TWI828130B - 連接器結構及提高資料傳輸速率的方法 - Google Patents

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Abstract

一種連接器結構，其包括複數訊號引腳、第一電路板層及具有複數通孔的第二電路板層。第一電路板層具有複數引腳固定區，以供每一訊號引腳的一端對應地固定在一個引腳固定區上。第二電路板層配置於第一電路板層的內側，並且使每一通孔的位置對應於第一電路板層的至少一引腳固定區。經由改變連接器的內部結構，可以解決高頻操作時的共振問題，提供更寬的傳輸通帶，藉此提高資料傳輸速率。

Description

連接器結構及提高資料傳輸速率的方法
本發明是關於一種連接器的結構，以及藉由調整連接器的內部結構來加快其資料傳輸速率的方法。
在近代電子裝置中，通用序列匯流排(Universal Serial Bus，以下簡稱USB)常用於電腦系統與其周邊裝置之間資料傳輸的連接。USB不僅是一種串行匯流排的傳輸標準，同時也是一種機械介面的插口，被廣泛地應用於電腦和智慧手機等數位產品，並延伸至螢幕、攝影設備、遊戲機等其他相關領域。為了在連接器相接情況下，能使裝置之間順利的傳遞資料，如何設計一個適用於高速數位傳輸且低損耗的連接器是十分重要的。
USB Type-C連接器的結構特性為減少體積及厚度且上下對稱，並且增加傳輸線的數量，因而使連接器的內部空間減少，且使每條傳輸線的間距比其他的USB機械連接介面的傳輸線間距要靠近許多。在進行高速資料傳輸時，傳輸通道內除了欲傳輸的訊號之外，也會感應到鄰近傳輸線所傳送的訊號，造成一定程度上的耦合干擾。又，內部空間的縮小會改變傳輸線的電路參數，而出現非預期的共振反應，導致在共振頻率區域內的訊號傳輸損耗會變大，使 連接器的插頭端與插座端相連時無法達到理想的高速傳輸效果。
此外，連接器中的傳輸線為了滿足連接時的插拔力或達到支撐傳輸線的效果，會與塑膠件或絕緣體裝配在一起的作法；或是連接器本身因為特定的用途，例如將傳輸線垂直轉彎後再進行連接等原因，而讓傳輸線在部分區域有一些不規則的形狀。以上這些情形使連接器內部形成複雜的結構，往往衍生出非預期的寄生效應影響著傳輸效果。
為了更高速資料傳輸的需求，新一代的USB4 Gen3規格所制定的資料傳輸速率高達40Gbps。然而，目前滿足USB 3.2 Gen2規格的USB Type-C連接器在8GHz至14GHz之間會遭遇共振問題而導致較大的傳輸損耗，傳輸通帶因此受到侷限，無法提昇其傳輸速率，使其也無法進一步將應用層面擴展至能滿足USB4 Gen3規格的水平。
本發明之一目的在於提供一種連接器結構，以既有滿足USB 3.2 Gen 2規格的USB Type-C連接器的硬體基礎來進行小幅修改，從而解決在特定頻率範圍內的非預期共振問題，並降低訊號傳輸時在該特定頻率範圍內的插入損耗，從而提供更寬的訊號傳輸通帶，以達成USB 4 Gen 3規格所規範的資料傳輸速率。
本發明之一目的在於提供一種提高連接器資料傳輸速率的方法，其藉由調整連接器的內部的硬體結構來加快其資料傳輸速率。
為了達到上述目的，本發明提供一種連接器結構，其包括複數訊號引腳、第一電路板層及第二電路板層。每一訊號引腳包括一固定端及一接觸 端，其中當連接器殼體與匹配連接器殼體相接合時，接觸端用以接觸匹配連接器所提供的一相對應訊號引腳。第一電路板層具有複數引腳固定區，以供每一訊號引腳的固定端對應地固定於每一引腳固定區上。第二電路板層配置於第一電路板層的內側並且具有複數通孔，其中每一通孔的位置對應於第一電路板層的至少一引腳固定區。此連接器結構可提供高達16GHz的操作頻率。
在一實施例中，通孔是一矩形孔，該矩形孔的長度為1.45至1.8mm，寬度為0.85至1.25mm，較佳的長度為1.577mm，寬度為1.15mm。
在一實施例中，這些訊號引腳包括複數訊號引腳對，每一訊號引腳對固定於兩相鄰的引腳固定區，每一通孔係對應於該兩相鄰的引腳固定區。
在一實施例中，每一訊號引腳包括連續的一第一線段、一第二線段及一第三線段，其中第二線段位於第一線段及第三線段之間，並且第一線段及第三線段各自具有一常規寬度，第二線段具有一大於常規寬度的線寬。
在一實施例中，每一訊號引腳包括一水平線段及一斜坡線段，其中水平線段具有一常規寬度，斜坡線段包括一增寬表面，增寬表面具有一線寬大於常規寬度。
此外，本發明還提供一種提高資料傳輸速率的方法，包括：提供一連接器，其包括複數訊號引腳、一第一電路板層及一第二電路板層，其中第二電路板層設置於第一電路板層的內側，並且第一電路板層具有複數引腳固定區，以供每一訊號引腳對應地固定於每一引腳固定區上；以及在第二電路板層開設複數通孔，使每一通孔的位置對應於第二電路板層的至少一引腳固定區。
前述的方法更包括：使每一通孔的尺寸對應地涵蓋兩相鄰的引腳固定區。
在一實施例中，前述方法所提供的連接器是一插頭端連接器，其中插頭端連接器包括複數第一訊號引腳，每一第一訊號引腳包括連續的一第一線段、一第二線段及一第三線段，其中第二線段位於第一線段及第三線段之間。並且，將第二線段的兩側進行寬度增大，使第二線段的線寬相對大於第一線段及第三線段的線寬。
在一實施例中，前述方法更包括：提供一插座端連接器，其中插座端連接器包括複數第二訊號引腳，每一第二訊號引腳包括一水平線段及一斜坡線段：將每一斜坡線段進行增寬，使其兩側相對於水平線段而突出；以及將插頭端連接器連接至插座端連接器，並提供一操作頻率，操作頻率最大可達到16GHz。
相較於其他提升滿足USB 3.2 Gen 2規格的USB Type-C連接器資料傳輸速率的技術，本發明對現有滿足Type-C 3.2 Gen 2規格的USBType-C連接器結構中第二電路板層的特定區域進行挖空修改，並且修改其資料傳輸用的訊號引腳的寬度，沒有更動其他部件，所以裝配過程中，不需重新設計整體內部機構，只需調整第二電路板層的通孔大小及訊號引腳的線寬，即可在減少額外研發生產模具的成本的前提下，大幅提高資料傳輸速率。
100:連接器結構
110:第一電路板層
112:引腳固定區
114:導線層
116:絕緣基材
120:第二電路板層
122:通孔
130:訊號引腳
132:固定端
134:接觸端
136:第二線段
140:連接器殼體
200:連接器結構
210:第一電路板層
212:引腳固定區
214:導線層
216:絕緣基材
220:第二電路板層
222:通孔
230:訊號引腳
232:固定端
234:弓起部位
236:斜坡線段
238:水平線段
238A:接觸端
300:匹配連接器
H:孔壁高度
L:通孔的長度
LW1、LW2:線寬
SW1、SW2:常規寬度
W:通孔的寬度
圖1A及圖1B是本發明之第一實施例的連接器結構示意圖。
圖2是圖1B中A-A剖面的示意圖。
圖3是本發明之第一實施例的改良部位立體圖。
圖4是本發明之第一實施例的連接器與習知連接器的插入損耗比較圖。
圖5是本發明之第一實施例的連接器與習知連接器的差動阻阬表現比較圖。
圖6是本發明之第一實施例的連接器與習知連接器的插入損耗擬合比較圖。
圖7A及圖7B是本發明之第二實施例的連接器結構示意圖。
圖8A及圖8B是本發明之第二實施例的連接器俯視示意圖。
圖9是圖8A中B-B剖面的示意圖。
圖10是本發明之第二實施例的改良部位立體圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明，並非是用於限制本發明。
第一實施例：插頭端的連接器結構
以插頭端的連接器為例，說明本發明的連接器結構，同時提供一種提高連接器資料傳輸速率的方法。如圖1A所示，連接器結構100包括一第一電路板層110、一第二電路板層120及複數訊號引腳130，適合設置於一連接器殼體140內，用以與一匹配連接器300接合。第一電路板層110為一導體層其具有多個 引腳固定區112，並且佈設多個供訊號傳輸的導線層114。引腳固定區112為一可導電的區域，其與導線層114是連接在一起的導體線路。
訊號引腳130的結構同時參照圖1B。圖1B是將圖1A的第一電路板層110的一對引腳固定區112及一對供訊號傳輸的導線層114與一對訊號引腳130省略的俯視圖。每一訊號引腳130具有一固定端132及一接觸端134，每一固定端132對應地固定於一個引腳固定區112上。訊號引腳130的接觸端134在圖1A中是被連接器殼體140所遮蔽。第二電路板層120為一接地導體層，其配置於第一電路板層110的內側，並且具有複數通孔122，其中一通孔122位於引腳固定區112的正內側。
值得一提的是，本發明是將位於第二電路板層120且對應於引腳固定區112的一特定區域挖穿而形成一通孔122，使得此通孔122的位置對應於其外側的引腳固定區112。換言之，本發明主要是對連接器結構100中用於高速資料傳輸的訊號引腳130與第一電路板層110相接處內側的第二電路板層120進行特定面積的挖空，可以以改變其電路分佈參數，進而改善差動傳輸線的差動阻抗等電路參數，藉此降低因共振問題而在高頻處產生的插入損耗。
如圖1B上側所示，將相鄰的一對訊號引腳130、一對引腳固定區112及一對供訊號傳輸的導線層114省略後，可以清楚見到第二電路板層120及其通孔122。如圖1B下側所示，兩相鄰的訊號引腳130分別具有兩固定端132被固定在兩相鄰的引腳固定區112。每一通孔122係對應於該兩相鄰的引腳固定區112。在本實施例中，通孔122為一矩形孔，此矩形孔的長度L為1.45-1.8mm，寬度W為0.85-1.25mm。
圖2是圖1B中的A-A剖面圖，顯示訊號引腳130、引腳固定區112以及通孔122等三者依序由外而內的排列關係。需注意的是，通孔122位於訊號引腳130與引腳固定區112相接處的正內側。在一具體實施例中，引腳固定區112及供訊號傳輸的導線層114是埋在電路板的絕緣基材116內部的銅質線路。通孔122的長度L為1.577mm，寬度W為1.15mm。通孔122的孔壁高度H為0.03048mm，其相當於第二電路板層120的厚度。
圖3的立體圖是從圖2的右下方向上看，可以清楚地的看到通孔122及其上方的引腳固定區112的底部結構，特別是通孔122位於訊號引腳130的固定端132與引腳固定區112的接合點正內側。
再參照圖1B，在前述第二電路板層120的特定區域被挖空而形成通孔122之後，再將訊號引腳130前端的部分線段加寬，可以使連接器的傳輸效果更為顯著。訊號引腳130包括連續的一第一線段、一第二線段及一第三線段。第一線段包括固定端132其焊接在第一電路板層110的引腳固定區112上；第三線段包括接觸端134，用以接觸匹配連接器300所提供的訊號引腳(未圖示)。第一線段及第三線段各自具有一常規寬度SW1。第二線段136位於第一線段及第三線段之間，且具有一大於常規寬度的線寬LW1。例如，將第二線段136的兩側進行寬度增大，使其兩側相對於第一線段及第三線段各自具有一增寬幅度。
在一實施例中，匹配連接器300是一插座端連接器，其訊號引腳亦具有部分線段被加寬。但匹配連接器300內部的訊號引腳與一電路板層相接處內側的另一電路板層則可以選擇性的挖空或不挖空。採用本發明的連接器結構100與其匹配連接器300，可以改善兩裝置連接時在特定頻率範圍的插入損耗，使傳輸通帶得以變寬。
如圖4所示，在傳輸損耗表現上，市售產品在8GHz之後即會出現共振現象；採用本發明的連接器結構100並連接其匹配連接器300，共振現象會向右移到更高的頻率，其頻率到達16GHz之後才出現大幅的傳輸損耗。換言之，本發明的連接器結構提供了從0到16GHz的平坦傳輸通帶。與市售產品相比，本發明的傳輸通帶增加將近100%。
如圖5所示，本發明的連接器結構100連接其匹配連接器300以時域反射方法(Time Domain Reflectometry，簡稱TDR)得到的差動阻抗(impedance)表現變得更趨於平緩，使訊號傳輸的過程中，更不容易產生反射現象。
如圖6所示，本發明的連接器結構100連接其匹配連接器300已達到USB4 Gen3規格的項目「在奈奎斯特頻率下的插入損失擬合(Insertion Loss Fit at Nyquist Frequency，簡寫為ILfitatNq)」所規範在15GHz的頻率所對應的插入損耗擬合大於-1.5dB的要求。
第二實施例：插座端的連接器結構
前一實施例的發明概念亦可用於插座端連接器。圖7A顯示一插座端的連接器結構200，其包括一第一電路板層210、一第二電路板層220及複數訊號引腳230。第一電路板層210配置於第二電路板層220的外側，並且具有複數引腳固定區212，每一引腳固定區212連接一導線層214其延伸向插座端連接器所在的一後端裝置(未圖示)。引腳固定區212的內側對應一開設在第二電路板層220的通孔222。訊號引腳230具有一固定端232及一弓起部位234。固定端232被固定在第一電路板層210的引腳固定區212上。
圖7B是將圖7A的連接器結構200移除其前端上蓋240後水平旋轉180度的立體圖。弓起部位234的前半段包括一斜坡線段236。斜坡線段236 連接一水平線段238。水平線段238具有一常規寬度SW2，並且提供一接觸端238A，用以和一匹配連接器(未圖示)內的對應訊號引腳相接觸。為了提高連接器的資料傳輸速率，本實施例加大每一訊號引腳230之斜坡線段236的線寬LW2使其大於常規寬度SW2。例如，將每一斜坡線段236進行兩側增寬，使其兩側相對於水平線段238而突出。
圖8A為圖7A中訊號引腳230的固定端232其上方蓋體(未圖示)被移除後的俯視圖，其B-B剖面的結構請參照圖9。圖8B為圖8A上方虛線框的放大圖。
圖9顯示訊號引腳230的固定端232、第一電路板層210的引腳固定區212，以及第二電路板層220的通孔222，此三者依序由上而下排列關係。第一電路板層210包括埋在絕緣基材216內部的引腳固定區212及導線層214。通孔222的位置需與其外側的引腳固定區212相對應，特別是與訊號引腳230在引腳固定區212上的固定點相對應。
圖10為對應於圖8A中B-B剖面的立體結構，清楚的顯示插座端的連接器結構200其訊號引腳230與引腳固定區212的接觸情形。特別是通孔222位置在第一電路板層210的引腳固定區212正內側。
基於前述兩個實施例的連接器結構，本發明還可提供一種提高資料傳輸速率的方法。此方法是提供一組相互匹配的插頭端和插座端USB Type-C連接器。在插頭端的訊號引腳與第一電路板層相接處內側的第二電路板層進行特定區域的挖空；而插座端內部的第二電路板層可以選擇性的挖空或不挖空。再分別將兩者內部訊號引腳的一部分線段加寬。將兩者連接後提供一操作頻率，此操作頻率最大可為16GHz。
關於上述實施例中訊號引腳的線寬修改，更詳細的說明可參見本案申請時所主張的國內優先權案內容。
概括以上實施例，本發明提供一種新穎的USB Type-C連接器結構，可同時應用於改良連接器的插座端或插頭端結構，主要應用為連接電腦系統與外部裝置的序列匯流排以傳輸資料，針對高速資料傳輸用的訊號引腳與第一電路板層相接處內側的第二電路板層進行特定區域的挖空，並修改訊號引腳的線寬，藉此可以改變其電路分佈參數，使共振問題所導致在高頻操作時的插入損耗得以減小，進而改善插座端與插頭端連接時的高頻傳輸特性，增加資料傳輸通帶。
就結構而言，本發明改善市面上發售USB Type-C連接器結構，針對特定電路板層的特定區域進行挖空，並且對負責高速資料傳輸的訊號引腳改變其線寬。相較於其他提升符合USB 3.2 Gen 2規格的USB Type-C介面連接器資料傳輸速率的技術，本發明在製作工藝上，對現有符合USB 3.2 Gen 2規格的USBType-C介面連接器結構中的訊號引腳及其與第一電路板層固定處內側的第二電路板層進行修改，沒有更動其他部件，所以裝配過程中，不需重新設計整體內部機構，只需調整訊號引腳的線寬以及第二電路板層的通孔大小，可大幅減少額外研發生產模具的成本。
就提高資料傳輸速率的方法及功效而言，本發明以簡單結構改良即可使連接器提供從DC至16GHz的傳輸通帶，相較於市售產品增加了將近100%。新的傳輸通帶能符合USB 4 Gen 3規格所要求的水平，可使資料傳輸速率達到40Gbps，其發明概念及產生的效果應屬本領域中具有通常知識者難以由習知技術輕易地聯想或預期到的，故本發明應符合專利要件。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
第一電路板層110 引腳固定區112 導線層114 絕緣基材116 第二電路板層120 通孔122 訊號引腳130 孔壁高度H

Claims (10)

  1. 一種連接器結構，包括： 複數訊號引腳，每一該訊號引腳包括一固定端； 一第一電路板層，具有複數引腳固定區，以供每一該訊號引腳的該固定端對應地固定於每一該引腳固定區上；以及 一第二電路板層，配置於該第一電路板層的內側並且具有至少一通孔，其中該通孔的位置對應於其外側的該第一電路板層的至少一該引腳固定區。
  2. 如請求項1所述的連接器結構，其中該通孔是一矩形孔，該矩形孔的長度為1.45 至1.8 mm，寬度為0.85至1.25 mm。
  3. 如請求項1所述的連接器結構，其中該複數訊號引腳包括複數訊號引腳對，每一該訊號引腳對固定於兩相鄰的該引腳固定區，該通孔係對應於該兩相鄰的引腳固定區。
  4. 如請求項1所述的連接器結構，其中每一該訊號引腳包括連續的一第一線段、一第二線段及一第三線段，其中該第二線段位於該第一線段及該第三線段之間，並且該第一線段及該第三線段各自具有一常規寬度，該第二線段具有一大於該常規寬度的線寬。
  5. 如請求項1所述的連接器結構，其中每一該訊號引腳包括一水平線段及一斜坡線段，其中該水平線段具有一常規寬度，該斜坡線段具有一線寬大於該常規寬度。
  6. 如請求項1所述的連接器結構，其提供一操作頻率，該操作頻率達到16 GHz。
  7. 一種提高資料傳輸速率的方法，包括： 提供一連接器，其包括複數訊號引腳、一第一電路板層及一第二電路板層，其中該第二電路板層設置於該第一電路板層的內側，並且該第一電路板層具有複數引腳固定區，以供每一該訊號引腳對應地固定於每一該引腳固定區上；以及 在該第二電路板層開設至少一通孔，使該通孔位置對應於其外側的該第一電路板層的至少一該引腳固定區。
  8. 如請求項7所述的方法，更包括：使該通孔的尺寸對應於兩相鄰的該引腳固定區。
  9. 如請求項7所述的方法，其中該連接器是一插頭端連接器，並且每一該訊號引腳包括連續的一第一線段、一第二線段及一第三線段，其中該第二線段位於該第一線段及該第三線段之間，該方法包括： 將該第二線段的兩側進行寬度增大，使該第二線段的線寬相對大於該第一線段及該第三線段的線寬。
  10. 如請求項9所述的方法，更包括： 提供一插座端連接器，其中該插座端連接器包括複數第二訊號引腳，每一該第二訊號引腳包括一水平線段及一斜坡線段： 將每一該斜坡線段進行增寬，使其兩側相對於該水平線段而突出；以及 將該插頭端連接器連接至該插座端連接器，並提供一操作頻率，該操作頻率最大可達到16 GHz。
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