电子连接器信号完整性仿真实训教程一

电子连接器信号完整性仿真学习除需要熟悉软件的基本操作外，还需要基本的实际操作练习才能完全掌握，学以致用。因此推出几期实训教程，教程中将不再详细讲怎么一步一步操作软件，重点讲一些步骤，及一些技巧。也会将连接器原始3D模型、仿真模型上传到CSDN，如果有兴趣用以练习，可以去下载。仿真结果由于太大(有的可能有几百G），不会都上传到CSDN，但会贴出仿真结果的S参数，阻抗等供对比。

下面是一款B to B连接器母座(Female Connector)的图片：

本教程将以该连接器来实训演练。考虑到看这个教程的，不一定是有经验的硬件工程师或连接器设计工程师，在开始实际仿真教程之前，先做一下连接器基础知识方面的介绍。

从上面的图片可以看出该连接器由4种零件组成，1是M.E.(金属补强片)，没有电气连接作用。其作用是增大连接器的附板力，另外还可分摊部分插拔时的作用力，使这个作用力不至于直接传递到端子的焊盘上，导致端子焊盘脱焊，M.E.一般用黄铜或不锈钢材料制造。2是Housing，即连接器的主体，其它元件都附着在它上面。该款连接器是SMT连接器，Housing需用耐高温材料制造，如LCP，PPS，高温尼龙等，否则无法耐受SMT的焊锡热，Housing材料的介电常数、对连接器的S参数有较大影响。3是连接器的端子，是电气连接的功能元件，一般用铜基材料制造，表面电镀金锡等材料。要求其有较小的电阻，很好得耐候性及良好的可焊性。端子是决定连接器S参数的关键元件。高速连接器设计过程中如果仿真发现S参数不够理想，重点是调整连接器的端子设计。4是Cap，它不是连接器本身所必需的功能元件，它是为方便SMT时贴片机吸取而增加的一个附件。SMT后Cap将被拔下丢弃。连接器信号完整性要求仅是连接器的品质特性之一，还有其他电气特性要求，如接触电阻，绝缘电阻，耐压，额定电流，额定电压等；还有机械特性要求，如插拔力，端子保持力，寿命等；还有环境特性要求，如振动、热冲击、机械冲击、高温、低温、湿热、盐雾等测试要求。

下面是该连接器的爆炸图：

从爆炸图中可以看出M.E.与端子的侧面都存在卡点，Housing与M.E.及端子的配合在卡点处是过盈配合，卡点会刺入Housing中以提供所需的保持力。

下面是公座（Male Connector）的图片：

Male Connector也有一个Cap，为了便于观看，这里把它隐藏起来了。其爆炸图如下：

公母配合状态如下：

信号完整性仿真操作主要步骤

Step1 弄清连接器设计采用标准及其它设计信息

没有指定标准的情况下，单纯讨论信号完整性是没有意义的。你也许会遇到有人问这款连接器可以过几个GHz。如果标准不同，这几个GHz与那几个GHz相差是十分悬殊的，如SATA与PCI-E相差就很大。一般情况下，标准对连接器的Pin Out也做了定义。有时候，由于应用场合的特殊性，也存在信号完整性要求与Pin Out要求采用不同标准的情况，如Pin Out采用SATA标准，而S参数确参照PCI-E标准。除弄清标准外，还需知道连接器零件材料及其物理参数，如介电常数、损耗正切（耗散系数），导电率等。连接器公母配合时的相对位置关系等也是必须了解的。

Step 2 模型预处理

几乎所有由结构设计转过来的连接器3D模型都不能直接用于信号完整性仿真。连接器都存公、母端子，为保证结构的可靠性，公母端子中必须有一个是有弹性；也就是说，在未对插之前，弹性端子接触点的自由高度必须大于其工作状态的高度。连接器公、母对插，弹性端子的接触点会被下压一定距离，这个距离被叫做工作行程。结构工程师给我们的3D模型，其弹性端子一般都是自由状态，而不是工作状态。这样，公、母连接器配合在一起时，公、母端子间就会存在相交。任何一款信号完整性仿真软件对这种现象都是不允许的，必须消除这种现象，这个消除相交处理动作就是模型预处理动作。仿真软件的2D模型处理能力有限；当母端子比较复杂时，仿真软件处理起来有些力不从心。建议学习连接器信号完整性仿真的同学，最好学会操作一款常用3D软件。否则，你得拜托结构工程师做模型预处理，这就会比较麻烦。如果你已经会用3D软件处理模型，请记住：在处理模型时，不要改变端子截面形状及尺寸，不要改变信号传输路径长度（或者尽量使这个改变最小）。连接器的端子与Housing的配合一般都是过盈配合，端子卡点刺入Housing中。对这样的3D模型来说，端子与Housing间就存在相交，这也是信号完整性仿真不允许的；像这种微量的相交，仿真软件一般都可做处理，可以在导入仿真软件后，再做处理。

下面是示例连接器未做预处理前的截面图：

可以看出公母端子存在相交。这个相交仿真软件难以处理，需在专业的3D设计软件中做预处理。预处理后如下：

Step 3 仿真夹具设计

本次仿真的目的是确认该产品是否信号完整性符合PCI-E Gen3 8GHz要求。

PCI-E信号完整性要求如下：

PCI-E的Pin out是差分对间隔2Pin GND，信号完整性测试Pin out 如下图示：

该示例产品的Pitch为：0.635mm，用CST做差分S参数仿真，需采用波导端口（Waveguide Port）激励，波导端口有一定限制，没法直接在端子上设置激励端口，需设计仿真夹具。

仿真夹具并非真正意义上的夹具，实际上是PCB。用PCB的Trace（线路）的一端连接连接器端子的锡脚，Trace的另一端一般引出到PCB的边缘，以便设置激励端口。Trace可以是微带线，亦可以是带状线。如果PCB的边缘被设置成理想电边界或者位于电边界上，未被设置端口的Trace默认为接地，与该Trace的端子也被认为接地。

在设置夹具时，最好将Trace的阻抗设计到与系统阻抗相近，如PCI-E的阻抗为85欧姆，差分微带阻抗最好也是接近85欧姆，这样可减少对仿真结果的影响，提高仿真精度。Trace阻抗可以用工具软件线计算，然后再用CST软件仿真，以保证其阻抗更接近系统阻抗值。这里用PCB Toolkit V7.06来粗算，如下：

夹具设计完成与Connector组装在一起，如下：

Step4 新建Project

点击MICROWAVES & RF/OPTICAL, 再选中Circuit & Components, 点击Next按钮，进入下一步。

在Create Project Template 中选中Multipin-unshielded Connector，点击Next按钮，进入下一步。

在Create Project Template 对话框中选中Time Domain，点击Next按钮，进入下一步。

在Create Project Template对话框中设置单位，然后点击Next按钮，进入下一步。

在Create Project Template对话框中设置频率及监控项目与监控频点，然后点击Next进入下一步。

在Create Project Template对话框中输入创建模版（Template）的名称，点击Finish按钮，完成模版创建。该模版可以在下次类似仿真分析项目调用，也就是说，如果下次分析与这次分析类似就不需要这样一步步地创建，直接调用这次创建的模版即可。

点击Finish按钮后，进入如下界面：

点击存储按钮图标，即可存储Project：

Step 5 导入模型

CST的Modeling Ribbon下，有导入模型的功能按钮：

导入模型后如下：

可以看出软件自动给模型定义了边界，这个边界是包含3D模型的最小长方体。

Step6 设置端口前的模型处理

无论是CST或者HFSS做差分对S参数求解，以般都是用波(导)端口, 波(导)端口较其它端口严格，其大小影响仿真分析结果的准确性,。有屏蔽的情况下波(导)端口的边界在屏蔽层内边缘上即可。无屏蔽端口则需有足够大或者说适当大。CST 提供了一个计算工具来计算波导端口的大小，如下:

对于小pitch连接器，宽度方向一般无法满足这一要求。可以用在差分对间隔接地Pin上画间隔片来解决，间隔片画好后，将其材质设为PEC。为何设为PEC？因为PEC材质默认接地（最安全还要使其有一面与边界相连）。如果Substrate的底面刚好在边界上，画PCB时可以不画底部覆铜。由于本示例在模型预处理时，没有将连接器Housing上的定位柱改短。可见软件自动生成的上下边界并不在PCB底面上，这样就需要给PCB增加覆铜。增加覆铜后，可以将覆铜的材质设为PEC。增加间隔片及覆铜后，如下：

Step7 设置端口

这里也与PCI-E标准测试方法一样，设置５个差分对端口，如下：

Step８设置背景

设置背景时可做适当延伸，得到结果类似HFSS的空气盒子一样的效果。

这里将背景设置为空气（Air）

设置完成后，如下：

Step9 设置边界条件

这里设置为电边界,即 Et = 0。

Step10 相交检查

相交检查是检查仿真模型中零件间是否存在相交。如果存在相交，则做出相应处理。

处理相交的方式有以下几个选项：

如果端子与Housing存在相交，选择Insert Highlighted S，由于端子间的相交已事先做过处理，这里不存在端子间相交。

Step11 网格设置

这里网格设置如下：

Step12 求解设置

求解设置如下：

Step13 求解

Step 11中设置好后，点击Start按钮，即可开始仿真求解。仿真求解是一个漫长的过程，且会产生庞大的结果文件，文件大小因模型大小，求解端口多少不同而不同，小的可能只有几十MB，大的有几百GB，甚至几个TB。不建议将Project文件放在SSD硬盘上，如果放在SSD上的话，可能不久这个盘就会出问题（SSD的擦写寿命在3000次左右）。这个示例的仿真结果也是很大的。不过，仅打包1D出结果，其大小(270MB)还是可以接受的。

Step 14 结果查看

CST的仿真结果查看相对HFSS要简单得多。在1D Results下可看到对应的项目：