JP7339734B2 - 高速通信用ジャック - Google Patents

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Description

[関連出願の相互参照]
本開示は、2012年2月13日に出願された米国仮特許出願第61/598,288号の利益を主張するとともに該米国仮特許出願に対する優先権を主張する、現米国特許第8,858,266号である2011年1月11日に出願された米国特許出願第13/739,214号の一部継続出願であるとともに該米国特許出願に対する優先権を主張する、現米国特許第9,337,592号である2014年10月1日に出願された米国特許出願第14/504,088号の一部継続出願であるとともに該米国特許出願に対する優先権を主張する、現米国特許第9,627,816号である2016年5月4日に出願された米国特許出願第15/146019号のPCT出願である。これらの米国特許及び米国特許出願の全ては、引用することにより、その全体が本明細書の一部をなす。
本開示は、ネットワークケーブルを装置に接続するように用いるネットワーク接続用ジャックに関する。
電気通信機器及び電気通信機器の関連アプリケーションがより精巧かつ強力になるにつれ、電気通信機器の、情報を収集するとともに他の機器と情報を共有する能力もより重要になる。これらのインテリジェントなネットワーク間機器の普及により、これらの機器が接続されるネットワーク上のデータ処理能力を増大させ、この要求を満たすのに必要な向上したデータレートを提供することが必要となっている。結果として、既存の通信プロトコル標準が絶えず改良されるか、又は新しい標準がつくられている。これらの標準の略全ては、直接的又は間接的に、有線ネットワークを介する高品位信号の通信を必要とするか、又はそのような通信から著しく利益を受ける。これらの高品位信号の伝送は、より高い帯域幅及び相応してより高い周波数要件を有する場合があり、一貫した様式でサポートされる必要がある。しかし、種々の標準のより新しいバージョンが理論上はより高いデータレート又はデータ速度を提供するとしても、これらの高品位信号は、依然として或る特定の物理構成要素の現行の設計によって速度制限を受ける。残念ながら、このような物理構成要素の設計は、マルチギガヘルツ及びより高い周波数における一貫した信号品質を達成するのに必要であるものが理解されていないことにより、困難に直面している。
例えば、通信機器と、通信されるデータを表す電気信号を送受信するのに用いられるケーブルを接続又は連結する装置とにおいて、通信用ジャックが用いられる。レジスタードジャック(RJ)は、電気通信及びデータ装置を接続するのに用いる標準化物理インターフェースである。RJ標準化物理インターフェースは、ジャック構造部と配線パターンとの双方を有する。データ装置に一般的に用いられるRJ標準化物理インターフェースは、RJ45ジャックとも呼ばれるRJ45物理ネットワークインターフェースである。RJ45ジャックは、電気電子技術者協会(IEEE)802.3イーサネットプロトコルを実施するネットワーク等のローカルエリアネットワークに広く用いられる。RJ45ジャックは、ANSI/TIA-1096-Aにおいて米国国家規格協会(ANSI)/米国電気通信工業会(TIA)によって発布された標準を含む種々の標準に記載されている。
RJ45ジャックを含むケーブル及びジャック等の全ての電気インターフェース構成要素は、電流の初期流に抵抗するだけでなく、いかなる電流の変化にも逆らう。この特性はリアクタンスと呼ばれる。リアクタンスの関連する2つのタイプは、誘導性リアクタンス及び容量性リアクタンスである。誘導性リアクタンスは、例えば、抵抗を生じるケーブルを流れる電流の動きに基づき発生する場合があり、ケーブルにおいて或る電圧を誘導する磁場を引き起こす。一方、容量性リアクタンスは、2つの対向する表面からの電子が互いに近づいたときに現れる帯電によって発生する。
送信される信号のいかなる劣化も低減又は回避するように、通信回路の種々の構成要素は、整合インピーダンスを有することが好ましい。そうでなければ、1つのインピーダンス値を有する負荷が、異なるインピーダンスレベルを有するケーブルによって運ばれている信号の一部を反射又は反響し、信号故障が引き起こされる。この理由で、ケーブル配線業者等のデータ通信機器の設計者及び製造業者は、ケーブルのインピーダンス値並びに抵抗レベル及び静電容量レベルが、或る特定の性能パラメーターを満たすことを検証するために、自身のケーブルを設計及び試験する。また、RJ45ジャックは略全ての通信回路において重要な構成要素であるが、ジャックの製造業者はジャックの性能に対して同程度の注意を払ってきていない。このように、既存のRJ45ジャックに関する問題が試験において十分に立証され、高周波数信号線に対する既存のRJ45ジャックの悪影響が理解されているが、当業界は、物理層のこの重要な構成要素に関する問題への対処に意欲的ではないようである。その結果として、改善された高速通信用ジャックが必要とされている。
本発明の1つの実施形態は、
プラグを受け入れ、該プラグの対応する信号線にそれぞれ接続される複数のピンを有するポートを有するハウジングと、
前記ハウジングを囲むシールドケースと、
前記ハウジングにおける回路板であって、
基板と、
各第1のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第1のビアと、
各第2のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第2のビアと、
少なくとも1つの第1のヒアを少なくとも1つの対応する第2のビアと接続する、前記基板の最上層における第1の組のトレースと、
なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの第2のビアと接続する、前記基板の前記最上層とは反対側における第2の組のトレースと、
を有し、
前記第1の組のレース内の各トレースは、上面の第1の組の隔離領域によって分離され、
前記第2の組のトレース内の各トレースは、上面と反対側の表面上の第2の組の隔離領域によって分離される
回路と、
を備える、高速通信用ジャックを含む。
別の実施形態において、前記第2の組のトレースは、前記最上面において接続される前記ビアとは異なるビアを接続する。
別の実施形態において、前記ジャックは、前記最上面において前記第1の組のトレース間に第1の隔離領域を有する。
別の実施形態において、前記ジャックは、前記最上面において第2の組のトレース間に第2の隔離領域を有する。
別の実施形態において、前記第1のシールド層は、導電材料で被覆される。
別の実施形態において、前記導電材料は、前記第1のビア及び前記第2のビアの周縁の周りの領域を被覆しない。
別の実施形態において、前記第2のシールド層は、導電材料で被覆される。
別の実施形態において、前記導電材料は、前記第1のビア及び前記第2のビアの周縁の周りの領域を被覆しない。
別の実施形態において、前記導電材料は、銅及び仕上げ銀(finished silver)から構成される。
別の実施形態において、前記導電材料は、銅及び仕上げ銀から構成される。
本発明の別の実施形態は、
プラグを受け入れ、該プラグの対応する信号線にそれぞれ接続される複数のピンを有するポートを有するハウジングを形成するステップと、
前記ハウジングを囲むシールドケースを形成するステップと、
基板の最上層を形成するステップと、
各第1のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第1ビアを形成するステップと、
各第2のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第2のビアを形成するステップと、
少なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの対応する第2のビアと接続する、前記基板の最上層における第1の組のトレースを形成するステップと、
少なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの第2のビアと接続する、前記基板の前記最上層と反対側における第2の組のトレースを形成するステップと、
前記第1の組のトレースの間の上面に第1の隔離領域を形成するステップと、
前記第2の組のトレースの間の上面に第2の隔離領域を形成するステップと、
を含む、高速ジャックを製造する方法を含む。
別の実施形態において、前記第2の組のトレースは、前記最上面において接続される前記ビアとは異なるビアを接続する。
別の実施形態において、前記方法は、前記最上面において前記第1の組のトレース間に第1の隔離領域を形成するステップを含む。
別の実施形態において、前記方法は、前記最上面において第2の組のトレース間に第2の隔離領域を形成するステップを含む。
別の実施形態において、前記第1のシールド層は、導電材料で被覆される。
別の実施形態において、前記導電材料は、前記第1のビア及び前記第2のビアの周縁の周りの領域を被覆しない。
別の実施形態において、前記第2のシールド層は、導電材料で被覆される。
別の実施形態において、前記導電材料は、前記第1のビア及び前記第2のビアの周縁の周りの領域を被覆しない。
別の実施形態において、前記導電材料は、銅及び仕上げ銀から構成される。
別の実施形態において、前記導電材料は、銅及び仕上げ銀から構成される。
本開示の種々の態様の1つの実施形態に従って構成された、RJ45ジャックを備える高速通信用ジャックを示す図である。 図1のRJ45ジャックの左側部の下面斜視部の図である。 図1のRJ45ジャック及びフレキシブルプリント回路板用のシールドを提供するジャックシールドの下面及び右側面図である。 図1のプリント回路板の前面の平面概略図である。 図1のプリント回路板の別の実施形態の前面の平面概略図である。 図4のプリント回路板の後面の平面概略図である。 図4のプリント回路板の別の実施形態の後面の平面概略図である。 線BBに沿った図4のプリント回路板の基板の断面図である。 図4のプリント回路板におけるビアの断面図である。 図4のプリント回路板におけるビアの別の例の断面図である。 互いに整合及び均衡する送信ケーブル及び受信ケーブル対を有するRJ45ジャックの概略図である。 差動的に均衡される1対の信号線の概略図である。 第1の信号及び第2の信号に基づき、図4における2つのトレースを差動的に均衡させるのに用いるプロセスの概略図である。 シールドが除去された図1のRJ45ジャックの後面斜視図である。 シールドが除去された図1のRJ45ジャックの別の実施形態の後面斜視図である。 リジッド基板を備える高速通信用ジャックの1つの実施形態を示す図である。 リジッドな高速通信用ジャック内の層の概略図である。 高速通信用ジャックの側面図である。 リジッド基板の上面図である。 基板の接地層を示す図である。 基板の第2の接地層を示す図である。 基板の最下層を示す図である。 リジッド基板の第4の層を示す図である。 通常動作中のジャックの差動モードバージョンの挿入損失を示す図である。 通常動作時のジャックの近接場クロストーク(near field cross talk)のグラフ図である。 通常動作時のジャックの近接場クロストークのグラフ図である。 通常動作中のジャックの反射損失を示す図である。 通常動作中のジャックの遠端クロストークのグラフ図である。 通常動作中のジャックの遠端クロストークの別のグラフ図である。
図1は、本開示の種々の態様の1つの実施形態に従って構成された高速通信用ジャックを示している。この高速通信用ジャックは、RJ45ジャック110と、フレキシブルプリント回路板(PCB)120と、ジャックシールド130とを備える。本明細書に記載するように、本開示の種々の態様によれば、フレキシブルPCB120は、RJ45ジャック110の各ピンに直接はんだ付けすることができる平衡型無線周波数同調回路を提供する。その一方で、ジャックシールド130は、RJ45ジャック110及びフレキシブルPCB120用のシールドと、筐体接地としての機能とを提供する。RJ45ジャック110と、フレキシブルPCB120と、ジャックシールド130とは、組み合わされると、同調導波路、及び、通信信号が送信されるときに通過することができる管と同様の機能を提供してもよい。この場合、通信信号のエネルギー部は管の外側でジャックシールド130を通して伝わり、通信信号の情報部は、管内の非抵抗性金線に沿って伝わる。それにより、高速データ信号速度を得ることが可能になる。例えば、40ギガビット(Gbs)以上のデータ速度をサポートすることができることが想定される。
RJ45通信用ジャックが以下で用いられるが、本通信用ジャックは、RJ45通信用ジャックに限定されず、任意のタイプの高速通信用ジャックにおいて用いてもよい。高速通信用ジャックとしては、全てのクラスのモジュラーRJタイプコネクタ、ユニバーサルシリアルバス(USB)コネクタ及びジャック、ファイヤーワイヤー(1394)コネクタ及びジャック、HDMI(高品位マルチメディアインターフェース)コネクタ及びジャック、Dサブミニアチュアタイプコネクタ及びジャック、リボンタイプコネクタ若しくはジャック、又は、高速通信信号を受信する任意の他のコネクタ若しくはジャックが挙げられる。
本開示の種々の態様において、本明細書に開示される種々のピン及びトレースは、金、銀、若しくは銅、又は合金等の任意の好適な導電性元素及び任意の好適な導電性元素の組合せから構成されてもよい。例えば、RJ45ジャック110の1組のピン及びプラグ接点は金めっき銅ピン又は銅線を含んでもよい。一方で、フレキシブルPCB120の1組のトレースは金めっきされた銅製の経路を含んでもよい。金めっきは、通常は酸化し易い材料である銅に耐腐食導電層を付けるために用いられる。代替的には、金めっきを施す前に、ニッケル等の好適な障壁金属層を銅基板上に堆積してもよい。ニッケル層は、金層に対して機械的なバッキングを提供することにより、金めっきの耐摩耗性を向上させることができる。また、ニッケル層は、金層に存在する場合がある細孔の影響を低減することができる。より高い周波数において、金めっきは、信号損失を低減させることができるだけでなく、導体の外側縁上で電流密度が最も高くなる表皮効果により、帯域幅を増大させることもできる。対照的に、ニッケルを単独で使用すると、同効果に起因して、より高い周波数において信号劣化が生じる。したがって、ニッケルめっきを単独で用いるRJ45ジャックではより高い速度は達成されない場合がある。例えば、ニッケルのみでめっきされたピン又はトレースは、信号がGHz範囲に入ると、それ自体の有効な信号長が3倍ほど短縮される場合がある。銅製の経路の表面上に金めっきを用いることのいくつかの利益が本明細書に記載されているが、他の導電性元素を、銅製の経路をめっきするように用いてもよい。例えば、金の代わりに、同様に非反応性であるが良好な導体であるプラチナを、銅製の経路をめっきするように用いてもよい。
高速通信用ジャックの主要な構成要素のそれぞれ、すなわち、RJ45ジャック110と、フレキシブルプリント回路板(PCB)120と、ジャックシールド130とが、これらの構成要素が高速通信のサポートを達成するのにどのように連携するかの議論を提供する前に、本明細書で簡潔に記載される。
図2は、図1のRJ45ジャック110の前部の下面斜視図を示している。ここで、プラグ(図示せず)を挿入するプラグ開口230が設けられているのを見て取ることができる。プラグ開口230は、プラグを受けて、プラグ上の接点を、RJ45ジャック110にある1組のプラグ接点212に結合するように構成してもよい。プラグはRJ45 8極8芯(8P8C)モジュラープラグとしてもよい。1組のプラグ接点212は、回路板上の通信回路に取り付けられるように構成される1組のピン210へと形成される。例えば、RJ45ジャック110は、1対のポスト220の使用によってネットワークスイッチ装置の回路板に取り付けてもよい。その後、1組のピン210を、装置の回路板上のそれぞれの接点パッドにはんだ付けしてもよい。図2に示されているようなRJ45ジャック110と同様のジャックは単独で、RJ45ケーブルのプラグと、ジャックが一体化される装置の回路板との間に基本的な接続性をもたらす。しかし、そのジャックは、高速通信に必要な通信周波数を処理するように設計されていない。本明細書に記載の開示される手法の種々の態様に従って構成されるRJ45ジャック110は、ジャックシールド130及びフレキシブルPCB120等の他の構成要素と一体化されてもよく、それにより、RJ45ジャック110を用いて、遷移信号から干渉されることなく、より高い速度で通信することができる。
図3は、RJ45ジャック110及びフレキシブルPCB120用のシールドを提供するジャックシールドの下面及び右側面図を示している。ジャックシールド130は、上部302と、下部304と、後部306と、前部308と、左側部(図示しないが、右側部と略同一である)と、右側部310とを有する。所望のシールド特性をもたらすために、本開示の1つの実施形態において、ジャックシールド130は、限定はしないが、鋼、銅、又は任意の他の導電性材料等の導電性材料を含んでもよい。ジャックシールド130の右側310及び左側(図示せず)の双方上で、下部304の近くにある1対のタブ320を用いて、ジャックシールド130を接地するとともに装置(図示せず)内の回路板に固定してもよい。例えば、ジャックシールド130上の1対のタブ320は、回路板上の1対の整合する取付け穴に挿入して、回路板にはんだ付けしてもよい。
図4AはRJ45ジャックのPCB120の前面の平面概略図を示している。PCB120はストリップラインフレックス又は同等の技術を組み込んだ誘電性材料で作成される多層基板402を含む。基板402の縁は保護層404によって囲まれる。保護層404は、限定はしないが、プラスチック又はフレキシブルはんだマスク等の非導電性材料で作成される。基板402の前面は、基板402を通して作成される複数のビア406、408、410、412、414、416、418、及び420を有する。各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420は、基板402を通過し、ピン210を収容するサイズである。各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420を囲む領域は金等の導電性材料でコートされる。各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420を囲むコーティングは、実質的に正方形又は実質的に矩形とすることができる。図4Bに示されている別の実施形態において、各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420を囲むコーティングは、実質的に円形とすることができる。コーティングを円形とすることで、隣接するビア406、408、410、412、414、416、418、及び420間の干渉が低減される。
複数のトレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420からPCB120の端に向かって延びる。各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、銅又は金を含む導電性材料で作成される。1つの実施形態において、ニッケル層が基板402上に形成され、金層がニッケル層上に形成され、各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436を形成する。各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、トレース422、424、426、428、430、432、434、又は436が、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420とは反対側のPCB120の縁の近くにあるシールドトレース層490に達するまで、PCB120の後端に向かって延びる。各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、第1の部分454、456、458、460、462、464、466、及び468を有し、第1の部分は、第2の部分470、472、474、476、478、480、482、及び484に隣接する。各第2の部分470、472、474、476、478、480、482、及び484は、シールドトレース層490に接触することなくシールドトレース層490に延びる。各第1の部分454、456、458、460、462、464、466、及び468は、それぞれの第2の部分470、472、474、476、478、480、482、及び484からそれぞれのビア406、408、410、412、414、416、418、又は420に向かって次第に細くなる。各第2の部分470、472、474、476、478、480、482、及び484は、トレース422、424、426、428、430、432、434、又は436に応じて変化する長さを有する。
2つのシールドタブ486及び488は、PCB120の互いに反対側の縁上に位置決めされる。各シールドタブ486及び488は、導電性材料、例えば、金又は銅で被覆される基板で作成される。シールドタブ486及び488は、基板402上のシールドトレース層490によって電気的に接続される。シールドトレース層490は、シールドタブ486と488との間に延び、各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436の第2の部分470、472、474、476、478、480、482、及び484と、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420とは反対側のPCB120の縁との間に位置決めされる。
図5Aは、図4Aのプリント回路板の後面の平面概略図を示している。後面は、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420と、シールドタブ486及び488と、各シールドタブ486の後面と488の後面との間に延びるシールドトレース層502とを有する。シールドトレース層502は、PCB120の後面の、シールドタブ486と488との間の部分を被覆する。シールドタブ486及び488は、基板402を通してシールドトレース層490とシールドトレース層502とを接続する戻りビア(return vias)504、506、508、510、512、514、516、及び518を有する。図5Bは、図4Bのプリント回路板の別の実施形態の後面の平面図を示している。
図6Aは、図4の線BBに沿った、PCB120の多層基板402の断面図を示している。多層基板402の第1の層602は、PSR9000FSTフレキシブルはんだマスク等の材料で作成されるはんだマスク部を有する。第2の層604は、最上層の下方に形成され、トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436のそれぞれを有する。各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、長さ(L)と高さ(H)と幅(W)とを有し、隣接するトレースから距離(S)だけ離間している。各トレースの長さ(L)は、トレースが、フレキシブル回路板120の表面に沿って、フレキシブル回路板120のそれぞれのビア406、408、410、412、414、416、418、及び420の縁からシールドトレース層490まで延びる長さである。
各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436がフレキシブルはんだマスクによって被覆されないように、第1の層602を通して延びる。また、シールドトレース層490が、第2の層604の一部分の上に形成され、シールドトレース層490は第1の層602を通して延びる。第3の誘電層606が第2の層604の下方に形成される。第3の層606は、およそ0.002ミル~およそ0.005ミルの深さ(D)を有し、3.0を上回る誘電率を有する材料で作成される。この材料は、限定はしないが、Rogerson MaterialのRO XT8100、又は、高周波数電気信号を隔離することが可能な任意の他の材料等である。
第4の層608が第3の層606の下方に形成される。第4の層608は信号戻り部及びシールドトレース部502を含む。信号戻り部及びシールドトレース部502の双方は、導電性材料、好ましくは金又は銅で作成される。第5の層610が、第4の層608上に形成される。第5の層610は、フレキシブルはんだマスク部及びシールドトレース層502部を有する。フレキシブルはんだマスク部は、第1の層602のフレキシブルはんだマスク部と同じ材料で作成される。代替的な一例において、フレキシブルはんだマスク部は、第1の層602のフレキシブルはんだマスクとは異なる材料で作成される。代替的な一例において、第2の信号戻り層(図示せず)は誘電性材料に位置決めしてもよい。
隣接するトレースによって生じるクロストークを排除するように、各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436は、隣接するトレース422、424、426、428、430、432、434、及び436に電気的に結合される。例示的な一例として、トレース422をトレース424に結合してもよい。動作中、第1の信号が第1のトレースに沿って送信され、逆極性を有する同一の信号が整合するトレースに沿って送信され、それにより、トレースがともに差動的に結合される。トレースがともに差動的に結合されるため、各トレースのインピーダンスは、トレースがどのように駆動されるかを決める。それに応じて、各組の整合するトレースのインピーダンスは略等しいものとする。
整合組のトレースにおける各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436の物理特性は、各トレースを介して送信される送信信号及び戻り信号のために、整合するトレース間でインピーダンスを均衡させるように調整される。各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436のインピーダンスは、各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436を通して送信される各信号のために、各トレースの長さ(L)、幅(W)、高さ(H)、及び整合するトレース間の間隔(S)のうちの任意の1つ又は組合せを調整することにより調整される。各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436の高さ(H)は、およそ2ミル~およそ6ミルとしてもよく、隣接するトレース422、424、426、428、430、432、434、及び436間の間隔(S)はおよそ3ミル~およそ10ミルとしてもよい。
図4に戻ると、各トレースは、第1の部分454、456、458、460、462、464、466、及び468における可変の幅と、第2の部分470、472、474、476、478、480、及び482における略一定の幅とを有する。それに応じて、各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436の幅は、第1の部分454、456、458、460、462、464、466、及び468か若しくは第2の部分470、472、474、476、478、480、及び482のどちらかにおいて、又は、第1の部分454、456、458、460、462、464、466、及び468並びに第2の部分470、472、474、476、478、480、及び482の双方において、トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436の高さ(H)とともに調整される。それにより、整合組における各トレースは、整合するトレースが距離(S)だけ離間するとき、略同じインピーダンスを有する。
製造及び材料の非一貫性に起因して、各組の差動的に整合するトレース422、424、426、428、430、432、434、及び436を通して駆動される信号は同一でない場合があるが、それにより、信号の一部が反射して戻り、コモンモード干渉が引き起こされる。いかなるコモンモード干渉も排除するように、整合組のトレースにおける各トレース422、424、426、428、430、432、434、又は436は、整合組におけるいかなるコモンモード干渉も排除するように調節されるコモンモードフィルターを有する。各フィルターは、各トレース422、424、426、428、430、432、434、又は436のビア406、408、410、412、414、416、418、又は420と、多層基板402の第4の層608とによって形成されるコンデンサーから構成される。各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420は、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420の周縁の周りで基板402の第2の層604及び第4の層608の上に形成される、金又は銅等の導電性材料層を有する。第1の層602上の導電性材料は、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420に対応するトレース422、424、426、428、430、432、434、又は436に接続され、第4の層608上の導電性材料は、第4の層608の信号戻り部に接続される。各コンデンサーのサイズは、第2の層604及び第4の層608上の導電性材料間の距離によって決まる。それに応じて、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420上の導電性材料に対して第3の層606の深さを調整することにより、各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420の静電容量効果を調整することが可能になる。ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420と、第4の層608の戻り部とによって作り出されるコンデンサーは、およそ0.1ピコファラッド(pf)~およそ0.5pfのサイズである。基板402の上面及び下面は、回路の動作を更に向上させるように、プラスチック絶縁層で被覆されてもよい。
各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420において作り出されるコンデンサーと、信号戻り層の特徴的なインダクタンスとの組合せにより、各トレース422、424、426、428、430、432、434、又は436のためのコモンモードフィルターが作り出される。トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436のインピーダンスに基づき、各コンデンサーの静電容量値を調整することにより、コモンモードノイズが大幅に低減し、それにより各トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436上での信号処理が向上する。
図6Bは、ビア406、408、410、412、414、416、418、又は420の断面概略図を示している。各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420は、第1の層602、第2の層604、第3の層606、第4の層608、及び第5の層610を通して形成される。第2の層604は、金又は銅等の導電性材料で作成されるとともに、各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420の外周を囲む。また、第2の層604は、各ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420を第2の層604のそれぞれのトレース422、424、426、428、430、432、434、又は436に接続する。第3の層606は図6Aに記載するように誘電層として機能する。第4の層608は、第3の層606に形成されるとともに、信号戻り層として機能する。第5の層610も、同様に銅又は金等の導電性材料で作成されるとともに、第2の層602と同じようにビアの外周を同様に囲む。シール層(図示せず)も第5の層610上に形成してもよい。
第4の層608は、第2の層604から距離D1だけ、かつ第5の層610から第2の距離D2だけ離間する。第2の層604と、第3の誘電層606と、第4の戻り信号層608との組合せにより、およそ0.1pf~0.5pfの静電容量値を有するコンデンサーが作り出される。第2の層604に対する第4の層608の距離D1を調整することにより、ビアコンデンサーの静電容量値が調整される。ビアがそれ自体の関連トレースを第4の戻り信号層608に接続するため、第2の層604と、第3の誘電層606と、第4の戻り信号層608との組合せによりコモンモードフィルターが形成される。このコモンモードフィルターは、製造プロセスの不全から生じる信号反射によって生じるいかなる干渉も除去する。ビアコンデンサーの静電容量値を調整することにより、コモンモードフィルターは、送信信号又は戻り信号の反射によって引き起こされる略全ての信号ノイズを排除するように調節してもよい。
図6Cは、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420の断面図の別の例を示している。第2の戻り信号層612が、第1の戻り信号層608と第5の層610との間の第3の層606に付加される。第2の戻り信号層612は、第1の信号層608に対して平行に延び、コモンモードフィルターのフィルター処理効果を向上させる。第1の戻り信号層608と第2の戻り信号層612との間の距離D3を調整することにより、第1の戻り信号層608と、第3の層606と、第2の戻り信号層612とによって形成される第2のコンデンサーがビアに作り出される。距離D3を調整することにより、第2のビアコンデンサーの値を、コモンモードフィルターの動作を向上させるように調整してもよい。さらに、本発明者らが突き止めたところでは、ビアに第2のコンデンサーを形成することにより、PCB102の離間した端上でトレースを整合させることが可能になる。例示的な一例として、トレース422をトレース436に整合させてもよい。それに応じて、第2のコンデンサーを形成することにより、RJ45標準に従って位置決めされた複数対の信号線を実現することができる。
図7は、整合する送信トレース及び受信トレースを有するRJ45ジャックの概略図を示している。各トレース422、424、426、428、430、432、434、又は436の高さ(H)、幅(W)、及び長さ(L)を調整することにより、送信線及び受信線をインピーダンス整合させることができる。ジャックの動作を向上させるように、逆極性を有する同一の高周波数信号が各対に沿って送信される。整合するトレースはシールドを介して結合されるため、これらの対は互いのコモンモードフィルターとして機能する。また、1つの信号を伝達することができない場合も、対応する逆の信号線は同一の信号を伝達する。整合するトレースがシールドに結合されたフィルターとして機能するため、高帯域幅伝送によって生じるノイズが信号からフィルターを通して除去される。さらに、送信線は受信線と整合するため、信号のフィルター処理はより高い正確性を伴って実行される。なぜなら、フィルターの基準点は、接地接続であるのではなく、信号自体であるからである。
図8は、差動的に均衡された対の信号線の概略図を示している。図が示すように、各トレースの特性は、前述した方法を用いて、第1のトレースのインピーダンスを第2のトレースのインピーダンスに整合させるように調整される。さらに、各ビアに形成されたコンデンサーは、戻り信号線がPCB120に埋め込まれているコモンモードフィルターを形成する。送信信号及び応答信号の双方の送信中に2つのトレースを差動的に均衡させることにより、十分に均衡された双方向通信用回路が達成される。
図9は、送信信号及び戻り信号のために整合するトレースを均衡させる方法の概略図を示している。ステップ902において、整合対のトレースにおける各トレースの物理特性をトレースのインピーダンスが略等しくなるように調整する。この物理特性は、各トレースの高さ、長さ、及び幅、並びに、整合組のトレースにおける各トレースを隔離する距離を含んでもよい。ステップ904において、第1の極性を有する第1の信号を整合組のトレースにおける第1のトレースに沿って送信する。第1の信号は、10ギガヘルツ(「GHz」)よりも(正:than)高い周波数において動作する高周波数通信信号としてもよい。ステップ906において、第1の信号と略同一であるとともに第1の信号の極性とは逆の極性を有する第2の信号を、第1の信号と同時に、整合組のトレースの第2のトレース上に送信する。ステップ908において、第1の信号をトレースの始端及び終端において測定し、これらの2つの測定値を比較して、トレースの長さに沿って損失したデータ量を判定する。ステップ910において、測定した信号損失量に基づき、第1のトレース又は第2のトレースの少なくとも1つの物理特性を調整する。このプロセスは、信号損失量がおよそ10デシベル(「db」)未満になるまでステップ904に戻ってもよい。
ステップ912において、第3の信号を整合組のトレースの第2のトレース上に送信する。ステップ914において、第3の信号と略同一であるが第3の信号とは逆の極性を有する第4の信号を、第1のトレース上に送信する。ステップ916において、第3の信号をトレースの始端及び終端において測定し、これらの2つの測定値を比較して、トレースの長さに沿って損失したデータ量を判定する。ステップ918において、測定した信号損失量に基づき、第1のトレース又は第2のトレースの少なくとも1つの物理特性を調整する。このプロセスは、信号損失量がおよそ10デシベル(「db」)未満になるまでステップ912に戻ってもよい。別の例において、このプロセスは、第1の信号の信号損失が第3の信号損失に応じて行われる調整によって影響されないことを確実にするようにステップ904に戻ってもよい。
図10は、ジャック110に位置決めされているPCB120を示している。PCB120の基板402は、PCB120の第1の部分がおよそ90度の角度でPCB120の第2の部分に向くことを可能にする可撓性材料で作成される。それに応じて、PCB120は、ビア406、408、410、412、414、416、418、及び420がジャックのピン210上に位置決めされ、トレース422、424、426、428、430、432、434、及び436がビア406、408、410、412、414、416、418、及び420からジャック用の接点パッドまで延びるように屈曲される。シールドタブ486及び488は、PCB120に対しておよそ90度の角度にあるように屈曲される。シールドタブ486及び488は、ジャックのジャックシールド130がシールドタブ486及び488に係合するようにジャックの側面に沿って位置決めされる。
フレキシブルPCB120は、フレキシブルPCB120の屈曲を可能にする任意のフレキシブルプラスチック基板を用いて実施してもよい。本明細書に記載するように、フレキシブルPCB120は、撓むか又は屈曲して、RJ45ジャック110の既存のフォームファクターに適合されるとともにジャックシールド130によってシールドされてもよい。例えば、フレキシブルPCB120は、RJ45ジャック110とジャックシールド130との間に配置して、RJ45ジャック110に取り付けてもよい。フレキシブルPCB120のシールドタブ486及び488は、フレキシブルPCB120上のフレックス回路に共通接続をもたらすようにジャックシールド130に取り付けてもよい。その場合、RJ45ジャック110の1組のピン210は、RJ45ジャック110が用いられる装置の回路板に電気的に結合されてもよい。
フレキシブルPCB120は、ジャックシールド130等の既存のエンクロージャーに対してより良好に嵌入するように、折り曲げられてRJ45ジャック110の形状に適合するように構成されてもよい。例えば、開示される手法の1つの態様において、フレキシブルPCB120は、およそ90度の角度でフレキシブルPCB120の中間セクションに向かって屈曲し、折り曲げられてジャックシールド130に入る。フレキシブルPCB120のシールドタブ486及び488は、ジャックシールド130上に折り曲げられて接触することになり、はんだ付けして、フレキシブルPCB120をジャックシールド130に固定してもよい。当業者であれば、ジャックシールド130内でのRJ45ジャック110に対するフレキシブルPCB120の向きが本開示の種々の態様によって変化してもよいことを認識する。例えば、フレキシブルPCB120は、撓んで折り曲げられてジャックシールド130の他方の側面に入るように十分薄くてもよい。フレキシブルPCB120は、ジャックシールド130の下セクション304に全体的に沿うような形状にしてもよい。このとき、撓んで又は屈曲してジャックシールド130に入ることは必要とされない。
前述の詳細な説明は、単に、本開示のいくつかの例及び実施形態であり、開示された(正:disclosed)実施形態に対する数多くの変更を、本明細書における本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく本開示に従って行うことができる。したがって、前述の記載は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、過度の負担を伴わずに当業者が本発明を実施するのに十分な開示を提供することを意図している。
図11は、リジッド基板を備える高速通信用ジャックの1つの実施形態を示している。高速通信用ジャック1100は、通信プラグ(図示せず)を受け入れるように構成されるジャックハウジング1102を備える。基板1300は、ハウジングの下面に位置決めされ、したがって、設置されると、ピン1306は、ジャックが取り付けられる回路板と係合するように基板1300から延びる。
図12は、リジッドな高速通信用ジャック内の層の概略図を示している。基板1300は、それぞれピンを収容するサイズの複数のビア(図示せず)を有する最上層1202と、上述した複数のインピーダンス整合トレースを有する第2の層1204と、第1の層1202のビアと同心に位置合わせされるビアを有する第3の層1206及び第4の層1208とを備える。第1の層1202は、限定はしないが、Rogers社の材料等の非導電性材料から作成される第1の中間層1210によって、第2の層1204から離隔される。第2の層1204は、第2の中間層1212によって第3の層1206から離隔され、第3の層1206と第4の層1208とは、第3の中間層1214によって離隔される。最上はんだマスク層1216は、第1の層1202の第1の中間層1210とは反対側に形成される。1つの実施形態において、第1の層1202、第2の層1204、第3の層1206及び第4の層1208は、1/4ozの銅及び1/4ozの仕上げ銀から構成される。1つの実施形態において、第1の中間層1210、第2の中間層1212及び第3の中間層1214は、Rogers社のR04003材料から作成される。別の実施形態において、第1の層1202は、接着剤によって第1の中間層1210に接着され、第2の層1204及び第3の層1206は、接着剤によって第2の中間層1212に接着され、第3の層1206及び第4の層1208は、接着剤によって第3の中間層1214に接着される。
図13Aは、高速通信用ジャックの側面図を示している。ジャックは、リジッド基板1300を備え、リジッド基板1300は、基板1300の下側における第1の組のピン1302と、基板1300の上側における第2の組のピン1304とを有する。図13Bは、リジッド基板1300の上面図を示している。リジッド基板1300は、基板1300の反対側における第1の組のピン1302と係合する、基板1300を貫通する複数の第1のビア1306、1308、1310、1312、1314、1316、1318及び1320を有する。第1の組のピン1302は、回路板上のビア(図示せず)に係合して、ジャックと回路板とを通信接続するように構成される。第2の組のピン1304のそれぞれは、基板1300の第1のビア1306、1308、1310、1312、1314、1316、1318及び1320とは反対側に配置される第2のビア1322、1324、1326、1328、1330、1332、1334及び1336に係合する。第2の組のピン1304は、プラグがジャックに挿入されると、プラグの対応するピンに係合するように構成される。
基板1300の最上面にはトレース1338が形成され、トレース1338は、第2のビア1326を第1のビア1310に接続し、トレース1340は、第2のビア1328を第1のビア1312に接続する。トレース1338とトレース1340との間には第1の隔離領域1342が形成され、これらの2つのトレース1338及び1340の間が隔離される。トレース1344は、第2のビア1334を第1のビア1318に接続し、トレース1346は、第2のビア1336を第1のビア1320に接続する。第2の隔離領域1348は、トレース1340をトレース1344から隔離し、第3の隔離領域1350は、トレース1344をトレース1346から隔離する。隔離面1352は、基板1302の周縁の周りで、第2のビア1322、1324、1326、1328、1330、1332、1334及び1336と基板の縁部との間並びにトレース1338及び1346と基板1302の縁部との間に延在する。1つの実施形態において、隔離領域及び隔離面は、1/4ozの銅及び1/4ozの銀である材料から作成される。異なるトレースの間を隔離することにより、トレース間の電気的干渉の影響が低減又は排除される。1つの実施形態において、隔離領域を下側接地層に接続するように、各隔離領域にビアが形成される。
図14Aは、基板1300の接地層1400を示している。接地層1400は、最上層1300に隣接して配置される。接地層1400は、接地面1402を有する。接地面1402は、第1のビア1306、1308、1310、1312、1314、1316、1318及び1320並びに第2のビア1322、1324、1326、1328、1330、1332、1334及び1336の周縁の周りの領域を除いて、接地層1400の表面を覆う。接地層1400の表面は、接地面1402を形成するように導電材料でコートされる。1つの実施形態において、その材料は、1/4ozの銅及び1/4ozの銀である。
図14Bは、基板1300の第2の接地層1404を示している。第2の接地層1404は、導電材料で被覆され、この被覆は、第1のビア1306、1308、1310、1312、1314、1316、1318及び1320並びに第2のビア1322、1324、1326、1328、1330、1332、1334及び1336の周りの領域を除いて、第2の接地層1404の実質的に全表面を覆う。1つの実施形態において、第2の層1404を被覆する材料は、1/4ozの銅及び1/4ozの銀である。
図14Cは、基板1300の最下層1406を示している。最下層1406は、第1のビア1306、1308、1310、1312、1314、1316、1318及び1320と、第2のビア1322、1324、1326、1328、1330、1332、1334及び1336とを有する。トレース1408は、第2のビア1322を第1のビア1306と接続し、トレース1410は、第2のビア1324を第1のビア1308と接続する。隔離領域1412は、トレース1408をトレース1410から分離する。第2の隔離領域1418は、トレース1410をトレース1414から分離し、第3の隔離領域1420は、トレース1414をトレース1416から分離する。隔離面1422は、最下層1406の周縁の周りで、第2のビア1322、1324、1326、1328、1330、1332、1334及び1336と基板1302の縁部との間並びにトレース1408及び1416と基板1302の縁部との間に延在する。
図15A~図15Fは、高速通信用ジャックの試験結果のグラフ図を示している。図15Aは、通常動作中のジャックの差動モードバージョンの挿入損失を示している。グラフが示しているように、2000MHzに迫る速度において、挿入損失はおよそ1.8dbである。図15B及び図15Cは、通常動作時のジャックの近接場クロストークのグラフ図を示している。図15Dは、通常動作中のジャックの反射損失を示している。このグラフは、IEEE40GBase-T標準の性能要件も示している。グラフが示しているように、2000MHzに迫る速度において、ジャックは、IEEE40GBase-T標準の要件よりも良好に機能する。図15Eは、通常動作中のジャックの遠端クロストークのグラフ図を示している。このグラフは、IEEE40GBase-T標準の性能要件も示している。グラフが示しているように、2000MHzに迫る速度において、ジャックは、IEEE40GBase-T標準の要件よりも良好に機能する。図15Fは、通常動作中のジャックの遠端クロストークの別のグラフ図を示している。
図15A~図15Fが証明しているように、基板1300上でトレース及び接地面を配置及び接続することにより、このジャックは、干渉を受けずに非常に高速でデータを伝送することが可能である。さらに、複数の接地層を設けるように基板の層を配置することにより、基板上のトレースの隔離が向上し、ジャックの性能が更に改善される。
本開示では、数量を特定しない語は、単数のもの及び複数のものの両方を含むように解釈されるべきである。逆に、複数の要素に対するいかなる言及も、適切である場合は、単数のものを含むものとする。
本明細書に開示される、本発明における好ましい実施形態に対する様々な変更及び修正は、当業者には明らかであろうと理解されるべきである。そのような変更及び修正は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、かつその意図された利点を減らすことなく行われ得る。したがって、そのような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲に含まれるものと解釈される。

Claims (4)

  1. プラグを受け入れ、該プラグの対応する信号線にそれぞれ接続される複数のピンを有するポートを有するハウジングと、
    前記ハウジングを囲むシールドケースと、
    前記ハウジングにおける回路板であって、
    基板と、
    各第1のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第1のビアと、
    各第2のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第2のビアと、
    少なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの対応する第2のビアと接続する、前記基板の最上層における第1の組のトレースと、
    少なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの第2のビアと接続する、前記基板の前記最下層における第2の組のトレースと、
    を有し、
    前記第1の組のトレース内の各トレースは、最上の第1の組の隔離領域によって分離され、
    前記第2の組のトレース内の各トレースは、前記最下層の第2の組の隔離領域によって分離され、
    前記第1の組のトレースは前記第2の組のトレースと電気的に接続されない
    回路板と、
    を備える、高速通信用ジャック。
  2. 前記第2の組のトレースは、前記最上において接続される前記ビアとは異なるビアを接続する、請求項1に記載のジャック。
  3. プラグを受け入れ、該プラグの対応する信号線にそれぞれ接続される複数のピンを有するポートを有するハウジングを形成するステップと、
    前記ハウジングを囲むシールドケースを形成するステップと、
    基板の最上層を形成するステップと、
    各第1のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第1のビアを形成するステップと、
    各第2のビアが前記ハウジング上のピンを収容するように構成される、前記基板を貫通する複数の第2のビアを形成するステップと、
    少なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの対応する第2のビアと接続する、前記基板の最上層における第1の組のトレースを形成するステップと、
    少なくとも1つの第1のビアを少なくとも1つの第2のビアと接続する、前記基板の前記最下層における第2の組のトレースを形成するステップと、
    前記第1の組のトレースの間の最上に第1の隔離領域を形成するステップと、
    前記第2の組のトレースの間の前記最下層に第2の隔離領域を形成するステップと、を含み、
    前記第1の組のトレースは前記第2の組のトレースと電気的に接続されない、高速ジャックを製造する方法。
  4. 前記第2の組のトレースは、前記最上において接続される前記ビアとは異なるビアを接続する、請求項3に記載の方法。
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