摘要/前言

Samtec Flyover?電纜系統(tǒng)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。這些產品通過低損耗、低skew的雙同軸電纜傳輸高速信號。它們的工作距離可長達數英尺，同時無需使用外部時鐘數據恢復（CDR）或重定時器（Retimer）。

——白皮書概要

本白皮書包含了實測數據和示例，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題。

——作者簡介

本文作者是Anthony Fellbaum，作為 Samtec 高級現場應用工程師兼業(yè)務拓展經理， 他致力于為客戶提供技術咨詢和合作，以幫助他們確定最適合其獨特應用場景的互連解決方案。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域的設計經驗，涵蓋了電信、航天、智能手機和ODM行業(yè)，使他成為了業(yè)內資深的技術專家。Anthony 擁有湖首大學的電氣工程學位，并是安大略省專業(yè)工程師協(xié)會的成員。

本次，我們將分為上中下三期，為大家?guī)硗暾姘灼?，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 材料和兩種美國線規(guī)（AWG的 Samtec Flyover?電纜（30 AWG 和 34 AWG）的插入損耗幅度（以 dB 為單位）。為了更容易進行比較，圖中顯示的是 10 英寸長度的對比。

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）。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(tǒng)的 PCB 材料（如黃色所示）損耗很大。因此，設計人員可能會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，溫度變化也會顯著降低損耗性能）。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 線規(guī)，藍色 34 線規(guī)）。

在 Samtec Flyover? 系統(tǒng)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(wěn)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溫度的變化而顯著下降。而 Samtec Eye Speed?雙同軸電纜由于電纜中使用的電介質具有很低的吸濕性能，因此性能非常穩(wěn)定。

上述圖表僅比較了 PCB 走線與電纜導體。為了建立電纜系統(tǒng)，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 長度為 0.25 米的 NovaRay? Flyover?系統(tǒng)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區(qū)域設計。測試電纜和走線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 米長度的 Samtec NovaRay Flyover?系統(tǒng)性能圖顯示出色

為什么電纜比PCB性能更好呢？

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

Samtec Eye-Speed?雙同軸電纜中銅周圍的絕緣材料比用于支撐 PCB 傳輸線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，降低了一個數量級（見圖 3）。PCB 采用類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 采用專有的含氟聚合物，具有非常低的 Dk 和損耗角正切，與使用類似材料的電纜相比，具有更好的損耗性能。Samtec 不斷在其電纜產品中推進電介質材料和性能的最新技術，比如其 Eye Speed?超低skew雙同軸產品。

圖 3：Samtec Eye Speed?共擠雙同軸電纜消除了單獨擠壓的電介質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(tǒng)架構的覆蓋范圍。

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

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

此外，Samtec 高速電纜使用銀鍍層，其導電性能顯著優(yōu)于銅，從而在高頻下實現更低的插入損耗。電纜導體采用壓延銅，與蝕刻PCB走線相比，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，電介質的編織結構也會影響數據速率低的信號，因為編織會形成微米級信號。這被稱為纖維編織skew。隨著數據速率和/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注其走線角度，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，因此銅周圍的電介質是均勻的材 料，沒有編織或紋理（見圖 4）。這會在導體周圍形成均勻的材料，以保持信號的完整性。例如，使用 Samtec Eye Speed? 電纜，線對內偏移<0.5 ps（以米為單位測量）。

圖 4：Samtec 專有的 Eye Speed?共擠雙同軸電纜技術消除了單獨擠壓的電介質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(tǒng)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、共擠技術，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。

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(xù)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)化設計等實踐話題，并提供完整版的下載渠道。