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來(lái)源：DigiKey 作者：Bill Schweber 自電子產(chǎn)品問(wèn)世之初，電氣屏蔽就一直是工程師關(guān)注的問(wèn)題，需要在設計和制造過(guò)程中予以考慮。然而，隨著(zhù)數據傳輸速率的提高、系統愈加小型化，并且信號線(xiàn)越來(lái)越多、集成度越來(lái)越高、距離越來(lái)越近，電氣屏蔽問(wèn)題愈發(fā)引人擔憂(yōu)。這些趨勢使得原本簡(jiǎn)單的概念變得非常復雜，因為要考慮的因素越來(lái)越多，主要體現在：防止外界無(wú)用信號到達并影響到承載信號的導體、防止有用信號的能量向外輻射，進(jìn)而影響到附近的導體和電路。 要想做到有效屏蔽，屏蔽層必須完全包圍住有源導體，形成包括端接連接器在內的全路徑 360° 傳導屏障。為了實(shí)現這一目標，許多設計人員認為必須使用同軸電纜和連接器，因為這種內置電纜屏蔽可在保持 360° 屏蔽完整性的同時(shí)實(shí)現端接。然而，使用同軸電纜使得單位面積上的通道密度較低，因此這種方法不適合滿(mǎn)足許多板對板和板對背板互連應用的高速、高密度電氣和物理要求。要解決這一問(wèn)題，需要選擇高速、全屏蔽的互連器件，以便在單個(gè)全屏蔽連接器外殼中支持高信號路徑數。 本文簡(jiǎn)要討論了屏蔽基礎知識，以及設計人員在實(shí)施高通道數互連及屏蔽（多個(gè)單通道同軸電纜會(huì )造成總體尺寸和體積過(guò)大）時(shí)所面臨的挑戰，并且說(shuō)明了全方位 360° 屏蔽尤為重要的原因，還列舉了 Samtec 的多個(gè)屏蔽連接器系列產(chǎn)品來(lái)說(shuō)明在狹小空間內實(shí)現高速信號完整性的最佳設計和實(shí)施做法。 首先介紹屏蔽的基礎知識 電纜及其互連器件（連接器）幾乎是所有系統的重要組成部件，可用于連接母板與夾層板，以及板與用戶(hù)面板、專(zhuān)用接口或輸入/輸出 (I/O) 裝置。為保持信號完整性，互連器件必須支持信號的帶寬，并且能抵御電磁干擾/射頻干擾 (EMI/RFI)。同時(shí)，也不能讓 EMI/RFI 輻射到相鄰的互連器件、電路板或元器件，尤其不能輻射到傳輸低電平信號或敏感信號的互連器件、電路板或元器件。 屏蔽層可以減弱電磁干擾和射頻干擾的影響。根據放置位置和方式的不同，屏蔽層的主要作用是：衰減靠近其源的噪聲（有時(shí)稱(chēng)噪聲為“侵擾者”）；或阻止噪聲到達對噪聲敏感的電路（“受侵者”）（圖 1）。 
圖 1：屏蔽層充當侵擾源與 EMI 和 RFI 的意外無(wú)辜受侵者之間的一道屏障。（圖片來(lái)源：Journal of Computer Science and Engineering，通過(guò) Arvix） 請注意，某一導體可能既是發(fā)射 EMI/RFI 能量簇的侵擾者，又是另一侵擾源能量的受侵者。此外，EMI/RFI 侵擾者不一定是與產(chǎn)品無(wú)關(guān)的某個(gè)外界“第三方”侵擾源，很可能就是同一個(gè)系統的另外一個(gè)零件，這個(gè)零件通過(guò)向鄰近導體或元器件輻射能量而無(wú)意中充當了侵擾者。 目前，圍繞著(zhù)如何以及在什么位置對這些電纜和互連器件進(jìn)行接地屏蔽，以阻止或顯著(zhù)衰減侵擾者和受侵者之間的噪聲能量傳輸，有著(zhù)許多準則和所謂的“經(jīng)驗法則”。遺憾的是，這些準則不僅會(huì )經(jīng)常相互沖突，而且正確或最佳答案似乎往往有特定的前提條件。建議的準則包括： · 屏蔽層雙端端接（接地）。 · 屏蔽層僅一端接地（輸出端）。 · 屏蔽層僅一端接地（接收端） 直觀(guān)上看，這些準則似乎不可能全是正確的，或者說(shuō)，也許都是正確的，但取決于特定的設計及衰減程度要求。綜合實(shí)驗室測試表明，要想在千兆赫 (GHz) 級別的頻段內實(shí)現有效屏蔽，屏蔽層兩端均需接地，換句話(huà)說(shuō)，屏蔽層必須連續且不間斷。 音頻和較低射頻方面的準則相對靈活一些。不過(guò)，對于 1 兆赫茲 (MHz) 以下的應用，屏蔽層采用單端接地是可以接受的，但對于 10 MHz 及以上的應用，單端接地則不合適。 需要全屏蔽 詳細測試結果還表明，屏蔽層端接廣泛采用的短“引線(xiàn)”端接方式的效果往往不佳（圖 2）。即使“引線(xiàn)”只有幾毫米 (mm) 長(cháng)，但在頻率較高時(shí)，其低電感也會(huì )影響屏蔽性能，甚至可能會(huì )抵消屏蔽層的大部分作用。更糟糕的是，原本無(wú)害的引線(xiàn)接頭不僅會(huì )導致衰減能力無(wú)效，實(shí)際上可能適得其反，充當電磁能輻射源（天線(xiàn)）輻射更多 EMI/RFI。
圖 2：這條 HDMI 電纜采用了貌似無(wú)害的引線(xiàn)式屏蔽層端接，不僅沒(méi)有效果，而且可能適得其反地成為電磁輻射源。（圖片來(lái)源：Dana Bergey and Nathan Altland，通過(guò) Interference Technology） 因此，屏蔽層端接需要改用 360° 全屏蔽方式，這種方式也是大多數高性能和 MIL 標準的要求（圖 3）。
圖 3：要想最大限度地提高屏蔽效果，需要采用 360° 全屏蔽端接方式（上圖），而不是采用快速簡(jiǎn)單的引線(xiàn)式端接（下圖）。（圖片來(lái)源：ResearchGate） 需要采用屏蔽層兩端接地以及無(wú)間隙 360° 全覆蓋接地方式是基于這樣的物理學(xué)原因：當工作頻率提高到數百 MHz 到 GHz 這一區段時(shí)，相應波長(cháng)就會(huì )變短，這意味著(zhù)即使屏蔽層覆蓋范圍內出現微小縫隙，也可能成為信號能量穿過(guò)的窗口，并且信號能量幾乎不會(huì )衰減。 隨著(zhù)頻率的提高，當今系統的封裝密度也越來(lái)越高。這樣就會(huì )使得侵擾者與受侵者之間所有射頻傳播的路徑損耗降低很多，因為路徑損耗隨距離的平方而增加。因此，即使是看似微不足道的無(wú)意侵擾者信號量，也可能以相對較高的強度到達并影響到受侵者電路。 采用 360° 全屏蔽端接方式的屏蔽層（通常以單獨同軸電纜和連接器為代表）對于 EMI/RFI 防護無(wú)疑是有效的。然而，使用同軸電纜往往會(huì )影響許多系統對高物理密度的需求。 此外，許多高性能系統要求對多條并行信號線(xiàn)進(jìn)行屏蔽，比如以下兩個(gè)基本場(chǎng)景： • 板對板互連，如母板和夾層板互連，多條線(xiàn)路周?chē)O一個(gè)屏蔽 • 單個(gè)電纜組件內有多根屏蔽同軸電纜，設一個(gè)配接連接器 適用于板對板設計的單屏蔽層 多根信號線(xiàn)用一個(gè)屏蔽這一概念在原理上很簡(jiǎn)單。一個(gè)屏蔽層疊在扣箍上圍住多根信號線(xiàn)，與連接器外殼接觸（圖 4）。
圖 4：通過(guò)將屏蔽層圍在多條信號線(xiàn)周?chē)�，可將多條信號線(xiàn)作為一組進(jìn)行屏蔽。（圖片來(lái)源：Samtec） 與未屏蔽互連器件相比，這種方法解決了屏蔽問(wèn)題，并且只需多占用極小的電路板空間。重要的是，屏蔽后的多線(xiàn)路連接器不僅具有未屏蔽連接器相同的基本信號線(xiàn)性能，而且還能確�？煽恳恢碌膶雍桶纬�，而不會(huì )影響屏蔽效果。 舉例說(shuō)明，20 針位、板對板屏蔽連接器對就是其中一種多線(xiàn)路屏蔽互連器件，如 Samtec 的 ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR 插頭和 ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR 插座（圖 5）。這些堅固耐用的高速連接器條專(zhuān)為高速（28 Gbits/s 的非歸零 (NRZ) 編碼以及 56 Gbits/s 的四級脈沖調幅 (PAM4)）、高周期應用而設計。
圖 5：20 針位 ERM8 插頭（左）和相應的 ERF8 插座（右）提供屏蔽的板對板連接。（圖片來(lái)源：Samtec） 這些連接器的觸點(diǎn)滑接最大可達 1.5 mm，具有堅固耐用的閂鎖、鎖定和 360° 屏蔽功能，在拆拔過(guò)程中像“拉鏈”一樣拉出（用離軸的非正常力拉動(dòng)）時(shí)也非常穩固。專(zhuān)為高速、高周期應用設計的 Samtec 的 Edge Rate 觸點(diǎn)系統也可實(shí)現高速性能。通過(guò)減少寬邊耦合，該觸點(diǎn)系統針對信號完整性進(jìn)行了優(yōu)化，并且具有光滑的寬銑觸頭面，可減少磨損（圖 6）。
圖 6：為減少寬邊信號耦合，ERM8 和 ERF8 采用了專(zhuān)有的 Edge Rate 觸頭系統。（圖片來(lái)源：Samtec） 與在切邊上配接的沖壓觸頭不同的是，寬銑觸頭可形成光滑的配接面。這種光滑的配接面可減少觸點(diǎn)上的磨損痕跡，從而提高了觸頭系統的耐用性和周期壽命，并且降低了插拔力。 同樣需要同軸電纜 同軸電纜在信號傳輸中起著(zhù)重要且不可替代的作用。但是，當需要多個(gè)并行信號時(shí)，使用僅支持一條同軸電纜的互連器件可能會(huì )令人抓狂。針對這種情況，Samtec 提供了一系列支持 20、30、40 和 50 針位的多線(xiàn)路屏蔽同軸電纜連接器。其中，LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 是一款 20 針位、自配接、不分公母、無(wú)極性的表面貼裝連接器（圖 7）。
圖 7：LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 是一款 20 針位、自配接、不分公母、無(wú)極性的表面貼裝連接器（多達 50 個(gè)針位）。（圖片來(lái)源：Samtec） LSHM 系列是一種高密度耐用型連接器，用于板對板以及板對電纜應用，可選用于 EMI 保護的屏蔽層。憑借其 Razor Beam 細間距接觸系統，無(wú)極性設計節省了 X、Y 和 Z 軸上的印刷電路板（pc 板）面積。這種連接器的間距為 0.50 mm，配接時(shí)會(huì )發(fā)出咔嗒聲，對接和拆拔力約為普通微間距連接器的 4-6 倍。 這種板載連接器僅占互連解決方案的一半，因為還需要電纜組件（圖 8）。這種電纜組件同樣采用了 Razor Beam 技術(shù)，間距為 0.50 mm。
圖 8：Razor Beam 細間距自配接同軸電纜組件提供了完整的多線(xiàn)路板對電纜解決方案。（圖片來(lái)源：Samtec） HLCD-10-40.00-TD-TH-1 是一款與上述 20 針位、板安裝、屏蔽多線(xiàn)路同軸連接器相配套的電纜組件，該組件的電纜長(cháng)度為一米，兩端配有自配接、不分公母的無(wú)極性連接器（圖 9），所用電纜為 38 AWG 微型同軸電纜，阻抗 50 Ω，各觸點(diǎn)額定速率 14 Gbits/s。
圖 9：多線(xiàn)路 50 Ω 微型同軸電纜組件（如 20 針位 HLCD-10-40.00-TD-TH-1）兩端均配有自配接、不分公母的無(wú)極性連接器。（圖片來(lái)源：Samtec） 綜合應用 為了使這些高速連接器的選擇和使用更加容易，Samtec 擴展了制造商印刷電路板布局和連接器 SPICE 模型的概念，針對電路板最困難的設計問(wèn)題之一提供了參考設計：高速連接器周?chē)年P(guān)鍵“突破區域”(BOR)。Samtec 的信號完整性工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出他們稱(chēng)之為“最后一寸突破區域”的一個(gè)區域，并且針對 Samtec 的多系列高速連接器提供了有關(guān)印刷電路板印制線(xiàn)走線(xiàn)的建議。 這些設計建議基于使用標準的電路板材料、多層以及低成本、高產(chǎn)出的制造工藝，無(wú)需特殊處理。這些建議可以節省設計、開(kāi)發(fā)和驗證的時(shí)間和資源，并且可以在性能與可制造性和成本之間取得平衡。 總結 對電纜、連接器和互連器件進(jìn)行全面電氣屏蔽對于板對板以及板對電纜應用的信號完整性和性能至關(guān)重要。當有多個(gè)并行信號必須進(jìn)行屏蔽以防止 EMI/RFI 輻射或易受這些輻射影響時(shí)，屏蔽問(wèn)題就更具挑戰性。如上所述，Samtec 提供了適用于多線(xiàn)路板對板、同軸電纜對板應用的多個(gè)系列互連器件，可以簡(jiǎn)化設計和制造，同時(shí)保持高水平的機械和電氣完整性及性能。 |
