概況

在通訊產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之下，各式電子產(chǎn)品持續(xù)追求更佳的傳輸質(zhì)量與及時性并提供多元化應(yīng)用，這些需求促使訊號傳遞速度持續(xù)朝高速發(fā)展。為了提升訊號傳遞速度以及縮短用戶的等待時間，除改變訊號編碼方式外，降低訊號位準(zhǔn)（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(dá)到此一目標(biāo)，各組件或裝置之間對于減少訊號衰減與失真以及避免噪聲干擾的要求大幅提升。因此，作為溝通橋梁的連接器也無法幸免，其對于傳輸訊號質(zhì)量與速度的影響也日趨受到重視。以數(shù)據(jù)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(dāng)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(shù)演進(jìn)

 

外觀

除了速度的提升之外，消費性電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢，促使連接器的外觀尺寸也越來越迷你，以USB的發(fā)展來看，近年來在智能型手機的帶動下，由應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)型A、B Type到Mini系列，2007年因應(yīng)行動通訊需求發(fā)展出Micro系列產(chǎn)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(yōu)質(zhì)連接器發(fā)展重點。由此可知，連接器產(chǎn)業(yè)未來勢必朝向輕薄短小、且具有快速傳輸效能的方向發(fā)展。

 

傳輸效能

早期低速連接器并不需要提供大量的訊號傳遞，對于連接器的電氣性能最多只要求直流電性導(dǎo)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(dǎo)通性能造成影響。進(jìn)入2000年之后，USB及IEEE 1394相繼問世，宣告連接器進(jìn)入另一個時代，連接器的目的從原本只要求電流是否導(dǎo)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

隨著傳輸數(shù)據(jù)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(dāng)訊號速度持續(xù)加快時，如何降低噪聲干擾成了重要課題，因此單線傳輸架構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)換成雙絞線方式（Shielded Twisted-Paired），甚至以同軸線型態(tài)（Coaxial）組成，藉以降低本身噪聲的產(chǎn)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?shù)挠绊?，串音程度也逐漸增加，因此各種串音現(xiàn)象（Crosstalk）的產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生干擾，電容性耦合會引發(fā)耦合電流，而電感性耦合則引發(fā)耦合電壓；以現(xiàn)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(chǎn)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范圍之內(nèi)。串音又可分為：近端串音（Near End Cross Talk: NEXT）及遠(yuǎn)程串音（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(shù)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(chǎn)品的發(fā)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(xì)。目前HDMI線材約24~30 AWG，USB 3.1則為28~34 AWG，AWG為美國線規(guī)，是一種區(qū)分導(dǎo)線直徑的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值愈大則線徑愈小，導(dǎo)體愈小，在在線傳送的高頻訊號將受導(dǎo)體本身特性造成訊號功率的損失也會愈大，協(xié)會通常也會在規(guī)格上設(shè)定可接受的頻率損失參考標(biāo)準(zhǔn)（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(tài)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(chǎn)生的訊號損耗也越多，雖然這種導(dǎo)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(chǎn)生，主要發(fā)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(jié)構(gòu)』，同時電纜線與連接器接合制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質(zhì)量，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(guān)系表

（數(shù)據(jù)源：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2）

 

表二、Coaxial線材與頻率損失關(guān)系表

數(shù)據(jù)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(shè)備包含了Time domain 及Frequency domain兩種測試設(shè)備。 以USB為例，在USB 3.1 認(rèn)證測試上要求使用時域反射儀（Time Domain Reflectometry, TDR）及網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer, NA），兩臺設(shè)備分別對不同參數(shù)進(jìn)行量測。傳輸速度的提升，對于量測設(shè)備有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，完整量測設(shè)備的建制需要隨著技術(shù)的變革而更新，成本也逐漸提升，如何建制有效的測試環(huán)境對廠商來說也是一個非常大的負(fù)擔(dān)。

 

以USB 3.1 Type-C認(rèn)證為例，設(shè)備廠商所提出的MOI (Method of Implementation)都是使用單一機臺來完成電纜線組測試項目。目前主要的設(shè)備都可以在單一機臺上執(zhí)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做快速傅立葉變換（Fast-Fourier Transform）（注一），轉(zhuǎn)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變換（Inverse Fourier Transform），轉(zhuǎn)化成時域訊號。透過軟件的輔助轉(zhuǎn)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(guān)系圖

 

輕薄短小加上快速且具大量數(shù)據(jù)傳輸需求，是未來連接器發(fā)展的必然趨勢，連接器產(chǎn)業(yè)已擺脫機械加工的傳統(tǒng)模式朝向微波組件與高頻特性發(fā)展、量測與分析對現(xiàn)有連接器產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)中仍屬低價產(chǎn)品，但其相關(guān)高頻技術(shù)已造成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的分水嶺，如何提升各項能力朝板對板（board to board）之高單價產(chǎn)品邁進(jìn)會將是連接器廠商向上提升的關(guān)鍵技術(shù)。

注一: 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。