具有减少接地低频噪音的连接器.pdf

本发明公开一种高速信号连接器，其包括容纳多个信号导体(24；124，125；224，225)和至少一个接地导体(28；126；226)的壳体(14；29；129)。该至少一个接地导体包括不同导电材料的共同扩张层，该层至少包括具有预定导电率和渗透率的第一导电基层(32；132；232)和具有不同预定导电率和渗透率的第二导电顶层(31；131；231)。

1、  一种高速信号连接器，其包括容纳多个信号导体和至少一个接地导体的壳体，其中：
该至少一个接地导体包括不同导电材料的共同扩张层，该层至少包括具有预定导电率和渗透率的第一导电基层和具有不同预定导电率和渗透率的第二导电顶层。

2、  根据权利要求1所述的高速信号连接器，其中，在一个传输频率，所述第二导电顶层具有至少是趋肤深度二倍的厚度。

3、  根据权利要求1所述的高速信号连接器，其中，所述壳体包括至少一个具有相对的主表面的印刷电路板晶片，信号导体设置在其中一个主表面上，且该至少一个接地导体设置在另一个主表面上。

4、  根据权利要求1所述的高速信号连接器，其中，所述壳体包括多个具有相对的主表面的印刷电路板晶片，信号导体设置在晶片的主表面上，且进一步包括设置在主表面上的多个上述接地导体，每一个接地导体与各自的其中一个信号导体相对。

5、  根据权利要求1所述的高速信号连接器，其中，所述信号导体设置成两排，且所述接地导体位于两排的中央。

6、  根据权利要求5所述的高速信号连接器，其中，所述第二导电顶层形成多个平行延伸于信号导体的条。

7、  根据权利要求6所述的高速信号连接器，其中，每个所述条在相关成对的信号导体之间对齐。

8、  根据权利要求6所述的高速信号连接器，其中，每个所述条从包括一相关成对的信号导体的一个平面偏移。

具有减少接地低频噪音的连接器
技术领域
本发明涉及一种电连接器，其相对于因“趋肤效应”所导致的信号衰减具有改善的降噪特性。
背景技术
由于公知的“趋肤效应”现象，电磁场和电流在高频段通过导体的分布是不均匀的。例如，在被施加频率增大的电磁波的平面导体的情况下，在零或足够低的频率段，在整个导体中电磁场和电流分布基本上是均匀分布的，且导体的有效电阻处于最小。随着频率增加，电磁场和电流幅度随着进入导体深度的增加成指数地减少。导体中电流密度分布由下述表达式给出：
J = J 0 e - x δ ]]>
其中，J₀是导体表面处的电流密度，x是深入导体的深度，δ是一个趋肤深度或一个趋肤厚度，其由下面的表达式给出：
δ = 1 πμσf ]]>
其中，δ以米表示，f是以每秒若干循环(赫兹)表示的电磁波频率，μ是以亨利每米表示的导体渗透率，且σ是以欧姆每米表示的导体传导率。
因数δ表示距离，在该距离中渗透到金属中的厚度是δ许多倍的电流和场会减少一个奈培，即它们的幅度将变为等于它们在导体表面处的幅度的1/e＝0.36788...倍。由导体承载地总电流可以被精确地计算为一个恒定的电流，该电流幅度值等于仅渗透到导体中深度δ的表面处的数值。
在实际应用中，当趋肤深度小于导体的物理尺寸时会出现趋肤效应的影响。由于趋肤深度是信号频率的函数，所以在导体尺寸范围上的所关心的趋肤效应也与信号频率有关。在音频频率，有很小的影响，然而在无线电或微波频率趋肤效应将是主要的因素。
在信号传输系统及其元件中，在常规的传输速率下，由于相对于频率的信号衰减和信号相对相位的变化，趋肤效应导致一些信号失真。当然，这就在这些应用中限制了传输线的有用长度。如果信号振幅损失太严重，将需要使用放大器，这将增加通信系统的成本、体积和复杂度。与高频信号的衰减特性相关的频率互连是非常不利的，因为其使得在一个周期上所述线的均衡化基于一个复杂和昂贵的过程。在这点上，均衡器必须表现出与衰减特性相关的补偿频率，该特性是用于预定信号路径的传输线的物理和电特性的函数。
对于公知的连接器存在相似的缺陷。由于相对于频率的信号衰减和信号相位的变化，趋肤效应导致信号失真。随着连接器尺寸的减小，趋肤效应缺陷的重要性不断增加。
前面示出了公知的存在于现有连接器中的缺陷。由此，提供一种直接克服上述一个或多个缺陷的具有改进的信号传输特性的连接器是有利的。因此，提供一种包括在下文中更加充分公开的特征的适合方案。
发明内容
一种高速信号连接器包括容纳多个信号导体和至少一个接地导体的壳体。该至少一个接地导体包括不同导电材料的共同扩张层，该层至少包括具有预定导电率和渗透率的第一导电基层和具有不同预定导电率和渗透率的第二导电顶层。
导电基层的渗透率与导电率的比率与导电顶层的渗透率与导电率的比率之间的关系由下述表达式给出：
μ 2 σ 2 > > μ 1 σ 1 ]]>
在整篇说明书中下标(1)表示导电顶层以及下标(2)表示导电基层。
附图说明
图1是根据本发明在壳体中具有多个子卡的连接器的一个实施例的透视图；
图2是与图1的连接器啮合的配合接口的透视图；
图3是图1的子卡和壳体的侧视图；
图4是诸如应用于图1实施例中的多个子卡的剖视图；
图5是根据本发明的连接器的第二实施例的侧视图；
图6是图5的连接器的俯视图；
图7是沿图6的线7-7的剖视图；
图8是沿图7的线8-8的剖视图；
图9是根据本发明的另一个实施例的透视图；
图10是图9的连接器的剖视图；
图11是本发明的另一实施例的剖视图。
具体实施方式
导体的趋肤深度的量在决定通过传输线或其它导电信号传输元件的预定电信号的衰减方面是非常显著的。用于电磁场和电流的指数解提供电流分布的简化的表示，其中导体中的总电流局限在厚度等于趋肤深度的层。在固体导体的情况下，相对于一个趋肤深度的电流的有效局限性建立了导体的每单元宽度和单元长度的有效表面电阻，其由表达式给出：
R s = 1 σδ ]]>
其中R_S是表面电阻，σ是导体的导电率，且δ是导体的趋肤深度。由于该表面电阻，传输线的每单元长度的衰减由表达式给出：
α = R s 2 wZ 0 ]]>
其中w是导体表面的宽度，且Z₀是传输线的固有阻抗。在这个例子中，当指数近似值有效时，每单元宽度和单元长度的导体的内部电感由表达式给出：
L i = R s 2 πf ]]>
与内部阻抗相关的频率导致一个频率处的信号相对于其它频率处的信号的相位偏移。
每单元长度的导体的表面电阻的减少将导致信号传输质量的改进且增加传输线的最大有用长度。
重要的是，如果相对于导电顶层的趋肤深度，导电顶层的厚度被合理确定，通过这个顶层传播的信号的衰减将基本上与频率无关。
本发明的重要方面在于可以实现多层接地迹线或信号回路，其中通过接地迹线传播的信号衰减基本上与传输信号的频率无关，这个接地由导电基层和导电顶层限定。
以高速连接器形式的本发明的应用有利于这些概念的公开。图1-3以高密度多片互连10的形式描述了本发明的一个实施例。一种这样的装置是由Tyco Electronics提供的MULTIGIG RT1连接器系统。连接器10具有容纳在壳体14中的印刷电路板(PCB)晶片设计的多个子卡12。每个子卡12包括多个接触表面16，18。导电针20电连接到相关子卡的某些接触表面16。接触表面18通过配合接口22而啮合。对于这种连接器10的应用包括高端服务器的背板，电话公司转换器和网络设备。连接器10可以应用在需要用于单端或不同对信号的坚固连接器的系统中。
子卡12包括多个设置在子卡的相对的主表面上的导电迹线。导电迹线包括信号导体24和接地导体26，28。图4示出了根据本发明实现的多个子卡12的剖视图。子卡12是PCB晶片30设计且包括多个信号导体24和多个接地导体26，28。PCB晶片30通常是平面的绝缘衬底。信号导体24和接地导体26，28作为导电迹线使用公知的PCB制造技术设置在PCB晶片30的相对的主表面上，PCB制造技术的细节与本发明无关但是对于本领域的普通技术人员中的任一个都是理解的。接地导体26由单独的导电层构成，而接地导体28包括两个不同的导电层31，32。
特别适用于顶层31的材料是那些相对于基层32具有高导电率和/或低渗透率的材料，例如但是并不局限于银，铜，金，铝或锡。此外，特别适用于建立基层32的材料是那些相对于顶层31具有低导电率和/或高渗透率的材料，使得R₃₂＞＞R₃₁。适合的基层32材料包括但是并不局限于铁，镍或含有铁和/或镍的合金。这种材料允许通过增加导电基层32的表面电阻而使电流密度在高的导电顶层31中增加。
根据这里的教导，复合接地导体28的导电基层32和导电顶层31从建立条件R₃₂＞＞R₃₁的材料中选择。在此种情况下，通过复合导体传输的信号的衰减将大致与信号的频率无关。特别是，通过合并趋肤深度δ表达式与表面电阻R₃₂的关系，可以看出R₃₁将直接以材料特性的形式表示，如下述表达式给出的：
R s = πf μ σ 30 ]]>
因此，关系R₃₂＞＞R₃₁可以直接以导电基层和导电顶层的材料特性的形式再次表示，如下述表达式给出的：
μ 32 σ 32 > > μ 31 σ 31 ]]>
根据本发明的教导制成的复合接地导体28将合并导电基层32，该导电基层32相对于导电顶层31具有更低的导电率和/或更高的渗透率，使得R₃₂＞＞R₃₁。
特别适用于顶层31的材料是那些相对于基层32具有高导电率和/或低渗透率的材料，例如但是并不局限于银，铜，金，铝或锡。此外，特别适用于建立基层32的材料是那些相对于顶层31具有低导电率和/或高渗透率的材料，使得R₃₂＞＞R₃₁。合适的基层32材料包括但是并不局限于铁，镍或含有铁和/或镍的合金。这种材料允许通过增加导电基层32的表面电阻而使电流密度在高的导电顶层31中增加。
根据本发明的接地导体28用于高频信号传输，其允许接地迹线或信号回路的衰减和相位响应的修正作为频率的函数进行修正。通过改变导电顶层31的厚度和导电基层32与导电顶层31的材料特性，可以调节相对于频率的信号相位和衰减的响应。在这点上，R₃₂相对于R₃₁越大，信号衰减和信号相位变为信号频率的函数越线性。对于根据本发明的教导制成的连接器10，其中导电顶层31的厚度显著地小于导电顶层31的趋肤深度，在预定频率范围内的所有频率，可以理解的是接地导体28的衰减基本上与所述频率范围内的频率无关。正如本领域的技术人员也会理解的那样，因为导电顶层31制造的厚度相对于趋肤深度显著地大，所以在预定频率范围内的所有频率，衰减将变得基本上等于固体导体的衰减。通过在数值范围内改变顶层厚度31，优选至少是趋肤深度的二倍，可以得到各种各样的需要的频率响应。关于信号传输的一个效果将会是由多个以本发明的信号导体24传输的频率成分构成的信号将显示出比在现有技术传输线上传输的信号具有显著较小的相位失真。
本发明的连接器10具有含导电基层32和导电顶层31的多层接地导体28，其中导电基层32具有相对于导电顶层31更低的导电率和/或更高的渗透率，使得R₃₂＞＞R₃₁。
这种多层接地导体28可以限定在连接器结构的范围内。导电顶层31可以通过例如但是并不局限于无电极电镀、无电镀或真空蒸汽沉积的公知方法设置在导电基层32上。可替换的实施例可以具有由翼型元件限定的层31，32。
现在参考图5-8，在这里示出本发明的第二实施例。连接器100包括容纳在聚合物壳体129中的多个信号导体124，125和接地导体126。图7示出了连接器100的剖视图，其中信号导体124，125在接地导体126的对立面设置成两排，该接地导体位于两排的中央。信号导体124，125保持在与接地导体126预定的距离，该接地导体126形成为单独的接地总线。接地导体126包括两个不同的导电层131，132。
特别适用于顶层131的材料是那些相对于基层132具有高导电率和/或低渗透率的材料，例如但是并不局限于银，铜，金，铝或锡。此外，可能特别适用于建立基层132的材料是那些相对于顶层131具有低导电率和/或高渗透率的材料，使得R₁₃₂＞＞R₁₃₁。适合的基层132材料包括但是并不局限于铁，镍或含有铁和/或镍的合金。这种材料允许通过增加导电基层132的表面电阻而使电流密度在高的导电顶层131中增加。
根据这里的教导，接地导体126的导电基层132和导电顶层131从建立条件R₁₃₂＞＞R₁₃₁的材料中选择。在此种情况下，通过复合导体传输的信号的衰减将基本上与信号的频率无关。特别是，通过合并用于趋肤深度δ表达式与表面电阻R₁₃₂的关系，可以看出R₁₃₁将直接以材料特性的形式表示，如下述表达式给出的：
R s = πf μ σ ]]>
因此，关系R₁₃₂＞＞R₁₃₁可以直接以导电基层和导电顶层的材料特性的形式再次表示，如下述表达式给出的：
μ 132 σ 132 > > μ 131 σ 131 ]]>
根据本发明的教导制成的接地导体126将结合导电基层132，该导电基层相对于导电顶层131具有更低的导电率和/或更高的渗透率的，使得R₁₃₂＞＞R₁₃₁。
特别适用于顶层131的材料是那些相对于基层132具有高导电率和/或低渗透率的材料，例如但是并不局限于银，铜，金，铝或锡。此外，可能特别适用于建立基层132的材料是那些相对于顶层131具有低导电率和/或高渗透率的材料，使得R₁₃₂＞＞R₁₃₁。适合的基层132材料包括但是并不局限于铁，镍或含有铁和/或镍的合金。这种材料允许通过增加导电基层132的表面电阻而使电流密度在高的导电顶层131中增加。
接地导体126用于高频信号传输，其允许接地迹线或信号回路的衰减和相位响应作为频率的函数进行修正。通过改变导电顶层131的厚度和导电基层132与导电顶层131的材料特性，可以调节相对于频率的信号相位和衰减的响应。在这点上，R₁₃₂相对于R₁₃₁越大，信号衰减和信号相位变为信号频率的函数越线性。对于根据本发明的教导制成的连接器100，其中导电顶层131的厚度显著地小于导电顶层131的趋肤深度，在预定频率范围内的所有频率，可以理解的是接地导体126的衰减将大致与所述频率范围内的频率无关。如本领域的技术人员还将理解的那样，因为导电顶层131制造的厚度相对于趋肤深度显著地大，所以在预定频率范围内的所有频率，衰减将变得大致等于固体导体的衰减。通过在数值范围内改变顶层厚度131，优选地至少是趋肤深度的二倍，可以得到多种所需的频率响应。关于信号传输的一个效果将会是由以连接器100的信号导体124，125传输的频率成分构成的信号将显示出比在现有技术的传输线上传输的信号具有显著较小的相位失真。
导电顶层131可以通过例如但是并不局限于电镀，无电极电镀，或真空蒸汽沉积的公知方法设置在导电基层132上。可替换的实施例可以具有由翼型元件限定的层。
现在参考图9-11，在这里示出了本发明的其它实施例。连接器200包括容纳多个设置成两排的信号导体224，225的壳体229，以及设置在两排中间的接地导体226。图10示出了连接器200的剖视图，其中信号导体224，225保持在离开接地导体226的预定距离处。接地导体226包括两个不同的导电层231，232。如图9到11所示，导电层231通常是细长的条，其平行延伸于信号导体224，225。在图10中，每个导电层231在相关的一对信号导体224，225之间直接对齐。作为比较，图11示出了本发明的另一实施例，其中导电层231从含有相邻信号导体对224，225的一个平面偏移。也可以使用对齐和偏移导电层231(未示出)的结合。
根据这里的教导，复合接地导体126的导电基层232和导电顶层231从建立条件R₂₃₂＞＞R₂₃₁的材料中选择。根据本发明的教导制成的复合接地导体226将合并导电基层232，该导电基层232相对于导电顶层231具有更低的导电率和/或更高的渗透率，使得R₂₃₂＞＞R₂₃₁。
特别适用于顶层231的材料是那些相对于基层232具有高导电率和/或低渗透率的材料，例如但是并不局限于银，铜，金，铝或锡。此外，特别适用于建立基层232的材料是那些相对于顶层231具有低导电率和/或高渗透率的材料，使得R₂₃₂＞＞R₂₃₁。合适的基层232材料包括但是并不局限于铁，镍或含有铁和/或镍的合金。这种材料允许通过增加导电基层232的表面电阻而使电流密度在高的导电顶层231中增加。
接地导体226用于在信号触点224，225之间带有最小串音的高频信号传输。通过改变导电顶层231的厚度和导电基层232与导电顶层231的材料特性，在接地导体226中流动的回路电流基本上限制于与信号触点224，225紧密连接的接地部分。通过限制在顶层231中流动的回路电流，连接器200具有改进的串音减小。重要的是，通过提供导电顶层231通常垂直于信号导体224，225流动的电流被最小化。
对于根据本发明的教导制成的连接器200，其中导电顶层231的厚度显著地小于导电顶层231的趋肤深度，在预定频率范围内的所有频率，可以理解的是接地导体226的衰减将大致与所述频率范围内的频率无关。如本领域的技术人员也理解的那样，因为导电顶层231制造的厚度相对于趋肤深度显著地大，所以在预定频率范围内的所有频率，衰减将变得大致等于固体导体的衰减。