CN115395266A - 连接器结构及提高数据传输速率的方法 - Google Patents

Abstract

一种连接器结构，其包括多个信号引脚、第一电路板层及具有多个通孔的第二电路板层。第一电路板层具有多个引脚固定区，以供每一信号引脚的一端对应地固定在一个引脚固定区上。第二电路板层配置于第一电路板层的内侧，并且使每一通孔的位置对应于第一电路板层的至少一个引脚固定区。经由改变连接器的内部结构，可以解决高频操作时的共振问题，提供更宽的传输通带，藉此提高数据传输速率。

Description

连接器结构及提高数据传输速率的方法

技术领域

本发明是关于一种连接器的结构，以及藉由调整连接器的内部结构来加快其数据传输速率的方法。

背景技术

在近代电子装置中，通用串行总线(Universal Serial Bus，以下简称USB)常用于计算机系统与其周边装置之间数据传输的连接。USB不仅是一种串行总线的传输标准，同时也是一种机械接口的插口，被广泛地应用于计算机和智能手机等数字产品，并延伸至屏幕、摄影设备、游戏机等其他相关领域。为了在连接器相接情况下，使装置之间顺利地传递数据，如何设计一个适用于高速数字传输且低损耗的连接器是十分重要的。

USB Type-C连接器的结构特性为减少体积及厚度且上下对称，并且增加传输线的数量，因而使连接器的内部空间减少，且使每条传输线的间距比其他的USB机械连接接口的传输线间距要靠近许多。在进行高速数据传输时，传输信道内除了待传输的信号之外，也会感应到邻近传输线所传送的信号，造成一定程度上的耦合干扰。另外，内部空间的缩小会改变传输线的电路参数，出现非预期的共振反应，导致在共振频率区域内的信号传输损耗会变大，使连接器的插头端与插座端相连时无法达到理想的高速传输效果。

此外，由于连接器中的传输线为了满足连接时的插拔力或达到支撑传输线的效果，会与塑料件或绝缘体装配在一起，或是连接器本身因为特定的用途，例如将传输线垂直转弯后再进行连接等原因，让传输线在部分区域有一些不规则的形状。以上这些情形使连接器内部形成复杂的结构，往往衍生出非预期的寄生效应而影响着传输效果。

为了更高速数据传输的需求，新一代的USB4 Gen3规格所制定的数据传输速率高达40Gbps。然而，目前满足USB 3.2Gen2规格的USB Type-C连接器在8GHz至14GHz之间会遭遇共振问题而导致较大的传输损耗，传输通带因此受到局限，无法提升其传输速率，使其也无法进一步将应用层面扩展至能满足USB 4Gen3规格的水平。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种连接器结构，以现有满足USB 3.2Gen 2规格的USB Type-C连接器的硬件基础来进行小幅修改，从而解决在特定频率范围内的非预期共振问题，并降低信号传输时在该特定频率范围内的插入损耗，从而提供更宽的信号传输通带，以达成USB 4Gen 3规格所规范的数据传输速率。

本发明的目的之一在于提供一种提高连接器数据传输速率的方法，其藉由调整连接器的内部的硬件结构来加快其数据传输速率。

为了达到上述目的，本发明提供一种连接器结构，其包括多个信号引脚、第一电路板层及第二电路板层。每一信号引脚包括一个固定端及一个接触端，其中当连接器壳体与匹配连接器壳体相接合时，接触端用以接触匹配连接器所提供的一个相对应信号引脚。第一电路板层具有多个引脚固定区，以供每一信号引脚的固定端对应地固定于每一引脚固定区上。第二电路板层配置于第一电路板层的内侧并且具有多个通孔，其中每一通孔的位置对应于第一电路板层的至少一个引脚固定区。此连接器结构可提供高达16GHz的操作频率。

在一个实施例中，通孔是一个矩形孔，该矩形孔的长度为1.45至1.8mm，宽度为0.85至1.25mm，优选的长度为1.577mm，宽度为1.15mm。

在一个实施例中，这些信号引脚包括多个信号引脚对，每一信号引脚对固定于两个相邻的引脚固定区，每一通孔对应于该两相邻的引脚固定区。

在一个实施例中，每一信号引脚包括连续的第一线段、第二线段及第三线段，其中第二线段位于第一线段及第三线段之间，并且第一线段及第三线段各自具有一个常规宽度，第二线段具有大于常规宽度的线宽。

在一个实施例中，每一信号引脚包括一个水平线段及一个斜坡线段，其中水平线段具有一个常规宽度，斜坡线段包括一个增宽表面，增宽表面具有大于常规宽度的线宽。

此外，本发明还提供一种提高数据传输速率的方法，包括：提供一个连接器，其包括多个信号引脚、第一电路板层及第二电路板层，其中第二电路板层设置于第一电路板层的内侧，并且第一电路板层具有多个引脚固定区，以供每一信号引脚对应地固定于每一引脚固定区上；以及在第二电路板层开设多个通孔，使每一通孔的位置对应于第二电路板层的至少一个引脚固定区。

前述的方法进一步包括：使每一通孔的尺寸对应地涵盖两个相邻的引脚固定区。

在一个实施例中，前述方法所提供的连接器是一个插头端连接器，其中插头端连接器包括多个第一信号引脚，每一第一信号引脚包括连续的第一线段、第二线段及第三线段，其中第二线段位于第一线段及第三线段之间。并且，将第二线段的两侧进行宽度增大，使第二线段的线宽相对大于第一线段及第三线段的线宽。

在一个实施例中，前述方法进一步包括：提供一个插座端连接器，其中插座端连接器包括多个第二信号引脚，每一第二信号引脚包括一个水平线段及一个斜坡线段：将每一斜坡线段进行增宽，使其两侧相对于水平线段而突出；以及将插头端连接器连接至插座端连接器，并提供一个操作频率，操作频率最大可达到16GHz。

相较于其他提升满足USB 3.2Gen 2规格的USB Type-C连接器数据传输速率的技术，本发明对现有满足Type-C 3.2Gen 2规格的USB Type-C连接器结构中第二电路板层的特定区域进行挖空修改，并且修改其数据传输用的信号引脚的宽度，没有改动其他部件，所以装配过程中，不需重新设计整体内部机构，只需调整第二电路板层的通孔大小及信号引脚的线宽，即可在减少额外研发生产模具的成本的前提下，大幅提高数据传输速率。

附图说明

图1A及图1B是本发明的第一实施例的连接器结构示意图。

图2是图1B中A-A剖面的示意图。

图3是本发明的第一实施例的改良部位的立体图。

图4是本发明的第一实施例的连接器与已知连接器的插入损耗比较图。

图5是本发明的第一实施例的连接器与已知连接器的差动阻坑表现比较图。

图6是本发明的第一实施例的连接器与已知连接器的插入损耗拟合比较图。

图7A及图7B是本发明的第二实施例的连接器结构示意图。

图8A及图8B是本发明的第二实施例的连接器俯视示意图。

图9是图8A中B-B剖面的示意图。

图10是本发明的第二实施例的改良部位立体图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图中的优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如上、下、左、右、前或后等，仅是用于参照附图的方向。因此，这些方向用语仅是用于说明，并非是用于限制本发明。

第一实施例：插头端的连接器结构

以插头端的连接器为例，说明本发明的连接器结构，同时提供一种提高连接器数据传输速率的方法。如图1A所示，连接器结构100包括第一电路板层110、第二电路板层120及多个信号引脚130，适合设置于一个连接器壳体140内，用以与一个匹配连接器300接合。第一电路板层110为一个导体层，其具有多个引脚固定区112，并且布设多个供信号传输的导线层114。引脚固定区112为一个可导电的区域，其与导线层114是连接在一起的导体线路。

信号引脚130的结构同时参照图1B。图1B是将图1A的第一电路板层110的一对引脚固定区112及一对供信号传输的导线层114与一对信号引脚130省略的俯视图。每一信号引脚130具有一个固定端132及一个接触端134，每一固定端132对应地固定于一个引脚固定区112上。信号引脚130的接触端134在图1A中被连接器壳体140所遮蔽。第二电路板层120为一个接地导体层，其配置于第一电路板层110的内侧，并且具有多个通孔122，其中一个通孔122位于引脚固定区112的正内侧。

值得一提的是，本发明是将位于第二电路板层120且对应于引脚固定区112的一个特定区域挖穿而形成一个通孔122，使得此通孔122的位置对应于其外侧的引脚固定区112。换言之，本发明主要是对连接器结构100中用于高速数据传输的信号引脚130与第一电路板层110相接处内侧的第二电路板层120进行特定面积的挖空，可以改变其电路分布参数，进而改善差动传输线的差动阻抗等电路参数，藉此降低因共振问题而在高频处产生的插入损耗。

如图1B上侧所示，将相邻的一对信号引脚130、一对引脚固定区112及一对供信号传输的导线层114省略后，可以清楚见到第二电路板层120及其通孔122。如图1B下侧所示，两个相邻的信号引脚130分别具有的两个固定端132被固定在两个相邻的引脚固定区112。每一通孔122对应于该两个相邻的引脚固定区112。在本实施例中，通孔122为一矩形孔，此矩形孔的长度L为1.45-1.8mm，宽度W为0.85-1.25mm。

图2是图1B中的A-A剖面图，显示信号引脚130、引脚固定区112以及通孔122等三者依序由外而内的排列关系。需注意的是，通孔122位于信号引脚130与引脚固定区112相接处的正内侧。在一个具体实施例中，引脚固定区112及供信号传输的导线层114是埋在电路板的绝缘基材116内部的铜质线路。通孔122的长度L为1.577mm，宽度W为1.15mm。通孔122的孔壁高度H为0.03048mm，其相当于第二电路板层120的厚度。

图3的立体图是从图2的右下方向上看，可以清楚地看到通孔122及其上方的引脚固定区112的底部结构，特别是通孔122位于信号引脚130的固定端132与引脚固定区112的接合点正内侧。

再参照图1B，在前述第二电路板层120的特定区域被挖空而形成通孔122之后，再将信号引脚130前端的部分线段加宽，可以使连接器的传输效果更为显著。信号引脚130包括连续的第一线段、第二线段及第三线段。第一线段包括固定端132，其焊接在第一电路板层110的引脚固定区112上；第三线段包括接触端134，用以接触匹配连接器300所提供的信号引脚(未图标)。第一线段及第三线段各自具有一个常规宽度SW1。第二线段136位于第一线段及第三线段之间，且具有一个大于常规宽度的线宽LW1。例如，将第二线段136的两侧进行宽度增大，使其两侧相对于第一线段及第三线段各自具有一个增宽幅度。

在一个实施例中，匹配连接器300是一个插座端连接器，其信号引脚也具有部分线段被加宽。但匹配连接器300内部的信号引脚与一电路板层相接处内侧的另一电路板层则可以选择性地挖空或不挖空。采用本发明的连接器结构100与其匹配连接器300，可以改善两个装置连接时在特定频率范围的插入损耗，使传输通带得以变宽。

如图4所示，在传输损耗表现上，市售产品在8GHz之后即会出现共振现象；采用本发明的连接器结构100并连接其匹配连接器300，共振现象会向右移到更高的频率，其频率到达16GHz之后才出现大幅的传输损耗。换言之，本发明的连接器结构提供了从0到16GHz的平坦传输通带。与市售产品相比，本发明的传输通带增加将近100％。

如图5所示，本发明的连接器结构100连接其匹配连接器300以时域反射方法(TimeDomain Reflectometry，简称TDR)得到的差动阻抗(impedance)表现变得更趋于平缓，使信号传输的过程中，更不容易产生反射现象。

如图6所示，本发明的连接器结构100连接其匹配连接器300已达到USB4Gen3规格的项目(在奈奎斯特频率下的插入损失拟合(Insertion Loss Fit at NyquistFrequency，简写为ILfitatNq))规定的在15GHz的频率所对应的插入损耗拟合大于-1.5dB的要求。

第二实施例：插座端的连接器结构

前一实施例的发明概念也可用于插座端连接器。图7A显示一个插座端的连接器结构200，其包括第一电路板层210、第二电路板层220及多个信号引脚230。第一电路板层210配置于第二电路板层220的外侧，并且具有多个引脚固定区212，每一引脚固定区212连接一个导线层214，其延伸向插座端连接器所在的一个后端装置(未图标)。引脚固定区212的内侧对应一个开设在第二电路板层220的通孔222。信号引脚230具有一个固定端232及一个弓起部位234。固定端232被固定在第一电路板层210的引脚固定区212上。

图7B是将图7A的连接器结构200移除其前端上盖240后水平旋转180度的立体图。弓起部位234的前半段包括一个斜坡线段236。斜坡线段236连接一个水平线段238。水平线段238具有一个常规宽度SW2，并且提供一个接触端238A，用以与一个匹配连接器(未图标)内的对应信号引脚相接触。为了提高连接器的数据传输速率，本实施例加大每一信号引脚230的斜坡线段236的线宽LW2，使其大于常规宽度SW2。例如，将每一斜坡线段236进行两侧增宽，使其两侧相对于水平线段238而突出。

图8A为图7A中信号引脚230的固定端232其上方盖体(未图示)被移除后的俯视图，其B-B剖面的结构请参照图9。图8B为图8A上方虚线框的放大图。

图9显示信号引脚230的固定端232、第一电路板层210的引脚固定区212，以及第二电路板层220的通孔222，此三者依序由上而下排列。第一电路板层210包括埋在绝缘基材216内部的引脚固定区212及导线层214。通孔222的位置需与其外侧的引脚固定区212相对应，特别是与信号引脚230在引脚固定区212上的固定点相对应。

图10为对应于图8A中B-B剖面的立体结构，清楚地显示插座端的连接器结构200中其信号引脚230与引脚固定区212的接触情形。特别是通孔222位置在第一电路板层210的引脚固定区212正内侧。

基于前述两个实施例的连接器结构，本发明还可提供一种提高数据传输速率的方法。此方法是提供一组相互匹配的插头端和插座端USB Type-C连接器。在插头端的信号引脚与第一电路板层相接处内侧的第二电路板层进行特定区域的挖空；而插座端内部的第二电路板层可以选择性地挖空或不挖空。再分别将两者内部信号引脚的一部分线段加宽。将两者连接后提供一个操作频率，此操作频率最大可为16GHz。

关于上述实施例中信号引脚的线宽修改，更详细的说明可参见本案申请时所提交的优先权证明文件。

概括以上实施例，本发明提供一种新颖的USB Type-C连接器结构，可同时应用于改良连接器的插座端或插头端结构，主要应用为连接计算机系统与外部装置的序列总线以传输数据，针对高速数据传输用的信号引脚与第一电路板层相接处内侧的第二电路板层进行特定区域的挖空，并修改信号引脚的线宽，藉此可以改变其电路分布参数，使共振问题所导致在高频操作时的插入损耗得以减小，进而改善插座端与插头端连接时的高频传输特性，增加数据传输通带。

就结构而言，本发明改善市售USB Type-C连接器结构，针对特定电路板层的特定区域进行挖空，并且改变负责高速数据传输的信号引脚的线宽。相较于其他提升符合USB3.2Gen 2规格的USB Type-C接口连接器数据传输速率的技术，本发明在制作工艺上，对现有符合USB 3.2Gen 2规格的USB Type-C接口连接器结构中的信号引脚及其与第一电路板层固定处内侧的第二电路板层进行修改，没有改动其他部件，所以装配过程中，不需重新设计整体内部机构，只需调整信号引脚的线宽以及第二电路板层的通孔大小，可大幅减少额外研发生产模具的成本。

就提高数据传输速率的方法及功效而言，本发明以简单结构改良即可使连接器提供从DC至16GHz的传输通带，相较于市售产品增加了将近100％。新的传输通带能符合USB4Gen 3规格所要求的水平，可使数据传输速率达到40Gbps，其发明概念及产生的效果应属本领域中具有通常知识者难以由已知技术轻易地联想或预期到的，故本发明应符合专利要件。

惟以上所述者，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻，并非用来限制本发明的权利范围。

【符号说明】

连接器结构 100

第一电路板层 110

引脚固定区 112

导线层 114

绝缘基材 116

第二电路板层 120

通孔 122

信号引脚 130

固定端 132

接触端 134

第二线段 136

连接器壳体 140

连接器结构 200

第一电路板层 210

引脚固定区 212

导线层 214

绝缘基材 216

第二电路板层 220

通孔 222

信号引脚 230

固定端 232

弓起部位 234

斜坡线段 236

水平线段 238

接触端 238A

匹配连接器 300

孔壁高度 H

通孔的长度 L

线宽 LW1、LW2

常规宽度 SW1、SW2

通孔的宽度 W

Claims (10)

1.一种连接器结构，包括：

多个信号引脚，每一信号引脚包括一个固定端；

第一电路板层，具有多个引脚固定区，以供每一信号引脚的固定端对应地固定于每一引脚固定区上；以及

第二电路板层，配置于第一电路板层的内侧并且具有至少一个通孔，其中该通孔的位置对应于其外侧的第一电路板层的至少一个引脚固定区。

2.如权利要求1所述的连接器结构，其中该通孔是一个矩形孔，该矩形孔的长度为1.45至1.8mm，宽度为0.85至1.25mm。

3.如权利要求1所述的连接器结构，其中该多个信号引脚包括多个信号引脚对，每一信号引脚对固定于两个相邻的引脚固定区，该通孔对应于该两个相邻的引脚固定区。

4.如权利要求1所述的连接器结构，其中每一信号引脚包括连续的第一线段、第二线段及第三线段，其中第二线段位于第一线段及第三线段之间，并且第一线段及第三线段各自具有一个常规宽度，第二线段具有大于该常规宽度的线宽。

5.如权利要求1所述的连接器结构，其中每一信号引脚包括一个水平线段及一个斜坡线段，其中该水平线段具有一个常规宽度，该斜坡线段具有大于该常规宽度的线宽。

6.如权利要求1所述的连接器结构，其提供一个操作频率，该操作频率达到16GHz。

7.一种提高数据传输速率的方法，包括：

提供一个连接器，其包括多个信号引脚、第一电路板层及第二电路板层，其中第二电路板层设置于第一电路板层的内侧，并且第一电路板层具有多个引脚固定区，以供每一信号引脚对应地固定于每一引脚固定区上；以及

在第二电路板层开设至少一个通孔，使该通孔位置对应于其外侧的第一电路板层的至少一个引脚固定区。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：使该通孔的尺寸对应于两个相邻的引脚固定区。

9.如权利要求7所述的方法，其中该连接器是一个插头端连接器，并且每一信号引脚包括连续的第一线段、第二线段及第三线段，其中第二线段位于第一线段及第三线段之间，该方法包括：

将第二线段的两侧进行宽度增大，使第二线段的线宽相对大于第一线段及第三线段的线宽。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

提供一个插座端连接器，其中该插座端连接器包括多个第二信号引脚，每一第二信号引脚包括一个水平线段及一个斜坡线段：

将每一斜坡线段进行增宽，使其两侧相对于该水平线段而突出；以及

将该插头端连接器连接至该插座端连接器，并提供一个操作频率，该操作频率最大可达到16GHz。

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