高频传输RJ45连接器设计问题思考

张道宽

摘要：本文针对在高速数位传输连接器设计中遇到的高频问题

做了基本介绍。同时结合现有RJ45母产品，针对电磁兼容性和端子传输设计在实际运用中做一说明，希望起到抛砖引玉之效果，以便更好掌握其设计方法和实际应用。

关键词：高速数位传输连接器 电磁兼容性设计 端子传输性

设计

1 概述

我们知道当信号传输由集总模型进入分布模型时，我们称之为进入了高频传输。电路是否进入离散模型取决于以下三点：

①通路长度。②信号上升时间Tr。③传输速度。

对于印刷板电路，当Tr<10nS时，进入分布模型。依据公式：频宽=0.35/上升时间Tr，则0.35/10-8=35MHz 即当传播频宽超过35MHz时，进入高频传输。

2 高速数位传输设计中遇到的问题

对于低频传输的电路而言，通过的电容和电感值不是频率的函数，即不会随频率的变化而变化；但对于高频传输的电路而言，必需处理传输线效应以外，考量信号反射/串音/接地反弹/时脉不对称等等。

3 电磁兼容性设计

3.1 芯片等有源器件的选用和印制电路板设计是关键

首先器件有两种电磁干扰源：传输和辐射干扰源。瞬态电流是传导和辐射干扰的初始源，减少瞬态电流必须减小印制电路板接地阻抗和使用去耦电容；其次，在设计印制电路板时，应优选多层板，将数字电路和模拟电路安排在不通的层内。印制电路板设计应遵循以下的基本原则：

①20-H原则：H是两层面的距离，即元、器件平面应比接地层平面小20倍H，才能减少辐射。②2-W 原则：W是导线宽度，即导线间距离不小于两倍导线宽度；导线应短、宽、均匀、直。导线宽度和拐角不要突变，转弯处应使用圆角。③信号线，电源线应尽可能靠近地线或回线，以减少差模辐射的环面积。④各信号线中间用地线隔开，有助于减少干扰。

3.2 地线设计是最重要的设计

所谓“地”一般定义为电路或系统零电位参考点，它可以是产品金属外壳或接地平面。接地类型有悬浮式、单点式、多点式、以及混合式。接地方式最好采用一点接地。减小接地电流首先可将信号地线与机壳地线绝缘，使地环路阻抗大大增加，将地电压的大部分降在该绝缘电阻上，减小加到导线上。其次，还可以用切断地环路的方法，抑制地环路干扰。如在两个电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等，均可取得良好效果。为了抑制共模干扰可以把印制电路板的接地层分割出一块，作为专用“干净”地。

3.3 屏蔽技术用来抑制电磁干扰沿着空间传播

电磁干扰沿着空间的传播是以电磁场和电磁波的方式进行的。屏蔽原理：当高频磁场穿过金属板时将产生很大的涡流，涡流产生的反磁场会抵消原来的磁场。此外，高频电流具有集肤效应，涡流只在金属表面流过，所以金属薄层就能起到良好的高频磁场屏蔽作用。屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。高频磁场屏蔽可采用金属良导体，例如铜，铝等。由于必须同时屏蔽电场和磁场，应采用良导体材料，实际应用中采取以下方式进行相关屏蔽。

①连接器外壳采用铜板，铁板等，厚度约为0.20～0.40mm。②采用封闭式设计，减少孔，洞和缝隙对电磁波的泄漏。③外壳设计弹片结构，使外壳与屏蔽机壳紧密相连，使屏蔽成为屏蔽机箱延伸。RJ45系列某产品为例说明以上电磁兼容性设计之应用（见如下图1）：

已考量处：①去耦电容减少瞬态地电流。②采取单

点接地方式，通过端脚接地。③外壳采用良导体铜材料

C2680R-H，薄层0.20mm。

4 端子传输性设计

在高频连接器中弹性端子的设计中，除了端子弹性之考量外，需增加高频传输之考量。可初步归纳为以下几点：①端子弹性应可靠，保证信号顺畅传输。②端子间距/形体设计需进行電性分析，满足高频传输要求。③端子需考量如何提升诸如耐电压等可靠性能。

据此，在某高频连接器设计中，针对网络端子做以下优化：①端子降伏改善。客户有屡次反映旧结构端子降伏，经设计折弯结构提高弹性，改善了降伏状况，并经工程分析及正压力试验，功能OK。见如下图2。

正压力验证结果（mgf）：

②端子耐电压之性能提升。客户HP新机种要求产品信号间承受2150VDC电压。经对打火处分析主要是端子和PCB孔焊接处易出现打火失效。采用新结构，将端子做成上下两排可以解决该问题。信号端子间耐电压可以达到2400VDC以上。见如下图3和高压对比测试数据。

高压对比测试数据：

③制程能力之提升。现制程中，由于端子和PCB为焊接固持，经常出现虚焊、短路等质量问题，导致不良PPM很难降低。见图3旧结构示意图。为改善该问题，RJ端子和PCB结合部分采用上下两排式，且为鱼眼结构弹性接触，取消焊接。见图3新结构示意图。

采用新结构方式设计重点在于：①端子弹性部位需接触可靠且易压入。②端子分排式排步对高频性能传输之影响。

下表反映某端子分排式排布后，电性分析得出信号对与信号对之间串音之影响程度。

从以上表中可以看出信号对相互影响比较小，推荐较佳设计方案。

5 总结

随着电子产品轻、薄、短小、高速化发展的趋势，对网络连接器也不断有同样新的要求。本文理论和实践结合做一总结，希望对从事该类电子产品设计者有所帮助。

参考文献：

[1]翻译.《高速数位电路设计及杂讯防制技术/高频传输线理论》.

[2]翻译.《电磁兼容性设计探讨》.

[3]杜长秀.《连接器设计手册》.