USB 傳輸介面 RFI 連接器 訊號干擾 HDMI DisplayPort ThunderBlot MHL 電路板 電磁干擾 高頻訊號 Type-C

纜線高頻傳輸導致電磁雜訊 高速介面須先解決射頻干擾

2016-11-14
在日常使用的電子產品中,經常可以發現有線傳輸會對無線訊號造成干擾。例如無線滑鼠正在使用時,而通用序列匯流排(USB) 3.0儲存裝置正插入設有USB 3.0連接埠的電腦時,此時使用中的滑鼠開始出現螢幕上游標不受控制;另當使用電腦連接無線網路觀看線上影片,而USB 3.0儲存裝置插入USB 3.0連接埠,會出現螢幕上的影片中斷無法觀賞,無線網路發生訊號格數驟降。以上這些都是USB 3.0儲存裝置對無線滑鼠發生射頻干擾(Radio Frequency Interference, RFI)現象。

過去曾有韓國手機S大廠於手機上設有Micro USB 3.0連接埠,而近期則有中國大陸手機Z與M大廠於手機上設有USB 3.1 Type C連接埠,同樣都有當USB高速連接埠被插入時,全球衛星定位系統(GPS)、藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)、2G/3G/4G/長程演進計畫(LTE)等無線訊號遲緩降格的現象。而在筆記型電腦則是可見到各大廠不約而同從過往的三至四個USB 3.0連接埠減少為一至兩個USB 3.0/3.1連接埠。

 

USB 3.1 Type C連接埠由美國手機與電腦大廠於去年發表,僅設有一個USB 3.1 Type C連接埠可以使用,其雖號稱傳輸速度為USB 3.1的高速傳輸,但隨機附贈的纜線也僅為低速的USB 2.0 Type C。 不過,從那時發表設有USB 3.1 Type C連接埠的超輕薄筆電(Ultrabook)後,其後所發表的不同款超輕薄筆電、平板電腦、手機等,均未再設置USB 3.1 Type C連接埠,主要也是射頻干擾迄今仍無有效的防治對策。

 

射頻干擾的成因是電磁波輻射,對射頻(RF)訊號於相同頻段的共振,造成射頻訊號被電磁波輻射干擾,因而無法傳遞無線電波訊號。主要原因在於有線高頻介面須要做高速傳輸,所用的基頻(Baseband)與倍頻為高頻訊號,與無線射頻所用的頻率重疊,而高頻訊號因訊號不連續,所以發生電磁波輻射形成雜訊,但由於雜訊所輻射的能量遠大於無線訊號能量,因此高頻雜訊共振干擾射頻訊號,即為射頻干擾。

由表1∼3中可看出常用無線通訊頻率,基本上都被常用的有線介面頻率所涵蓋,而有線介面為實現高速傳輸時,由表3可知,其所使用電波頻率屬於超高頻以上頻段,其與無線通訊頻率是在同一個頻段。目前有線高速介面所用基頻基本上都是在6GHz,很湊巧的是,現有無線通訊射頻也都是在6GHz內,不論是有線或無線幾乎是都在6GHz內,正因過去有線低速介面是以較低的超高頻頻率傳輸,但現今有線高速介面是以較高的超高頻傳輸,所以射頻的干擾已成為無法忽視的議題。如果射頻干擾不解決,那麼高速介面傳輸根本無法全面性推廣。

 

另外,由USB Type C不斷更新的版本綜觀來看,USB Type C主要支援正反插接、可逆傳輸、PD 5A@100W/20V、音訊(Audio)、高解析度多媒體介面(HDMI)/行動高畫質連結(MHL)、DP/Thunderbolt各種傳輸介面,並將資料、電源、音訊、影像四大傳輸介面集大成於一身,而且又支援HDMI/MHL、DP/Thunderbolt等下一代的高速高清影像傳輸,對於射頻干擾原本就難以解決,如今可預見的未來是現有各類無線射頻訊號,或未來前景光明的近距離無線通訊(NFC)及無線充電技術,勢必也難逃射頻干擾現象。

RFI不等同於EMI 考量問題更多更雜

目前整個產業幾乎都是把射頻干擾當成電磁干擾(EMI),都是用解決電磁干擾的方式在處理,但純粹以這種方式其實不可能徹底解決射頻干擾的問題,而是須要參考WRF(Wireless Radio Frequency)的設計原理,再加上高頻的設計須要優化。

常見的方法是在電路板中蓋上電磁波屏蔽殼,甚至在屏蔽殼上加貼導電軟膠,以及在電路板的印刷線路中外加共模扼流線圈,或是以脈衝濾波器過濾雜訊,還有在插口連接器外包覆電磁波屏蔽殼,也要求在纜線包覆電磁波屏蔽金屬箔。

但縱然做了這麼多的防治措施,卻仍然無法解決射頻干擾,所以許多電子產品廠商也只能以最直接有效的兩種方法來加以對付。例如當無線網路在啟動工作時,把有線高速介面關閉,改以有線低速介面啟動工作,然而消費者卻不會察覺有線高速介面被關閉,只能忍受花錢買高速介面,卻必須默默使用低速介面;更甚者將高速介面連接埠索性放棄使用,改以低速介面連接埠濫竽充數將就使用。

若要解決射頻干擾的議題,最好的做法是將連接器重新設計,從連接器的金屬導體(端子)、絕緣基體(膠芯)、屏蔽殼體(外殼)等三大零件的結構型式、幾何形狀、物料材質、表面處理等等都做修改。

雖然重新設計後的連接器已可防治部分的射頻干擾,但電路板上還是有些射頻干擾無法解決,因此印刷電路板的線路排列,與走線、疊構、層數、厚度都必須納入考量。此外,最好與控制晶片原廠密切合作,共同為此將金屬導體接腳重新排列,使得控制晶片與連接器接腳拉線對接排列更順暢。

在防治射頻干擾的研發過程中,須做訊號完整性(SI)高頻訊號模擬與實際分析,其中阻抗(Impedance)、Pair Skew、延遲(Delay)的完美特性是基本要求,進而對近端串擾(NEXT)、遠端串擾(FEXT)、回波損耗(Return Loss)、信號插入損失(Insertion Loss)、差模共模轉換(Differential Mode to Common Mode Conversion)的相關特性做完善要求,甚至是眼圖(Eye Diagram)、抖動(Jitter)等特性更是追求盡善盡美,也因此「表面電流與磁場」分析及「雜訊的史密斯場形」分析更是其中的關鍵,甚至連接器上板後實際測試上述基本高頻特性外,又加做PNS電磁波輻射的全面掃描,各項特性看似簡單,其實還是有其難度。

由此可見,射頻干擾與高頻連續性及完整性有著密不可分的關係,而射頻訊號與高頻訊號間卻是必須被兼顧的設計。解決了電磁干擾,並不等於解決射頻干擾。反之,將射頻干擾問題排除,就可以把電磁干擾給解決。

協會規範認證趨嚴 上下游廠商合作方有解

常態性為了解決電磁干擾將高頻特性給忽略,由此射頻干擾才會面臨無法突破的窘境,肇因於在印刷電路板傳統上要求須將高頻訊號線路置於表層,與實際上置於印刷電路板內層的設計理論差異甚大,而在高頻訊號線路與被動元件上方覆蓋電磁干擾屏蔽外殼形成感應,導致高頻訊號線路的高頻特性阻抗驟降不連續。再加上印刷電路板上用來隔離串音的接地迴路與電源負極共接為地,使得高頻訊號因與接地層或兩側接地形成感應,導致高頻差動訊號無法自感完整耦合,由此高頻產生不連續產生雜訊,以及電源正極訊號無法與電源負極訊號各自獨立走線鋪層,也會形成較大的雜訊,對射頻訊號形成射頻干擾,所以接地的獨立性是解決射頻干擾的關鍵性因素。

再者,目前金屬導體接腳腳位排列於連接器及控制晶片,雖然連接器的接觸位置,本身由協會規範所定義,但控制晶片接腳排列位置,卻未在協會規範內有任何定義。所以連接器與控制晶片於印刷電路板上做拉線連接時,高頻差動訊號對之間易於電路板上下層穿繞,此外,高頻差動訊號也易與低頻差動訊號形成在電路板內上下層穿繞,更甚者,高頻差動訊號與電源訊號穿繞更是無可迴避。

由此可見,控制晶片的接腳位置排列組合定義也該被協會規範所定義,如此才能使高頻訊號走線與鋪層更為完整,才可以將射頻干擾的源頭控制晶片做改善,如此方能將防治射頻干擾的漏洩處連接器問題解決。 目前所見已取得協會認證過的連接器,因認證僅涉及機械特性與外關尺寸,對於高頻和電氣及電磁波相關特性未做測試認證;而已經取得協會認證的纜線,其高頻與電磁認證標準,對比於連接器的建議規範,相差甚遠,而對於高頻和電氣及電磁波防治的相關特性則是降低認證標準,均未能針對射頻干擾有相關解決辦法。

遑論未能取得認證的連接器與纜線,更不可能有相關解決對策,以至於高速傳輸介面的連接器與纜線,未能普及應用於手持式、行動式或其他相關消費性電子產品,導致目前客戶所採用的連接器跟纜線已經做好相關防治對策的比率甚低。也因此,消費者必須關閉停用所有的天線,才能體驗有線高傳輸的極速享受,否則為了不影響無線傳輸,就只能關閉有線高速傳輸,降規為低速的傳輸模式。

就高速連接器或纜線而言,如HDMI、MHL、Display Port、Thunderbolt、USB等等高速傳輸介面連接器或纜線,因各協會規範有限制插頭與插口接觸位置尺寸,也是取得協會認證的必要項目。但是,插頭與插口引伸的接腳、產品外型、導體結構,在協會規範內雖有參考建議的圖示,卻並非協會認證的必要項目。

為了取得通過協會認證的資格,是故所有廠商皆是依循協會規範而研製;而能妥善防治射頻干擾的連接器與纜線,跟過去連接器/纜線的最大差別在於,依循協會插頭與插口的接觸位置,而在插頭與插口引伸的接腳、產品外型、導體結構研製,必須相異於協會規範的參考建議圖示,以符合高頻和電氣及電磁波防治的理論與經驗作研製。

基於此原則,須在產品屏蔽殼體創新設計外觀結構來屏蔽高頻雜訊,也於產品金屬導體研發傳輸端子結構來優化高頻訊號,如此將射頻干擾大幅降低,就可以讓容易被射頻干擾的無線分享路由器也能夠大量使用USB 3.0連接埠。

射頻干擾其真正的意涵為「有線高頻雜訊共振干擾無線射頻訊號」,因此只要是有線高頻傳輸的訊號不連續時,都會產生能量強大的雜訊對無線射頻訊號造成干擾,也因此如HDMI、MHL、Display Port、Thunderbolt、USB等等新一代的高速介面連接器或纜線,並未能全面取代前一代的低速介面連接器或纜線。

為了解決射頻干擾的影響,連接器與纜線必須有更優異的結構設計,而電路板與控制晶片本身,更要解決其本身的高頻不連續與雜訊磁場輻射問題。廣迎已推出連接器的完整解決方案,在纜線與電路板部分也提出了對策協助客戶改善,甚至與控制晶片廠商創惟科技合作,能夠不靠屏蔽雜訊的方式來解決射頻干擾的問題。

(本文作者為廣迎連接器事業處處長)

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