本文将探讨现代高密度连接模型的性能差异。这些模型将基于仿真和测量数据构建，并进行比较。我们将考虑因插片不完整和焊接等因素造成的实际性能差异。最后，我们将应用模型质量指标来量化模型的准确性。.
连接器模型的演变。.
连接器模型已经从简单的集总参数耦合电路发展成为多端口微波网络。这种复杂性的增加源于需要精确表示具有日益复杂几何不连续性的带宽。
早期的连接器模型只是简单的集总参数电路。这些模型非常简单，使用仿真软件运行速度快，并且至今仍在许多应用中使用。
普遍接受的黄金标准是，只要传输线的长度 (L) 小于波长 (L) 的十分之一，则对一段传输线元件的表示就是有效的。
运用L的黄金法则.
集总参数电路的逻辑扩展是分布式参数模型。
传输线被分成若干个较小的部分，带宽模型也更容易扩展。
这种关系可以用以下时域方程表示：
该方程表明，只要连接器传播延迟（tprop delay）大于系统上升时间（trise）的6倍，集总参数电路方法就有效。10mm堆叠式连接器的传播延迟约为60ps，因此，只要系统上升时间为360ps，简单的集总参数电路模型就是一个合理的模型。
这在20世纪90年代的许多数字应用中都是如此。当然，这种简单的连接器模型没有考虑干扰的影响。
随着时序频率和上升时间的增加，模型的复杂性也随之增加。当连接器被分成几个较短的部分时，集总参数电路变得更加精细。.
使用二维有限元分析 (FEA) 代码对每个部分进行分析，以获得包含耦合项 (K) 的电感 (L) 和电容 (C) 矩阵，用于描述传输线耦合。K 值考虑了多导体传输线中的干扰。
这些 L、C 和 K 值可以转换为 SPICE 模型，并能准确预测干扰、传播延迟和阻抗。
对连接器多个横截面进行二维分析并非易事。
需要运用工程判断力，在保证高精度的前提下，尽可能减少横截面的数量。二维建模方法假设瞬变电磁波（TEM）在整个连接器结构中传播。然而，实际情况并非如此，内部不连续处的倏逝波被忽略，导致该方法存在固有的误差。尽管如此，多横截面分析法在20世纪90年代末期仍然是一种常用方法。
为了克服这些限制，软件供应商开始努力开发能够改善高速数字行业服务的工具。在此期间，全波仿真成为微波（同轴）连接器的标准方法。现代高速数字连接器的几何复杂性带来了巨大的挑战，因为目前经济实惠的计算硬件无法解决这一问题。随着高端工作站计算能力的提升，高速数字连接器可以被视为多端口微波网络。这就是目前连接器建模的现状。.
连接器模型仿真：
信号完整性 (SI) 工程师可以使用多种仿真工具来提取连接器模型。本研究使用了 CST Microwave Studio。虽然使用了特定的工具，但所提出的问题在所有全波建模工具中都普遍存在。
为了更全面地了解建模挑战的难度，必须考虑几何形状。一个典型的高密度连接器可能包含 10 排引脚，每排 50 个引脚，间距为 1.27 毫米 x 1.27 毫米。这种高密度设计源于对高密度电子封装的需求，并受到冲压、铸造和组装技术的限制。.
图 3 展示了本文将要提及的典型夹层连接器。
这种连接器具有开放路径区域，这意味着某些引脚并非专用于电流回流（接地）。针对特定应用，定义了一种信号接地模式，以在可接受的信号性能范围内提供最高的信号密度。本文开发了差分信号和单端信号的预定义模式，并使用建模软件提取了 Touchstone 模型。
幸运的是，提取的模型中并不需要包含全部 500 个引脚，但问题的严重性不容忽视。一个规模合理的模型可能包含六对差分线，以捕捉行内和行间干扰的影响。这相当于一个 24 端口的 Touchstone 模型。
对于类似连接器的直角版本，通常会考虑使用更大的端口模型，以考虑每行长度的变化。考虑到这一点，对于每个建模的差分线，信号返回引脚也包含在建模区域内，因此这个 24 端口的 Touchstone 模型将包含 12 个信号引脚和 8 个接地引脚。每个引脚都具有复杂的形状，以便为可拆卸接口提供可靠连接所需的法向力。
SolidWorks 是一款三维 CAD 软件包，可用于设计连接器。几何体导出为全波仿真工具可读取的格式。然后执行“几何清理”——这是建模过程中的一个关键步骤，旨在去除不必要的复杂性。这使得全波仿真工具的导入过程更加顺畅，并简化了网格。几何体输入一直是个难题，也是全波仿真工具供应商投入大量资源的重点。
几何体正确导入后，在开始仿真之前必须执行三个主要步骤：
1. 网格密度；
2. 定义材料属性；
3. 端口配置。
网格密度：
所有全波仿真工具都在离散解空间上执行电磁计算。离散化（或网格划分）过程将解空间划分成许多单元，并直接影响最终的解。网格过细会导致错误的结果，也会导致不必要的仿真时间过长。此外，网格密度和仿真时间还受最大仿真频率的影响。50 GHz 的仿真网格划分将比 20 GHz 的仿真网格划分得更精细。CST
Microwave Studio 仅使用非常基础的信息即可创建解空间的网格，从而简化复杂的过程。所需的信息仅包括最大频率以及 x、y 和 z 方向上每个波长的单元数。自动网格划分后，可以在场强集中区域进行网格细化。例如，如果需要高回波损耗精度，用户通常会细化微带基板网格。
为了研究网格划分过程对典型连接模型的影响，模拟了一个 16 毫米夹层连接器，并在 CST 中调整了网格参数。
网格尺寸分别为：88万个单元、380万个单元和850万个单元。在本例中，网格密度的变化较小，回波损失是网格划分最敏感的参数。.
材料参数：
许多高速连接器采用液晶聚合物（LCP）作为封装材料。LCP 是一种各向异性均质介电材料，其机械性能会随成型工艺而变化。人们普遍认为其电性能也会随成型工艺而变化，但迄今为止，关于这种影响的研究成果鲜有发表。LCP
制造商提供的介电常数值基于对 3 英寸圆形圆盘的标准化测试。
为了研究介电常数变化对典型连接模型的影响，我们对一系列介电常数值进行了仿真。图 5 显示了三种不同 LCP 介电常数的仿真结果。与网格密度变化类似，回波损耗也受 LCP 介电常数的影响。10 GHz 以上的插入损耗 (IL) 也受到影响。这与图 5 中回波损耗曲线所示的阻抗失配引起的反射损耗变化一致。本报告中的夹层连接器在 CST Microwave Studio 中使用了一阶常数德拜模型。.
端口配置
使用全波仿真工具提取连接器模型的第三个最重要步骤是端口配置。
端口定义了电磁结构的激励方式以及响应的测量位置。现代全波仿真工具通常提供多种端口选项，但它们大致可分为两大类：波导端口和离散端口。波导端口将TEM或准TEM波投射到结构上，通常是定义明确的传输接口，例如同轴线或微带线。为了使该方法有效，传输线通常必须达到一定的长度。离散端口是一种理论电路近似，常用于波导端口尺寸过大而无法使用的高密度结构。
端口配置还定义了最终连接器模型的参考平面位置。
本文中讨论的连接器焊接在多层PCB上，连接器模型中通常包含PCB效应。参考平面的位置决定了模型中包含的PCB效应的范围。在本报告中，夹层连接器在CST微波工作室中使用了离散端口。
基于测量的连接器模型：
为了确保连接器模型的可靠性，验证模型是良好的工程实践。验证可以通过将模型与使用不同方法（例如测量或与其他建模工具）提取的模型进行比较来实现。虽然在某些行业中，比较使用不同工具提取的模型已被广泛接受，但高速数字领域通常更倾向于通过测量进行模型验证。这种方法存在一些缺陷，因为测量结果会因测试夹具、参考平面位置和校准的不同而存在较大差异。本文讨论的高密度连接器不具备与现代仪器兼容的同轴接口。相反，需要使用测试夹具与连接到该器件的仪器进行连接。这通常是一个多层PCB，其中包含了连接器尺寸的影响。焊盘电容和过孔螺柱的影响都被视为尺寸效应。通常认为，PCB和连接器之间的这些尺寸效应已包含在连接器模型中。
为了进行模型相关性分析，需要将测试器件纳入仿真模型，或者使用去嵌入技术将其从测量模型中移除。由于模型的复杂性，建议对测试器件进行去嵌入。去嵌入方法将采用现代矢量网络分析仪 (VNA) 上提供的 TRL/M（直通-反射-线匹配）方法。.
任何矢量网络分析仪 (VNA) 测量的准确性和有效性都取决于其隐含的校准假设被违反的程度。例如，如果校准标准设计不佳，则 SOLT（短路-开路-负载-直通）校准的准确性就会受到影响。.
如果开路校准标准存在寄生电容，则必须在校准过程中考虑该电容，因为它违反了孔径反射系数为单位的假设。因此，仪器制造商会开发高精度的SOLT校准标准。
使用TRL/M校准移除夹具的情况也类似；设计不佳的校准标准会导致测量误差。
TRL/M 方法的一个假设是线路标准与夹具具有相同的阻抗。这看似合理，但考虑到高密度 PCB 的行业标准阻抗控制为 +/-10%，这一假设就显得不合理了。为了说明标准线路阻抗的影响，我们考虑了两组不同的板载 TRL/M 校准标准，如图 6 所示。请注意，PCB 上位置 66 的校准焊盘曲线虽然合理，但比位置 44 的曲线更陡峭。我们对这些校准焊盘进行了阻抗测试，发现曲线更陡峭的校准焊盘（位置 66）的阻抗变化比曲线较平缓的校准焊盘（位置 44）更大。这种阻抗变化会导致 TRL/M 校准的测量误差。.
图 7 显示了使用两种不同的测试设备及其相关的板载 TRL/M 校准标准对同一类型的连接器进行测量时插入损耗的变化。.
原则上，图 7 中的两条曲线应该完全相同；然而，我们看到大约有 0.5 dB 的变化，并且在某些共振点上有一些变化。.
这个例子也说明了配件设计中一个常见的问题，即尺寸上的微小差异会导致连接器尺寸的显著变化。.
对结果的详细检查揭示了一些细微差异，如图 8 所示。请注意，“位置 66”情况下，连接器焊盘接地的走线比“位置 44”情况下的走线略长。这种微小的尺寸差异导致了图 7 中观察到的谐振变化，并通过连接器及其尺寸的全波建模得到了验证。
前面的例子是一个很好的案例研究，但实际上存在两个变量：尺寸差异和标准 TRL/M 校准偏差。
下面的例子只有很小的尺寸差异。图 9 显示了两种不同的尺寸：情况 1 和情况 2。
左侧的案例 1 将接地路径“外侧”布置，即远离连接器中心。这种方法可以优化回流电流，但代价是布线模式更加复杂。
右侧的案例 2 将接地路径“内侧”布置，即靠近连接器中心。请注意，这种布线方式使得信号走线与接地路径之间的间距更大。
图 10 显示，由于接地路径方向的这种微小变化，10 GHz 频率下的干扰变化为 10 dB。
机械偏差：
测试结构（以及实际产品）中存在机械偏差，包括插入深度和焊接偏差。通常，这些偏差引起的系统完整性效应会被忽略，但实际上应该对其进行分析。
首先要考虑的机械变化是连接器的插入深度。任何高密度多针连接器都具有内置的机械公差，以适应机械封装本身的公差。图 11 展示了夹层连接器的机械变化。该产品在最大 1.15 mm 的分离距离下，仍能在接触界面处保持足够的强度。使用 CST Microwave Studio 软件对连接器在完全插接和最大分离状态下进行了仿真。仿真过程中，我们仔细考虑了外壳之间接触形状的变化，以及两半分离时较大的气隙。结果如图 12 所示，其变化程度与改变网状密度和连接器封装介电常数所观察到的变化程度大致相同。.
第二个机械误差（通常认为影响较小）是电路板安装误差。对于表面贴装连接器而言，连接器并非总是与
PCB上的BGA焊盘完全贴合。PCB布局的公差和安装误差会导致实际位置出现一定程度的波动。
图 13 展示了这种定位变化。
图 14 显示了板状附件的仿真结果。与网格密度和介电常数的变化相比，板状附件的影响相对较小。
这些例子的主要意义在于，测量连接器响应可能与从仿真中提取连接器模型一样复杂。在进行任何关联之前，必须确保测量结构和建模结构完全相同。
（待续，九月刊）
作者：
Jim Nadolny，Samtec；
Leon Wu，Samtec
