FEAアナログアシスト高速コネクタ設計による信号の完全性

近年では、高速デジタル通信時代の到来とともに、各業界の高速信号ソフト、ハードの急速な発展は、その動作の周波数と周波数幅がますます高くなっているため、コネクタ要素の全体的な性能要件がさらに厳しく、接続装置の小型化の設計の傾向に加えて、コネクタは信号伝送の整合性に大きな課題に直面している。

一、高速コネクタ信号の完全性の基礎理論

機構全体の縮小化および高週波化の条件下では、特性インピーダンス、挿入損失、リターン損失、クロストークなどの信号整合性の問題に特に注意する必要があります。その中でまた特性のインピーダンスとクロストークでコネクタの信号の完全性に最大の影響を与えます。

Sパラメータ(scattering-parameter)は、相互接続された広帯域高週波数の挙動を記述する標準フォーマットとして、信号整合性において一般的に使用されます。Sパラメータは、相互接続または被測定要素から標準波形がどのように散乱するかを記述するフォーマットです。

図1:標準波形入力DUT散乱の様子、伝送波形S21は挿入損失、反射波形S11は戻り損失を示します。

二、高速コネクタ信号の完全性に影響を与える重要な要素

一般的に、高速コネクタの信号完全性に影響を与える要因は、設計空間、伝送速度、信号損失などです。PCB Layoutの設計の違いはこれらの要素と密接に関系しており、全体の信号の整合性に重要な影響を与えます。コネクタの高週波特性は、PCB Layout設計によって異なります。

現在、標準的な高速コネクタは完全なアーキテクチャと仕様に準拠しており、エンジニアはその仕様の下で設計を調整し、仕様が要求する高週波数条件を満たすだけでよいのですが、カスタマー化された製品であれば、ニーズは異なります。グリーンコンでは、高速コネクタの開発をカスタマイズすることが中心でしたが、設計スペースや必要な伝送速度しか提供されず、信号損失の要件も不確実な場合が多く、PCB Layoutごとに設計変更を繰り返していました。そのため、技術者はFEAアナログを利用して高速コネクタの設計を支援し、信号の完全性を確保します。

図2:Greenconn 1.27 mm高速スラブ対スラブとワイヤ対スラブコネクタは、2つの接点ばね端子を採用し、高い耐震性と4GBitsの信号伝送速度を実現してい

三、FEAシミュレーションはどのように高速コネクタの設計を補助し

Greenconnは高速コネクタの客制化開発において、応力と高週波数FEAシミュレーションにより机構設計を絶えず調整し、お客様のニーズに応えます。最終的には製品の高週波特性実測とシミュレーションを比較し、シミュレーションの有効性を確認します。次のように分けます。

FEA抜き差しシミュレーションによりコネクタの抜き差し力データが得られ、机構設計がニーズに合っているかを判定し、FEAのシミュレーション結果からコネクタの抜き差し後の端子の変形状態を導出することができます。何度も検証した結果、材料のパラメータとFEAシミュレーションの条件設定が正しければ、挿抜力結果と端子の変形状態が実際値に非常に近いことが分かりました。

図3:グリーンコンでは,高速コネクタのFEA挿抜シミュレーションを複数回行うことで,実際に近い挿抜力データと端子のひずみ状態を取得し

FEAシミュレーションで導出した端子の変形状態にPCBを加えて3Dモデルを描き直し、描いたモデルを高週波FEAソフトに導入し、モデルのパラメータ設定と信号を与えて高週波シミュレーションを行います。

設計とシミュレーションを繰り返して、お客様のニーズに合ったSパラメータを導き出します。4つの高週波条件は、特性インピーダンス(Impedance)、挿入損失(Insertion Loss)、リターン損失(Return Loss)、近端クロストーク(NEXT and FEXT)です。

伝送クロックの周波数が高ければ高いほど信号の整合性に問題が生じ、コネクタの設計が厳しくなります。高週波の原理では、特性インピーダンスがマッチすればするほど信号整合性の問題を減らすことができますが、空間机構の制約の下でコネクタ接触端子の形状が不規則になり、コネクタが高週波伝送の特性インピーダンスにマッチすることが難しくなります。特にPCB Layoutの設計は信号整合性に大きな影響を与えます。従って、客制化された高速コネクタの開発は、FEAアナログを利用することにより、より正確な参照を得ることができ、信号の完全性を確保し、装置が必要とする高速伝送要件を満たし、効率的に資源の無駄を省き、コストを削減することができます。