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(shí)性并提供多元化應(yīng)用，這些需求促使訊號(hào)傳遞速度持續(xù)朝高速發(fā)展。為了提升訊號(hào)傳遞速度以及縮短用戶的等待時(shí)間，除改變訊號(hào)編碼方式外，降低訊號(hào)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(duì)于減少訊號(hào)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(duì)于傳輸訊號(hào)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(shí)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(fèi)性電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)，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(jī)的帶動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)易的插拔都是優(yōu)質(zhì)連接器發(fā)展重點(diǎn)。由此可知，連接器產(chǎn)業(yè)未來勢(shì)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(hào)傳遞，對(duì)于連接器的電氣性能最多只要求直流電性導(dǎo)通與否、機(jī)械性能為測(cè)試重點(diǎn)，例如插拔力、插拔壽命、端子保持力及接觸電阻測(cè)試等，因?yàn)檫@些試驗(yàn)都會(huì)對(duì)機(jī)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(gè)時(shí)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(hào)的傳遞，在量測(cè)上的重點(diǎn)也相對(duì)增加了Impedance（特性阻抗）、Propagation Delay（傳輸延遲）、Propagation Skew（傳輸時(shí)滯）、Attenuation（衰減）、Crosstalk（串音）等測(cè)試項(xiàng)目。透過這些測(cè)試來驗(yàn)證訊號(hào)的完整性。

 

干擾

隨著傳輸數(shù)據(jù)的大量化，帶動(dòng)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(jí)提升到Gbps等級(jí)。當(dāng)訊號(hào)速度持續(xù)加快時(shí)，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?yàn)槎鄺l或多對(duì)訊號(hào)同時(shí)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(hào)之間輻射訊號(hào)的耦合現(xiàn)象。這是因?yàn)橛嵦?hào)對(duì)之間的距離鄰近，輻射訊號(hào)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(huì)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(shí)生活來說，家用電話在通話時(shí)，偶爾會(huì)因串音干擾，而聽到第三者的聲音。因此，高頻訊號(hào)在相鄰的訊號(hào)線做傳輸時(shí)，很難避免串音干擾的產(chǎn)生，所以需透過串音量測(cè)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(duì)訊號(hào)對(duì)，而DisplayPort因多包含控制用的AUX channel，共擁有5對(duì)訊號(hào)對(duì)，因此兩者都非常重視串音參數(shù)的量測(cè)；亦將串音測(cè)試納入驗(yàn)證項(xiàng)目之一。

 

信號(hào)損失

另外，伴隨小型化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，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(shì)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(guó)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(hào)將受導(dǎo)體本身特性造成訊號(hào)功率的損失也會(huì)愈大，協(xié)會(huì)通常也會(huì)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(hào)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(hào)的傳輸是沒有衰減；但實(shí)際上受銅材料特性影響傳輸距離越長(zhǎng)，訊號(hào)損失越多（即線組越大損耗越大），插入損失隨著訊號(hào)的工作頻率越高，所產(chǎn)生的訊號(hào)損耗也越多，雖然這種導(dǎo)體損耗對(duì)連接器本身影響不大，但對(duì)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(duì)的接面上，因?yàn)檫B接器本身形狀與特性很難形成所謂『傳輸線結(jié)構(gòu)』，同時(shí)電纜線與連接器接合制程中的串接瑕疵也會(huì)造成訊號(hào)大量的反射損失。為了有效掌控傳輸線的損失不會(huì)影響質(zhì)量，插入損失（Insertion Loss）及反射損失（Return Loss）的量測(cè)是未來驗(yàn)證高頻連接器不可缺少的項(xiàng)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(cè)試需要靠?jī)x器來完成。一般說來量測(cè)線材損失的設(shè)備包含了Time domain 及Frequency domain兩種測(cè)試設(shè)備。 以USB為例，在USB 3.1 認(rèn)證測(cè)試上要求使用時(shí)域反射儀（Time Domain Reflectometry, TDR）及網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer, NA），兩臺(tái)設(shè)備分別對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行量測(cè)。傳輸速度的提升，對(duì)于量測(cè)設(shè)備有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，完整量測(cè)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(cè)試環(huán)境對(duì)廠商來說也是一個(gè)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(jī)臺(tái)來完成電纜線組測(cè)試項(xiàng)目。目前主要的設(shè)備都可以在單一機(jī)臺(tái)上執(zhí)行時(shí)域及頻域的測(cè)試。在Tektronix的TDR上，TDR可將量測(cè)到的時(shí)域訊號(hào)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(hào)（sin wave）。另外，Keysight的ENA則是透過option TDR功能，將量測(cè)到的頻域訊號(hào)透過逆傅立葉變換（Inverse Fourier Transform），轉(zhuǎn)化成時(shí)域訊號(hào)。透過軟件的輔助轉(zhuǎn)換，除了讓測(cè)試人員可以同時(shí)量測(cè)到頻域與時(shí)域訊號(hào)，快速的完成所需的量測(cè)項(xiàng)目之外，也大幅降低公司成本。此外，也可以簡(jiǎn)化工程人員分析的時(shí)間。

圖四、時(shí)域與頻域訊號(hào)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(shì)，連接器產(chǎn)業(yè)已擺脫機(jī)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(cè)與分析對(duì)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(gè)連接器產(chǎn)業(yè)中仍屬低價(jià)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(xiàng)能力朝板對(duì)板（board to board）之高單價(jià)產(chǎn)品邁進(jìn)會(huì)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(hào)在時(shí)域和頻域之間做變換。