于连接器输入和输出物理距离不等而导致的延时差异;

  3、为了获得最大的传输效率,连接器的特l生阻抗值应与传输电路的特性阻抗相匹配。

2 连接器在有线系统中的应用

  图1所示为一个PSTN网的交换机,该交换机由7个部分组成。除了机箱尺寸的区别,机箱底部是一个机架的管理模块,它包括管理模块、传输背板和传输模块。最前面有子板、载板、电源板,以及风冷系统、电扇托板。在交换机中,它的主要载板就是电话信息的传输以及输入/输出的连接,输入,输出系统所组成的只有很少的电脑板以及信令控制板。

 

  任何网络都需要连通性,以便把单个设备组合成一个网络系统。现今网络中,互联器件(“连接器”)扮演重要角色:首先,它能把单个设备进行电连接,形成更大的网络系统;另一方面,如今都采用标准化的互联,使不同公司制造的设备能相互连接在一起工作,从而在某个街区构建成一个网络,以满足商业或社区的需求。

  因此,在有线通信系统中,连接器的作用主要有三个方面:首先,能在单个设备内的电路板和单个电元件问实现电连接;第二,如果采用标准化的互联,就能使不同公司制造的设备相互连接在一起工作,从而在某个街区构建成一个网络,以满足商业或社区的需求;第三,通过设计达到可靠的功能,以承受已知的工作环境和设备眼务期内的工作强度。

  针对有线通信系统对连接器的要求,在设计时要考虑如下几个方面:

  · 镀金接触界面,用于保证更高的耐磨性和良好的电特性;

  · 冗余的接触界面,保汪高可靠性;

  · 可选择气密出 接或PCB焊接;

  · 壳体外部特征要便于插入时导正和导向;

  · 用不同的插针高度保证信号和接地的先后连接顺序;

  · 大功率电源要用特殊的端子,和信号的接触端子要有所区别;

  · 要保证EMI特性和机箱接地。

  图2是典型的连接系统中背板连接器的设计。它可以提供三种端子长度,即接地端子、信号1端子、信号2端子三个端子的长度是不同的。这是为了保证插座和插针在互相连接的时候,如果接反了,就无法插入。第二个是中问部分,它是用于安装维修用的,整个插针板在插入的过程中,可以用来导向,甚至可以保证编码和极性的正确。外壁用来保护端子和连接器的导向,这个端子就是插针部分,采用柔性插针。从右半部分图中可以看到,外壳被拆除后,更清楚地显示出了接触面。它采用了双柱冗余的接触面设计,这样可以大大提高接触的可靠性。

3 连接器在无线通信系统中的应用

  图3表示的是典型的无线通信系统的基站内部互联,以及它所需要的各种各样的电子连接器。从图中可以看出,左边基站所要求的都是射频连接器,右边表示的是电源连接器、背板连接器、输入/输出连接器和印制电路板连接器。

 

  图4表示的是基站控制器、移动交换网络和网关支持节点之间的典型互联。这些互联也用到了多种连接器。

 

  移动手机用的开关式同轴连接器主要用于提供手机内的天线和汽车外部天线之间的信号的切换。这种开关式的连接器,它的表面安装有三种高度,分别是3.5mm、4.5mm和6.0 mm。表面安装开关式连接器直接和手机天线连接。由于功率元件和天线或开关间距离短,因此内部没有电缆,信号传输非常好。它的性能指标如下:

 

  无线通信系统中所采用的电源连接器(图5)的种类包括一体化背板电源系统、子板/堆叠用连接器、信号母线到板之间的连接器、板到板的电源连接器、电源到电缆/电缆Nrn; 刷板连接器、微处理器所用电源连接器以及电源输入所用连接器。


4 连接器的信号完整性设计

  连接器在进行信号完整性设计时,需要考虑:

  1、与整个互联传输线阻抗的连续性;

  2、连接器各插针问的串扰;

  3、有时序要求,要考虑连接器上的延时。

  连接器的分析方法与一般的信号分析方法基本一样,部是利用仿真软件进行仿真,并对结果进行分析,得出结论。

  连接器的模型分析和电路的模型分析是一样的,只是要注意连接器和过孔效应的精确建模、仿真对于预测信号质量非常重要。

  模型分析有五种情况:

  · 多线模型(MLM):适用于多插针连接器,包括接触元件、接触与接触间耦合、接触和屏蔽间耦合、焊盘问耦合等。除了SLM模拟的参数外,还能用来模拟串扰和地弹等。

  · 单线模型(SLM):适用于连接器中的单线,如高速信号传输线,可以用来模拟反射、时延和偏移、衰减以及信号传输质量。

  · S参数模型:主要应用于频域,可模拟吞吐量和串扰,通过时域变换,可产生阻抗、串扰、传输时延和眼图等。

  · IBIS模型:是一种基于V/I曲线的对I/0 BUFFER快速准确建模的方法,支持所有类型的连接器和多种不同连接器建模,如差分和不平衡信令、SLM(无耦合)、MLM(耦合)、模型级联、板到板以及板到电缆等:

  · SPICE模型:是最为普遍的电路级模拟程序,被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件信号完整性是贯穿于高速数字电路设计中的最重要的问题之一,在此列出几点建议:

  A 对灵敏元件实施对噪声器件的物理隔离;

  B 阻抗控制、反射和信号终端匹配;

  C用连续的电源和地平面层;

  D布线中尽量避免采用直角;E差分对布线长度要相等,以保证在接收端良好的抑制比。

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