航空用高速连接器信号反射抑制与优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28937

电子电气工程与控制

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航空用高速连接器信号反射抑制与优化设计

骆燕燕¹, 杨硕¹(), 潘晓松², 赵绪怀³, 张莉⁴

^1.河北工业大学电气工程学院，天津 300130
^2.国网重庆市长寿供电分公司，重庆 401220
^3.中壹发展八五零电子有限公司，石家庄 050000
^4.石家庄市科恒电子有限公司，石家庄 050000

收稿日期:2023-04-26 修回日期:2023-06-06 接受日期:2023-06-14 出版日期:2024-04-15 发布日期:2023-06-21
通讯作者: 杨硕 E-mail:yangshuo990619@163.com

Signal reflection suppression and optimized design of high⁃speed connectors for aerospace applications

Yanyan LUO¹, Shuo YANG¹(), Xiaosong PAN², Xuhuai ZHAO³, Li ZHANG⁴

^1.College of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China
^2.State Grid Chongqing Changshou Power Supply Company，Chongqing 401220，China
^3.Zhongyi Development 850 Electronics Company，Shijiazhuang 050000，China
^4.Shijiazhuang Keheng Electronics Company，Shijiazhuang 050000，China

Received:2023-04-26 Revised:2023-06-06 Accepted:2023-06-14 Online:2024-04-15 Published:2023-06-21
Contact: Shuo YANG E-mail:yangshuo990619@163.com

摘要/Abstract

摘要：

优化高速连接器的电气-机械结构，抑制信号在其内部传输时的反射现象，对提升高速连接器的传输性能及高速互联系统的稳定性至关重要。分析了高速连接器信号反射问题的根本来源及影响因素，结合优化量的仿真结果，提出了一种在工程中改善高速连接器信号反射问题的优化设计方法。首先，推导出信号反射问题在频域和时域的表征参数。其次，利用HFSS仿真分析各优化量的参数变化对信号反射现象的影响规律。最后，根据仿真结果，以最优化信号反射的表征参数为目标，确定高速连接器的系统优化方案，并通过测试实验来验证其有效性。设计结果表明：接触件插针在线径变化处的线径差异增大时，信号反射加剧；增大端接线缆线径，选用介电常数更小的插座端绝缘体材料，则能够有效抑制信号反射。优化结果表明：采用所提出的优化设计方法后，高速连接器差分阻抗的最大值减小到110 Ω以下，最小值增大2.72%以上，波动范围减小31.7%~41.8%；回波损耗在不同频率范围内的最大值均有所减小，整体数值改善约9.8%~12.3%，信号反射问题得到显著改善。

关键词: 高速连接器, 信号反射, 信号传输, 信号完整性, HFSS仿真, 航空通信, 优化设计

Abstract:

Optimizing the electrical-mechanical structure of high-speed connector to suppress the reflection of signals during its internal transmission is essential to improve the transmission performance of high-speed connectors and the stability of high-speed interconnection systems. The fundamental sources and influencing factors of the signal reflection of high-speed connectors are analyzed， and an optimal design method for improving signal reflection of high-speed connectors in engineering is proposed based on simulation results of optimized quantities. Firstly， the characterization parameters of the signal reflection problem in the frequency and time domains are derived. Then， HFSS simulation is conducted to analyze the influence law of change of each optimized parameter on signal reflection. Finally， based on the simulation results， the system optimization scheme of the high-speed connector is determined with the objective of optimizing the characterization parameters of signal reflection， and its effectiveness is verified by test experiments. The design results show that signal reflection is aggravated when there is a large difference in wire diameter at the line diameter change of the con-tact pins， and signal reflection can be effectively suppressed by increasing the diameter of the terminated cable and choosing the insulator materials with smaller dielectric constants for socket ends. The optimization result shows that after adopting the proposed optimization design method， the maximum value of differential impedance of high-speed connectors is reduced to less than 110 Ω， the minimum value is increased by more than 2.72%， and the fluctuation range is reduced by 31.7%-41.8%. The maximum value of return loss in different frequency range is reduced， with the overall value reduction of about 9.8%-12.3%. The problem of signal reflection is shown to be significantly improved.

Key words: high-speed connector, signal reflection, signal transmission, signal integrity, HFSS simulation, aviation communication, optimization design

中图分类号:

V243.1

骆燕燕, 杨硕, 潘晓松, 赵绪怀, 张莉. 航空用高速连接器信号反射抑制与优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328937-328937.

Yanyan LUO, Shuo YANG, Xiaosong PAN, Xuhuai ZHAO, Li ZHANG. Signal reflection suppression and optimized design of high⁃speed connectors for aerospace applications[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(7): 328937-328937.

图/表 37

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参考文献 27

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仿真项目	Δb/mm	b/mm
仿真1	-0.52	0.51（b=c）
仿真2	-0.26	0.77
仿真3	+0.24	1.27（b=a）

仿真项目	Δd/mm	d/mm
仿真4	-0.4	1.5
仿真5	-0.8	1.1
仿真6	-1.2	0.7

d/mm	最小值/Ω	最大值/Ω	波动范围/Ω
0.7	90.13	110.72	20.59
1.1	90.18	110.74	20.56
1.5	90.15	110.75	20.60
1.9	90.23	110.78	20.55

d/mm	最大回波损耗/dB
d/mm	600 MHz	2 GHz	5 GHz
0.7	-29.10	-8.70	-7.90
1.1	-29.10	-8.71	-7.90
1.5	-29.12	-8.73	-7.91
1.9	-29.12	-8.75	-7.91

d/mm	最大回波损耗/dB
d/mm	600 MHz	2 GHz	5 GHz
0.7	-21.88	-8.15	-6.90
1.1	-21.88	-8.17	-6.95
1.5	-21.89	-8.20	-6.95
1.9	-21.90	-8.21	-6.96

航空用高速连接器信号反射抑制与优化设计

Signal reflection suppression and optimized design of high⁃speed connectors for aerospace applications

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仿真项目	Δh/mm	h/mm
仿真7	-0.05	1.85
仿真8	-0.02	1.88
仿真9	+0.02	1.92
仿真10	+0.05	1.95

介质厚度/mm	最小值/Ω	最大值/Ω	波动范围/Ω
6.02	90.23	110.78	20.55
6.00	90.23	110.78	20.55
5.97	90.22	110.74	20.52
5.92	90.18	110.75	20.57

介质厚度/mm	最大回波损耗/dB
介质厚度/mm	600 MHz	2 GHz	5 GHz
6.02	-29.12	-8.75	-7.91
6.00	-28.99	-8.73	-7.91
5.97	-28.98	-8.71	-7.89
5.92	-28.95	-8.67	-7.86

电缆线径/mm	介质材料	最小值/Ω	最大值/Ω	波动范围/Ω
0.44	LCP	89.81	109.27	19.46
0.44	PTFE	94.75	108.62	13.87
0.46	LCP	89.31	106.01	16.7
0.46	PTFE	94.08	105.88	11.8

电缆线径/mm	介质材料	最大回波损耗/dB
电缆线径/mm	介质材料	600 MHz	2 GHz	5 GHz
0.44	LCP	-35.23	-12.23	-11.51
0.44	PTFE	-35.01	-13.38	-13.05
0.46	LCP	-38.02	-14.13	-12.14
0.46	PTFE	-38.95	-15.09	-13.82

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线径/mm	插入损耗/dB	近端串扰/dB	远端串扰/dB
0.44	-3.31	-31.94	-32.98
0.46	-3.12	-31.91	-33.11