技術文庫

高速連接器發展趨勢與品質檢驗重點
2017 2017-02-20

概況

在通訊產業蓬勃發展之下,各式電子產品持續追求更佳的傳輸品質與及時性並提供多元化應用,這些需求促使訊號傳遞速度持續朝高速發展。為了提升訊號傳遞速度以及縮短使用者的等待時間,除改變訊號編碼方式外,降低訊號位準(signal level)亦或是提供全雙功的傳輸模式都成為改良的手段;為達到此一目標,各元件或裝置之間對於減少訊號衰減與失真以及避免雜訊干擾的要求大幅提昇。因此,作為溝通橋樑的連接器也無法倖免,其對於傳輸訊號品質與速度的影響也日趨受到重視。以資料傳輸為例,從早期USB 1.0的最大傳輸速度為12 Mbps,到了USB 2.0 時最大傳輸速度為480 Mbps、在USB 3.0(SuperSpeed USB)更提升到5 Gbps,最近相當熱門USB 3.1 Gen 2 更一口氣將傳輸速度提高到10 Gbps,其通訊模式也從半雙功提升至全雙功,以滿足高速傳輸。

圖一、USB技術演進

外觀

除了速度的提升之外,消費性電子產品輕薄化的發展趨勢,促使連接器的外觀尺寸也越來越迷你,以USB的發展來看,近年來在智慧型手機的帶動下,由應用廣泛的標準型A、B Type到Mini系列,2007年因應行動通訊需求發展出Micro系列產品,以及最近很火紅的USB Type-C,其外觀尺寸已縮小6倍之多。除了輕薄化之外,高性能及簡易的插拔都是優質連接器發展重點。由此可知,連接器產業未來勢必朝向輕薄短小、且具有快速傳輸效能的方向發展。

 

傳輸效能

早期低速連接器並不需要提供大量的訊號傳遞,對於連接器的電氣性能最多只要求直流電性導通與否、機械性能為測試重點,例如插拔力、插拔壽命、端子保持力及接觸電阻測試等,因為這些試驗都會對機械與導通性能造成影響。進入2000年之後,USB及IEEE 1394相繼問世,宣告連接器進入另一個時代,連接器的目的從原本只要求電流是否導通到大量訊號的傳遞,在量測上的重點也相對增加了Impedance(特性阻抗)、Propagation Delay(傳輸延遲)、Propagation Skew(傳輸時滯)、Attenuation(衰減)、Crosstalk(串音)等測試項目。透過這些測試來驗證訊號的完整性。

 

干擾

隨著傳輸資料的大量化,帶動著HDMI、DisplayPort及USB 3.1 Type-C等高頻連接器相繼問世,連接器的傳輸速度也從Mbps等級提升到Gbps等級。當訊號速度持續加快時,如何降低雜訊干擾成了重要課題,因此單線傳輸架構逐漸轉換成雙絞線方式(Shielded Twisted-Paired),甚至以同軸線型態(Coaxial)組成,藉以降低本身雜訊的產生以及提升抵抗外界干擾的能力;但是因為多條或多對訊號同時高速傳輸的影響,串音程度也逐漸增加,因此各種串音現象(Crosstalk)的產生則必須要被分析探討。

 圖二、雙絞線圖示

 

圖三、同軸線圖示

 

所謂串音(Crosstalk)是指兩條訊號之間輻射訊號的耦合現象。這是因為訊號對之間的距離鄰近,輻射訊號透過彼此間的雜散電感和雜散電容相互耦合而互相產生干擾,電容性耦合會引發耦合電流,而電感性耦合則引發耦合電壓;以現實生活來說,家用電話在通話時,偶爾會因串音干擾,而聽到第三者的聲音。因此,高頻訊號在相鄰的訊號線做傳輸時,很難避免串音干擾的產生,所以需透過串音量測來了解串音干擾是否控制在可容許的範圍之內。串音又可分為:近端串音(Near End Cross Talk: NEXT)及遠端串音(Far End Cross Talk: FEXT)兩種,目前Type-C擁有4對訊號對,而DisplayPort因多包含控制用的AUX channel,共擁有5對訊號對,因此兩者都非常重視串音參數的量測;亦將串音測試納入驗證項目之一。

 

信號損失

另外,伴隨小型化產品的發展趨勢,配合連接器所使用的電纜線組中輕量且可繞性佳的線材需求大增,芯線線徑勢必越來越細。目前HDMI線材約24~30 AWG,USB 3.1則為28~34 AWG,AWG為美國線規,是一種區分導線直徑的標準,數值愈大則線徑愈小,導體愈小,在線上傳送的高頻訊號將受導體本身特性造成訊號功率的損失也會愈大,協會通常也會在規格上設定可接受的頻率損失參考標準(參考表一及表二)。

 

損失(Loss)是指訊號在傳輸線中的衰減程度,損失種類可分為:插入損失(Insertion Loss)及反射損失(Return Loss)。理想狀態下訊號的傳輸是沒有衰減;但實際上受銅材料特性影響傳輸距離越長,訊號損失越多(即線組越大損耗越大),插入損失隨著訊號的工作頻率越高,所產生的訊號損耗也越多,雖然這種導體損耗對連接器本身影響不大,但對電纜線組而言卻影響甚深。反射損失的產生,主要發生在連接器本身或是配對的接面上,因為連接器本身形狀與特性很難形成所謂『傳輸線結構』,同時電纜線與連接器接合製程中的串接瑕疵也會造成訊號大量的反射損失。為了有效掌控傳輸線的損失不會影響品質,插入損失(Insertion Loss)及反射損失(Return Loss)的量測是未來驗證高頻連接器不可缺少的項目。

表一、Twisted Pair線材與頻率損失關係表

(資料來源:Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2)

 

表二、Coaxial線材與頻率損失關係表

(資料來源:Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2)

 

線材的損失測試需要靠儀器來完成。一般說來量測線材損失的設備包含了Time Domain及Frequency Domain兩種測試設備。 以USB為例,在USB 3.1認證測試上要求使用時域反射儀(Time Domain Reflectometry, TDR)及網路分析儀(Network Analyzer, NA),兩台設備分別對不同參數進行量測。傳輸速度的提升,對於量測設備有相當大的挑戰,完整量測設備的建制需要隨著技術的變革而更新,成本也逐漸提昇,如何建制有效的測試環境對廠商來說也是一個非常大的負擔。

 

以USB 3.1 Type-C認證為例,設備廠商所提出的MOI(Method of Implementation)都是使用單一機台來完成電纜線組測試項目。目前主要的設備都可以在單一機台上執行時域及頻域的測試。在Tektronix的TDR上,TDR可將量測到的時域訊號透過IConnect software做快速傅立葉轉換(Fast-Fourier Transform)(註一),轉化成不同頻域下的諧波訊號(sin wave)。另外,Keysight的ENA則是透過option TDR功能,將量測到的頻域訊號透過逆傅立葉轉換(Inverse Fourier Transform),轉化成時域訊號。透過軟體的輔助轉換,除了讓測試人員可以同時量測到頻域與時域訊號,快速的完成所需的量測項目之外,也大幅降低公司成本。此外,也可以簡化工程人員分析的時間。

圖四、時域與頻域訊號關係圖

 

輕薄短小加上快速且具大量資料傳輸需求,是未來連接器發展的必然趨勢,連接器產業已擺脫機械加工的傳統模式朝向微波元件與高頻特性發展、量測與分析對現有連接器產業而言仍需投入大量的研究人力,本文中提及的各種新式連接器在整個連接器產業中仍屬低價產品,但其相關高頻技術已造成產業發展的分水嶺,如何提升各項能力朝板對板(board to barod)之高單價產品邁進會將是連接器廠商向上提升的關鍵技術。

註一: 傅立葉變換是一種線性的積分變換,常用在將信號在時域和頻域之間做變換。

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