CN108598807A - 连接器短截线谐振的减轻 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及连接器短截线谐振的减轻。本文中所描述的示例实现方式涉及用于改善连接器短截线的插入损耗并且从而增加系统的信号带宽的方法和装置。该技术以特定方式来成形连接器短截线以将其谐振频率移至更高，同时在原始谐振频率以下具有相同或更优的电气性能。

Description

连接器短截线谐振的减轻
技术领域
本发明总体上涉及连接器短截线谐振，并且更具体地，涉及用于减轻信号传输中连接器短截线谐振的不利影响的方法和装置。
背景技术
连接器构成了芯片与芯片通信通道中最大不连续性之一。在现有技术的实现方式中，连接器短截线(connector stub)被用于机械可靠性，但这对于高速信号传输是不利的。
美国专利申请US 2013/0328645A1和US 2014/0167886A1将通常在丝焊电子封装中发现的电镀短截线成形为具有不同宽度的多个区段以将短截线的谐振频率移至更高。这些申请集中在增加电镀短截线的谐振频率。
发明内容
本发明涉及连接器短截线的成形或确定连接器短截线的修改，以在关注的频率处提供期望的输入阻抗，使得从直流(DC)至超出原始谐振频率可以改善系统性能。
在本发明的一个方面，短截线被设计成在接触点处具有较大的宽度，而朝向开路端(open end)具有较小的宽度。与原始的恒定宽度设计相比，这种新的设计改变了短截线的输入阻抗，并且将谐振频率移至更高。
在本发明的另一方面，使新的变宽度短截线设计的总电容不大于原始恒定宽度短截线设计的总电容，使得新的设计在低于原始谐振频率的频率处给出与原始设计相同或更优的电气性能。
本公开内容的各方面包括用于减轻连接器短截线谐振的系统和方法，该系统和方法可以包括：将连接器短截线的谐振频率移至更高；以及扰动连接器短截线的特性阻抗，使得连接器短截线的输入阻抗在原始谐振频率处变成电容性。这样的连接器短截线可以包括多个区段，其中每个区段具有不同的宽度或阻抗以获得期望的(例如先低后高的)阻抗结构。连接器短截线还可以包括连续成形的结构以获得期望的(先低后高的)阻抗结构。重新成形的连接器短截线可以具有等于或小于原始短截线设计的总电容的总电容。此外，重新成形的连接器短截线具有等于或小于原始短截线的总面积的总面积。
本公开内容的各方面包括连接器，该连接器可以包括连接器插头。连接器插头可以包括被构造成与插座接合的连接器短截线，连接器短截线包括第一部分和第二部分，第一部分被构造成在连接器短截线与插座接合时比第二部分更接近插座的入口；其中，第一部分具有比第二部分小的阻抗，其中，使连接器短截线的电容和连接器短截线的总面积中的至少一个等于或小于用两个第一部分形成的连接器短截线。
附图说明
并入本说明书中且构成本说明书一部分的附图例示了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于说明和示出本发明技术的原理。具体地：
图1(a)示出了具有不变阻抗短截线的连接器的示例实现方式。图1(b)示出了具有短截线的连接器的插入损耗的示例。
图2示出了连接器短截线的示例电气模型。
图3示出了开路传输线的示例输入电抗。
图4示出了根据示例实现方式的通过利用两部分传输线建立的连接器短截线的示例模型。
图5示出了根据示例实现方式的通过将连接器短截线建模为两个传输线而建立的成形连接器短截线的示例模型。
图6示出了在图5所示的Z1和Z2的各种组合的情况下的插入损耗。
图7示出了在来自图5的Z1和Z2的各种组合的情况下的插入损耗的示例。
图8(a)和图8(b)示出了根据示例实现方式的具有短截线的连接器的示例实现方式。
图9示出了根据示例实现方式的具有短截线的连接器的插入损耗。
图10示出了根据示例实现方式的具有变阻抗短截线的连接器的示例实现方式。
图11示出了根据示例实现方式的具有变阻抗短截线的连接器的另一示例实现方式。
具体实施方式
下面的具体实施方式进一步提供本申请的附图和示例实现方式的细节。为了清楚，省略了附图之间冗余元素的附图标记和描述。整个说明书中所使用的术语被作为示例提供而非旨在限制。本文中所描述的示例实现方式可以单独使用，或者与本文中所描述的其他示例实现方式或与任何其他期望的实现方式结合使用。
在高速系统中，将信号带宽增加至更高频率至关重要。芯片与芯片通信通道可以包括各种互连件，例如电子封装件、过孔、印刷电路板(PCB)走线、连接器以及线缆，其中，信号路径可能在各种位置(例如连接器接触点)处遇到短截线(stub)。这些短截线在下述频率处产生谐振：在该频率处，每个短截线长度变得等于四分之一波长的倍数。谐振会限制数字系统可以操作的最高数据速率。
本文所描述的示例实现方式可以涉及用于减轻连接器短截线谐振的方法。如本文所描述的，这样的方法可以包括：通过将连接器短截线的谐振频率移至更高来修改原始连接器短截线设计；以及修改连接器短截线的特性阻抗，使得连接器短截线的输入阻抗在原始谐振频率处变为电容性的，如图3所详细描述的。
在示例实现方式中，连接器短截线可以被分成多个区段(例如，节、部分等)，其中，多个区段中的至少一个区段具有与多个区段中的另一个区段不同的宽度或阻抗，如图8至图11中的示例所示。
在示例实现方式中，可以将连接器短截线制造成或从原始连接器短截线修改成具有连续成形的结构，该连续成形的结构具有从连接器短截线的插头部分(plug portion)至连接器短截线的端部的先低后高的阻抗结构，如图8至图11中的示例所示。
在示例实现方式中，可以将连接器短截线制造成或由原始连接器短截线重新成形为使得连接器短截线的总电容等于或小于原始短截线的总电容，如关于图6和图7所描述的。
在示例实现方式中，可以将连接器短截线制造成或由原始连接器短截线重新成形为使得连接器短截线的总面积等于或小于原始短截线的总面积，如图8至图11中的示例所示。
示例实现方式还可以涉及连接器插头或连接器插座，所述连接器插头或连接器插座可以包括由原始连接器短截线重新成形的连接器短截线，连接器短截线被构造成与插座接合，连接器短截线包括第一部分和第二部分，第一部分被构造成在连接器短截线与插座接合时比第二部分更接近插座的入口，第二部分朝着连接器插头的插头端部布置；其中，第一部分具有比第二部分小的阻抗，其中，使a)连接器短截线的电容和b)连接器短截线的总面积中的至少一个等于或小于原始连接器短截线，如图8至图11中的示例所示。
在后续段落中，“连接器短截线”是指连接器插头短截线。尽管如此，减轻连接器短截线谐振的方法适用于连接器插座短截线以及连接器插头短截线。
图1(a)示出了具有不变阻抗短截线的连接器的示例实现方式。127是连接器的插头。128是连接器的插座。129是具有与130相同宽度的部分。总体上，相同宽度的部分129至130形成连接器插头短截线131。151是具有与152相同宽度的部分。总体上，相同宽度的部分151至152形成插座短截线153。图1(b)示出了具有短截线的连接器的插入损耗的示例，并且是图1(a)的插入损耗的示例。100示出了在约35GHz处发生谐振，如由约35GHz至40GHz的下降所示出的。
图2示出了连接器短截线的示例电气模型。具体地，图2示出了图1(a)的连接器的示例电气模型。101和102二者都是无损传输线。传输线101连接至传输线102。103是一端连接至101和102二者并且另一端保持开路(即未连接)的无损传输线。
恒定宽度的短截线可以由如下传输线来建模：该传输线的输入阻抗(Zin)由下式给出：
Zin＝-jZ0cotβl
其中，Z0是特性阻抗，β是传播常数，以及l是长度。
如图1(a)和1(b)所示，具有不变阻抗短截线的连接器可能会在利用这样的频率传输的高速信号环境中引起问题。因此，示例实现方式涉及将谐振频率移至更高，使得连接器和短截线可以有利于更高频率的传输，同时保持期望的信号完整性水平。
图3示出了开路传输线的示例输入电抗。该图示出了Zin＝-cot(x)，其中，x是通过波长标准化的短截线的长度。在104处，输入电抗是负的，这对应于电容效应。在105处，输入电抗是正的，这对应于电感效应。当x为π/2时，输入电抗为零。
具体地，图3示出了作为频率的函数的输入阻抗，其中，在βl＝π/2处发生第一谐振。注意，当βl<π/2时，输入电抗为负(即电容性)，以及当π/2<βl<π时，输入电抗为正(即电感性)。
如图3所示，本公开内容的示例实现方式基于如下构思：如果原始谐振频率处的输入电抗可以变为负而不是零，则谐振频率将移至更高。本文中所描述的示例实现方式涉及以输入电抗在原始谐振频率处呈现电容性的方式来扰动短截线阻抗。如下面的示例所示，基于阻抗、总面积、电容等来重新成形连接器短截线可以实现谐振频率的移动。此外，可以在连接器短截线中利用不同的材料来通过影响连接器短截线的阻抗或电容来移动谐振频率。
图4示出了根据示例实现方式的通过利用两部分传输线建立的连接器短截线的示例模型。具体地，106是具有阻抗Z1的第一部分，以及107是具有阻抗Z2的第二部分。在本文所描述的示例实现方式中，可以将连接器短截线视为多个区段或部分，其中在每个区段或部分具有不同的阻抗。
图5示出了根据示例实现方式的通过利用两部分传输线并且将连接器短截线建模为两个传输线来建立的连接器短截线的示例模型。具体地，图5示出了包括两个具有2ps延迟的50欧姆无损传输线108和109的示例。传输线110和111形成短截线。传输线110是具有阻抗Z1的5ps无损传输线，以及传输线111是具有阻抗Z2的另一5ps无损传输线。
两部分短截线的输入阻抗可以写为
其中，Zk是特性阻抗，βk是传播常数，以及lk是各部分的长度(k＝1,2)。如果β1l1＝β2l2＝X，则
当时，在第一原始谐振频率处，简化为
如根据上面的输入阻抗公式所示，为了具有负的输入电抗，必须使Z1小于Z2(即Z1＜Z2)。
图6示出了通过改变Z1和Z2即110和111的阻抗得到的图5的模型的插入损耗的示例。具体地，图线112对应于Z1等于10欧姆并且Z2等于90欧姆的短截线。图线113对应于Z1等于30欧姆并且Z2等于70欧姆的短截线。图线114对应于Z1等于50欧姆并且Z2等于50欧姆的短截线。图线115对应于Z1等于70欧姆并且Z2等于30欧姆的短截线。图线116对应于Z1等于80欧姆并且Z2等于20欧姆的短截线。图6的图例示出了以欧姆为单位的Z1和Z2。基准情况114对应于具有Z1＝Z2＝50欧姆的恒定宽度短截线。图线112和113使谐振频率移至更高，这是因为Z1<Z2。相反，115和116使谐振频率移至更低，这是因为Z1>Z2。
注意，图6中的图线112使谐振频率移至更高，但是是以较低频率处较大的插入损耗(即较少的传输)为代价的。为了确保新的短截线保留或改善原始短截线的低频响应，新的短截线被设计成具有等于或小于原始短截线的总电容的总电容，或近似为：
其中，tk是每个部分的传播延迟(k＝1,2)。令t1＝t2，Z1＝xZ0以及Z2＝ρZ1，则
或
为了使总电容等于或小于原始短截线总电容，第一部分短截线阻抗Z1和第二部分短截线阻抗Z2必须满足上述条件。
图7示出了在来自图5的Z1和Z2的各种组合的情况下的插入损耗的示例。具体地，图线117对应于Z1等于10欧姆并且Z2等于90欧姆的短截线。图线118对应于Z1等于35欧姆并且Z2等于87.5欧姆的短截线。图线119对应于Z1等于40欧姆并且Z2等于66欧姆的短截线。图线120对应于Z1等于50欧姆并且Z2等于50欧姆的短截线。
在图7中，图线118和117二者满足上面关于电容的设计公式，因为图线118(Z1＝35欧姆并且Z2＝87.5欧姆)给出x＝0.7以及ρ＝0.4，以及图线117(Z1＝40欧姆并且Z2＝66欧姆)给出x＝0.8以及ρ＝0.6。
图8(a)示出了根据示例实现方式的具有短截线的连接器的示例实现方式。122是连接器的插头。具体地，图8(a)示出了根据示例实现方式的变阻抗连接器短截线设计的示例。123是连接器的插座。124是为了低阻抗而具有较大宽度的部分。125是为了高阻抗而具有较小宽度的部分。总体上，低阻抗部分124至高阻抗部分125形成了连接器短截线121。因此，变阻抗连接器短截线具有不大于原始连接器短截线的面积，这满足了上面的公式。图8(b)示出了具有图8(a)的短截线的连接器的侧视图。133是连接器的插头。134是连接器的插座。132是133与134之间的接触点。135示出了连接器短截线的侧视图。
如图8(a)和图8(b)所示，可以朝着连接器的插头在124处具有较大的宽度并且如125处所示在朝着被构造成插入至连接器的插座中的连接器短截线的端部具有较小的宽度来实现低阻抗至高阻抗的结构。
图9示出了根据示例实现方式的具有短截线的连接器的插入损耗。具体地，图9示出了基于根据示例实现方式的短截线设计的构造改善插入损耗的示例。图线125对应于恒定阻抗短截线情况下的插入损耗。图线126对应于图8(a)所示的变阻抗短截线情况下的插入损耗。如由图线126所示，根据上面所描述的示例实现方式的变阻抗短截线可以使插入损耗减小，并且还使谐振频率移至更高频率。
在本文所描述的示例实现方式中，还可以存在其他配置以根据期望的实现方式单独获得或者相互结合获得先低后高的阻抗结构，同时保持变阻抗连接器短截线设计。根据期望的实现方式和期望的谐振频率移动，如下面的示例所示出的，可以针对连接器短截线的各个部分利用先低后高的阻抗结构的集合体或多个先低后高的阻抗结构。
图10示出了根据示例实现方式的具有短截线的连接器的另一示例实现方式。136是连接器的插头。137是连接器的插座。具体地，图10示出了可变阻抗连接器短截线设计的示例。138是具有比部分139更大宽度的部分。139是具有比部分140更大宽度的部分。140是具有比部分141更大宽度的部分。141是具有比部分142更大宽度的部分。部分138是具有图10的连接器短截线的最大宽度的部分，从而具有较低的阻抗。因此，部分138、139、140、141以及142的阻抗随着宽度逐渐减小而逐渐增加。总体上，具有递增阻抗的部分138、139、140、141以及142形成连接器短截线144。
图11示出了根据示例实现方式的具有短截线的连接器的另一示例实现方式。144是连接器的插头。具体地，图11示出了变阻抗连接器短截线设计的示例。145是连接器的插座。146是为了低阻抗而具有较大宽度的部分。147是为了高阻抗而具有较小宽度的部分。148是为了低阻抗而具有较大宽度的部分。149是为了高阻抗而具有较小宽度的部分。总体上，低阻抗部分146到高阻抗部分147到低阻抗部分148到高阻抗部分149形成连接器短截线150。
尽管上面的示例涉及通过从原始连接器短截线修改各部分的宽度来形成先低后高的阻抗结构，但是其他实现方式也可以创建先低后高的阻抗结构，并且本公开内容不限于此。
类似地，其他实现方式也可以从原始连接器短截线修改连接器短截线的总电容，并且本公开内容不限于此种实施方式来重新成形连接器短截线。本领域的普通技术人员可以利用任何期望的手段来降低连接器短截线的总电容以促进谐振频率移至更高。
尽管本文中所描述的示例实现方式涉及连接器短截线，但是以高信号频率操作并且需要减轻插入损耗的其他实现也是适用的，并且本公开内容不限于此。例如，PCB过孔短截线也可以被分成具有变阻抗的各部分以使谐振频率移至更高。
此外，考虑到本申请的教导的说明和实践，本申请的其他实现方式对于本领域技术人员将是明显的。所描述的示例实现方式的各个方面和/或部件可以单独使用或以任何组合使用。旨在说明书和示例实现方式仅被视为示例，本申请的真实范围和精神由所附权利要求来指示。

Claims (14)

1.一种减轻连接器短截线谐振的方法，所述方法包括：
将所述连接器短截线的谐振频率移至更高；以及
修改所述连接器短截线的特性阻抗，使得所述连接器短截线的输入阻抗在原始谐振频率处变为电容性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连接器短截线包括多个区段，其中，所述多个区段中的至少一个区段具有与所述多个区段中的另一个区段不同的宽度或阻抗。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连接器短截线包括连续成形的结构，所述连续成形的结构具有从所述连接器短截线的插头部分至所述连接器短截线的端部的先低后高的阻抗结构。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述连接器短截线重新成形为使得所述连接器短截线的总电容等于或小于原始短截线的总电容。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述连接器短截线重新成形为使得所述连接器短截线的总面积等于或小于原始短截线的总面积。
6.一种连接器插头，包括：
由原始连接器短截线重新成形的连接器短截线，所述连接器短截线被构造成与插座接合，所述连接器短截线包括第一部分和第二部分，所述第一部分被构造成在所述连接器短截线与所述插座接合时比所述第二部分更接近所述插座的入口，所述第二部分朝着所述连接器插头的插头端部布置；其中，所述第一部分具有比所述第二部分小的阻抗，其中，使a)所述连接器插头短截线的电容和b)所述连接器插头短截线的总面积中的至少一个等于或小于原始连接器插头短截线。
7.根据权利要求6所述的连接器插头，其中，所述第一部分具有比所述第二部分大的宽度。
8.根据权利要求6所述的连接器插头，其中，所述第一部分包括多个先低后高的阻抗结构。
9.根据权利要求8所述的连接器插头，其中，所述第二部分包括多个先低后高的阻抗结构。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连接器短截线包括连续成形的结构，所述连续成形的结构具有从所述连接器短截线的插座部分至所述连接器短截线的端部的先低后高的阻抗结构。
11.一种连接器插座，包括：
由原始连接器短截线重新成形的连接器短截线(121’)，所述连接器短截线(121’)被构造成与插头接合，所述连接器短截线(121’)包括第一部分(121’-1)和第二部分(121’-2)，所述第一部分(121’-1)被构造成在所述连接器插座与插头接合时比所述第二部分(121’-2)更接近所述插头的较大宽度部分(124)，所述第二部分(121’-2)的位置离开所述连接器插头的端部；其中，所述第一部分具有比所述第二部分小的阻抗，其中，使a)所述连接器插座短截线的电容和b)所述连接器插座短截线的总面积中的至少一个等于或小于原始连接器短截线。
12.根据权利要求11所述的连接器插座，其中，所述第一部分具有比所述第二部分大的宽度。
13.根据权利要求11所述的连接器插座，其中，所述第一部分包括多个先低后高的阻抗结构。
14.根据权利要求13所述的连接器插座，其中，所述第二部分包括多个先低后高的阻抗结构。
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