CN1189249A - 低串扰和阻抗受控的电连接器和电缆组 - Google Patents

Abstract

披露一种电连接器和一种电缆组,其中导体单元和介质单元安排成复合工字梁形状结构,其中导体单元放在两个平行的介质和接地平面之间垂直方向的位置。我们发现,低串扰和受控阻抗来源于利用这种形状结构。

Description

低串扰和阻抗受控的电连接器和电缆组

本发明涉及电连接器，更具体地，本发明涉及含控制电串扰和阻抗装置的电连接器。

随着互连密度的加大以及接点间隔接近于0.025英寸或0.5mm，极其靠近的接点增大了接点之间强的电串扰耦合的可能性。此外，保持对接点之间电特性阻抗控制的设计变得越来越困难。在大多数互连中，成对的插头/插座接点被带空气隙的结构塑料包围，造成了接触片的机械间隙。如在Fedder的美国专利No.5,046,960中所披露的，可利用这些空气隙对成对接点的特性阻抗给以一些控制。然而，在此之前，没有利用这些空气隙以及塑料结构来控制阻抗和串扰，更重要的是，没有去控制串扰。

在本发明的连接器中有第一构件和第二构件，其中每一构件包括金属接触单元和介质基座。每一构件上的金属接触单元从介质基座的垂直方向伸出。两个金属接触单元连接在一起形成一般称之为“工字梁”形状结构。在工字梁结构下的构想是，使用成对接点边缘顶部和底部上经过结构介质到接地的强介质负载以及成对接点两侧上经过空气的较轻负载。保持受控的阻抗以及最大限度减小相邻接点之间耦合(和串扰)，通过这种方式使以上这两种不同的介质负载保持平衡。这样一来，在保持受控的阻抗以及较低的上升时间串扰积为百分之一纳秒的同时，全部互连线路能够用于传输信号。对于现有的0.05至0.025英寸间隔受控阻抗互连来说，典型的上升时间串扰积值的范围为2.5-4纳秒百分数。

本发明的工字梁结构也有利于用在电缆组中。在这种电缆组内，一个控制支承介质腹板竖直地放在两个相对的凸缘单元之间。每个凸缘单元从腹板终端竖直地向外伸出。在腹板的相对两侧有镀金属信号线。凸缘的两个相对端面涂敷金属以形成接地面。两个或多个这种电缆组可一起使用，使凸缘端面互相毗连，以及导电部分的纵轴互相平行。在整个电缆组的周围也可以放置绝缘套。

就具有本发明工字梁结构的连接器和电缆组而言，可以相信，在信地(signal to ground)比大于1∶1情况下，上升时间串扰积与信号密度无关。

结合附图对本发明进一步加以描述，这些附图是：

图1是本发明一个优选实施例连接器的概图；

图1a是本发明另一个优选实施例连接器的概图；

图2是本发明另一个优选实施例连接器的概图；

图3是图2所示连接器的另一种概图；

图4是本发明另一个优选实施例连接器的侧视图；

图5是图4所示连接器的端视图；

图6是图4所示连接器的透视图；

图7是图4所示连接器中插座的端视图；

图8是图7所示插座的底视图；

图9是取自图7中IX-IX直线的横断面视图；

图10是图4所示本发明优选实施例中插座的端视图；

图11是图10所示插座的底视图；

图12是是取自图10中XII-XII直线的横断面视图；

图13是图10所示插座的透视图；

图14是图4所示连接器中插头与插座在插入之前的横断面视图；

图15是取自图4中XV-XV直线的横断面视图；

图16是图13中本发明另一个优选实施例连接器的横断面视图；

图17和图18是以下要描述的比较试验测试结果曲线图；

图19是本发明一个优选实施例中电缆组的透视图；

图20是图17中圆XVIII内区域的详图；

图21是本发明另一个优选实施例中电缆组的横断面视图；

图22是图17所示电缆组与插座结合使用的侧视图；

图23是取自图20中XXIII-XXIII直线的横断面视图；

图24是本发明另一个优选实施例连接器中插头的顶视图；

图25是图24所示插头的底视图；

图26是图24所示插头的端视图；

图27是图24所示插头的侧视图；

图28是插座的顶视图，该插座可以与图24所示本发明一个优选实施例中插头配合；

图29是图28所示插座的底视图；

图30是图28所示插座的端视图；

图31是图28所示插座的侧视图；

图32是取自图24和图28中XXXII-XXXII直线的部分横断面视图，这些部分是图24和图28所示插头与插座处在未插入状态；以及

图33是取自图24和图28中XXXIII-XXXIII直线的部分横断面视图，插头与插座已处在插入状态。

理论模型

基本的工字梁传输结构表示在图1中。把这种传输线结构描述成工字梁是因为，一般用数字10表示的信号导体处在介电常数为ε的两个水平介质12与14之间的竖直位置，接地面13和1 5对称地放在信号导体的上边缘和下边缘。导体的两侧20和22朝着介电常数为ε₀的空气24。在一种连接器的应用中，该导体是由两段导体26和28构成，或端对端，或面对面衔接。介质层12和14的厚度t₁和t₂初步控制了传输线的特性阻抗，总高度h与介质宽度Wd的纵横比控制穿透到相邻接点的电磁场。最大限度减少A与B以外耦合的纵横比近似地等于1，如图1所示。图1中曲线30，32，34，36和38是空气-介质空间的电压等位线。取一条接近于接地面的等位线，并跟踪它指向边界A和B，可以看出，边界A非常接近于地电位，这意味着边界A和B是真正的接地面，如果两个或多个工字梁组件并排放置，组件之间是真正的接地面，组件之间不存在耦合。通常，导体宽度Wc和介质厚度应该小于介质宽度或组件间隔。

给定连接器实际设计中的机械约束，信号导体(闸刀/导板触头)宽度与介质厚度的比例关系必须与最佳比例有些偏离，使相邻信号导体之间存在一些微小耦合。然而，利用基本的工字梁结构为指导的设计比普通方法有较低的串扰。参照图1a，另一个实施例表示在此图中，介质用12’和14’表示，其相应的接地面为13’和15’。在此实施例中，导体26’和28’分别从介质层12’和14’伸出，但导体26’与28’是并排衔接而不是端到端衔接。一例用于0.025英寸间隔连接器的实际电路和机械工字梁设计使用8×8密耳导板26”和8×8密耳闸刀28”，当插入时，形成8×16密耳信号接点，接点的横断面表示在图2中。介质厚度t为12密耳。这种结构的电压等位线画在图3中，其中真正的地在相邻的接点位置，于是，相邻接点之间存在一些耦合。

参照图2，工字梁传输结构适应于非完全匀称的多导体系统。信号导体40，42，44，46和48在两个水平介质接地面50与52之间沿垂直方向伸展，介质的介电常数为ε。多个导体的侧面为空气间隔54，56，58，60，62和64。

参照图3，图中画出另一个多导体连接器，其中平行导体66，68和70在两个水平介质接地面72与74之间沿垂直方向伸展。多个导体的侧面是空气间隔76，78，80和82。

电连接器

具体参照图4至图12，本发明连接器通常由数字90表示的插头和用数字92表示的插座构成。插头最好包括金属的插头外壳94，此外壳有窄的前段96和宽的后段98。前段有顶部100和后部102。宽的后段有顶部104和底部106。插头还有两个端面108和110。在前段和后段的顶部有纵向槽112，114，116，118和119。在这些槽上有开孔120，122，124和126。类似地，在前段和后段的底部有纵向槽128，每个槽有开孔130。在顶部还有横向槽132，在底部有类似的底部横向槽134。插头还有后支座136和138。具体参照图9，可以看出，插头包含介质单元140，该单元有后端的向上伸出物142和后端的向下伸出物144以及主要的向前伸出物146和次要的向前伸出物148。外壳还包括相对放置的向下伸出突出物150和向上伸出突出物152，此两个突出物有助于介质固定。在插头顶部的纵向槽内有顶部轴向接地弹簧154，156，158，160和162。在横向槽内也有顶部横向接地弹簧164。这个横向接地弹簧藉助接地弹簧紧固件166，168，170和172固定在外壳上。在纵向接地弹簧的向后终端有顶部接地触头176，178，180，182和184。类似地在插头底部的槽内有底部纵向接地弹簧186，188，190，192和194。在底部横向槽内有如同顶部横向接地弹簧的底部横向接地弹簧196，此弹簧藉助接地弹簧紧固件198，200，202，204和206固定在外壳上。在接地弹簧的向后终端有底部接地触头208，210，214和216。插头还包括一般用数字218表示的金属接触部分，它包括前隐藏段220，中间接触段220和后信号插针224。相邻的信号插针用226表示。其他的信号插针画在如图7中的228，230，232，234和236。这些插针穿过介质中的缝隙238，240，242，244，246，248和250。介质被伸出金属外壳的锁252，254，256和258原地锁住。再具体参照图9，插头包括插头前开孔260以及插头的上内壁和下内壁262和264。从图9也可以看出，接地弹簧的凸部266和268穿过纵向槽内的开孔。具体参照图10至图12，可以看出，插座最好包括金属的插座外壳270，它有一窄的前部272和一较宽的后部274。前部有顶边276和底边278，后部有顶边280和底边282。插座还有相对的两个端面284和286。在插座的顶部有纵向槽288，290和292。类似地，在底部有纵向槽294，296和298。在顶部也有开孔300，302和304。在底部有几个开孔306，308和310。插座还包括后支座312和314。具体参照图12，插座包含一般用数字316表示的介质单元，该单元有后向上伸出物318，后向下伸出物320，主要的向前伸出物322和次要的向前伸出物324。介质的固定藉助向下外壳突出物326和上向外壳内部突出物328与后保持板330。在每一开孔内有连接顶部接地柱334的接地弹簧332。另外的顶部接地柱336和338也用类似的方法固定。底部接地弹簧340连接到接地柱342，其他的接地柱344和346固定到相邻的类似接地弹簧。具体参照图12，插座也包括通常用数字348表示的金属接触部分，它有前端隐藏部分350，中间接触部分352和后向的信号插针354。相邻的信号插针用356表示。这些插针通过缝隙358和360向后伸出。介质还被介质锁362和364固定在外壳内，插座还包括前开孔365和外壳内表面366。具体参照图13，这个插座的透视图更详细地画出金属接触部分350的结构，展示出多个交替的纵向脊367和纵向槽368，插座的金属接触部分218上类似的结构与这些脊和槽啮合。

具体参照图14和图15，此二图分别表示插头与插座处在未插入和插入的状态。可以观察到，插头介质部分主要的向前伸出物146与插座介质部分次要的向前伸出物首尾相接。插座介质部分主要的向前伸出伸物与插头介质部分次要的向前伸出物首尾相接。也可以观察到，插头的金属接触单元上末端凹口与插座的金属接触单元并排对接。插座的金属接触单元末端凹口与插头的金属接触单元并排对接。接线外壳的前端与插头内壁搭合。插头的接地弹簧与插座的规定前侧壁衔接并有电路连通。可以注意到，当插头外壳与插座外壳在轴向啮合时，在图15所示的连接器中，插头金属接触单元和插座金属接触单元分别从插头介质单元和插座介质单元沿轴向向内伸出并互相搭合。也可以注意到，插头介质单元和插座介质单元分别从插头金属接触单元和插座金属接触单元沿轴向向外伸出。

参照图16，可以看出，本发明另一个实施例的连接器一般包括通常用数字590表示的插头和通常用数字592表示的插座。插头包括插头外壳594，还有插头接地接触单元596，插头接地弹簧598，插头信号插针600和602，接头接触单元606以及介质嵌入物608。插座包括插座外壳610，插座接地接触单元612，插座接地弹簧614和插座接触单元616。还提供了对准框架618以及插座信号插针620和622。可以理解，这种配置也具有上述同样的工字梁结构。

比较试验

按照上述第一个实施例中0.05”间隔按比例放大模型的连接器，在上升时间为351sec条件下测得的近端(NEXT)和远端(FEXT)串扰表示在图17中，在NEXT波形中约7％的波谷是来自连接器工字梁段的近端串扰。波谷之前和之后的波峰来自连接器输入段和输出段的串扰，由于机械制约，其中工字梁结构不能维持。

在上升时间大于通过连接器的连接器两倍延迟的范围内串扰性能相对于其他的连接器系统而言，最好用测得的上升时间串扰积(纳秒百分数)与信号密度(信号/英寸)的曲线图来说明。不同的信号密度对应于连接器中不同的信地比连接。图18中画出三种信地比，1∶1，2∶1，全部信号情况下，测得的0.05”间隔按比例放大模型工字梁连接器中上升时间串扰积。由于按比例放大模型的串扰是0.025英寸设计的串扰两倍，可以容易地推算出0.025英寸间隔单排设计的性能，信号密度为两倍，串扰为放大模型的1/2。对于双排设计，信号密度为放大模型的四倍，串扰仍为其1/2。图18中也画出单排和双排0.025英寸间隔连接器推算出的性能，以及在此图中与此对比的几个普通连接器性能。0.025英寸间隔工字梁连接器在全部信号情况下的上升时间串扰积为0.75，且远小于各个高信地比下其他互连的上升时间串扰积。具体参照图18中0.05英寸间隔模型的曲线，图18中还画出了几个普通连接器的曲线作为对照。0.025英寸间隔工字梁连接器在全部信号情况下的上或时间串扰积为0.75，且远小于各种高信地比下其他互连的上升时间串扰积。具体参照图18中0.05英寸间隔模型的曲线，可以看出，上升时间串扰积在信地比大于1∶1情况下与信号密度无关。

电缆组

参照图19和图20，可以看出，本发明连接器获得的有益结果也可以在电缆组中得到，就是说，介质也可以挤压成工字梁形状，导体可放在工字梁的腹板和水平凸缘上，以获得上述的低串扰。工字梁介质挤压件用数字369和370表示。每一介质伸出物有腹板371，它放在两个凸缘372与373上下边之间的垂直方向位置。凸缘有面朝内的内表面和面朝外的外表面，这内外表面分别有金属化的上接地面部分374和376以及金属化的下接地面部分378和380。腹板在其侧面也有导电层，工字梁伸出物370有竖直信号线382和384，工字梁伸出物374有竖直信号线386和388。这些竖直信号线和接地面部分最好是金属制品，如金属带。可以理解，每个伸出物上那对竖直金属部分构成一信号线，与控制阻抗和串扰有关的工字梁结构性质同以上讨论本发明连接器的大致相同。具体参照图20，可以看出，工字梁伸出物上有联锁台阶390和392，以保证电缆组中每个工字梁单元对齐。参照图21，一般用数字394，  396和398表示的工字梁单元如上所述是金属化的，可以隐藏在一般用数字400表示的薄片弹性绝缘外套内。因为工字梁单元有规则的排列成共线阵列，除了在插入端口去掉薄片外套以外，工字梁电缆组能够直接插入插座而不需要任何电缆夹具。插座可以有接触导板，它与构成接地金属和信号金属的闸刀配合。具体参照图23，可以看出，一般用数字402表示的插座有信号接触单元404和406，它们分别与工字梁单元412和414的竖直部分搭合。参照图22，插座还包括接地接触单元412和414，它们分别与金属化的上接地面部分416和418接触。可以相信，上述电缆组的上升时间串扰积在信地比大于1∶1情况下与信号密度无关。

球栅阵列连接器

此处描述的工字梁结构中介质单元和导体单元的布置也适用于球栅阵列型电连接器。用于这种连接器的插头画在图24至图27中。参照这些附图，插头一般用数字420表示。此插头包括介质基座422，介质外壁424，金属信号插针426，428，430，432，434，它们排列成多排，并从基座垂直向上伸出。纵向伸出的金属接地单元或功率单元436，438，440，442，444和446位于信号插针各排之间，并从基座垂直向上伸出。插头还包括对准安装插针448和450，插头在其底部还有多排导电焊片452和454。

参照图28至图31，与插头420相配合的插座一般用数字456表示。此插座包括介质基座458，周边凹口460和多排金属插针的插口462，464，466，468和470。金属接地单元或功率单元的插口472，474，476，478，480和482位于多排插针的插口之间。插座在其底部有对准安装插针484和486。

可以理解，由于有了工字梁形状结构的所述电连接器能够有低的串把和受控阻抗。

也可以理解，由于有了同样形状结构的所述电缆能够有低的串扰和受控阻抗。

虽然本发明是结合带各种附图的优选实施例给以描述的，但是应当明白，可以利用类似的实施例，或对上述实施例提出修正和补充，以完成本发明的相同作用而不偏离本发明。所以，本发明不应受任何单个实施例的限制，而应该与所附权利要求的陈述在广度和深度上联系起来。

Claims (52)

1.一个电连接器，包括第一构件和第二构件，第一构件包含金属接触单元和介质基座，其中金属接触单元一般从介质基座的垂直方向伸出，第二构件包含第二金属接触单元和第二介质基座，其中第二金属接触单元一般从第二介质基座的垂直方向伸出，第二金属接触单元与第一构件中的金属接触单元电连接。

2.按照权利要求1的电连接器，其中第一构件和第二构件中介质基座各自有接地装置。

3.按照权利要求2的电连接器，其中第一构件中金属接触单元与第二构件中金属接触单元相接。

4.按照权利要求3的电连接器，其中多个金属接触单元从第一构件的介质基座伸出，它们之间有间隔且平行；多个金属接触单元从第二构件的介质基座伸出；从第一构件伸出的所述多个金属单元中的每一个与所述第二构件的所述金属接触单元中的一个电连接。

5.按照权利要求4的电连接器，其中从第一构件伸出的多个金属接触单元中的每一个与从第二构件伸出的所述多个金属接触单元之一相接。

6.按照权利要求5的电连接器，其中第一构件是插头终端，第二构件是插座。

7.按照权利要求6的电连接器，其中插头包括外壳，此外壳内有金属接触单元和介质基座。

8.按照权利要求7的电连接器，其中介质基座有一向前伸出物。

9.按照权利要求8的电连接器，其中介质基座的向前伸出物有多个槽，各槽之间有间隔且平行，多个金属接触单元中的每一个放在所述多个有间隔且平行的槽的一个内。

10.按照权利要求9的电连接器，其中插头外壳有一后开口以露出介质基座。

11.按照权利要求10的电连接器，其中金属接触单元向后伸出，经过介质基座到终端后向接头。

12.按照权利要求11的电连接器，其中插头带有接地装置。

13.按照权利要求12的电连接器，其中插头外壳有一外侧面，接地装置是一弹簧，此弹簧沿着外壳的外侧面伸出且由此向后伸出。

14.按照权利要求6的电连接器，其中插座包括外壳，此外壳内有金属接触单元和介质基座。

15.按照权利要求14的电连接器，其中介质基座有一向前伸出物。

16.按照权利要求15的电连接器，其中介质基座的向前伸出物有多个相间隔且平行的槽，多个金属接触单元中的每一个放在所述多个相间隔且平行的槽的一个内。

17.按照权利要求16的电连接器，其中插座外壳有一后开口以露出介质基座。

18.按照权利要求17的电连接器，其中金属接触单元向后伸出，经过介质基座到终端后向接头。

19.按照权利要求18的电连接器，其中插座带有接地装置。

20.按照权利要求17的电连接器，其中插头外壳有一外侧面，接地装置是一弹簧，此弹簧沿着外壳的外侧面伸出且由此向后伸出。

21.按照权利要求3的电连接器，其中第一构件和第二构件的金属接触单元都有端子，所述接触单元端子互相衔接。

22.按照权利要求3的电连接器，其中第一构件和第二构件的金属接触单元都有相对的侧面，所述接触单元侧面之间互相衔接。

23.一个在电连接器中减小串扰和控制阻抗的方法，此方法的步骤包括：提供第一和第二介质基座，将所述第一与第二介质基座用金属接触单元连接起来，金属接触单元的方向垂直于所述第一和第二介质基座，以及使所述第一和第二介质基座接地。

24.一个电连接器，它包括：

(a)带插头外壳的插头，此外壳至少部分地围住插头接触单元和插头介质单元，其中所述插头接触单元从所述插头介质单元沿轴向向内伸出，所述插头介质单元至少从所述插头接触单元一个方向沿轴向向外伸出；和

(b)带插座外壳的插座，此外壳至少部分地围住导电插座接触单元和插头介质单元，其中所述插座接触单元从所述插座介质单元沿轴向向内伸出，所述插座介质单元至少从所述插座接触单元一个方向沿轴向向外伸出，所述插座外壳与所述插头外壳沿轴向连接，所述插座接触单元与所述插头接触单元衔接。

25.按照权利要求24的电连接器，其中导电插头接触单元和导电插座接触单元大体上分别沿着插头介质单元和插座介质单元的垂直方向伸出。

26.按照权利要求24的电连接器，其中提供了插头介质单元和插座介质单元的接地装置。

27.按照权利要求24的电连接器，其中插头外壳和插座外壳都是金属。

28.按照权利要求24的电连接器，其中插头接触单元和插座接触单元分别从插头介质单元和插座介质单元沿轴向向外伸出，分别经过插头介质单元和插座介质单元，分别终止在至少一个插头信号管脚和至少一个插座信号管脚。

29.一个电连接器，其中上升时间串扰积在信地比大于1∶1情况下与信号密度无关。

30.一个电缆组，它包括金属元件，此金属元件大体垂直地放在相对的两个介质元件之间。

31.按照权利要求30的电缆组，其中相对的两个介质元件包括接地装置。

32.按照权利要求31的电缆组，其中中央介质支承腹板垂直地放在相对的两个介质元件之间，金属元件固定在中央介质支承腹板上。

33.按照权利要求32的电缆组，其中相对的两个介质元件是凸缘。

34.按照权利要求33的电缆组，其中凸缘从介质元件沿横向伸出。

35.按照权利要求34的电缆组，其中金属元件靠近腹板从所述介质元件之一到另一个所述相对的介质元件伸出。

36.按照权利要求35的电缆组，其中腹板有两个相对的横向表面，金属元件固定在所述两个横向表面中至少一个上。

37.按照权利要求36的电缆组，其中金属元件固定在所述腹板两个横向表面上。

38.按照权利要求37的电缆组，其中腹板相对的两个横向表面镀金属。

39.按照权利要求38的电缆组，其中相对的介质元件有接地面。

40.按照权利要求39的电缆组，其中相对的介质元件有相对的介质外部镀金属表面。

41.按照权利要求40的电缆组，其中所述电缆组放在与第二电缆组大致平行相邻的位置，所述第二电缆组包括金属元件，此金属元件大体垂直地放在相对的两个介质元件之间。

42.按照权利要求41的复合电缆组，其中第二电缆组相对的介质元件包括接地装置。

43.按照权利要求42的复合电缆组，其中第二电缆组内中央介质支承腹板垂直地放在相对的两个介质元件之间的位置，金属元件固定在中央介质支承腹板上。

44.按照权利要求43的复合电缆组，其中第二电缆组内相对的介质元件是凸缘。

45.按照权利要求44的复合电缆组，其中第二电缆组内相对的介质元件有接地面。

46.按照权利要求45的复合电缆组，其中第二电缆组上凸缘与第一电缆组上凸缘之间端子互相衔接。

47.按照权利要求46的复合电缆组，其中所述复合电缆组被绝缘套围住。

48.按照权利要求40的复合电缆组，其中电缆组与一插座配合，此插座有两个相对的接触单元，与腹板的金属面配合。

49.按照权利要求48的复合电缆组，其中插座有接地接触装置，此接触装置与相对的两个介质外部金属面接触。

50.一个在电缆组中减小串扰和控制阻抗的方法，此电缆组有运载电信号的导体，该方法包括的步骤为：提供第一和第二介质基座，将所述导电体大体上垂直地放在所述第一介质基座与第二介质基座之间的位置，以及提供一个给所述第一和第二介质基座接地的装置。

51.一个电缆组，它包括：

(a)一对相互之间有间隔且平行的细长介质凸缘，每一凸缘有面向内的内部表面和与其相对的外部表面；

(b)至少部分重叠在所述凸缘外部表面的导电层；

(c)有相对边缘和相对横向侧面的细长中央介质腹板，它竖直地放在所述介质凸缘之间，使所述相对边缘中的每一边缘固定在介质凸缘的一个内表面；以及

(d)至少部分重叠在一个腹板横向侧面的导电层。

52.一个电缆组，其中上升时间串扰积在信地比大于1∶1情况下与信号密度无关。

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