在结构密集、体积紧凑的系统中采用屏蔽连接器实现可靠的高速连接

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美编辑

自电子产品问世之初，电气屏蔽就一直是工程师关注的问题，需要在设计和制造过程中予以考虑。然而，随着数据传输速率的提高、系统愈加小型化，并且信号线越来越多、集成度越来越高、距离越来越近，电气屏蔽问题愈发引人担忧。这些趋势使得原本简单的概念变得非常复杂，因为要考虑的因素越来越多，主要体现在：防止外界无用信号到达并影响到承载信号的导体、防止有用信号的能量向外辐射，进而影响到附近的导体和电路。

要想做到有效屏蔽，屏蔽层必须完全包围住有源导体，形成包括端接连接器在内的全路径 360° 传导屏障。为了实现这一目标，许多设计人员认为必须使用同轴电缆和连接器，因为这种内置电缆屏蔽可在保持 360° 屏蔽完整性的同时实现端接。然而，使用同轴电缆使得单位面积上的通道密度较低，因此这种方法不适合满足许多板对板和板对背板互连应用的高速、高密度电气和物理要求。要解决这一问题，需要选择高速、全屏蔽的互连器件，以便在单个全屏蔽连接器外壳中支持高信号路径数。

本文简要讨论了屏蔽基础知识，以及设计人员在实施高通道数互连及屏蔽（多个单通道同轴电缆会造成总体尺寸和体积过大）时所面临的挑战，并且说明了全方位 360° 屏蔽尤为重要的原因，还列举了 [Samtec]的多个屏蔽连接器系列产品来说明在狭小空间内实现高速信号完整性的最佳设计和实施做法。

首先介绍屏蔽的基础知识

电缆及其互连器件（连接器）几乎是所有系统的重要组成部件，可用于连接母板与夹层板，以及板与用户面板、专用接口或输入/输出 (I/O) 装置。为保持信号完整性，互连器件必须支持信号的带宽，并且能抵御电磁干扰/射频干扰 (EMI/RFI)。同时，也不能让 EMI/RFI 辐射到相邻的互连器件、电路板或元器件，尤其不能辐射到传输低电平信号或敏感信号的互连器件、电路板或元器件。

屏蔽层可以减弱电磁干扰和射频干扰的影响。根据放置位置和方式的不同，屏蔽层的主要作用是：衰减靠近其源的噪声（有时称噪声为“侵扰者”）；或阻止噪声到达对噪声敏感的电路（“受侵者”）（图 1）。

图 1：屏蔽层充当侵扰源与 EMI 和 RFI 的意外无辜受侵者之间的一道屏障。（图片来源：Journal of Computer Science and Engineering，通过 Arvix）

请注意，某一导体可能既是发射 EMI/RFI 能量簇的侵扰者，又是另一侵扰源能量的受侵者。此外，EMI/RFI 侵扰者不一定是与产品无关的某个外界“第三方”侵扰源，很可能就是同一个系统的另外一个零件，这个零件通过向邻近导体或元器件辐射能量而无意中充当了侵扰者。

目前，围绕着如何以及在什么位置对这些电缆和互连器件进行接地屏蔽，以阻止或显著衰减侵扰者和受侵者之间的噪声能量传输，有着许多准则和所谓的“经验法则”。遗憾的是，这些准则不仅会经常相互冲突，而且正确或最佳答案似乎往往有特定的前提条件。建议的准则包括：

• 屏蔽层双端端接（接地）。
• 屏蔽层仅一端接地（输出端）。
• 屏蔽层仅一端接地（接收端）

直观上看，这些准则似乎不可能全是正确的，或者说，也许都是正确的，但取决于特定的设计及衰减程度要求。综合实验室测试表明，要想在千兆赫 (GHz) 级别的频段内实现有效屏蔽，屏蔽层两端均需接地，换句话说，屏蔽层必须连续且不间断。

音频和较低射频方面的准则相对灵活一些。不过，对于 1 兆赫兹 (MHz) 以下的应用，屏蔽层采用单端接地是可以接受的，但对于 10 MHz 及以上的应用，单端接地则不合适。

需要全屏蔽

详细测试结果还表明，屏蔽层端接广泛采用的短“引线”端接方式的效果往往不佳（图 2）。即使“引线”只有几毫米 (mm) 长，但在频率较高时，其低电感也会影响屏蔽性能，甚至可能会抵消屏蔽层的大部分作用。更糟糕的是，原本无害的引线接头不仅会导致衰减能力无效，实际上可能适得其反，充当电磁能辐射源（天线）辐射更多 EMI/RFI。

图 2：这条 HDMI 电缆采用了貌似无害的引线式屏蔽层端接，不仅没有效果，而且可能适得其反地成为电磁辐射源。（图片来源：Dana Bergey and Nathan Altland，通过 Interference Technology）

因此，屏蔽层端接需要改用 360° 全屏蔽方式，这种方式也是大多数高性能和 MIL 标准的要求（图 3）。

图 3：要想最大限度地提高屏蔽效果，需要采用 360° 全屏蔽端接方式（上图），而不是采用快速简单的引线式端接（下图）。（图片来源：ResearchGate）

需要采用屏蔽层两端接地以及无间隙 360° 全覆盖接地方式是基于这样的物理学原因：当工作频率提高到数百 MHz 到 GHz 这一区段时，相应波长就会变短，这意味着即使屏蔽层覆盖范围内出现微小缝隙，也可能成为信号能量穿过的窗口，并且信号能量几乎不会衰减。

随着频率的提高，当今系统的封装密度也越来越高。这样就会使得侵扰者与受侵者之间所有射频传播的路径损耗降低很多，因为路径损耗随距离的平方而增加。因此，即使是看似微不足道的无意侵扰者信号量，也可能以相对较高的强度到达并影响到受侵者电路。

采用 360° 全屏蔽端接方式的屏蔽层（通常以单独同轴电缆和连接器为代表）对于 EMI/RFI 防护无疑是有效的。然而，使用同轴电缆往往会影响许多系统对高物理密度的需求。

此外，许多高性能系统要求对多条并行信号线进行屏蔽，比如以下两个基本场景：

• 板对板互连，如母板和夹层板互连，多条线路周围设一个屏蔽

• 单个电缆组件内有多根屏蔽同轴电缆，设一个配接连接器

适用于板对板设计的单屏蔽层

多根信号线用一个屏蔽这一概念在原理上很简单。一个屏蔽层叠在扣箍上围住多根信号线，与连接器外壳接触（图 4）。

图 4：通过将屏蔽层围在多条信号线周围，可将多条信号线作为一组进行屏蔽。（图片来源：Samtec）

与未屏蔽互连器件相比，这种方法解决了屏蔽问题，并且只需多占用极小的电路板空间。重要的是，屏蔽后的多线路连接器不仅具有未屏蔽连接器相同的基本信号线性能，而且还能确保可靠一致的对接和拔出，而不会影响屏蔽效果。

举例说明，20 针位、板对板屏蔽连接器对就是其中一种多线路屏蔽互连器件，如 Samtec 的 [ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR] 插头和 [ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR] 插座（图 5）。这些坚固耐用的高速连接器条专为高速（28 Gbits/s 的非归零 (NRZ) 编码以及 56 Gbits/s 的四级脉冲调幅 (PAM4)）、高周期应用而设计。

图 5：20 针位 ERM8 插头（左）和相应的 ERF8 插座（右）提供屏蔽的板对板连接。（图片来源：Samtec）

这些连接器的触点滑接最大可达 1.5 mm，具有坚固耐用的闩锁、锁定和 360° 屏蔽功能，在拆拔过程中像“拉链”一样拉出（用离轴的非正常力拉动）时也非常稳固。专为高速、高周期应用设计的 Samtec 的 Edge Rate 触点系统也可实现高速性能。通过减少宽边耦合，该触点系统针对信号完整性进行了优化，并且具有光滑的宽铣触头面，可减少磨损（图 6）。

图 6：为减少宽边信号耦合，ERM8 和 ERF8 采用了专有的 Edge Rate 触头系统。（图片来源：Samtec）

与在切边上配接的冲压触头不同的是，宽铣触头可形成光滑的配接面。这种光滑的配接面可减少触点上的磨损痕迹，从而提高了触头系统的耐用性和周期寿命，并且降低了插拔力。

同样需要同轴电缆

同轴电缆在信号传输中起着重要且不可替代的作用。但是，当需要多个并行信号时，使用仅支持一条同轴电缆的互连器件可能会令人抓狂。针对这种情况，Samtec 提供了一系列支持 20、30、40 和 50 针位的多线路屏蔽同轴电缆连接器。其中，[LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR] 是一款 20 针位、自配接、无极性表面贴装连接器（图 7）。

图 7：LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 是一款 20 针位、自配接、无极性表面贴装连接器（多达 50 个针位）。（图片来源：Samtec）

LSHM 系列是一种高密度耐用型连接器，用于板对板以及板对电缆应用，可选用于 EMI 保护的屏蔽层。凭借其 Razor Beam 细间距接触系统，无极性设计节省了 X、Y 和 Z 轴上的印刷电路板（pc 板）面积。这种连接器的间距为 0.50 mm，配接时会发出咔嗒声，对接和拆拔力约为普通微间距连接器的 4-6 倍。

这种板载连接器仅占互连解决方案的一半，因为还需要电缆组件（图 8）。这种电缆组件同样采用了 Razor Beam 技术，间距为 0.50 mm。

图 8：Razor Beam 细间距自配接同轴电缆组件提供了完整的多线路板对电缆解决方案。（图片来源：Samtec）

[HLCD-10-40.00-TD-TH-1]是一款与上述 20 针位、板安装、屏蔽多线路同轴连接器相配套的电缆组件，该组件的电缆长度为一米，两端配有自配接、不分公母的无极性连接器（图 9），所用电缆为 38 AWG 微型同轴电缆，阻抗 50 Ω，各触点额定速率 14 Gbits/s。

图 9：多线路 50 Ω 微型同轴电缆组件（如 20 针位 HLCD-10-40.00-TD-TH-1）两端均配有自配接、不分公母的无极性连接器。（图片来源：Samtec）

综合应用

为了使这些高速连接器的选择和使用更加容易，Samtec 扩展了制造商印刷电路板布局和连接器 SPICE 模型的概念，针对电路板最困难的设计问题之一提供了参考设计：高速连接器周围的关键“突破区域”(BOR)。Samtec 的信号完整性工程师已经开发出他们称之为“最后一寸突破区域”的一个区域，并且针对 Samtec 的多系列高速连接器提供了有关印刷电路板印制线走线的建议。

这些设计建议基于使用标准的电路板材料、多层以及低成本、高产出的制造工艺，无需特殊处理。这些建议可以节省设计、开发和验证的时间和资源，并且可以在性能与可制造性和成本之间取得平衡。

结束语

对电缆、连接器和互连器件进行全面电气屏蔽对于板对板以及板对电缆应用的信号完整性和性能至关重要。当有多个并行信号必须进行屏蔽以防止 EMI/RFI 辐射或易受这些辐射影响时，屏蔽问题就更具挑战性。如上所述，Samtec 提供了适用于多线路板对板、同轴电缆对板应用的多个系列互连器件，可以简化设计和制造，同时保持高水平的机械和电气完整性及性