使用屏蔽式連接器在密集緊湊的外形尺寸中達到可靠的高速連接

自電子產品問世以來，電氣屏蔽一直是工程師在設計和製造產品時的重要考量。如今隨著數據傳輸率更快、系統更小，系統整合的訊號線更多、更密集，更令人擔心這個問題。這些趨勢讓原本單純的概念變得複雜：既要避免外部非目標訊號接觸和影響攜帶訊號的導體，更要避免目標訊號向外輻射而影響附近的導體與電路。

若要有效屏蔽，導通的導體四周必須完全屏蔽，在整條路徑形成 360° 導電屏障，包括端接連接器。許多設計人員認為只有使用同軸纜線和連接器才能辦到，因為其內部纜線屏蔽可在端接的同時保持 360° 屏蔽完整性。但是，使用同軸纜線會導致區域通道密度偏低，因此這種作法無法滿足許多板對板和板對背板互連應用對高速、高密度的電氣與實體要求。解決之道就是挑選全屏蔽的高速互連元件。這種互連元件可在單一個全屏蔽的連接器外罩中支援多條強訊號路徑。

本文將簡要探討屏蔽的基本原理，以及設計人員在實作多通道互連與屏蔽時面臨的挑戰 (若使用多條單通道同軸纜線，則會造成纜線整體尺寸和體積過大)。文中將解釋為何全方位 360° 屏蔽尤其重要，並以 Samtec 幾個不同系列的屏蔽式連接器為例，說明在狹小空間設計和實作高速訊號完整性的最佳作法。

屏蔽的基本原理

纜線及其互連元件 (連接器)，幾乎在各種系統中都是必要元件。這些元件可將主機板連接至夾層板，將夾層板連接至使用者面板、專用介面或某個輸入／輸出 (I/O) 配置。若想保持訊號完整性，這些互連元件必須支援訊號的頻寬，並可抵抗電磁干擾／無線射頻干擾 (EMI/RFI)。同時，還不能讓 EMI/RFI 輻射到附近的互連元件、板件或組件，尤其是傳遞低階或敏感訊號的元件。

屏蔽可以降低電磁干擾和無線射頻干擾的影響。根據放置的位置和方式，屏蔽主要會衰減雜訊來源 (有時稱為雜訊「侵擾源 (aggressor)」) 附近的雜訊，或阻止雜訊到達雜訊敏感型電路 (亦稱「受擾源 (victim)」) (圖 1)。

圖 1：屏蔽的作用是在侵擾源與受 EMI/RFI 影響的無辜受擾源之間設置屏障。(圖片來源：《計算機科學與工程雜誌》，經由 Arvix 提供)

請注意，特定導體既可能是發射「一簇」EMI/RFI 能量的侵擾源，也可能是受到另一個來源能量侵擾的受擾源。此外，EMI/RFI 侵擾源不一定非得是與產品無關的外部「第三方」來源，也可能只是系統的其他部位，將能量輻射到附近的導體或元件上，而無意間造成侵擾。

如今有許多準則和所謂的「經驗法則」，指導如何以及從何處端接這些纜線及互連的接地屏蔽，以阻斷或大幅衰減在侵擾源和被侵擾源之間傳輸的雜訊能量。不過，這些準則往往有衝突，而且正確或最佳的答案似乎常常取決於具體的配置。建議的準則包括：

• 端接 (接地) 屏蔽的兩端。
• 只端接來源端。
• 只端接接收端。

從直覺來看，這些準則似乎不能全部成立，但或許視具體的設計以及需要的衰減程度，似乎又可能成立。全面的實驗室測試顯示，想要有效屏蔽到 GHz 範圍內，屏蔽兩端都必須端接，換言之，屏蔽必須連續不間斷。

這些規則在音訊領域和較低 RF 頻率下更具彈性。但僅端接屏蔽一端或許適合最高 1 MHz 左右的應用，卻不適合數十 MHz 甚至更高的應用。

需要完全屏蔽

此外，詳細的測試結果也表明，在屏蔽時廣泛使用的短「豬尾」端接，為何通常無效 (圖 2)。即使其長度只有幾公釐，但低電感值有損高頻時的效能，因此會抵銷屏蔽的大部分效能。更糟的是，看似無害的豬尾端接可能適得其反，會變成電磁能量的輻射器 (天線)，不僅無法有效衰減 EMI/RFI，反而輻射更多的 EMI/RFI。

圖 2：此 HDMI 纜線採用看似無害的豬尾屏蔽端接，不僅無效，還可能適得其反，輻射更多電磁能量。(圖片來源：Dana Bergey & Nathan Altland，經由 Interference Technology 提供)

實際上，我們需要在屏蔽端接處進行 360° 實體覆蓋，而這也是大多數高效能與 MIL 標準的要求 (圖 3)。

圖 3：若想達到最大的屏蔽效果，就要採用 360° 完全端接 (頂端)，而不是簡單快速地使用豬尾進行接地連接 (底部)。(圖片來源：ResearchGate)

之所以兩端都需要端接且 360° 完全覆蓋不留縫隙，是基於一個物理因素，即隨著工作頻率增加到數百 MHz 和 GHz，對應的波長會變短。這代表只要屏蔽層稍有縫隙，訊號能量就有機會外流，而僅有少許衰減甚至無衰減。

除了頻率較高以外，現今的系統也很緊密。這代表侵擾源與受擾源之間的 RF 傳播路徑損耗也要少得多；這是因為路徑損耗與距離的平方成正比。因此，即使侵擾源發出的非目標訊號看起來非常少量，也可能以相對較高的強度到達並影響受侵擾的電路。

使用 360° 全覆蓋屏蔽，即常見形式的同軸纜線和連接器，絕對能有效防護 EMI/RFI。但使用同軸纜線時，常常會妨礙許多系統對高物理密度的要求。

此外，許多高效能的系統需要跨多條平行訊號線進行屏蔽，如以下兩種基本情境：

• 板對板互連，例如在主機板和夾層板之間，以一個屏蔽包覆多條線路

• 單一纜線組件中有多條屏蔽式同軸纜線，並使用單一個配接連接器

板對板設計用的單一屏蔽

原則上，在多條訊號線上使用單一屏蔽是個很簡單的概念。多條線路會以一個用套環束縛的屏蔽包覆，並與連接器的殼體接觸 (圖 4)。

圖 4：在一組訊號導線上套上屏蔽，就可將多條線路成組屏蔽。(圖片來源：Samtec)

此作法不只解決屏蔽的問題，與非屏蔽式互連元件相比，也只需要極小的額外板空間。屏蔽式多線連接器應可提供如同非屏蔽式連接器的基本訊號線效能，並確保可靠一致地插拔而不影響屏蔽，這一點非常重要。

Samtec 的 ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR 排針座和 ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR 插槽，是一款 20 腳位的板對板屏蔽式連接器對 (圖 5)，便是這種多線屏蔽式互連產品之一。這些耐用的高速連接器條，專為 28 Gbits/s 的高速非歸零 (NRZ) 編碼，以及 56 Gbits/s 四級脈衝振幅調變 (PAM4)、高循環應用所設計。

圖 5：20 腳位 ERM8 排針座 (左) 和對應的 ERF8 插槽 (右)，提供屏蔽式板對板連接。(圖片來源：Samtec)

這些連接器提供高達 1.5 mm 的觸點滑接，具有耐用的閂鎖、鎖定、360° 屏蔽，並在以「拉鍊動作」(以非正常的離軸力拉動) 拔出時也很堅固。此外，Samtec 還採用專為高速、高循環應用所設計的 Edge Rate 觸點系統，可提供高速效能。此系統可減少寬邊耦合，達到最佳訊號完整性，同時還有平滑的寬銑削觸點表面，可減少磨損 (圖 6)。

圖 6：ERM8 和 ERF8 採用自行研發的 Edge Rate 觸點系統以減少寬邊訊號耦合。(圖片來源：Samtec)

寬銑削的觸點可形成平滑的配接表面區域，有別於沖壓觸點在切割邊緣上配接。這種平滑的配接表面能減少觸點上的磨損痕跡，增加觸點系統的耐用性與循環使用壽命。此外，還能降低插拔力。

還需要同軸纜線

同軸纜線在訊號傳輸方面具有無可取代的重要作用，但在需要多個平行訊號時，若使用僅支援一條同軸纜線的互連元件，則可能會令人感到挫折。為了解決此情況，Samtec 提供一系列多線屏蔽式同軸纜線連接器，支援 20、30、40 和 50 個腳位。例如，LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 便是一款 20 腳位、自配接、無極性的表面黏著連接器 (圖 7)。

圖 7：LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 是一款 20 腳位、自配接、無極性的表面黏著連接器，最多可達 50 個腳位。(圖片來源：Samtec)

LSHM 系列是高密度的耐用型連接器，適合板對板和板對線應用，可選配 EMI 防護屏蔽。其無極性設計採用 Razor Beam 微間距觸點系統，可節省 X、Y 和 Z 軸上的印刷電路板面積。此連接器的間距為 0.50 mm，配接時會發出咔嗒聲，插拔力度大約是典型微間距連接器的 4 到 6 倍。

由於需要纜線組件，因此這款板式安裝連接器只有互連層的一半 (圖 8)。此外，該組件還採用間距為 0.50 mm 的 Razor Beam 技術。

圖 8：Razor Beam 微間距自配接同軸纜線組件提供完整的多線板對線解決方案。(圖片來源：Samtec)

HLCD-10-40.00-TD-TH-1 是上述 20 腳位、板式安裝的屏蔽型多線同軸連接器的配套纜線組件。此纜線長 1 m，兩端均配有自配接、無公母、無極性連接器 (圖 9)。此元件採用 38 AWG 超細同軸纜線，阻抗值為 50 Ω，每個觸點的額定速率為 14 Gbit/s。

圖 9：20 腳位 HLCD-10-40.00-TD-TH-1 等多線 50 Ω 極細同軸纜線組件，在兩端都配有自配接、無公母、無極性連接器。(圖片來源：Samtec)

整合所有項目

為了更方便指定和使用這些高速連接器，Samtec 延伸製造商電路板佈局和連接器 SPICE 模型的概念，針對電路板最難的一個設計問題提供公版設計，即高速連接器周圍的關鍵「分接區域」(BOR)。Samtec 的訊號完整性工程師，開發出所謂的「最後一英吋分接區域」，並針對自家許多高速連接器系列，提供電路板走線佈線相關建議。

這些設計建議是依據標準板材、多層結構，以及低成本、高良率的製程而制訂，且無需特殊處理。這些建議可以節省設計、開發及驗證時間和資源，並在效能、可製造性和成本之間取得平衡。

結論

若要在板對板和板對線配置中達到訊號完整性與效能，對纜線、連接器和互連元件施加完整的電氣屏蔽相當重要。若同時有多個平行訊號必須屏蔽，以免 EMI/RFI 向外輻射，或避免受到這些輻射影響時，屏蔽問題更具挑戰性。如本文所述，Samtec 提供多個系列的多線板對板和同軸纜線對板互連元件，可簡化導入設計和製造，同時維持高水準的機械和電氣完整性與效能。