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髙速連接器測試夾具設計研究

添加時間:2021/08/24 來源:未知 作者:樂楓
PCB測試夾具是夾具中最為常見的一種,本文針對高速連接器的信號完整性指標要求,分析了疊層結構及板材參數、阻抗計算、同軸連接器、差分線設計、背鈷設計等問題,并分析及設計了多種連接器的PCB測試夾具和適用于測試夾具的TRL校準件。實測結果表明,據本文的
以下為本篇論文正文:

摘要

  高速圓形連接器主要用于軍用電子設備及航空電子設備上,隨著我國航空事業的迅猛發展,高速圓形連接器的研制也在高速發展。連接器的設計中測試是必不可少的環節,由于矢量網絡分析儀的測試線纜的端接插頭通常為N型或SMA型,無法與本設計測試對象直接連通,故需設計專用的測試夾具作為待測連接器和矢量網絡分析儀之間的媒介。測試夾具是測試分析高速連接器信號完整性必不可少的一部分。PCB測試夾具是夾具中最為常見的一種,本文針對高速連接器的信號完整性指標要求,分析了疊層結構及板材參數、阻抗計算、同軸連接器、差分線設計、背鈷設計等問題,并分析及設計了多種連接器的PCB測試夾具和適用于測試夾具的TRL校準件。實測結果表明,據本文的設計規則設計的夾具具有良好的信號完整性指標。具體完成的研究及設計工作如下:

  1.針對多種型號的圓形高密度高速連接器,設計專用的PCB測試夾具。目標連接器共有四種,分別為8芯、28芯、66芯、145芯,安裝方式均為焊接式。電路設計軟件主要使用AltiumDesigner,走線方式統一使用帶狀線走線。根據連接器引腳數量的不同,每種連接器對應的測試夾具電路板的板層數量也不同,但為統一參數及減少TRL校準件的設計次數,本設計中將所有的連接器對應的測試夾具均設計為10層板結構。

  2.針對高速連接器的信號完整性指標要求,進行PCB夾具設計。設計包括元件庫設計、原理圖設計和PCB圖設計。PCB圖設計作為設計重點,內容有層疊結構設計、阻抗計算并匹配、SMA同軸連接器選型、差分線設計、背鈷設計等,設計過程中將信號完整性知識應用于PCB電路板設計中,采用理論與實踐相結合的方式設計PCB電路板,使得設計出的電路扳具有良好的信號完整性。

  3.設計適用于本測試夾具的TRL校準件。TRL校準件用于校準掉電路板上待測連接器至SMA同軸連接器的走線部分,避免由于測試夾具本身引入的誤差。對于四種連接器共設計了對應的四種測試夾具,由于TRL校準件在保證層疊結構參數相同的情況下,只與待測連接器引腳到SMA同軸連接器之間的走線長度有關,因此當各測試夾具中這部分走線長度相同的情況下,只需設計一種TRL校準件即可。本設計中的TRL校準件經測試可以較好的校準掉測試夾具電路板中的走線誤差,使連接器的測試更加精確。

  4.基于以上的步驟設計完成,將電路板文件輸出工程制造文件Gerber文件,并傳送至制作廠家加工制作。與制作廠家明確制作加工需求,并由制作廠家對PCB文件進行審核,如有問題反饋設計者,設計者根據對應問題對電路板設計進行改進。審核通過后,廠家加工制作。

  5.對制作完成的測試夾具進行測試,確定測試夾具本身各項指標是否符合要求。將待測連接器焊接在測試夾具上,并對測試夾具進行TRL校準,校準后測試連接器各項指標,根據測試結果分析誤差產生原因,并思考改進辦法。本文設計的測試夾具測試對象是高速圓形連接器,但本文的設計過程可以擴展至其他任何高速互連器件。

  關鍵詞:PCB,測試夾具設計,AltiumDesigner TRL 校準信號,完整性分析析

abstract

  High speed circular connectors are mainly used in military electronic equipment and avionics equipment. With the rapid development of China's aviation industry, the development of high-speed circular connectors is also developing at a high speed. Testing is an essential link in the design of connectors. Because the termination plug of the test cable of the vector network analyzer is usually n-type or SMA type, it can not be directly connected with the test object of this design, so it is necessary to design a special test fixture as the medium between the connector to be tested and the vector network analyzer. Test fixture is an essential part of testing and analyzing the signal integrity of high-speed connector. PCB test fixture is the most common kind of fixture. According to the signal integrity index requirements of high-speed connector, this paper analyzes the problems such as laminated structure and plate parameters, impedance calculation, coaxial connector, differential line design and back cobalt design, and analyzes and designs PCB test fixture of various connectors and TRL calibration part suitable for test fixture. The measured results show that the fixture designed according to the design rules in this paper has good signal integrity index. The specific research and design work completed are as follows:

  1. Design special PCB test fixture for various types of circular high-density high-speed connectors. There are four kinds of target connectors, namely 8-core, 28 core, 66 core and 145 core, which are all welded. The circuit design software mainly uses altiumdesigner, and the wiring mode uniformly uses stripline wiring. According to the number of connector pins, the number of test fixture circuit boards corresponding to each connector is also different. However, in order to unify parameters and reduce the design times of TRL calibration parts, all test fixtures corresponding to connectors are designed as 10-layer board structure in this design.

  2. PCB fixture is designed according to the signal integrity index requirements of high-speed connector. The design includes component library design, schematic design and PCB design. As the design focus, PCB diagram design includes laminated structure design, impedance calculation and matching, SMA coaxial connector selection, differential line design, back cobalt design, etc. in the design process, the signal integrity knowledge is applied to PCB circuit board design, and the PCB circuit board is designed by combining theory and practice, so that the designed circuit board has good signal integrity.

  3. Design TRL calibration parts suitable for this test fixture. TRL calibrator is used to calibrate the wiring part from the connector to be tested to SMA coaxial connector on the circuit board to avoid the error caused by the test fixture itself. For the four connectors, four corresponding test fixtures are designed. Since the TRL calibrator is only related to the routing length between the connector pin to be tested and the SMA coaxial connector under the condition of ensuring the same stacking structure parameters, when the routing length of this part in each test fixture is the same, only one TRL calibrator needs to be designed. The TRL calibrator in this design can better calibrate the wiring error in the circuit board of the test fixture after testing, so as to make the test of the connector more accurate.

  4. After the design is completed based on the above steps, the circuit board file is output to the engineering manufacturing file Gerber file and transmitted to the manufacturer for processing and production. Clarify the manufacturing and processing requirements with the manufacturer, and the manufacturer shall review the PCB documents. If there are problems, feed back to the designer, and the designer shall improve the circuit board design according to the corresponding problems. After passing the review, the manufacturer shall process and manufacture.

  5. Test the completed test fixture to determine whether each index of the test fixture itself meets the requirements. Weld the connector to be tested on the test fixture, and conduct TRL calibration on the test fixture. After calibration, test various indicators of the connector, analyze the causes of errors according to the test results, and think about improvement methods. The test fixture designed in this paper is a high-speed circular connector, but the design process in this paper can be extended to any other high-speed interconnect devices.

  Key words: PCB, test fixture design, altiumdesigner, TRL calibration signal, integrity analysis

目錄

  第一章緒論

  1.1課題來源

  隨著電子技術的發展,連接器朝著小型化、高密度的方向發展,其時鐘頻率和速率越來越高,產品的研發及推向市場的周期不斷縮小,因此一次性設計成功顯得非常重要[1】。同時,5G時代的到來意味著連接器高速傳輸成為目前市場的需求,信號高速傳輸要求連接系統具有良好的信號完整性,在連接系統的設計中進行信號完整性的分析十分必要。在連接系統的設計前期進行信號規則的分析,再將分析所得的信號規則輸入設計工具進行具體連接系統的設計,則在設計過程中既保證了信號質量又提高了設計效率。

  信號完整性指的是信號在傳輸路徑上的質量,電路具有良好的信號完整性意味著電路中的信號能夠按照時序達到要求的電壓值。反之,如果在高速互聯系統中發生了因脈沖形狀畸變而引發的信號失真問題,例如反射、串擾、傳輸時延、地/電層噪聲等,則意味著該電路信號完整性較差。信號完整性問題主要有振鈴、串擾、接地反彈、錯位、信號損失和電源供應中的噪聲等,以上信號完整性問題在PCB(PrintedCircuitBoard)電路板上產生的原因通常為傳輸線阻抗不匹配[2】。連接器廣泛應用于各個系統中。

  直流或低頻時,對連接器的電性能要求是接觸電阻低而穩定,從而使電流連續地通過接觸界面。高頻高速時代對連接系統的主要性能要求是具有良好的信號完整性。本文的測試對象為高速高密度圓形連接器,共有四種型號,分別為:8芯、28芯、66芯、145芯。高速指的是連接器傳輸的信號的上升沿為l〇〇ps;高密度指的是連接器在18.4cm2的外殼內安裝了很多根信號傳輸線;圓形指的是連接器的外殼為圓形,圓形外殼在結構上更加堅固,比其它任何形狀都具有更高的強度。待測連接器采用差分信號線對信號進行差分傳輸,差分信號線是指宅兩根信號線進行信號傳輸,這兩根信號線上傳遞的信號振幅相同,相位相反,其有用的信號是兩根信號線的電壓差。差分信號線具有能識別小信號、能有效地抑制EMI(ElectroMagneticInterference)、高保真度的處理和傳播雙極信號等性能。

  連接器的信號完整性分析離不開測試分析,測試和測量是產品研發階段必不可少的一個環節。用于高頻高速信號的測試測量設備有很多,包括實時示波器、采樣示波器、網絡分析儀、阻抗測試儀、誤碼分析儀、協議分析儀、頻譜分析儀、探針臺等。矢量網絡分析僅(VNA,VectorNetworkAnalyzers)功能很多,被稱為"儀器之王",是射頻微波領域的萬用表W.矢量網絡分析儀在頻域中工作,頻率范圍從幾KHz到50GHz以上。矢量網絡分析儀工作時每個接頭或端口發出一個正弦電壓,在每個頻率點測量入射電壓的幅度與相位以及反射的幅度和相位。

  反射信號取決于入射信號和從VNA到待測元器件DUT的阻抗變化,VNA的輸出阻抗一般為50Q,通過測量反射信號,可以確定每個頻率點上的DUT(DeviceUnderTest)的阻抗。在每個頻率點,反射電壓與入射電壓之比通常稱為散射S參數。矢量網絡分析儀有四端口和雙端口,雙端口多用于同軸電纜的測試,差分傳輸線需要使用4端口才能測試。如圖1-1所示,對于4端口器件測量,4端口VNA可一次性完成所有16個S參數的全測量。矢量網絡分析儀VNA的測試線纜的端口組件是同軸連接器,通常無法與待測連接器直接相連,如圖1-2所示,因此需要為每一種待測連接器設計其專用的測試夾具作為媒介。

  矢量網絡分析儀的測試線纜端口通常是N型或SMA型,測試夾具作為測試儀器和DUT之間的橋梁,在PCB電路板上通過傳輸線將SMA(SmallAType)同軸連接器和待測連接器需要測試的信號線引腳相連。測試夾具作為媒介,其要求是不可額外引入誤差,以避免對測試產生影響,使得結果不準確。TRL(TransmissionReflectionLine)校準方式可以極大程度的校準掉測試夾具上的走線部分,對測試精確性的提高具有重要意義。高速連接器的測試離不開測試夾具,本文旨在設計適用于4種型號的高速高密度圓形連接器的測試夾具。測試夾具的設計流程分為元件庫設計、原理圖繪制、PCB設計三大部分,并在夾具設計完成后設計其適用的TRL校準件。

  1.2國A外研宄現狀

  1.3研究內容

  1.3.1信號完整性理論分析

  1.3.2影響阻抗的參數計算

  1.3.3測試夾具設計

  1.3.4TRL校準件設計

  1.3.5制作

  1.3.6測試

  1.4研究意義

  1.5論文的組織結構

  第二章信號完整性問題分析

  2.1印制電路板中信號完整性問題

  2.2各影響信號完整性參數

  2.2.1反射

  2.2.2串擾

  2.2.3電磁干擾

  2.2.4振鈴

  2.3如何在PCB夾具設計中規避信號完整性問題

  2.4本章小結

  第三章測試夾具的設計

  3.1夾具設計的基本流程

  3.2元件庫創建

  3.2.1待測連接器元件庫設計

  3.2.2壓接式SMA同軸連接器的元件庫設計

  3.3原理圖繪制

  3.4影響阻抗的參數計算

  3.4.1層疊結構的確定

  3.4.2差分傳輸線結構參數的確定

  3.5PCB設計

  3.5.1走線拐角的確定

  3.5.2信號傳輸線長度的設計計算

  3.5.3差分走線

  3.5.4背鉆

  3_5.5接地

  3.5.6SMA同軸連接器選擇

  3.7本章小結

  第四章TRL校準件的設計

  4.1TRL校準原理

  4.2TRL各標準件構成

  4.2.1直通校準件

  4.2.2反射校準件

  4.2.3延時線校準件

  4.5本旱小結

  第五章測試

  5_2測試方法及結果分析

  5.3本章小結

第六章總結與展望

  6.1總結

  本文以高速PCB電路板的信號完整性分析為基礎研究了高速圓形連接器的PCB測試夾具的設計,給出了四款高速圓形連接器的測試夾具的設計方法和設計流程,分析 了TRL校準件的優勢及原理并以此為基礎為測試夾具設計適用的TRL校準件,使用矢量網絡分析儀測試制作完成的測試夾具并驗證其各項指標符合標準。本文的主要成果介紹如下:

  1.分析了PCB電路板上常見的信號完整性問題的形成機理,包括串擾、電磁干擾、振鈴、反射等,分析了這些問題是如何影響PCB測試夾具的。論述了解決信號完整性問題的重點使良好的阻抗匹配。結合本次設計的實際情況分析了在PCB夾具設計中避免或減小這些倘號完整性問題影響的設計規則及注意事項,并說明了在本設計中避免信號完整性問題的設計方式。

  2.設計了四種高速圓形連接器的測試夾具,從元件庫的設計和添加到原理圖的繪制再到PCB電路的設計這三大步驟進行論述,介紹了PCB測試夾具的具體設計流程。在PCB測試夾具的基礎設計上添加了背鉆設計、接地設計等擴展項,使得設計出的測試央具具有更好的信號完整性。論述了電路板層疊結構、SMA的選擇、走線長度等的設計細節,分析了這些因素對PCB測試夾具的影響。

  3.設計了兩種TRL校準件,分別針對于 8芯、28 芯連接28的測試夾具和66芯、145芯連接器的測試夾具。分析了在多種校準方式中選擇TRL校準方式的原因,論述了TRL校準件在測試中的應用和意義。介紹了TRL校準方式的原理,分析了TRL 校準件在測試過程中是如何將多余的走線部分校準掉的,以及如何避免電路板引入誤差。并結合本文實際情況介紹了TRL校準的具體設計方式,包括三種走線的長度的計算方法和頻率劃分為幾個階段后廷時線的長度的計算。

  4.對制作好的測試夾具進行了阻抗、s參數、串擾等參數的測試,分析了測試儀器矢量網絡分析儀在測試連接器中的應用方法和其優缺點,介紹了電子校準件在校準儀器系統誤差上的應用以及電子校準件的優勢。介紹了實際測試過程中的流程,井展示實際測試中各信號完整性參數的結果。最后分析測試結果與標準的差距大小,及這些誤差產生的具體原因。

  本文的夾具設計雖以高速圓形連接器為對象,但設計流程、設計方法可以擴展到其他連接器的測試夾具設計。

  6.2展望

  基于印制電路板的信號完整性分析,本文完成了四種高速四形連接器的測試夾具的設計,并為這四款測試夾具設計了配套的TRL校準件,對制作完成的測試夾具進行了阻抗、s參數等參數的測試,驗證了所設計出的測試夾具符合指標要求,但是在整個設計過程中還是存在著-一些問題和不足。

  首先,對于PCB測試夾具缺少了仿真分析過程,在電路板的設計完成后和制作之前進行仿真分析可以發現電路板存在的隱藏問題,也可以驗證文中提到的一些設計規則和設計方法的正確性。應進-一步 學習電路板的仿真知識,學習一- 種仿真軟件的使用方法,例如HFSS、ADS等。

  其次,本文中只提到了一種單端TRL校準方法。由于本文設計的測試夾具的針對對象是差分連接器。PCB測試夾具上的走線也是差分走線形式,為了進行更好的誤差校準。還應潘加差分TRL校準方式的分析和設計。

  最后。對于制作完成的測試夾具的測試還存在-些誤差,測試結果雖然符合要求,但仍然不夠好。導致這些不理想現象產生的原因是對于印制電路板的設計和信號完整性問題方面的知識學習不夠深入了解不夠廣泛,在以后的學習中應進- -步廣泛而深入的學習。

致謝

  本論文是在導師林雪燕老師的悉心指導下完成的。導師淵博的專業知識,嚴謹的治學態度。精益求精的工作作風,誨人不倦的高尚師德,嚴以律己、寬以待人的崇高風范,樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學術目標、掌握了基本的研究方法,還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成,每一步都是在導師的指導下完成的,傾注了導。

  師大量的心血。在此,謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝!本論文的順利完成,離不開各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在此感謝實驗室的許良軍、周怡琳、蘆娜?字緞偟壤蠋煹闹笇Ш蛶椭;感謝學校對我們的關心。支持和幫助;在三年的學習期間,得到單棟梁、謝敏。郝海禱等師兄師姐和師弟妹的關心和幫助,在此表示深深的感謝。沒有他們的幫助和支持是沒有辦法完成我的學位論文的,同窗之間的友誼永遠長存。感謝我的父母,給我足夠的包容與支持,使我能夠更好的追求自己的夢想。

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