摘要/前言

Samtec Flyover?電纜系統旨在將信號從印刷電路板（PCB）上移出，以改善信號完整性，提升設計靈活性，并優(yōu)化散熱性能。這些產(chǎn)品通過(guò)低損耗、低skew的雙同軸電纜傳輸高速信號。它們的工作距離可長(cháng)達數英尺，同時(shí)無(wú)需使用外部時(shí)鐘數據恢復（CDR）或重定時(shí)器（Retimer）。

——白皮書(shū)概要

本白皮書(shū)包含了實(shí)測數據和示例，解釋了為什么在高速設計中，電纜解決方案可能更好。它還解決了諸如電纜管理和成本等方面的問(wèn)題。

——作者簡(jiǎn)介

本文作者是Anthony Fellbaum，作為 Samtec 高級現場(chǎng)應用工程師兼業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理， 他致力于為客戶(hù)提供技術(shù)咨詢(xún)和合作，以幫助他們確定最適合其獨特應用場(chǎng)景的互連解決方案。他在背板、高速測試設備、射頻多路復用器和可編程邏輯器件等領(lǐng)域的設計經(jīng)驗，涵蓋了電信、航天、智能手機和ODM行業(yè)，使他成為了業(yè)內資深的技術(shù)專(zhuān)家。Anthony 擁有湖首大學(xué)的電氣工程學(xué)位，并是安大略省專(zhuān)業(yè)工程師協(xié)會(huì )的成員。

本次，我們將分為上中下三期，為大家帶來(lái)完整版白皮書(shū)，并在最后一期提供完整漢化版的下載鏈接。

電纜提供更佳性能

典型 PCB 材料的插入損耗（IL）與頻率的關(guān)系是眾所周知的。相比之下，Samtec Flyover?電纜的損耗明顯低于任何 PCB 級別材料。圖 1 比較了三種典型PCB 材料和兩種美國線(xiàn)規（AWG的 Samtec Flyover?電纜（30 AWG 和 34 AWG）的插入損耗幅度（以 dB 為單位）。為了更容易進(jìn)行比較，圖中顯示的是 10 英寸長(cháng)度的對比。

圖1：與典型的PCB材料相?，50GHz范圍內的10英? Samtec Flyover?電纜的差分插?損耗（藍?和綠?曲線(xiàn)）。溫度圖中包含0-60%的相對濕度。

在圖 1 中，對于典型的以 14 GHz 奈奎斯特頻率運行的高速信號，傳統的 PCB 材料（如黃色所示）損耗很大。因此，設計人員可能會(huì )選擇更高級別的材料（如圖中淺粉色和深粉色所示），其損耗特性明顯更好（請注意，溫度變化也會(huì )顯著(zhù)降低損耗性能）。然而，即使是最好的 PCB 性能也遠遠低于 Samtec 低skew高速雙同軸電纜（圖 1 中的綠色 30 線(xiàn)規，藍色 34 線(xiàn)規）。

在 Samtec Flyover? 系統中，30 AWG 電纜在 28 Gbps PAM4/14 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為?1.2 dB，在 56 Gbps PAM4/28 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為-1.4 dB。Samtec 34 AWG 電纜在 28 Gbps PAM4/14 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為-0.8 dB，在 56 Gbps PAM4/28 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為?-1.4 dB。

我們還需注意這些材料在溫度和相對濕度下的穩定性（溫度圖中包含了 20-80%的相對濕度）。如上圖所示，PCB 材料的損耗性能隨著(zhù)溫度的變化而顯著(zhù)下降。而 Samtec Eye Speed?雙同軸電纜由于電纜中使用的電介質(zhì)具有很低的吸濕性能，因此性能非常穩定。

上述圖表僅比較了 PCB 走線(xiàn)與電纜導體。為了建立電纜系統，需要使用連接器。為了全面反映電纜解決方案的損耗情況，圖 2 顯示了帶有添加連接器的插入損耗。該圖描述了Samtec 長(cháng)度為 0.25 米的 NovaRay? Flyover?系統的測量插入損耗性能。您可以注意到互連部分的附加損耗，其中包括連接器的占位和分線(xiàn)區域設計。測試電纜和走線(xiàn)的去嵌入范圍延伸至連接器基底面的約 2 毫米處。

圖 2：0.25 米長(cháng)度的 Samtec NovaRay Flyover?系統性能圖顯示出色

為什么電纜比PCB性能更好呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電纜相較于 PCB 傳輸線(xiàn)提供更好的信號完整性；具體來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)在給定應用中，Flyover?電纜的損耗特性比 PCB 傳輸線(xiàn)更好。這種性能的提高主要歸因于兩個(gè)因素：所使用的絕緣（電介質(zhì)）材料以及導體的電氣性能。

Samtec Eye-Speed?雙同軸電纜中銅周?chē)慕^緣材料比用于支撐 PCB 傳輸線(xiàn)的編織材料具有明顯更低的相對介電常數（導致電氣路徑更短），并且損耗因子也低得多，降低了一個(gè)數量級（見(jiàn)圖 3）。PCB 采用類(lèi)似于玻璃纖維的高端織物制造，具有出色的電氣性能，但其整體電介質(zhì)特性不如 Eye Speed? 30 歐姆雙同軸電纜中使用的含氟聚合物。

與介電常數（Dk）約為 3 的高端 PCB 材料（例如 Megatron）相比，含氟聚合物的介電常數較低，為 2。Samtec 采用專(zhuān)有的含氟聚合物，具有非常低的 Dk 和損耗角正切，與使用類(lèi)似材料的電纜相比，具有更好的損耗性能。Samtec 不斷在其電纜產(chǎn)品中推進(jìn)電介質(zhì)材料和性能的最新技術(shù)，比如其 Eye Speed?超低skew雙同軸產(chǎn)品。

圖 3：Samtec Eye Speed?共擠雙同軸電纜消除了單獨擠壓的電介質(zhì)雙同軸電纜的性能限制和不一致性，提高了信號完整性、帶寬和高性能系統架構的覆蓋范圍。

Samtec 的超低skew雙同軸電纜比 PCB 傳輸線(xiàn)具有更好的損耗特性的另一個(gè)原因是導體的尺寸。典型的高速走線(xiàn)，根據走線(xiàn)寬度，其橫截面積約為 20 mil2（在本例中，每個(gè)導體寬度為 10 mil，高度為 2.5 mil），但?Samtec 最受歡迎的 30 AWG 雙同軸規格電纜的橫截面積約為 100 mil2（每個(gè)導體直徑為 0.010 英寸）。

這幾乎是高速走線(xiàn)相對橫截面積的?8 倍，結果是同等長(cháng)度的導體中?Samtec Flyover?電纜的插入損耗顯著(zhù)降低?？紤]到趨膚效應會(huì )導致高速信號使用導體的外周，隨著(zhù)頻率的升高，導體尺寸變得更加重要。

此外，Samtec 高速電纜使用銀鍍層，其導電性能顯著(zhù)優(yōu)于銅，從而在高頻下實(shí)現更低的插入損耗。電纜導體采用壓延銅，與蝕刻PCB走線(xiàn)相比，表面粗糙度要低得多。所有這些因素在高頻傳輸中都起著(zhù)重要作用。

對于PCB材料而言，除了材料固有的電氣特性外，電介質(zhì)的編織結構也會(huì )影響數據速率低的信號，因為編織會(huì )形成微米級信號。這被稱(chēng)為纖維編織skew。隨著(zhù)數據速率和/或頻率的增加，纖維編織skew的影響將更大。

為了提高信號完整性并避免纖維編織skew的影響，PCB制造商不斷創(chuàng )造出編織更緊密的新型高端材料。但設計人員仍必須關(guān)注其走線(xiàn)角度，并盡可能地補償幾何限制。

相比之下，Samtec Flyover?電纜采用擠塑工藝制造，因此銅周?chē)碾娊橘|(zhì)是均勻的材 料，沒(méi)有編織或紋理（見(jiàn)圖 4）。這會(huì )在導體周?chē)纬删鶆虻牟牧?，以保持信號的完整性。例如，使?Samtec Eye Speed? 電纜，線(xiàn)對內偏移<0.5 ps（以米為單位測量）。

圖 4：Samtec 專(zhuān)有的 Eye Speed?共擠雙同軸電纜技術(shù)消除了單獨擠壓的電介質(zhì)雙同軸電纜的性能限制和不一致性， 提高了信號完整性、帶寬和高性能系統架構的覆蓋范圍。

所以為什么電纜比PCB更好呢？更好的電介質(zhì)、共擠技術(shù)，以及更大、鍍銀、表面粗糙度較低的導體的組合，使得Samtec的超低skew雙同軸電纜中的高速信號損耗性能明顯優(yōu)于 PCB 走線(xiàn)。

小 結

本文為系列第一期，引出了對于電纜的深度思考，在后續兩篇中，我們將討論電纜如何降低設計復雜性、電纜如何改善熱管理、如何利用Flyover?優(yōu)化設計等實(shí)踐話(huà)題，并提供完整版的下載渠道。