CN1278455C - 用于容纳接插件的差分对接触末梢部分的印刷电路板 - Google Patents

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Abstract

一种用于容纳接插件的差分对接触末梢部分的印刷电路板，该印刷电路板包括：至少一个接地平面层，其具有一些成对的孔，这些孔被构造为容纳接插件的差分对接触末梢部分；其特征在于，对于对应于一个差分对的每对孔，环绕该孔对的区域没有接地平面层，而该孔对的各孔彼此电绝缘。

Description

用于容纳接插件的差分对接触末梢部分的印刷电路板
相关申请
本申请是序列号为№.08/797,537的美国申请的延续申请，该申请是1997年2月7日提交的，题为：高速度、高密度的电接插件。
技术领域
本发明涉及电接插件，说得更具体一点，本发明涉及模块化的电接插件，用来为处于母板和子板或别的电气元件之间的差分信号提供信号通路。
背景技术
特制的电接插件可用来连接电气系统的不同元件。典型地，这样的电接插件可把一系列子板之间的大量电信号连接至母板。母板和子板之间以直角连接。电接插件一般是模块化的。例如，平面的、二维的金属引线框架里包含了数条信号通路，每条信号通路皆在金属引线框架平面里弯折成直角。这些信号通路被组装在一个绝缘壳内，该绝缘壳亦包含平面的接地极板，藉以提供接地通路并在信号之间提供隔离。该模块还可进一步与别的类似模块一起组装，从而形成了一个可以把电气系统元件之间的大量信号连接在一起的接插件。
一般地，接插件连接至印制线路板，例如母板、子板或底板。印制线路板里的导线连至接插件的信号插脚，于是信号即可在接插件之间和整个电气系统里沿导线传送。接插件亦可用于其他环境里，例如，用于印制线路板的彼此连接，以及电缆到印制线路板的连接。
电子系统的功能普遍日趋复杂化。借助于相同空间里日益增加的电路数量，电路的工作频率也不断上升，系统处理更多的数据，并需要能够在电气上输送这些电信号的电接插件。随着信号频率的升高，接插件产生电气噪声的可能性也更大了，电气噪声的形式例如有：反射、串音和电磁辐射。因此，电接插件被设计成可控制不同信号通路之间的串音，并控制各信号通路的特征阻抗。为减小典型模块里的信号反射，信号通路的特征阻抗通常取决于该通路的信号导体与相关接地导体的间距、以及信号导体的横截面尺寸和位于这些信号与接地导体之间的绝缘材料的有效介电常数。
通过把各种信号通路安排成彼此间隔较远并皆靠近屏蔽板(该屏蔽板通常是接地极板)，可以控制各个信号通路之间的串音。于是，不同信号通路更多地趋于与接地导体通路电磁地耦合，而它们彼此之间的耦合则较少。对于给定电平的串音，当保持足够的与接地导体的电磁耦合时，信号通路可以彼此更靠近一些。
屏蔽的早期使用出现在富士通株式会社于1974年2月15日提交的日本特许公开49-6543。美国专利4,632,476和4,806,107(二者皆授予美国电话电报公司贝尔实验室)揭示了一种接插件设计，其中在信号接点列之间使用了屏蔽。在这些专利所描述的接插件里，在整个子板和底板的接插件里屏蔽皆平行于信号接点。美国专利5,429,520、5,429,521、5,433,617和5,433,618(皆授予法马通国际接插件公司)示出了类似的安排。
美国专利5,066,236和5,496,183(皆授予AMP公司)公开了另一种模块化接插件系统，其所描述的电气模块所拥有的单列信号接点和信号通路被安排在平行于接地极板的单个平面里。与此相反的是做为参考而收入本申请的美国专利5,795,191，它描述的电气模块所拥有的电信号通路被安排在两个各自与不同的接地极板耦合的平行平面里。
看来，上述电接插件主要是针对单端信号而设计的。单端信号在单条信号传导通路上输送，以相对于公共接地基准导体群的电压做为信号。由于这个原因，单端信号通路对于出现在公共基准导体上的共模噪声极其敏感。我们已经认识到：这就严重地限制了单端信号在高频信号通路数增长的系统里的使用。
此外，现有的高频、高密度接插件常要求在所附着的印制导线板(PWB)上进行打孔的排列和尺寸，这些孔限制了穿过PWB上接插件附着电路板部分而走线的印制线路信号线的宽度和数量。
我们已经认识到：在主要是印制线路底板上，特别希望能够在各信号层上，沿各个方向在接插件附着电路板处的孔的特定排列、行或列之间走线。我们还认识到：在高频底板应用、尤其是长的通路里，较宽的线路布线能力有助于减少导体损耗。
我们还认识到：通过为差分信号设计接插件，可以获得对串音的更好控制。差分信号是由一对称做“差分对”的导电通路所代表的信号。导电通路之间的电压差代表信号。
差分对公知于电话线和某些印制线路板之类的应用中。一般地，差分对的两条导电通路被安排得彼此靠近走行。若有任何电气噪声源以电磁方式耦合至差分对，则给差分对的各条导电通路皆带来相同的影响。由于差分对的信号处理为两条导电通路上的电压差，故耦合至差分对的两条导电通路上的共模噪声电压不影响信号。这就使得差分对较之单端信号号通路对串音不敏感。我们已经发明了很适于输送差分对的电接插件。
其次，差分对的两条导电通路最好是拥有对称、平衡的电气特征。由于目前接插件的信号通路长度不同(如图2和图3所示)，故各条通路的电气延迟不等，这可由于感应畸变恶化差分信号的质量。差分接插件最好是拥有对称的通路。
再次，差分接插件最好是拥有兼容于已有的模块化接插元件的差分接插件模块。接插件还最好是拥有支持多种宽度的信号线和可走线性更佳的线路板打孔排列。
发明内容
本发明的一个方面是电接插件模块，用来在电气元件之间传输多个差分信号。该模块拥有多个带有第一信号通路和第二信号通路的信号导体对。每条信号通路拥有处于该信号通路末端的接触部分，以及延伸在接触部分之间的过渡段。对于每一对信号导体来说，过渡段间的第一间距小于该信号导体对与多个信号导体中任何别的信号导体之间的第二间距。
本发明的另一方面是电接插件模块，用来在电气元件之间传导差分信号，该接插件模块拥有终止于同一边缘的一组对边。该模块含有优化了的耦接差分信号的信号导体对。该导体被置于模块里。每个导体都有沿模块边缘横向间隔开的接触部分。导体对的表面部分以实质上重叠的关系沿通过模块的边的方向从接触部分穿越模块。
本发明的各实施例皆具有下列一条或数条优点。各差分信号通路的阻抗得到匹配。差分信号导体对的各信号通路皆有相等的电气长度。差分信号通路对可彼此间隔得较近。各差分信号导体对与别的导体对的间距减小了接插件里的串音。差分信号导体对可耦合至接地极板，从而允许别的差分信号导体对靠近信号通路放置，而又不感应串音。屏蔽板的一部分可在各对差分信号导体之间延伸。降低了各对差分信号导体内的噪声。信号线的走线是高效的。接地接触部分可在信号导体的接触部分之间延伸并允许信号线按直的路径穿越走线槽路。走线槽路可以又宽又直。
附图说明
图1是根据本发明的系统透视图，其中，在母板和子板之间组装了一组模块化的接插件；
图2是现有技术的信号通路金属引线框架的原理图，该框架可用来组装模块化电接插件，其中，信号通路的间距相等，并且未被安排为差分对；
图3是信号通路金属引线框架的原理图，该框架用来构建模块化接插件，其中，信号通路被安排为单一平面里的差分信号导体对；
图4是信号通路金属引线框架的另一种实施例的原理图，该框架用来构建模块化接插件，其中，信号通路被安排为单一平面里的差分信号导体对；
图5是接地极板的透视图，该接地极板可与图4所示的信号通路金属引线框架兼容使用，其中，接地极板的接触部分可在信号通路金属引线框架的接触部分之间延伸；
图5A是含有图5所示的接地极板的插脚头的透视图；
图6是根据现有技术的信号通路安排的透视图，其中，信号通路被安排在两个平行平面里，一个平面里的各条信号通路与第一接地极板(未示出)感性耦合，而另一个平面里的各条信号通路则与第二接地极板(未示出)耦合；
图7是被安排为差分信号导体对的信号通路的另一种实施例的透视图，其中，信号通路被安排在两个平行的平面里；
图8是被安排为差分信号导体对的信号通路的又一种实施例的前视图，其中，信号通路被安排在两个平行的平面里；
图9是图8所示的信号通路的侧视图；
图10是带有对称电气特性的接插件模块的原理图；
图11A是描绘现有技术线路板信号激励的简图；和
图11B是描绘改进型线路板信号激励的简图。
具体实施方式
参考图1，电气系统10包括模块化接插件12，它把底板14连接至子板16。接插件12包括多个接插件模块18，能够连接一组电信号，无论是差分信号、非差分信号，还是两种类型的信号兼而有之。
例如，若按下述来组装，则电接插件模块18可传导一对差分在系统10的电气元件(例如母板14和子板16)之间传导一对差分的电信号。每个接插件模块18皆拥有一组平行的对边20，22。边20，22各沿接插件模块18的边缘24终止。(如图所示，边缘24是平表面。不过，亦可使用别的结构)。一组连接插脚28从边缘24伸出。屏蔽(未示出)可置于模块18之间。
需注意到，在优选的实施例里，各模块18的开口19间距相等。同样，接点末稍28亦是间距相等。
参考图2，金属引线框架50限定了八个非差分信号通路52a～52h，用于接插件模块18。在组装电接插件模块18之前及组装过程当中，由一片薄金属平板印制出金属引线框架50，藉以包括支撑信号通路52a～52h的载体条56。当信号通路52a～52h与电气接插模块18完全整合后，支撑段56即与信号通路52a～52h断开连接，而各信号通路52a～52h亦与别的信号通路52a～52h断开连接。在1997年2月7日提交的题为“高速度、高密度的电接插件”的美国专利申请08/797,540里，公开了一种包含金属引线框架50的电接插件。该授予泰拉丁公司的08/797,540号申请将做为参考而收入本申请。
参考图3，类似的金属框架100限定了八个非差分信号通路102a～102h，用于接插件模块18。不过，通路102a～102h被分成四组差分信号导体104a～104d。在组装电接插件模块18之前及组装过程当中，以一片支撑信号通路102a～102h的薄金属平板印制出金属引线框架100。当信号通路102a～102h与电气接插模块18完全整合后，支撑段106即与信号通路102a～102h断开连接，而各信号通路102a～102h亦与电接插件模块18里别的信号通路102a～102h断开连接。
每条信号通路102a～102h各包括一对接触部分112，114，以及接触部分之间的过渡段116。接触部分112，114是接触插脚，可把模块18连接至系统10的电气元件。接触部分112被示成两个平行部件。如现有技术，这些部分可被折叠以形成框形接点。框形接点充当来自底板的插脚21的插座。不过，还公知有多种形状的可分离接触区域，这并非发明的关键。
在本实施例里，信号通路102a～102h的接触部分112沿着金属引线框架100横向地且等距离地隔开。在优选的实施例里，间距是0.030时。一般情况下，当安装到系统10上成为其一部分时，间距在竖直方向。两个接触部分112，114皆从模块18的支架32伸出。模块18的外部结构与别的并非专为传导差分信号而设计的模块是一模一样的。因此，模块18可与别的模块互换，而接插件12可用不同类型的模块来构形，这些模块允许接插件既能传导差分信号，亦能传导非差分信号。
各信号通路102a～102h的过渡段116都对齐同一个平面120，一般是竖直的平面。因此，导体对104a～104d里过渡段116的表面部分118实质上重叠在竖直平面里。
在差分对104a～104d里，每个信号通路102a～102h各与另一条信号通路102a～102h耦合。例如信号通路102a，102b形成差分信号导体对104a；信号通路102e，102f形成差分信号导体对104c；信号通路102g，102h形成差分信号导体对104d。各差分信号导体对104a～104d的各信号通路102a～102h皆与相应导体对104a～104d的信号通路102a～102h耦合。这种耦合能奏效，是因为差分信号导体对104a～104d的间距108与相邻的差分信号导体对104a～104d的间距相比，要小得多。信号导体对104a～104d的过渡段116被尽量地安排得近一些，同时亦要保持差分阻抗。各导体对104a～104d的过渡段116之一拥有曲线段122，124，它们朝向导体对104a～104d的别的过渡段116弯曲。在曲线段122，124之间，导体对104a～104d一齐沿着大部分过渡段116的轨迹走行。
曲线段122，124减小了各导体对104a～104d的过渡段116的间距108，增加了相邻导体对104a～104d的间距110，由此使导体对104a～104d的各过渡段116趋于一样长。这种配置改进了差分信号的信号的整体性，并降低了差分对104a～104d之间的串音、减小了信号崎变。
别的实施例亦在发明范围内。
例如，参考图4，金属引线框架100包括六条信号通路202a～202f，而非八条。这些信号通路被安排为三对204a～204c。实质上，金属引线框架200和金属引线框架100一模一样，只是去掉了两条信号通路102c，102f的等同性。其余通路还像以前那样按对排放，信号通路过渡段的间距小于接触部分的间距。信号通路102c，102f所腾出来两个空间208，210位于接触部分214之间。
亦参考图5，接地极板220包括主体230，弹性触片224和接触部分226，228。接地极板220旨在取代接地极板23(图1)，尤其是与图4的实施例联用。
当完全组装好接插件12并与接插件13配合后，接地极板222平行于信号通路202a～202f。接触部分226，288与信号通路202a～202f的接触部分212对齐。接触部分226，228各与主体230成相应的直角，并在相应空间208，210里的接触部分212之间延伸。
图5A示出了包括屏蔽部件220的底板模块13’。有信号插脚521的列。每列含有六个信号插脚521，以对应于六个配合接点212。底板接插件13’里没有对应于空间208和210(图4)的信号插脚。相反，接触部分226和228被插入对应于空间208和210的空间里。结果，每列里就有八个接触末稍了——六个与信号插脚521对应，还有两个附加的接触末稍226和228。接触末稍的间距一致，以图5A里的尺度P来代表。
接触末稍的如此安排意味着相邻列的间距是尺度D。间距D取决于相邻列中信号对521的间距。
与此相反，在底板接插件13(图1)里，信号插脚接触末稍列的间距由用于屏蔽板的接触末稍占据。
当把底板接插件安装到底板上时，需要为每个接触末稍打一个孔。信号线均不能在靠近孔在底板中走线。因此，为使信号线穿越底板，信号线通常穿过接触末稍列之间的空间。在图5A的实施例里，间距D代表信号线的一条宽的走线槽路。因此信号线可以做较宽一些，于是损耗就更低了。信号线亦可较直一些，因为他们毋需在信号接触末稍之间的槽路里的孔周围绕来绕去了。较直的走线产生较少的阻抗不连续，而阻抗不连续是不利的，因为会造成反射。该特性对输送高频信号的系统特别有益。变通地可在每层里多布一些走线，以此来减少层数并节省开支。
参考图6，用于模块化电接插件的一组现有技术的信号通路300a～300h拥有过渡段302，该过渡段与两个不同的平行平面320，322对齐。过渡段的一半与各相应平面对齐。接触部分314在第三中央平面中对齐。接触部分312处于分立平面里，并与该第三中央平面对齐。因此，当完全安装后，各过渡段302离接地极板比离别的信号通路300a～300h更近。
亦参考图7，图6的信号通路适宜于提供一组差分信号导体304a～304d。导体对304a～304d的每个导体包括一对接触部分332，334和在接触部分332，334之间延伸的过渡段336，337。各对过渡段336，337皆拥有表面338，339，他们重叠在别的相应表面338，339上。表面338，339在沿电气接插模块303的边326，328的方向上彼此重叠，如图6所示。因此，正如图3里的导体对104a～104d通常在竖直方向上拥有重叠表面118那样，导体对304a～304d通常在水平方向上拥有重叠表面338，339(导体对104a～104d与导体对304a～304d之间的区别是相对的，表面338亦可重叠在非水平的方向上)。
不过，与图6所描绘的通路300a～300h不同，各导体对304a～304d的过渡段336离各导体对304a～304d的过渡段337比离接地极板或别的信号导体对304a～304d更近。因此，各对导体304a～304d耦合至导体对304a～304d的相应导体以减少噪声。
信号接点的差分对最好是固定在一个未示出的绝缘壳上。接点可如图7所示那样安置，再以绝缘材料模制于接点的过渡段周围。为达到正确安装接点元件，可把塑料载体条模制于一个平面里的接点元件周围。于是别的平面里的接点元件即可重叠在载体条上。然后再把附加绝缘材料模制于整个子组件上。
还有另一种办法可以在图7所示的构形中形成接触元件周围的绝缘壳，就是把绝缘壳模制在两个互锁片上。一片包括一个平面里的信号接点。另一片包括另一个平面里的信号接点。再把两片夹在一起以形成模块，其信号接点的布置如图7所示。该制做工艺在美国专利5,795,191里做了描述(其内容做为参考而收入此处)。不过，该专利并未意识到把信号接点的过渡段置于子组件的两片里的最诱人处在于：当组装两片时，信号接点会重叠起来以创建差分对。
参考图8～9，另一种信号通路的安排包括信号导体对304’(此处只示出了一对)。像图6里的信号通路300a～300h那样，导体对的每个导体304’伸向模块303’的相应边326，328。不过，与信号通路300a～300h不同的是，信号导体对304’的表面318’被分别弯折了，从而在垂直于模块303’的边326，328的方向上拥有重叠的表面338’，339’。于是，像图3，4和7里的导体对那样，导体304’的间距小于从一对导体对304’到另一类似导体对的距离。而且，像图6中的接触部分312那样，接触部分312’，314’皆在第三中央平面里。相形之下，图7所示的接触部分332和图6所示的接触部分314则在两个独立平面里。
另一种选择是毋需像上述那样把屏蔽板用于差分接插件模块。
图10示出了差分接插件模块510的另一种实施例。如上所述，把塑料511模制于引线框架的过渡部分周围，从而把含有信号接点的引线框架嵌入模块。在图10的模块里，把窗口512A，512B和512C遗留在各导体对里长引线上方的塑料里。这些窗口可用来均衡各对引线里信号传输的延迟。众所周知，信号在导体里传播的速度与导体周遭材料的介电常数成比例。因为空气的介电常数与塑料不同，所以，在长引线上方留窗口会使得那些引线里的信号移动得更快。结果，就能均衡信号穿越长引线和短引线的时间。
各窗口512A～512C的长度取决于导体对的长引线和短引线之间的差分长度。因而，各导体对的窗口的尺寸可能不等。一个导体对还可能包括多个窗口。此外，窗口不一定非得用空气来填充不可。可以用介电常数不同于其余部分塑料的材料来形成该窗口。例如，可以在窗口区域里把低介电常数的塑料模制于各导体对里长接点部分的上方。然后再用介电常数较高的塑料来形成塑料架511。而且，“窗口”不一定非得在导电信号接点表面上一直延伸不可。“窗口”可以部分充以塑料、部分充以空气，其效果仍是降低长引线上方材料的有效介电常数。
在电介质材料里放置窗口的一个弊端是这也改变了窗口下区域里信号接点的阻抗。通常不希望阻抗沿信号导体改变，因为信号会在不连续处出现反射。为解决这一问题，可使用别的调整措施来保持阻抗沿信号导体的长度上恒定。一种保持阻抗恒定的办法是改变信号导体的宽度。在图10里，在一个区域里的示出了宽度为T1的信号导体，而在窗口区域里则示出了更宽的T2。在两个区域的相对介电常数的基础上，选择准确的尺寸进行阻抗匹配。不论窗口为何在接插件中形成，改变窗口区域里信号接点宽度的技术总是有用的，而且不限于形成窗口以均衡延迟。例如，一些现有技术接插件在所有信号接点的基本部分上方使用窗口，以增加全部信号接点的阻抗。
图11A和11B示出了另一种可用于提高差分接插件效率的实施例。图11A示出了底板600的一部分，可把接插件安装于该底板上。底板600里有好几列孔602。可以把接插件的接触末稍插入这些孔里以把接插件安装于底板上。在底板600里包括了一个或数个接地平面层604。孔周围不敷设接地层，以免孔里进行的连接短路，这就留出了裸露区域606。不过，在图11A所示的现有技术的构形中，孔602之间敷设了接地层。图11B示出了适用于差分接插件的底板印制线路板。敷设接地平面层时在形成差分对的孔602周遭留出了裸露区域。按此办法，差分对的两个孔之间不敷设接地层。这样就改进了差分对的两个导电元素之间的共模耦合。
还需注意一下此处给出的数字和尺寸。那些数字仅供说明之用，而决无限制本发明之意。例如，说明了带有6行和8行的接插件。然而，可方便制出任意数量的行。
而且，根据说明，可使用屏蔽板。亦可使用非板形的接地元件。接地元件可置于导电元素对之间。此外，屏蔽不一定非得平面的不可。尤其是图3和图4描绘了一种接插件构形，其中，差分对之间留有空间。为增加差分对之间的绝缘，可从屏蔽板上切下接片来从板平面弯出，从而提供导体对之间的更好绝缘。
还需注意到，本发明是以直角、压接、插脚和插座的接插件来说明的本发明。并不仅可用在直角的应用里。本发明可用于堆叠形或层压接插件。本发明亦不限于压配合安装的接插件。可用于表面安装或压力安装的接插件。此外，本发明不仅限于插脚和插座形式的接插件。可以有各种接触构形，且本发明还可用于别的接触构形。

Claims (9)

1.一种用于容纳接插件的差分对接触末梢部分的印刷电路板，该印刷电路板包括：
至少一个接地平面层，其具有一些成对的孔，这些孔被构造为容纳接插件的差分对接触末梢部分；其特征在于，
对于对应于一个差分对的每对孔，环绕该孔对的区域没有接地平面层，而该孔对的各孔彼此电绝缘。
2.如权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于所述环绕该孔对而没有接地平面层的区域基本上为椭圆形形状。
3.如权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于对于这些孔对，相邻孔对之间的区域具有接地平面层。
4.如权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于该印刷电路板为底板。
5.如权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于这些孔对沿走线槽路排列。
6.一种用于容纳接插件的差分对接触末梢部分的印刷电路板，该印刷电路板的特征在于：
露出一些孔对的表面，这些孔对被构造为容纳接插件的差分对接触末梢部分；
接地平面层；
对于对应于一个差分对的各对孔，环绕该孔对的区域没有接地平面层，并且该孔对的各孔彼此电绝缘；并且
对于这些孔对，相邻孔对之间的区域具有接地平面层。
7.如权利要求6所述的印刷电路板，其特征在于环绕该孔对而没有接地平面层的区域基本上为椭圆形形状。
8.如权利要求6所述的印刷电路板，其特征在于印刷电路板为底板。
9.如权利要求6所述的印刷电路板，其特征在于这些孔对沿走线槽路排列。
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