
图一、USB技术演进
表观
除了速度的提升之表,消费性电子产品轻薄化的发展趋向,促使衔接器的表观尺寸也越来越迷你,以USB的发展来看,近年来在智能型手机的带头下,由利用宽泛的尺度型A、B Type到Mini系列,2007年因应行动通讯需要发展出Micro系列产品,以及最近很火红的USB Type-C,其表观尺寸已缩幼6倍之多。除了轻薄化之表,高机能及简易的插拔都是优质衔接器发展沉点。由此可知,衔接器产业未来势必朝向轻薄短幼、且拥有急剧传输效力的方向发展。
传输效力
早期低速衔接器并不必要提供大量的讯号传递,对于衔接器的电气机能最多只有求直流电性导通与否、机械机能为测试沉点,例如插拔力、插拔寿命、端子维持力及接触电阻测试等,由于这些试验城市对机械与导通机能造成影响。进入2000年之后,USB及IEEE 1394相继问世,宣告衔接器进入另一个时期,衔接器的主张从正本只有求电流是否导通到大量讯号的传递,在量测上的沉点也相对增长了Impedance(个性阻抗)、Propagation Delay(传输延长)、Propagation Skew(传输时滞)、Attenuation(衰减)、Crosstalk(串音)等测试项目。透过这些测试来验证讯号的齐全性。
滋扰
随着传输数据的大量化,带头着HDMI、DisplayPort及USB 3.1 Type-C等高频衔接器相继问世,衔接器的传输速度也从Mbps等级提升到Gbps等级。当讯号速度持续加快时,若何降低噪声滋扰成了沉要课题,因而单线传输架构逐步转换成双绞线方式(Shielded Twisted-Paired),甚至以同轴线型态(Coaxial)组成,藉以降低自身噪声的产生以及提升抵抗表界滋扰的能力;但是由于多条或多对讯号同时高速传输的影响,串音水平也逐步增长,因而各类串音景象(Crosstalk)的产生则必必要被分析探求。

图二、双绞线图示

图三、同轴线图示
所谓串音(Crosstalk)是指两条讯号之间辐射讯号的耦合景象。这是由于讯号对之间的距离邻近,辐射讯号透过彼此间的杂散电感和杂散电容相互耦合而相互产生滋扰,电容性耦合会引发耦合电流,而电感性耦合则引发耦合电压;以现实生涯来说,家用电话在通话时,偶然会因串音滋扰,而听到第三者的声音。因而,高频讯号在相邻的讯号线做传输时,很难预防串音滋扰的产生,所以需透过串音量测来相识串音滋扰是否节造在可答理的领域之内。串音又可分为:近端串音(Near End Cross Talk: NEXT)及远程串音(Far End Cross Talk: FEXT)两种,目前Type-C占有4对讯号对,而DisplayPort因多蕴含节造用的AUX channel,共占有5对讯号对,因而两者都十吩祺沉串音参数的量测;亦将串音测试纳入验证项目之一。
信号损失
另表,伴随幼型化产品的发展趋向,共同衔接器所使用的电缆线组中轻量且可绕性佳的线材需要大增,芯线线径势必越来越细。目前HDMI线材约24~30 AWG,USB 3.1则为28~34 AWG,AWG为美国线规,是一种分辨导线直径的尺度,数值愈大则线径愈幼,导体愈幼,在在线传送的高频讯号将受导体自身个性造成讯号功率的损失也会愈大,协会通常也会在规格上设定可接受的频率损失参考尺度(参考表一及表二)。
损失(Loss)是指讯号在传输线中的衰减水平,损失种类可分为:插入损失(Insertion Loss)及反射损失(Return Loss)。梦想状态下讯号的传输是没有衰减;但现实上受铜资料个性影响传输距离越长,讯号损失越多(即线组越大损耗越大),插入损失随着讯号的工作频率越高,所产生的讯号损耗也越多,固然这种导体损耗对衔接器自身影响不大,但对电缆线组而言却影响甚深。反射损失的产生,重要产生在衔接器自身或是配对的接面上,由于衔接器自体态态与个性很难形成所谓『传输线结构』,同时电缆线与衔接器接合造程中的串接瑕疵也会造成讯号大量的反射损失。为了有效掌控传输线的损失不会影响质量,插入损失(Insertion Loss)及反射损失(Return Loss)的量测是未来验证高频衔接器不成短缺的项目。
表一、Twisted Pair线材与频率损失关系表
(数据源:Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2)
表二、Coaxial线材与频率损失关系表
数据源:Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2)
线材的损失测试必要靠仪器来实现。通常寺反量测线材损失的设备蕴含了Time domain 及Frequency domain两种测试设备。 以USB为例,在USB 3.1 认证测试上要求使用时域反射仪(Time Domain Reflectometry, TDR)及网络分析仪(Network Analyzer, NA),两台设备别离对分歧参数进行量测。传输速度的提升,对于量测设备有相当大的挑战,齐全量测设备的建造必要随着技术的刷新而更新,成本也逐步提升,若何建造有效的测试环境对厂商来说也是一个极度大的职守。
以USB 3.1 Type-C认证为例,设备厂商所提出的MOI (Method of Implementation)都是使用单一机台来实现电缆线组测试项目。目前重要的设备都能够在单一机台上执行时域及频域的测试。在Tektronix的TDR上,TDR可将量测到的时域讯号透过IConnect software做急剧傅立叶变换(Fast-Fourier Transform)(注一),转化成分歧频域下的谐波讯号(sin wave)。另表,Keysight的ENA则是透过option TDR职能,将量测到的频域讯号透过逆傅立叶变换(Inverse Fourier Transform),转化成时域讯号。透过软件的辅助转换,除了让测试人员能够同时量测到频域与时域讯号,急剧的实现所需的量测项目之表,也大幅降低公司成本。此表,也能够简化工程人员分析的功夫。

图四、时域与频域讯号关系图
轻薄短幼加上急剧且具大量数据传输需要,是未来衔接器发展的必然趋向,衔接器产业已脱节机械加工的传统模式朝向微波组件与高频个性发展、量测与分析对现有衔接器产业而言仍需投入大量的钻研人力,本文中提及的各类新式衔接器在整个衔接器产业中仍属廉价产品,但其有关高频技术已造成产业发展的分水岭,若何提升各项能力朝板对板(board to board)之高单价产品迈进会将是衔接器厂商向上提升的关键技术。
注一: 傅立叶变换是一种线性的积分变换,常用在将信号在时域和频域之间做变换。
