浅析STUB对高速连接器的影响

陈 惠，王 超

(四川华丰科技股份有限公司，四川绵阳，621001)

1 引言

随着5G技术的日益发展，通讯设备不断升级换代，信号传输速率不断上升，系统链路信号完整性要求进一步提高；高速连接器作为系统链路至关重要的一环，连接器的性能要求也是越来越严苛，作为连接器厂商，如何保证产品设计及加工性能，是很大的挑战。

高速连接器经常会遇到很多问题，由于结构复杂，往往对连接器的阻抗、插损、回损、串扰等优化难度更大，本文通过理论及仿真手段讲述了高速信号中stub对连接器信号完整性的影响。

2 STUB的产生原因

STUB为英文单词，释意残余部分，残桩等，对于连接器来说，STUB就是多余部分，对信号完整性有害无益。但是，stub在连接器结构上非常常见，下面我们列举高速连接器中典型的STUB结构。

2.1 对插类

带金手指类插头，如SFP，QSFP；高速背板连接器，高速BTB连接器，对插后在公端及母端对插面产生STUB，如图1所示。

图1 SFP连接器对插界面

从SFP高速连接器的对插界面可以看出，PCB的金手指和座子的端子头部都存在残余部分，而这两个部分无法消除，端子的STUB与水平方向呈一定夹角，这是因为对插前端子会被PCB撑开，如图2，这是为了保证端子可靠接触，需要一定的保持力，头部STUB起导向作用，以保证PCB顺利插入；而金手指头部STUB的存在，主要是因为产品本身互配时存在公差，需要预留足够的长度去保证在极限情况下对插后仍能可靠接触。所以这两个STUB因为涉及到可靠性问题，是必然存在的。

图2 SFP连接器对插前示意图

2.2 带鱼眼类

部分高速连接器需要和背板连接，常用是带鱼眼的高速背板连接器，而鱼眼与PCB过孔对插后，会存在STUB，如图3。

对于压接到PCB上的鱼眼，鱼眼接触区是压接后的有效接触位置，而鱼眼头部则是多余的STUB，在鱼眼对插时，该部分起导向作用，保证鱼眼顺利对插。过孔则存在两段STUB,如图中STUB1和STUB2，其中过孔STUB2可以通过背钻工艺去除，按目前工艺能力，可以保证背钻后STUB小于10mil，所以对于重要的高速信号，鱼眼对插过孔需要打背钻。

图3 鱼眼过孔压接示意图

3 STUB对信号完整性的影响

3.1 STUB对阻抗的影响

STUB对于阻抗的影响比较显著，当链路中存在STUB，这一段STUB类似于电阻的并联，我们知道电阻并联阻值将会减小，阻抗也是相同特性，STUB会降低阻抗值，STUB越长，体积越大，阻抗将会越低。

我们建立两个不同长度的STUB模型，如下图4所示。从图中，我们可以看出模拟阻抗的变化趋势。

图4 不同STUB模型

其阻抗仿真结果如图5所示。

图5 阻抗仿真结果

我们建立的模型为单端走线，两侧带伴随地，其中接触位置有两段STUB；在仿真验证中其中一段不变(case1)，将另一端STUB由原来的2mm加长到3mm(case2)，观察其阻抗变化值，由仿真结果可以看出，随着STUB的加长，接触点阻抗由原来的46Ω下降到42Ω，所以增加STUB长度，阻抗会降低。

3.2 STUB对回波损耗的影响

STUB在影响阻抗的同时，也会导致回波损耗恶化。信号传输分为有效路径和无效路径，有效路径是我们期望的传输路径，但实际上，遇到STUB信号会分流朝STUB传输。当然回波损耗的产生与阻抗也息息相关，阻抗不连续将造成反射，对于走线来说，我们可以通过调整线宽、线距、介质等调整阻抗值，从而降低回波损耗，但是对于STUB而言，其尾部为开路，信号到尾部后无法继续向前传输将会发生全反射，遇阻抗不连续处会再次反射，这样周而复始震荡，直到完全损耗掉，如下图6，这对信号传输非常不利，理论上STUB产生的回波损耗无法规避，只能通过减小STUB来优化。

图6 两种不同的串扰模型

我们继续阻抗的验证，不同STUB的情况下，我们对比了仿真后的回波损耗，如下图7所示。

图7 回波损耗对比

从仿真结果看出，STUB较长的case2回损明显恶化，所以STUB在我们设计中应该尽量短，这样可以有效减小反射，降低回波损耗。当然，我们实例中case2阻抗较差，我们可以通过匹配阻抗进一步降低回避损耗，但是从图5阻抗可以看出，阻抗匹配的难度已将非常大了，能降低一点回损也是好的。

3.3 STUB对插入损耗的影响

对于插入损耗来说，STUB同样会有非常大的影响；这个我们可以从插入损耗的公式来理解，插入损耗是指输出端口的输出，其计算公式如下：

IL=-20log(Uo/Ui)

式中：

Uo-输出信号；

Ui-输入信号。

从公式可以看出，插入损耗是评估接受信号的多少，接受到信号越多，插入损耗计算值越大，即通道的损耗越小。

所以回波损耗中讲到STUB会增大回波损耗，信号反射多了自然终端接受就会变少，所以结论是STUB会使插入损耗恶化，我们同样使用图4中的case1和case2模型对比，导出插入损耗值，如下图8所示。

图8 插入损耗对比

从图8中，不难看出，STUB较长的case2插损明显恶化，而且插损的谐振点由原来的40GHz提前到28GHz，谐振对于信号传输来说是致命的，直接影响系统的传输速率，所以不难看出，降低STUB对产品信号速率提升具有非常重要的意义。

3.4 STUB对串扰的影响

影响串扰的因素很多，串扰的产生是由于感性耦合和容性耦合，产生耦合主要是信号与信号，信号与回流地之间，耦合为串扰产生提供有效路径。

而根据STUB的结构形态，同样存在耦合作用，因为STUB和主路径的结构一般都是相同，所以理论上产生的耦合形式也是相同的，所以STUB不会对串扰产生明显的影响。

我们在HFSS中建立仿真模型，如下图9所示。两根单端信号两侧都带伴随地，建立STUB长度不同的P1为2mm，P2为3mm，P3为7mm，对比其串扰影响。

其串扰仿真结果如图10所示。

从仿真结果可以看出，串扰基本上变化很小，特别是40GHz以内；因为该验证只加长的STUB，当STUB越长，阻抗会很低，这样会增大反射，反射增大会导致串扰变差，所以在高频段会产生一定的差异，所以如果变相论证，STUB也会对串扰造成一定的影响。

图9 串扰仿真模型

4 结束语

我们在高速连接器设计中，STUB是很常见的结构，很容易被设计时忽略；对于目前高速连接速率不断更新换代，在设计中对STUB结构也应该引起重视，在减小STUB的同时，我们也应该保证可靠性，随着高速连接器不断发展，未来设计的产品朝着无STUB方向迈进也未可知。