髙速连接器测试夹具设计研究

摘要

　　高速圆形连接器主要用于军用电子设备及航空电子设备上，随着我国航空事业的迅猛发展，高速圆形连接器的研制也在高速发展。连接器的设计中测试是必不可少的环节，由于矢量网络分析仪的测试线缆的端接插头通常为N型或SMA型，无法与本设计测试对象直接连通，故需设计专用的测试夹具作为待测连接器和矢量网络分析仪之间的媒介。测试夹具是测试分析高速连接器信号完整性必不可少的一部分。PCB测试夹具是夹具中最为常见的一种，本文针对高速连接器的信号完整性指标要求，分析了叠层结构及板材参数、阻抗计算、同轴连接器、差分线设计、背钴设计等问题，并分析及设计了多种连接器的PCB测试夹具和适用于测试夹具的TRL校准件。实测结果表明，据本文的设计规则设计的夹具具有良好的信号完整性指标。具体完成的研究及设计工作如下：

　　1.针对多种型号的圆形高密度高速连接器，设计专用的PCB测试夹具。目标连接器共有四种，分别为8芯、28芯、66芯、145芯，安装方式均为焊接式。电路设计软件主要使用AltiumDesigner,走线方式统一使用带状线走线。根据连接器引脚数量的不同，每种连接器对应的测试夹具电路板的板层数量也不同，但为统一参数及减少TRL校准件的设计次数，本设计中将所有的连接器对应的测试夹具均设计为10层板结构。

　　2.针对高速连接器的信号完整性指标要求，进行PCB夹具设计。设计包括元件库设计、原理图设计和PCB图设计。PCB图设计作为设计重点，内容有层叠结构设计、阻抗计算并匹配、SMA同轴连接器选型、差分线设计、背钴设计等，设计过程中将信号完整性知识应用于PCB电路板设计中，采用理论与实践相结合的方式设计PCB电路板，使得设计出的电路扳具有良好的信号完整性。

　　3.设计适用于本测试夹具的TRL校准件。TRL校准件用于校准掉电路板上待测连接器至SMA同轴连接器的走线部分，避免由于测试夹具本身引入的误差。对于四种连接器共设计了对应的四种测试夹具，由于TRL校准件在保证层叠结构参数相同的情况下，只与待测连接器引脚到SMA同轴连接器之间的走线长度有关，因此当各测试夹具中这部分走线长度相同的情况下，只需设计一种TRL校准件即可。本设计中的TRL校准件经测试可以较好的校准掉测试夹具电路板中的走线误差，使连接器的测试更加精确。

　　4.基于以上的步骤设计完成，将电路板文件输出工程制造文件Gerber文件，并传送至制作厂家加工制作。与制作厂家明确制作加工需求，并由制作厂家对PCB文件进行审核，如有问题反馈设计者，设计者根据对应问题对电路板设计进行改进。审核通过后，厂家加工制作。

　　5.对制作完成的测试夹具进行测试，确定测试夹具本身各项指标是否符合要求。将待测连接器焊接在测试夹具上，并对测试夹具进行TRL校准，校准后测试连接器各项指标，根据测试结果分析误差产生原因，并思考改进办法。本文设计的测试夹具测试对象是高速圆形连接器，但本文的设计过程可以扩展至其他任何高速互连器件。

　　关键词：PCB,测试夹具设计，AltiumDesigner TRL 校准信号，完整性分析析

abstract

　　High speed circular connectors are mainly used in military electronic equipment and avionics equipment. With the rapid development of China's aviation industry, the development of high-speed circular connectors is also developing at a high speed. Testing is an essential link in the design of connectors. Because the termination plug of the test cable of the vector network analyzer is usually n-type or SMA type, it can not be directly connected with the test object of this design, so it is necessary to design a special test fixture as the medium between the connector to be tested and the vector network analyzer. Test fixture is an essential part of testing and analyzing the signal integrity of high-speed connector. PCB test fixture is the most common kind of fixture. According to the signal integrity index requirements of high-speed connector, this paper analyzes the problems such as laminated structure and plate parameters, impedance calculation, coaxial connector, differential line design and back cobalt design, and analyzes and designs PCB test fixture of various connectors and TRL calibration part suitable for test fixture. The measured results show that the fixture designed according to the design rules in this paper has good signal integrity index. The specific research and design work completed are as follows:

　　1. Design special PCB test fixture for various types of circular high-density high-speed connectors. There are four kinds of target connectors, namely 8-core, 28 core, 66 core and 145 core, which are all welded. The circuit design software mainly uses altiumdesigner, and the wiring mode uniformly uses stripline wiring. According to the number of connector pins, the number of test fixture circuit boards corresponding to each connector is also different. However, in order to unify parameters and reduce the design times of TRL calibration parts, all test fixtures corresponding to connectors are designed as 10-layer board structure in this design.

　　2. PCB fixture is designed according to the signal integrity index requirements of high-speed connector. The design includes component library design, schematic design and PCB design. As the design focus, PCB diagram design includes laminated structure design, impedance calculation and matching, SMA coaxial connector selection, differential line design, back cobalt design, etc. in the design process, the signal integrity knowledge is applied to PCB circuit board design, and the PCB circuit board is designed by combining theory and practice, so that the designed circuit board has good signal integrity.

　　3. Design TRL calibration parts suitable for this test fixture. TRL calibrator is used to calibrate the wiring part from the connector to be tested to SMA coaxial connector on the circuit board to avoid the error caused by the test fixture itself. For the four connectors, four corresponding test fixtures are designed. Since the TRL calibrator is only related to the routing length between the connector pin to be tested and the SMA coaxial connector under the condition of ensuring the same stacking structure parameters, when the routing length of this part in each test fixture is the same, only one TRL calibrator needs to be designed. The TRL calibrator in this design can better calibrate the wiring error in the circuit board of the test fixture after testing, so as to make the test of the connector more accurate.

　　4. After the design is completed based on the above steps, the circuit board file is output to the engineering manufacturing file Gerber file and transmitted to the manufacturer for processing and production. Clarify the manufacturing and processing requirements with the manufacturer, and the manufacturer shall review the PCB documents. If there are problems, feed back to the designer, and the designer shall improve the circuit board design according to the corresponding problems. After passing the review, the manufacturer shall process and manufacture.

　　5. Test the completed test fixture to determine whether each index of the test fixture itself meets the requirements. Weld the connector to be tested on the test fixture, and conduct TRL calibration on the test fixture. After calibration, test various indicators of the connector, analyze the causes of errors according to the test results, and think about improvement methods. The test fixture designed in this paper is a high-speed circular connector, but the design process in this paper can be extended to any other high-speed interconnect devices.

　　Key words: PCB, test fixture design, altiumdesigner, TRL calibration signal, integrity analysis

目录

　　第一章绪论

　　1.1课题来源

　　随着电子技术的发展，连接器朝着小型化、高密度的方向发展，其时钟频率和速率越来越高，产品的研发及推向市场的周期不断缩小，因此一次性设计成功显得非常重要[1】。同时，5G时代的到来意味着连接器高速传输成为目前市场的需求，信号高速传输要求连接系统具有良好的信号完整性，在连接系统的设计中进行信号完整性的分析十分必要。在连接系统的设计前期进行信号规则的分析，再将分析所得的信号规则输入设计工具进行具体连接系统的设计，则在设计过程中既保证了信号质量又提高了设计效率。

　　信号完整性指的是信号在传输路径上的质量，电路具有良好的信号完整性意味着电路中的信号能够按照时序达到要求的电压值。反之，如果在高速互联系统中发生了因脉冲形状畸变而引发的信号失真问题，例如反射、串扰、传输时延、地/电层噪声等，则意味着该电路信号完整性较差。信号完整性问题主要有振铃、串扰、接地反弹、错位、信号损失和电源供应中的噪声等，以上信号完整性问题在PCB（PrintedCircuitBoard）电路板上产生的原因通常为传输线阻抗不匹配[2】。连接器广泛应用于各个系统中。

　　直流或低频时，对连接器的电性能要求是接触电阻低而稳定，从而使电流连续地通过接触界面。高频高速时代对连接系统的主要性能要求是具有良好的信号完整性。本文的测试对象为高速高密度圆形连接器，共有四种型号，分别为：8芯、28芯、66芯、145芯。高速指的是连接器传输的信号的上升沿为l〇〇ps;高密度指的是连接器在18.4cm2的外壳内安装了很多根信号传输线；圆形指的是连接器的外壳为圆形，圆形外壳在结构上更加坚固，比其它任何形状都具有更高的强度。待测连接器采用差分信号线对信号进行差分传输，差分信号线是指宅两根信号线进行信号传输，这两根信号线上传递的信号振幅相同，相位相反，其有用的信号是两根信号线的电压差。差分信号线具有能识别小信号、能有效地抑制EMI（ElectroMagneticInterference）、高保真度的处理和传播双极信号等性能。

　　连接器的信号完整性分析离不开测试分析，测试和测量是产品研发阶段必不可少的一个环节。用于高频高速信号的测试测量设备有很多，包括实时示波器、采样示波器、网络分析仪、阻抗测试仪、误码分析仪、协议分析仪、频谱分析仪、探针台等。矢量网络分析仅（VNA,VectorNetworkAnalyzers）功能很多，被称为"仪器之王",是射频微波领域的万用表W.矢量网络分析仪在频域中工作，频率范围从几KHz到50GHz以上。矢量网络分析仪工作时每个接头或端口发出一个正弦电压，在每个频率点测量入射电压的幅度与相位以及反射的幅度和相位。

　　反射信号取决于入射信号和从VNA到待测元器件DUT的阻抗变化，VNA的输出阻抗一般为50Q,通过测量反射信号，可以确定每个频率点上的DUT（DeviceUnderTest）的阻抗。在每个频率点，反射电压与入射电压之比通常称为散射S参数。矢量网络分析仪有四端口和双端口，双端口多用于同轴电缆的测试，差分传输线需要使用4端口才能测试。如图1-1所示，对于4端口器件测量，4端口VNA可一次性完成所有16个S参数的全测量。矢量网络分析仪VNA的测试线缆的端口组件是同轴连接器，通常无法与待测连接器直接相连，如图1-2所示，因此需要为每一种待测连接器设计其专用的测试夹具作为媒介。

　　矢量网络分析仪的测试线缆端口通常是N型或SMA型，测试夹具作为测试仪器和DUT之间的桥梁，在PCB电路板上通过传输线将SMA（SmallAType）同轴连接器和待测连接器需要测试的信号线引脚相连。测试夹具作为媒介，其要求是不可额外引入误差，以避免对测试产生影响，使得结果不准确。TRL（TransmissionReflectionLine）校准方式可以极大程度的校准掉测试夹具上的走线部分，对测试精确性的提高具有重要意义。高速连接器的测试离不开测试夹具，本文旨在设计适用于4种型号的高速高密度圆形连接器的测试夹具。测试夹具的设计流程分为元件库设计、原理图绘制、PCB设计三大部分，并在夹具设计完成后设计其适用的TRL校准件。

　　1.2国A外研宄现状

　　1.3研究内容

　　1.3.1信号完整性理论分析

　　1.3.2影响阻抗的参数计算

　　1.3.3测试夹具设计

　　1.3.4TRL校准件设计

　　1.3.5制作

　　1.3.6测试

　　1.4研究意义

　　1.5论文的组织结构

　　第二章信号完整性问题分析

　　2.1印制电路板中信号完整性问题

　　2.2各影响信号完整性参数

　　2.2.1反射

　　2.2.2串扰

　　2.2.3电磁干扰

　　2.2.4振铃

　　2.3如何在PCB夹具设计中规避信号完整性问题

　　2.4本章小结

　　第三章测试夹具的设计

　　3.1夹具设计的基本流程

　　3.2元件库创建

　　3.2.1待测连接器元件库设计

　　3.2.2压接式SMA同轴连接器的元件库设计

　　3.3原理图绘制

　　3.4影响阻抗的参数计算

　　3.4.1层叠结构的确定

　　3.4.2差分传输线结构参数的确定

　　3.5PCB设计

　　3.5.1走线拐角的确定

　　3.5.2信号传输线长度的设计计算

　　3.5.3差分走线

　　3.5.4背钻

　　3_5.5接地

　　3.5.6SMA同轴连接器选择

　　3.7本章小结

　　第四章TRL校准件的设计

　　4.1TRL校准原理

　　4.2TRL各标准件构成

　　4.2.1直通校准件

　　4.2.2反射校准件

　　4.2.3延时线校准件

　　4.5本旱小结

　　第五章测试

　　5_2测试方法及结果分析

　　5.3本章小结

第六章总结与展望

　　6.1总结

　　本文以高速PCB电路板的信号完整性分析为基础研究了高速圆形连接器的PCB测试夹具的设计，给出了四款高速圓形连接器的测试夹具的设计方法和设计流程，分析 了TRL校准件的优势及原理并以此为基础为测试夹具设计适用的TRL校准件，使用矢量网络分析仪测试制作完成的测试夹具并验证其各项指标符合标准。本文的主要成果介绍如下：

　　1.分析了PCB电路板上常见的信号完整性问题的形成机理，包括串扰、电磁干扰、振铃、反射等，分析了这些问题是如何影响PCB测试夹具的。论述了解决信号完整性问题的重点使良好的阻抗匹配。结合本次设计的实际情况分析了在PCB夹具设计中避免或减小这些倘号完整性问题影响的设计规则及注意事项，并说明了在本设计中避免信号完整性问题的设计方式。

　　2.设计了四种高速圆形连接器的测试夹具，从元件库的设计和添加到原理图的绘制再到PCB电路的设计这三大步骤进行论述，介绍了PCB测试夹具的具体设计流程。在PCB测试夹具的基础设计上添加了背钻设计、接地设计等扩展項，使得设计出的测试央具具有更好的信号完整性。论述了电路板层叠结构、SMA的选择、走线长度等的设计细节，分析了这些因素对PCB测试夹具的影响。

　　3.设计了两种TRL校准件，分别针对于 8芯、28 芯连接28的测试夹具和66芯、145芯连接器的测试夹具。分析了在多种校准方式中选择TRL校准方式的原因，论述了TRL校准件在测试中的应用和意义。介绍了TRL校准方式的原理，分析了TRL 校准件在测试过程中是如何将多余的走线部分校准掉的，以及如何避免电路板引入误差。并结合本文实际情况介绍了TRL校准的具体设计方式，包括三种走线的长度的计算方法和频率划分为几个阶段后廷时线的长度的计算。

　　4.对制作好的测试夹具进行了阻抗、s参数、串扰等参数的测试，分析了测试仪器矢量网络分析仪在测试连接器中的应用方法和其优缺点，介绍了电子校准件在校准仪器系统误差上的应用以及电子校准件的优势。介绍了实际测试过程中的流程，井展示实际测试中各信号完整性参数的结果。最后分析测试结果与标准的差距大小，及这些误差产生的具体原因。

　　本文的夹具设计虽以高速圆形连接器为对象，但设计流程、设计方法可以扩展到其他连接器的测试夹具设计。

　　6.2展望

　　基于印制电路板的信号完整性分析，本文完成了四种高速四形连接器的测试夹具的设计，并为这四款测试夹具设计了配套的TRL校准件，对制作完成的测试夹具进行了阻抗、s参数等参数的测试，验证了所设计出的测试夹具符合指标要求，但是在整个设计过程中还是存在着-一些问题和不足。

　　首先，对于PCB测试夹具缺少了仿真分析过程，在电路板的设计完成后和制作之前进行仿真分析可以发现电路板存在的隐藏问题，也可以验证文中提到的一些设计规则和设计方法的正确性。应进-一步 学习电路板的仿真知识，学习一- 种仿真软件的使用方法，例如HFSS、ADS等。

　　其次，本文中只提到了一种单端TRL校准方法。由于本文设计的测试夹具的针对对象是差分连接器。PCB测试夹具上的走线也是差分走线形式，为了进行更好的误差校准。还应潘加差分TRL校准方式的分析和设计。

　　最后。对于制作完成的测试夹具的测试还存在-些误差，测试结果虽然符合要求，但仍然不够好。导致这些不理想现象产生的原因是对于印制电路板的设计和信号完整性问题方面的知识学习不够深入了解不够广泛，在以后的学习中应进- -步广泛而深入的学习。

致谢

　　本论文是在导师林雪燕老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度。精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导。

　　师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢实验室的许良军、周怡琳、芦娜。孔志刚等老师的指导和帮助；感谢学校对我们的关心。支持和帮助；在三年的学习期间，得到单栋梁、谢敏。郝海祷等师兄师姐和师弟妹的关心和帮助，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的学位论文的，同窗之间的友谊永远长存。感谢我的父母，给我足够的包容与支持，使我能够更好的追求自己的梦想。

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