JP5765161B2 - 差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構及び特性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構及び特性評価方法に関するものである。

数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速デジタル信号を扱う、サーバ、ルータ、ストレージ製品等の機器において、機器間、或いは機器内の基板（回路基板）間の信号伝送には差動信号による伝送が用いられる。

差動信号とは、位相を１８０度反転させた信号を対をなす２本の信号線導体で伝送し、受信側で受信した各信号の差分を合成・出力するものである。１対の信号線導体に流れる電流は互いに逆方向を向いて流れるため、伝送線路から放射される電磁波が小さい。また、外部から受けたノイズは、１対の信号線導体に等しく重畳するので、受信側で差分を合成出力することで、ノイズによる影響を打ち消すことができる。これらの理由から、高速デジタル信号の伝送には、差動信号による伝送がよく使われる。

差動信号による伝送に用いられる差動信号伝送用ケーブルとして、１対の信号線導体と、１対の信号線導体の周囲を一括して被覆する絶縁体と、絶縁体の外周に設けられたシールド導体と、シールド導体の外周に設けられたシースとを有するものがある。

この差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構としては、電気長（位相）を合わせた２本のセミリジッドケーブルを差動信号伝送用ケーブルに取り付ける方式などが知られているが、差動信号伝送用ケーブルの特性を評価するための確固たる特性評価機構や特性評価方法は確立されていない。

特開２００８−１０８４７５号公報

特に、差動信号伝送用ケーブルでは、特定の規格に準拠したコネクタを差動信号伝送用ケーブルに取り付けた状態で特性が議論される傾向にあり、コネクタが取り付けられていない状態における差動信号伝送用ケーブルそのものの特性を規格等で標準化することはあまりなされていない。なお、この場合において差動信号伝送用ケーブルの端末部はコネクタ内部ではんだ接続されている。

差動信号伝送用ケーブルそのものの特性を評価するための特性評価機構や特性評価方法が確立されていない原因は、はんだ接続の際に付加される熱で差動信号伝送用ケーブルの絶縁体が変形したり、はんだ接続の際に付加される応力で信号線導体が曲がったりして差動信号伝送用ケーブルの端末部においてインピーダンス不整合が生じ、このインピーダンス不整合が信号の反射を引き起こし、更に反射現象の特性への影響から差動信号伝送用ケーブルそのものが持つ特性が歪められて見えることによる。つまり、差動信号伝送用ケーブルそのものが持つ純粋な特性が計測器上に示されないことによる。

よって、差動信号伝送用ケーブルそのものが持つ純粋な特性を評価するためには、差動信号伝送用ケーブルの端末部で生じるインピーダンス不整合を可能な限り小さくすることができる差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構を実現する必要がある。

そこで、本発明の目的は、差動信号伝送用ケーブルの端末部において生じるインピーダンス不整合を可能な限り低減し、差動信号伝送用ケーブルそのものが持つ純粋な特性を評価することができる差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構及び特性評価方法を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、差動信号伝送用ケーブルの信号線導体が接続される信号線パッドと、前記差動信号伝送用ケーブルのシールド導体が接続されるグランドパッドと、を有する基板と、前記信号線導体を前記信号線パッドに押し付ける押さえ部材と、弾性絶縁シートと、前記弾性絶縁シートの片面に設けられた金属箔と、からなり、前記金属箔を前記シールド導体と前記グランドパッドとに接触させることで、前記シールド導体と前記グランドパッドとを間接的に接続するシールド導体保持シートと、前記シールド導体保持シートを固定するクリップと、を備え、前記基板の縁部には、前記差動信号伝送用ケーブルの端末部が配置される切り欠き部が形成され、前記信号線パッドは、前記切り欠き部に前記差動信号伝送用ケーブルの端末部を配置したときに、前記信号線導体と同一線上となる位置に形成され、前記グランドパッドは、前記基板の両面であって前記切り欠き部の両側に形成され、前記シールド導体は、前記シールド導体を前記基板の両面側から挟み込む１対の前記シールド導体保持シートによって前記基板の両面に形成された前記グランドパッドのそれぞれに接続される差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構である。

前記基板は、周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が３．８以下の材料からなると良い。

前記基板には、前記基板を計測器に接続するコネクタが取り付けられると良い。

前記グランドパッドの表面には、導電性ペーストが設けられると良い。

前記押さえ部材は、比誘電率が低い透明な材料からなると良い。

前記押さえ部材は、誘電正接が低い材料からなると良い。

前記弾性絶縁シートは、シリコーンシートからなり、前記弾性絶縁シートと前記金属箔は、シリコーン系接着剤によって接着されると良い。

また本発明は、これら差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構を用いて差動信号伝送用ケーブルの特性を評価する差動信号伝送用ケーブルの特性評価方法である。

コモンモードのＴＤＲインピーダンスが４０Ω〜５０Ωとなるように設計された差動信号伝送用ケーブルの特性を評価すると良い。

本発明によれば、差動信号伝送用ケーブルの端末部において生じるインピーダンス不整合を可能な限り低減し、差動信号伝送用ケーブルそのものが持つ純粋な特性を評価することができる。

本発明の実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構を示す斜視図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構における基板を示す斜視図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構における信号線導体の保持機構を示す斜視図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構におけるシールド導体の保持機構を示す斜視図である。 シールド導体とグランドパッドとの接触を確実にするための構成を示す斜視図である。 シールド導体保持シートの詳細な構造を示す分解斜視図である。 本発明が特に対象とする差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 本発明が特に対象とする差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 本発明が特に対象とする差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 本発明が特に対象とする差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構によって図７の差動信号伝送用ケーブルを評価した際の差動モードのＴＤＲインピーダンスを示す図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構によって図７の差動信号伝送用ケーブルを評価した際のコモンモードのＴＤＲインピーダンスを示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１〜４に示すように、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構（以下、単に特性評価機構という）１０は、差動信号伝送用ケーブル１１の信号線導体１２が接続される信号線パッド１３と、差動信号伝送用ケーブル１１のシールド導体１４が接続されるグランドパッド１５と、を有する基板１６と、信号線導体１２を信号線パッド１３に押し付ける押さえ部材１７と、弾性絶縁シート１８と、弾性絶縁シート１８の片面に設けられた金属箔１９と、からなり、金属箔１９をシールド導体１４とグランドパッド１５とに接触させることで、シールド導体１４とグランドパッド１５とを間接的に接続するシールド導体保持シート２０と、シールド導体保持シート２０を固定するクリップ２１と、を備えることを特徴とする。

差動信号伝送用ケーブル１１は、１対の信号線導体１２，１２と、１対の信号線導体１２，１２の周囲を一括して被覆する絶縁体２２と、絶縁体２２の外周に設けられたシールド導体１４と、シールド導体１４の外周に設けられたシース２３とを有する（図７参照）。

図２に示すように、基板１６の縁部には、差動信号伝送用ケーブル１１の端末部が配置される切り欠き部２４が形成される。ここで、差動信号伝送用ケーブル１１の端末部とは信号線導体１２やシールド導体１４が露出された端末処理部分をいう。切り欠き部２４は、端末部のシールド導体１４の幅と同程度の幅を有し、且つ、端末部のシールド導体１４の長さと同程度の長さ（奥行き）を有すると共に、基板１６の縁側の端部が開放された長方形状に形成される。このような構造とすることで、差動信号伝送用ケーブル１１を切り欠き部２４に配置したときにその端末部のシールド導体１４が切り欠き部２４内に収容され、基板１６の両面側においてシールド導体１４の配置の対称性を確保することができ、インピーダンス不整合が緩和される。

なお、基板１６は、周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が３．８以下の材料からなる。このような比誘電率が低い材料を用いることにより、高速伝送用（例えば、２５．７８１２５Ｇｂｉｔ／ｓ）の差動信号伝送用ケーブルの評価を行うことが可能になる。材料としては、例えば、ガラスエポキシ系の基板の中で周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が３．８以下の基板を用いることができる。

また、基板１６の厚さは、シールド導体１４の断面短手部分の厚さよりも薄くされ、切り欠き部２４に差動信号伝送用ケーブル１１の端末部が配置されたときに、端末部のシールド導体１４が基板１６の両面に突出するようにされる。これにより、シールド導体保持シート２０を用いてシールド導体１４とグランドパッド１５とを接続する際に、シールド導体１４とシールド導体保持シート２０との接触状態を確実に確保することができる。

信号線パッド１３は、切り欠き部２４に差動信号伝送用ケーブル１１の端末部を配置したときに、信号線導体１２と同一線上となる位置に形成される。これにより、信号線導体１２を曲げることなく信号線パッド１３に接続することができる。

グランドパッド１５は、基板１６の両面であって切り欠き部２４の両側に形成される。これらグランドパッド１５，１５は、それぞれスルーホール（ビア）２５によって基板１６の内層にあるグランド層（図示せず）に接続される。

そして、シールド導体１４は、基板１６の両面側からシールド導体１４を挟み込む１対のシールド導体保持シート２０によって基板１６の両面に形成されたグランドパッド１５のそれぞれに接続される。

これにより、１対のシールド導体保持シート２０，２０でシールド導体１４の周囲がほぼ一様に囲い込まれるため、電界分布の乱れが生じにくくなり、この電界分布の乱れに起因するインピーダンス不整合が起こりにくくなる。

なお、図５に示すように、グランドパッド１５の表面には、導電性ペースト２６が設けられることが好ましい。これにより、シールド導体保持シート２０，２０とグランドパッド１５，１５との接触状態を確実に確保することが可能になる。

また、基板１６には、計測器のケーブルを基板１６に接続するためのコネクタ２７が取り付けられる。計測器のケーブルは径が大きいものが多く、これを基板１６に直接接続することは困難であるため、このようなコネクタ２７を用いる。ここでは、一例としてエンドロンチ型のコネクタ２７を図示しているが、コネクタ２７の種類はこれに限られるものではない。

コネクタ２７は、基板１６に形成されたトレース２８を介して信号線パッド１３に接続されるため、計測器のケーブルをコネクタ２７に接続することにより、計測器のケーブルと信号線パッド１３とが間接的に接続される。なお、トレース２８は、マイクロストリップ配線やコプレーナ配線など周知の技術で形成される。

これらコネクタ２７，２７が取り付けられる基板１６の縁部は、差動信号伝送用ケーブル１１の延長線Ｘを境（軸）にして対称な方向に傾斜され、この傾斜に合わせてコネクタ２７，２７が取り付けられており、計測器の２本のケーブルをコネクタ２７，２７にそれぞれ接続した際に、計測器のケーブル同士が干渉しないようにされる。

更に、基板１６には、押さえ部材１７を固定する締結部材（例えば、つまみ付きネジ）２９を挿入するための貫通孔３０が形成される。貫通孔３０の下方には、締結部材２９を締め付けて固定するための固定部材３１が設けられる。この固定部材３１と押さえ部材１７とで基板１６と信号線導体１２とが挟み込まれ、信号線導体１２が信号線パッド１３に押さえ付けられて接続される。

押さえ部材１７は、比誘電率が低い透明な材料（例えば、周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が３．２以下）からなる。比誘電率が低い透明な材料としては、例えば、ポリエーテルイミド（周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が３．１５）やポリカーボネート（周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が２．９）などがある。これにより、押さえ部材１７が信号線導体１２の周囲の電界分布に与える影響を抑えることができると共に、信号線導体１２の位置が目視で確認でき位置合わせが容易になるという効果が得られる。なお、ポリエーテルイミド及びポリカーボネートは、誘電正接が低い材料でもあり、周波数１ＭＨｚにおける誘電正接がそれぞれ０．００１３及び０．００９である。このため、押さえ部材１７が信号線導体１２の周囲の電界分布に与える影響をより小さく抑えることができる。

この押さえ部材１７は、差動信号伝送用ケーブル１１の端末部におけるインピーダンス不整合を低減する役割がある。差動信号伝送用ケーブル１１は、端末部が段剥き処理されて信号線導体１２が露出されると、その部分でインピーダンスが大きく変化してしまう。このとき、押さえ部材１７で信号線導体１２を押さえると、押さえ部材１７が信号線導体１２を被覆する絶縁体として振る舞うため、インピーダンス不整合を緩和することができる。また、はんだ接続を用いないのではんだ接続に伴う絶縁体２２の変形に起因するインピーダンス不整合が生じない。そのため、押さえ部材１７を用いて信号線導体１２と信号線パッド１３とを接続することでインピーダンス不整合を低減することが可能になる。

図６に示すように、シールド導体保持シート２０は、弾性絶縁シート１８の片面に金属箔１９を設けてなるが、この弾性絶縁シート１８は、シリコーンシートからなり、弾性絶縁シート１８と金属箔１９は、シリコーン系接着剤によって接着される。

シリコーンシートは優れた弾性力を有するため、シールド導体１４とグランドパッド１５とを接続する際にシールド導体１４の外周に沿ってシールド導体保持シート２０を配置することができ、より電界分布の乱れが生じにくくなり、インピーダンス不整合を小さくすることができる。

また、シリコーンシートは、復元力に優れているため、同じシールド導体保持シート２０を繰り返し使用しても同じような条件、即ち、高い再現性で差動信号伝送用ケーブル１１の評価を行うことができるため特性評価の信頼性に優れ、且つ経済的である。

シリコーンシートと金属箔１９の接着にシリコーン系接着剤を用いるのも同様の理由からである。

金属箔１９は、導電性に優れた銀、銅、アルミニウムなどの金属からなる。これにより、金属箔１９が特性評価に与える影響を極力排除することが可能になる。

クリップ２１としては、シールド導体保持シート２０をしっかりと固定することができるように、鰐口クリップなどを用いることが好ましい。鰐口クリップのように把持力が強いもので固定したとしても、前述の通りシールド導体保持シート２０は弾性力、復元力に優れるため、シールド導体保持シート２０が損傷することはなく、毎回ほぼ同じ条件で特性評価を行うことができる。

次に、特性評価機構１０を用いた差動信号伝送用ケーブルの特性評価方法について説明する。

先ず初めに評価対象となる差動信号伝送用ケーブル１１を用意する。ここでは、差動信号伝送用ケーブル１１として図７に示すような構造のものを用いた。また、図２に示すような基板１６も用意する。

次いで、図３に示したように、基板１６の切り欠き部２４に差動信号伝送用ケーブル１１の端末部を配置すると共に、基板１６の上下を押さえ部材１７と固定部材３１とで挟み込み、これらを締結部材２９で固定して信号線導体１２を信号線パッド１３に接続する。

このとき、信号線導体１２が曲がらないように、且つ信号線パッド１３と一直線上になるように目視にて確認しながら接続を行う。これにより、差動モードのインピーダンス不整合を小さくすることができる。

信号線導体１２と信号線パッド１３との接続が完了した後、図４に示したように、シールド導体１４を基板１６の両面側からシールド導体保持シート２０で挟み込み、シールド導体１４をグランドパッド１５に接続し、この接続状態を維持するためにクリップ２１でシールド導体保持シート２０を固定する。

このとき、シールド導体保持シート２０がシールド導体１４から突出したシールド導体１４の形状に沿って配置されるようにする。これにより、周囲の電界分布に与える影響を緩和し、コモンモードのインピーダンス不整合を小さくすることができる。

これまで説明してきたように、本実施の形態に係る特性評価機構１０及びこれを用いた特性評価方法によれば、はんだ接続を用いず押さえ部材１７によって信号線導体１２と信号線パッド１３とを接続しているため、差動信号伝送用ケーブル１１の端末部において生じるインピーダンス不整合（主に差動モードのインピーダンス不整合）を可能な限り低減し、差動信号伝送用ケーブル１１そのものが持つ純粋な特性を評価することができる。

また、本実施の形態に係る特性評価機構１０及びこれを用いた特性評価方法によれば、基板１６に切り欠き部２４を形成し、この切り欠き部２４に差動信号伝送用ケーブル１１の端末部を配置し、シールド導体保持シート２０を用いてシールド導体１４とグランドパッド１５とを接続するようにしているため、信号を伝搬するための差動モードに加えて、同位相で伝搬するコモンモードのインピーダンス不整合をも低減することが可能になる。これにより、反射やノイズによる信号品質の劣化をより低減することができる。

本実施の形態では、差動信号伝送用ケーブル１１として図７に示した構造のものを用いて説明したが、差動信号伝送用ケーブル１１の構造はこれに限定されるものではない。

例えば、図８〜１０に示すように、絶縁体２２に代えて発泡絶縁体３２を用いたもの（図８参照）、信号線導体１２を内側スキン層３３、発泡絶縁体３２、外側スキン層３４で被覆してなる２本の電線３５を縦添えしたもの（図９参照）、２本の電線３５を縦添えし互いに融着させたもの（図１０参照）を用いることができる。

本実施の形態に係る特性評価機構１０を用いて図７に示した構造の差動信号伝送用ケーブル１１の特性を評価してみると、図１１，１２に示すような結果が得られる。図１１は、差動モードのＴＤＲインピーダンスを示す図であり、図１２は、コモンモードのＴＤＲインピーダンスを示す図である。

図１１，１２に示すように、端末処理部分においてインピーダンスに大きな変化がなく、基板配線と差動信号伝送用ケーブル１１のインピーダンスが滑らかに接続されている。従って、基板配線と差動信号伝送用ケーブル１１との間のインピーダンス不整合が低減されていることが分かる。

また、この結果によれば、特性評価機構１０では差動信号伝送用ケーブル１１の端末処理部分におけるコモンモードのＴＤＲインピーダンスが４６Ω程度であることから、特性評価機構１０は、信号線導体１２，１２間の電磁結合が強められた構造の差動信号伝送用ケーブル（例えば、図７〜９に示すような構造のもの）であって、コモンモードのＴＤＲインピーダンスが４０Ω〜５０Ω（４６Ω程度）になるように設計されているものの特性評価に特に有効であることが分かる。つまり、差動信号伝送用ケーブルのコモンモードのＴＤＲインピーダンスの値と、特性評価機構１０における差動信号伝送用ケーブルの端末処理部分のコモンモードのＴＤＲインピーダンスの値とがほぼ同等であれば、インピーダンス不整合が小さくなり、特性評価に与える影響が小さくなる。

以上述べたように、本発明によれば、システムインピーダンスからのインピーダンス不整合が小さい差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構及び特性評価方法を提供することができる。

１０ 差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構
１１ 差動信号伝送用ケーブル
１２ 信号線導体
１３ 信号線パッド
１４ シールド導体
１５ グランドパッド
１６ 基板
１７ 押さえ部材
１８ 弾性絶縁シート
１９ 金属箔
２０ シールド導体保持シート
２１ クリップ
２２ 絶縁体
２３ シース
２４ 切り欠き部
２５ スルーホール
２６ 導電性ペースト
２７ コネクタ
２８ トレース
２９ 締結部材
３０ 貫通孔
３１ 固定部材
３２ 発泡絶縁体
３３ 内側スキン層
３４ 外側スキン層
３５ 電線
Ｘ 延長線

Claims (9)

1. 差動信号伝送用ケーブルの信号線導体が接続される信号線パッドと、前記差動信号伝送用ケーブルのシールド導体が接続されるグランドパッドと、を有する基板と、
   前記信号線導体を前記信号線パッドに押し付ける押さえ部材と、
   弾性絶縁シートと、前記弾性絶縁シートの片面に設けられた金属箔と、からなり、前記金属箔を前記シールド導体と前記グランドパッドとに接触させることで、前記シールド導体と前記グランドパッドとを間接的に接続するシールド導体保持シートと、
   前記シールド導体保持シートを固定するクリップと、
   を備え、
   前記基板の縁部には、前記差動信号伝送用ケーブルの端末部が配置される切り欠き部が形成され、
   前記信号線パッドは、前記切り欠き部に前記差動信号伝送用ケーブルの端末部を配置したときに、前記信号線導体と同一線上となる位置に形成され、
   前記グランドパッドは、前記基板の両面であって前記切り欠き部の両側に形成され、
   前記シールド導体は、前記シールド導体を前記基板の両面側から挟み込む１対の前記シールド導体保持シートによって前記基板の両面に形成された前記グランドパッドのそれぞれに接続されることを特徴とする差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
2. 前記基板は、周波数１ＭＨｚにおける比誘電率が３．８以下の材料からなる請求項１に記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
3. 前記基板には、前記基板を計測器に接続するコネクタが取り付けられる請求項１又は２に記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
4. 前記グランドパッドの表面には、導電性ペーストが設けられる請求項１〜３のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
5. 前記押さえ部材は、比誘電率が低い透明な材料からなる請求項１〜４のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
6. 前記押さえ部材は、誘電正接が低い材料からなる請求項１〜５のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
7. 前記弾性絶縁シートは、シリコーンシートからなり、
   前記弾性絶縁シートと前記金属箔は、シリコーン系接着剤によって接着される請求項１〜６のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価機構を用いて差動信号伝送用ケーブルの特性を評価することを特徴とする差動信号伝送用ケーブルの特性評価方法。
9. コモンモードのＴＤＲインピーダンスが４０Ω〜５０Ωとなるように設計された差動信号伝送用ケーブルの特性を評価する請求項８に記載の差動信号伝送用ケーブルの特性評価方法。