虎家白皮书系列 | Samtec Flyover®电缆系统 上篇

摘要/前言

Samtec Flyover®电缆系统旨在将信号从印刷电路板（PCB）上移出，以改善信号完整性，提升设计灵活性，并优化散热性能。这些产品通过低损耗、低skew的双同轴电缆传输高速信号。它们的工作距离可长达数英尺，同时无需使用外部时钟数据恢复（CDR）或重定时器（Retimer）。

——白皮书概要

本白皮书包含了实测数据和示例，解释了为什么在高速设计中，电缆解决方案可能更好。它还解决了诸如电缆管理和成本等方面的问题。

——作者简介

本文作者是Anthony Fellbaum，作为 Samtec 高级现场应用工程师兼业务拓展经理， 他致力于为客户提供技术咨询和合作，以帮助他们确定最适合其独特应用场景的互连解决方案。他在背板、高速测试设备、射频多路复用器和可编程逻辑器件等领域的设计经验，涵盖了电信、航天、智能手机和ODM行业，使他成为了业内资深的技术专家。Anthony 拥有湖首大学的电气工程学位，并是安大略省专业工程师协会的成员。

本次，我们将分为上中下三期，为大家带来完整版白皮书，并在最后一期提供完整汉化版的下载链接。

电缆提供更佳性能

典型 PCB 材料的插入损耗（IL）与频率的关系是众所周知的。相比之下，Samtec Flyover®电缆的损耗明显低于任何 PCB 级别材料。图 1 比较了三种典型PCB 材料和两种美国线规（AWG的 Samtec Flyover®电缆（30 AWG 和 34 AWG）的插入损耗幅度（以 dB 为单位）。为了更容易进行比较，图中显示的是 10 英寸长度的对比。

图1：与典型的PCB材料相⽐，50GHz范围内的10英⼨ Samtec Flyover®电缆的差分插⼊损耗（蓝⾊和绿⾊曲线）。温度图中包含0-60%的相对湿度。

在图 1 中，对于典型的以 14 GHz 奈奎斯特频率运行的高速信号，传统的 PCB 材料（如黄色所示）损耗很大。因此，设计人员可能会选择更高级别的材料（如图中浅粉色和深粉色所示），其损耗特性明显更好（请注意，温度变化也会显著降低损耗性能）。然而，即使是最好的 PCB 性能也远远低于 Samtec 低skew高速双同轴电缆（图 1 中的绿色 30 线规，蓝色 34 线规）。

在 Samtec Flyover® 系统中，30 AWG 电缆在 28 Gbps PAM4/14 GHz 奈奎斯特下的插入损耗为 1.2 dB，在 56 Gbps PAM4/28 GHz 奈奎斯特下的插入损耗为-1.4 dB。Samtec 34 AWG 电缆在 28 Gbps PAM4/14 GHz 奈奎斯特下的插入损耗为-0.8 dB，在 56 Gbps PAM4/28 GHz 奈奎斯特下的插入损耗为 -1.4 dB。

我们还需注意这些材料在温度和相对湿度下的稳定性（温度图中包含了 20-80%的相对湿度）。如上图所示，PCB 材料的损耗性能随着温度的变化而显著下降。而 Samtec Eye Speed®双同轴电缆由于电缆中使用的电介质具有很低的吸湿性能，因此性能非常稳定。

上述图表仅比较了 PCB 走线与电缆导体。为了建立电缆系统，需要使用连接器。为了全面反映电缆解决方案的损耗情况，图 2 显示了带有添加连接器的插入损耗。该图描述了Samtec 长度为 0.25 米的 NovaRay® Flyover®系统的测量插入损耗性能。您可以注意到互连部分的附加损耗，其中包括连接器的占位和分线区域设计。测试电缆和走线的去嵌入范围延伸至连接器基底面的约 2 毫米处。

图 2：0.25 米长度的 Samtec NovaRay Flyover®系统性能图显示出色

为什么电缆比PCB性能更好呢？

简单来说，电缆相较于 PCB 传输线提供更好的信号完整性；具体来说，这意味着在给定应用中，Flyover®电缆的损耗特性比 PCB 传输线更好。这种性能的提高主要归因于两个因素：所使用的绝缘（电介质）材料以及导体的电气性能。

Samtec Eye-Speed®双同轴电缆中铜周围的绝缘材料比用于支撑 PCB 传输线的编织材料具有明显更低的相对介电常数（导致电气路径更短），并且损耗因子也低得多，降低了一个数量级（见图 3）。PCB 采用类似于玻璃纤维的高端织物制造，具有出色的电气性能，但其整体电介质特性不如 Eye Speed® 30 欧姆双同轴电缆中使用的含氟聚合物。

与介电常数（Dk）约为 3 的高端 PCB 材料（例如 Megatron）相比，含氟聚合物的介电常数较低，为 2。Samtec 采用专有的含氟聚合物，具有非常低的 Dk 和损耗角正切，与使用类似材料的电缆相比，具有更好的损耗性能。Samtec 不断在其电缆产品中推进电介质材料和性能的最新技术，比如其 Eye Speed®超低skew双同轴产品。

图 3：Samtec Eye Speed®共挤双同轴电缆消除了单独挤压的电介质双同轴电缆的性能限制和不一致性，提高了信号完整性、带宽和高性能系统架构的覆盖范围。

Samtec 的超低skew双同轴电缆比 PCB 传输线具有更好的损耗特性的另一个原因是导体的尺寸。典型的高速走线，根据走线宽度，其横截面积约为 20 mil²（在本例中，每个导体宽度为 10 mil，高度为 2.5 mil），但 Samtec 最受欢迎的 30 AWG 双同轴规格电缆的横截面积约为 100 mil²（每个导体直径为 0.010 英寸）。

这几乎是高速走线相对横截面积的 8 倍，结果是同等长度的导体中 Samtec Flyover®电缆的插入损耗显著降低。考虑到趋肤效应会导致高速信号使用导体的外周，随着频率的升高，导体尺寸变得更加重要。

此外，Samtec 高速电缆使用银镀层，其导电性能显著优于铜，从而在高频下实现更低的插入损耗。电缆导体采用压延铜，与蚀刻PCB走线相比，表面粗糙度要低得多。所有这些因素在高频传输中都起着重要作用。

对于PCB材料而言，除了材料固有的电气特性外，电介质的编织结构也会影响数据速率低的信号，因为编织会形成微米级信号。这被称为纤维编织skew。随着数据速率和/或频率的增加，纤维编织skew的影响将更大。

为了提高信号完整性并避免纤维编织skew的影响，PCB制造商不断创造出编织更紧密的新型高端材料。但设计人员仍必须关注其走线角度，并尽可能地补偿几何限制。

相比之下，Samtec Flyover®电缆采用挤塑工艺制造，因此铜周围的电介质是均匀的材 料，没有编织或纹理（见图 4）。这会在导体周围形成均匀的材料，以保持信号的完整性。例如，使用 Samtec Eye Speed® 电缆，线对内偏移<0.5 ps（以米为单位测量）。

图 4：Samtec 专有的 Eye Speed®共挤双同轴电缆技术消除了单独挤压的电介质双同轴电缆的性能限制和不一致性， 提高了信号完整性、带宽和高性能系统架构的覆盖范围。

所以为什么电缆比PCB更好呢？更好的电介质、共挤技术，以及更大、镀银、表面粗糙度较低的导体的组合，使得Samtec的超低skew双同轴电缆中的高速信号损耗性能明显优于 PCB 走线。

小 结

本文为系列第一期，引出了对于电缆的深度思考，在后续两篇中，我们将讨论电缆如何降低设计复杂性、电缆如何改善热管理、如何利用Flyover®优化设计等实践话题，并提供完整版的下载渠道。