CN102124609A - 具有多级补偿的高速连接器 - Google Patents

Abstract

通信连接器使用补偿电路来补偿网络连接中的串扰。补偿电路的多个部分置于柔性电路板之上，该柔性电路板与连接器的插头接口接触件相接触。附加补偿电路设置在该连接器内的刚性电路板上。

Description

具有多级补偿的高速连接器

相关申请的交叉参照

本申请要求2008年8月20日提交的美国临时专利申请No.61/090,403的优先权，该申请的主题通过引用整体结合在本文中。

背景技术

需要以可相对易于制造的鲁棒设计来改善高频下通信连接器的近端串扰(NEXT)、远端串扰(FEXT)以及回波损耗性能。本发明涉及通过在连接器内的印刷电路板(PCB)上采用特定电容性和电感性耦合来改善通信连接器的性能的方法。

具体实施方式

示出并描述了具有改善的NEXT、FEXT以及回波损耗性能的改善的电连通插座。此外，该插座减少在插座内发生的差模-共模以及共模-差模转换(本文中称作“模式转换”)以改善系统的外部串扰性能。

本文中所描述的印刷电路板(PCB)设计可用于EIA/TIA CAT6A模块化插座组件，其包括具有时间延迟的两级电容器补偿/串扰，采用以下所描述的点阵网络版本，并呈现改善的模式转换特性。在一些实施例中，如图1所示的柔性板24和刚性板16一起工作以提供所需插座性能特性。

电连接器中的时间延迟补偿通过在两对导体之间引入预定量的补偿和串扰来实现针对近端串扰的传输性能改善，其中导体从连接器输入端子沿着互连路径延伸至其输出端子。一对导体上的电信号以两个或更多补偿级耦合到另一对导体，该两个或更多补偿级相对于彼此具有时间延迟。通常，在第一级中，更靠近插头的补偿串扰具有与由插头造成的净串扰相反的量值。第二级串扰通常具有与由插头造成的净串扰相同的极性，且置于比第一级更远离插头处。诸级之间的不同时间延迟使这些级的相位以逐渐增大的频率以不同速率改变。这于是创建在其中所有级相加在一起以基本抵消并创建零点的特定频率，这又增大相配合的插头和插座的总体NEXT带宽。

根据本发明的一个实施例，CAT6A RJ45插座10具有适合RJ45插头的外壳12，具有八个插头接口接触件(PIC)的突出部14，PIC与插头配合并与刚性板16通过接口连接，其中刚性板16连接至绝缘层剥离接触件(IDC)18、支持IDC的背橇20、以及线帽22，线帽22允许电缆(未示出)内的布线与IDC连接。突出部14还包括柔性电路板24、插头接口接触件26、正面底橇28以及正面顶橇30。柔性电路板24和刚性电路板16两者都包含设计成用以改善NEXT、FEXT、回波损耗、以及插座的模式转换特性的电路。

CAT6A产品通常具有组成四个差分对的八条布线。这些布线用数字1至8标记，且差分对为45、36、12以及78(分别为对1、2、3以及4)。RJ45插头内的这些布线的布局在这些差分对之间造成串扰，这些串扰必需在插座内补偿。因为存在四个差分对，所以近端串扰(NEXT)可在六个不同的对组合之间形成。这些对组合为45-36、45-12、45-78、36-12、36-78、以及12-78。在本发明的不同实施例中，通过在插座内的电路板上定位迹线来实现补偿。

在此使用的自感短柱(在图2、6-8以及13-15中示出)指制成特定长度以创建给定值自感的电路板迹线。术语“短柱”指示这些迹线不是主载流路径的一部分。它们是与载流路径分离的短柱，且终止于电容器(在其端部没有直流连接)。载流路径是允许直流电流在两点(诸如RJ45插头和插座中的绝缘层剥离接触件16(IDC))之间流动的迹线。

在本文中描述的点阵网络通常包括串扰电路组件和补偿电路组件，其各自都具有不同的耦合速率与频率关系。“串扰电路组件”是其中在与插头内的串扰产生耦合相同的极性下发生耦合的电路组件，而“补偿电路组件”是其中在与插头内发生的串扰耦合相反的极性下发生耦合的电路组件。

本发明所使用的点阵网络版本将连接在电容器和第二信号迹线之间的第二自感短柱添加到第二级串扰网络。先前的设计已采用可称作“LC”电路的结构，其中大多数电感附连到电容器的一端。本发明一实施例的设计可称作“LCL”电路，其中电感器分路以使在电容器的两侧上使用大电感。

本文中所描述的自感短柱使用每单位长度电路迹线的电感的分布式电参数来产生电感元件。虽然其在附图中被建模为离散电感器(因为具有等同效果所以是适合的)，但其为由迹线长度而非举例而言线卷匝数产生的分布式电感组件。相反，本文中示出的电容器是离散电容器，虽然可由离散或分布式组件，或者它们的组合来实现所示的电容器和电感器两者。

相对于相反传输方向(IDC至PIC)而言，在两个短柱之间放置电容器相比于仅在该电容器一侧放置单个电感器改善了NEXT性能，其中单个电感器L1的电感约等于图2所示的L2+L3。此外，又相对于仅使用“一侧”电感器，第二短柱示出回波损耗的改善。

自感短柱连同相应电容器(例如，图6所示的L5-C56-L6组合以及L3-C34-L4组合)可被建模为具有谐振频率为f_o＝1/(2π√LC)的谐振效应的LC电路。电感值和电容值(即，Ls和Cs)的选择通常是具有多个目标函数(“目标函数”改善NEXT、FEXT、回波损耗等)的非线性多变量最优化。因此，给定L或C值的选择不与其它电路考虑因素无关地作出。用于选择给定L值的一些考虑因素包括：如果太低，则谐振点移至更高频率，且在感兴趣的信号频率操作范围中没有所需NEXT改善；如果电感太高，则：a)电感迹线变得太长不能装在典型刚性板上；b)谐振可移入感兴趣的频率操作范围中，从而可能引入不利效果；以及c)可存在回波损耗降级。

根据本发明一实施例的CAT6A插座的常规设计使用对于对组合45-36、36-12、36-78、以及45-12有时间延迟的两级电容器补偿/串扰。柔性板24包含用于对组合45-36、36-12、以及36-78的时间延迟模型中的第一级电容器(柔性板包括电容器C35、C45、C26以及C37)。刚性板16则包含用于特定对组合的时间延迟模型中的第二级电容器(C46、C56、C16以及C38)。用于对组合45-36的柔性板24和刚性板16的组合还包括点阵网络，该点阵网络附加地使用刚性板16上的自电感器L3、L4、L5和L6以及附加电容器C35、C46(在该实施例中任何其它对上都不存在点阵网络)。

本描述考虑以下因素：

·相对于在衬垫之间发生的交叠的量参考给定的所有电容器尺寸。各电容器的一个导电层超尺寸10密耳以帮助解决层-层对准。给定尺寸用于更小层。根据一个实施例，刚性板电容器在4密耳芯的两端形成，该芯通常由具有约4.4介电常数的FR4材料制成。柔性板电容器在1密耳芯的两端形成，该芯通常由具有约3.4介电常数的材料制成。

·为各描述示出的示意图仅包括通过设计添加的有意电容。举例而言，有意地未示出布线之间的互感，这是出于示意图清晰的目的且归因于由设计所致的任何互感都有意地不用于补偿这一事实。

·这些示意图未示出由装备几何形状造成的寄生电容，除非该寄生电感被认为重要值得注意(值大于0.1pF)。要注意这些值，但是未使用附图标记来标记。

·针对各个对组合示出的示意图(图9-13)未示出所有连接，因为它们一次仅示出两对。可在图6中看到刚性板16的整体示意图。

·造成从刚性板到刚性板上的PIC接口的时间延迟的距离对于所有对组合而言约为0.5”。

·所示出的示意图试图近似“中间插头”，根据EIA/TIA CAT6A标准定义的“中间插头”指其串扰值在针对该对组合所指定的串扰值范围的中间的插头。

·本文中描述的所有电路板尺寸各自独立进行改变(估计高达20％)。一个原因在于来自不同电路板制造商的电路板构建容限的可变性。不同材料或者不同工艺可用于制造电路板。因此，即使制品相同，电路板性能也可改变，这归因于电容的改变。另一原因在于允许补偿诸多不同插座设计(例如，模块化插座、屏蔽插座、以及非屏蔽插座)所需的设计改变。因此，良好的工程实践要求将衬垫电容器的交叠面积改变规格容限(±20％)的能力。该面积改变可在逐个电容器基础上进行，且整个板的设计(迹线布局、时间延迟的使用、点阵)保持相同。一些变体可仅需要改变一个或两个电容器的大小(或者更小或者更大)，而一些可要求改变所有电容器的大小。

·本文中所描述的插座设计可用于屏蔽、非屏蔽、以及向下冲孔型连接器中的若干类型的产品。此外，插座外壳12或者插座的另一组件可用导电箔覆盖以减少外部串扰影响。

柔性电路板

在图3-5中更具体地描述图1所示的柔性电路板24。图3示出柔性电路板的示意图，图4示出设置在柔性电路板的两个导电层上的迹线，而图5是其中两层的导电迹线可视的柔性电路板的立体图。柔性电路板包含针对对组合45-36、36-12、以及36-78的时间延迟模型中的第一级补偿。这通过采用衬垫电容器的柔性电路板24来添加补偿串扰来进行，该补偿串扰具有与插头相反的极性。这些衬垫电容器为用于对组合45-36的C46和C35，用于对组合36-12的C26、以及用于对组合36-78的C37。另外，将电容器的电容值选择成使跨对45-36、36-12、以及36-78的模式转换减少。

参考图3-5，柔性电路板具有以下特征：

1)柔性电路板24环绕突出部14以使柔性板的顶层与PIC接触(在图5中突出显示接触区域)。

2)具有与对组合45-36的插头相反极性的串扰补偿由衬垫电容器C35和C46提供。各衬垫电容器的面积为0.0323”乘0.044”(±20％)，且各自具有约为1.2pF的电容。可在图13中看到对组合45-36的示意图。

3)具有与对组合36-12的插头相反极性的串扰补偿由衬垫电容器C26提供。该衬垫电容器的面积为0.03”乘0.033”(±20％)，且该电容器具有约为0.85pF的电容。可在图11中看到对组合36-12的示意图。

4)具有与对组合36-78的插头相反极性的串扰补偿由衬垫电容器C37提供。该衬垫电容器的面积为0.03”乘0.033”(±20％)，且该电容器具有约为0.85pF的电容。可在图12中看到对组合36-78的示意图。

刚性电路板16

在图6-8中更具体地描述图1所示的刚性电路板16。图6示出刚性板的示意图，图7示出在板的不同层上的导体布局，且图8是示出板的所有导电层的“透视”立体图。刚性板16包含针对对组合45-78的第一级以及唯一一级串扰补偿。其包含针对对组合45-12的第一级以及第二级两者的时间延迟串扰。另外，其包含针对对组合36-12以及36-78的时间延迟模型中的第二级串扰。其还包含针对对组合45-36的第二级点阵网络串扰。在刚性板上添加电容器的方法被选择成使跨所有对的模式转换减少。

参考图6-8，刚性电路板的一实施例具有以下特征：

1)该刚性板设计包含钻入板中的非电镀孔(在图8中突出显示一部分)。这些孔用于通过添加气隙而降低各迹线之间的有效介电常数来减小布线4和5之间以及3和6之间的分布式电容，从而使这些对上的回波损耗进一步被改善。迹线长度上的该“可变介电性”可用于改善插座的性能。

2)载流迹线使用相应的引脚数量在PIC通孔和IDC通孔之间路由。PIC通孔指其中来自突出部14的顺应引脚与刚性板16形成接口的通孔，如图1所示。IDC通孔指其中IDC 18与刚性板16形成接口的通孔。

3)由衬垫电容器C47和衬垫电容器C58提供与由对组合45-78的插头造成的净串扰具有相同极性的串扰，其中衬垫电容器C47连接在4和7PIC通孔之间，且衬垫电容器C58连接在5和8PIC通孔之间。这两个电容器具有的面积为0.02”乘0.02”(±20％)。图9示出对组合45-78的示意图。

4)通过使用时间延迟模型实现针对对组合45-12的串扰补偿。图10示出对组合45-12的示意图。衬垫电容器C14具有与由对组合45-12的插头造成的净串扰相反的极性，且连接在PIC通孔1和4之间。衬垫电容器C15具有与由对组合45-12的插头造成的净串扰相同的极性，且连接在IDC通孔1和5之间。C15与C14的时间延迟约为0.395”(1、2、4和5PIC通孔至其相应IDC通孔之间的平均距离)。衬垫电容器C14的面积为0.021”乘0.021”±20％，且衬垫电容器C15的面积为0.028”乘0.028”±20％.

5)通过具有与插头造成的净串扰相同极性的衬垫电容器C 16实现针对对组合36-12的串扰补偿。其连接在PIC通孔1和IDC通孔6之间。该衬垫电容器使用时间延迟方法与柔性板上的衬垫电容器C26一前一后地工作以实现对组合36-12的超过500MHz的NEXT性能。衬垫电容器C16的面积为0.035”乘0.061”(±20％)。可在图11中看到对组合36-12的示意图。

6)通过具有与插头造成的净串扰相同极性的衬垫电容器C38实现针对对组合36-78的串扰补偿。其连接在IDC通孔3和IDC通孔8之间。该衬垫电容器使用时间延迟方法与柔性板上的衬垫电容器C37一前一后地工作以实现对组合36-78的超过500MHz频率下的良好NEXT性能。衬垫电容器C38的面积为0.01”乘0.01”(±20％)。可在图12中看到对组合36-78的示意图。

7)通过桥形补偿技术实现针对对45-36的串扰补偿。该点阵网络包括以下组件：

a.衬垫电容器C35具有与由对组合45-36的插头造成的净串扰相反的极性，且连接在PIC通孔3和5之间。衬垫电容器的面积为0.013”乘0.013”(±20％)。

b.具有约为0.2pF电容的电容器C46具有与由对组合45-36的插头造成的净串扰相反的极性，其由迹线4(引导至C47电容器)和PIC通孔6之间的电容创建(图8所示)。如果工艺、制造或者工程设计需要，则可添加一小衬垫电容器，但是该电容器的大小应当保持小于0.02”乘0.02”。

c.具有与由对组合45-36的插头造成的净串扰相同的极性的衬垫电容器C34利用长度约为0.8”的连接在PIC 3和C34衬垫电容器之间的自感短柱L3连接在布线3和4之间。C34电容器的另一衬垫端接以约0.8”长度的另一自感短柱L4，该自感短柱L4引导至载流迹线4上的通孔。衬垫电容器C34的面积为0.029”乘0.029”(±20％)。

d.具有与对组合45-36的短柱相同极性的的衬垫电容器C56利用长度约为1.1”的自感短柱L6连接在导体5和6之间。该自感短柱L6连接至PIC6，且有时间延迟地连接至C56衬垫电容器。C56电容器的另一衬垫连接至长度约为0.8”的另一自感短柱L5，该自感短柱L5引导至载流迹线5上的通孔。衬垫电容器C56的面积为0.03”乘0.03”(±20％)。

e.电感短柱L4和L5不直接连接到PIC通孔的原因在于，通过添加远离PIC的附加长度其允许插座中的回波损耗改善。

f.可在图13中看到对组合45-36的示意图，其还示出在该设计中使用的点阵网络。

对各对组合的整体插座补偿技术的描述

该部分描述在插座的一个实施例中柔性板24和刚性板16如何一起工作。

对组合45-78

图9示出对组合45-78的示意图。关于对组合45-78的补偿技术不使用柔性板上的任何电容器。其亦不使用时间延迟或点阵网络技术。

对组合45-12

图10示出对组合45-12的示意图。关于对组合45-12的补偿技术不使用柔性板上的任何电容器。其亦不使用点阵网络。但是，其通过使C15延迟于C14约0.395”(1、2、4和5PIC通孔至其相应IDC通孔的平均距离)的时间来使用时间延迟方法(其中两个电容器在刚性板24上)。

对组合36-12

图11示出对组合36-12的示意图。其包括柔性板24上的电容器C26和刚性板16上的C16。C16与C26的时间延迟约为0.68”。其包括从柔性板到PIC刚性板接口的0.5”的长度以及刚性板上的0.18”的附加长度(基于3和6PIC通孔及其相应IDC通孔之间的距离的一半，因为用于对1的连接位于PIC通孔上，而用于对6的连接位于IDC通孔上)。对于对组合36-12不使用点阵网络。

对组合36-78

图12示出对组合36-78的示意图。其包括柔性板24上的电容器C37和刚性板16上的电容器C38。C38与C37的时间延迟约为0.75”。其包括从柔性板到PIC刚性板接口的0.5”的长度，以及在刚性板上的0.25”的附加长度(基于3、6、7和8PIC通孔和其相应IDC通孔之间的距离的一半)。对于对组合36-78不使用点阵网络。

对组合45-36

图13示出对组合45-36的示意图。其包括柔性板24上的电容器C35和C46。其还包括刚性板16上的C35、C46、C34、C56、L3、L4、L5和L6。电容器C34和C56与柔性电路板电容器C35和C46的时间延迟约为0.56”。其包括从柔性板到PIC刚性板通孔的0.5”的长度，以及刚性板上的0.06”的附加长度(基于4、5PIC通孔和电镀穿孔通孔之间的距离的一半，其中与导体4和5相关联的短柱分接)。柔性电路板24上的电容器、刚性板16上的电容器以及电感器的组合构成点阵网络。向C34和C56添加电感器L3、L4、L5和L6创建频率相关矢量，与由C35和C46电容器造成的串扰相比该频率相关矢量随频率以更快速率增大。这又允许关于45-36NEXT的高达以及超过500MHz的附加带宽。

刚性板16的附加实施例

附加实施例1：调节迹线几何形状

获得关于对组合36-78的附加NEXT带宽的该实施例在图14中示出。该实施例包含除突出显示的不同之处之外的本文中在别处描述的设计的所有方面。对路由作出这一改变的主要原因在于减小可随L6发生的接触件6和8之间的寄生电容。注意若干电容器大小稍有改变以考虑新布局，但是仍然在以上所述的容限范围内。还要注意，可将C68电容器添加到该设计中以允许该刚性电路板与图3-5中描述的柔性板一起工作。除了刚性板上的0.25pF的寄生电容被制成略小之外，对组合36-78的示意图与图12相似。

附加实施例2：调节迹线几何形状以及平衡45-12对上的电容

获得关于对组合36-78的附加NEXT带宽的该实施例在图15中示出。除突出显示的不同点之外，该实施例包含本文的在别处所描述的设计的所有方面，包括主要描述和附加实施例1两者。作出这一改变的主要原因在于通过添加C25改善跨对组合45-12的模式转换。注意若干电容器大小稍有改变以考虑新布局。图16示出45-12的示意图。注意对于该示意图，贯穿示意图C14、C25、C15和C24在其净值上全部更接近，其将导致经改善的模式转换特性。

Claims (9)

1.一种在通信网络中使用的连通插座，所述插座具有与插头的接触件导电接触的多个插头接口接触件，所述连通插座包括：

通过所述连通插座的八个载流路径，所述载流路径包括第一、第二、第三、和第四差分导体对，所述差分导体对的每一个包括第一和第二导电路径；

补偿电路，其适配成降低所述连通插座连接至插头时的整体串扰，所述补偿电路包括：

第一衬垫电容器，其连接在所述第一差分对的第一导电路径和所述第二差分对的第二导电路径之间；

第二衬垫电容器，其连接在所述第一差分对的第二导电路径和所述第二差分对的第一导电路径之间；

第三衬垫电容器，其连接在所述第二差分对的第一导电路径和所述第四差分对的第一导电路径之间；

第四衬垫电容器，其连接在所述第二差分对的第二导电路径和所述第三差分对的第二导电路径之间；

其中所述第一、第二、第三和第四电容器设置在与所述插头接口接触件电接触的柔性电路板上。

2.如权利要求1所述的连通插座，其特征在于，还包括包含附加补偿电路的刚性电路板。

3.如权利要求1所述的连通插座，其特征在于，所述插头接口接触件有8个且对应于通过所述连通插座的所述8个载流路径。

4.如权利要求2所述的连通插座，其特征在于，还包括连接至所述刚性电路板的多个绝缘层剥离接触件。

5.如权利要求1所述的连通插座，其特征在于，所述插头接口接触件围绕所述插座的突出部，且其中所述柔性电路板的顶层在所述突出部区域中与所述插头接口接触件相接触。

6.如权利要求2所述的连通插座，其特征在于，所述刚性电路板上的所述附加补偿电路包括用于补偿所述第一和第四差分对之间的串扰的串扰补偿电路。

7.如权利要求6所述的连通插座，其特征在于，所述刚性电路板上的所述附加补偿电路包括用于补偿所述第二和第三差分对之间的串扰的串扰电路。

8.如权利要求7所述的连通插座，其特征在于，所述刚性电路板上的所述附加补偿电路包括用于补偿所述第二和第四差分对之间的串扰的串扰电路。

9.如权利要求8所述的连通插座，其特征在于，所述刚性电路板上的所述附加补偿电路还包括所述第一和第二差分对之间的第二级点阵网络串扰。

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