引言

---

电信号传播所经过的介质既可能改善，也可能削弱系统的电磁兼容性。常见的传播介质包括印刷电路板（PCB）走线、互连器件以及电缆。要理解线对内时延偏斜如何引发电磁干扰（EMI），首先需要对 EMI 进行明确的定义。

 

什么是 EMI？

---

EMI 是 Electromagnetic Interference（电磁干扰）的缩写。它是由外部源产生并耦合到电气网络中的无用噪声。EMI 从干扰源传播到受影响设备的路径多种多样，其中两种常见路径是辐射干扰和传导干扰。
当电气设备产生射频（RF）信号，并被其他设备接收从而造成不良影响时，就会产生辐射型 EMI。传导型 EMI 则发生在无用能量通过信号电缆或 PCB 走线从干扰源向外传导。

常见的噪声源包括天线、射频（RF）芯片以及电源。EMI 的不利影响包括无法通过法规规定的电磁辐射测试，以及降低相邻天线的接收灵敏度。

 

EMI 要求的演进

---

在过去的 40 年里，EMI（电磁干扰）相关要求不断演变。1985 年，Cray 研制出当时全球性能最强的超级计算机；而如今，相同级别的计算能力已经集成在一部智能手机中。
在 20 世纪 80 年代，对于常规计算系统而言，采用金属外壳实现系统级屏蔽便可满足要求。如今，计算系统已缩小至手持设备尺寸，外置线缆大幅精简，还特意增设了天线这类辐射元件作为功能部件。因此，当前需要通过元器件级屏蔽，将各辐射子模块相互隔离开来。

 

电缆组件与 EMI

---

如前所述，电缆组件是当今电子设备中电信号传输的常见介质。为了理解电缆组件如何影响 EMI，需要先梳理线缆组件的组成部分，主要包括电缆本体结构以及连接器。
非屏蔽线缆主要有两种常见类型 —— 分立线缆和双绞线。

由于这两种线缆的导体外部均无屏蔽层，电磁干扰辐射会不受阻碍。
屏蔽电缆通过在导体外围包裹屏蔽层来抑制电磁干扰，常见的两种类型为极细同轴电缆和屏蔽式双绞线。

对导体进行屏蔽有助于减少电缆直接产生的辐射型 EMI，但差分对内部的不匹配同样会加剧电磁干扰。这种不匹配会导致线对内时延偏斜。

 

线对内时延偏斜

---

线对内时延偏斜，也称为 P/N 偏斜，是指差分对中正（P）信号线与负（N）信号线之间的时序差异。它通常由电气长度不匹配或传播延迟不均所引起。

与差分对长度匹配的线缆组件相比，P/N 长度存在显著偏差的线缆组件会产生更强的电场（E 场）。下图为采用极细同轴电缆搭配非屏蔽连接器的线缆组件电场仿真对比图：左侧为差分对长度匹配的场景，右侧为线对内存在 4 毫米长度偏差的场景。
该长度偏差会引发线对内时延偏差，进而导致电场大幅增强。

图 7：长度匹配与 4mm 偏差情况下线缆组件的电场（E 场）对比

	E Field [V/m]	长度匹配	长度不匹配 – 4 毫米
采用极细同轴电缆与非屏蔽连接器的线缆组件

屏蔽连接器有助于抑制这种电场（E 场）的产生，从而减轻电磁干扰（EMI）。然而，并非所有带有外壳或屏蔽层的连接器都能有效发挥作用。屏蔽结构需完全包裹信号端子，才能有效地约束电场。在I-PEX 公司采用名为 ZenShield^® 的专利技术，为多款连接器产品提供电磁干扰屏蔽。

 

全屏蔽款 ZenShield^® 连接器

---

只有当连接器具备以下三项特性时，才会被标注为 ZenShield^®：

•    公座和母座整体均采用 360 度全方位屏蔽覆盖。
•    公座与母座之间的屏蔽层对接面实现多点连接。
•    连接器的屏蔽层与电路板接口可在电路板上的多个位置进行接地。

ZenShield^® 连接器可防止电场（E 场）从连接器内部向外泄漏。如下面图示所示，左侧的非屏蔽连接器中的电场会自由向外辐射；而右侧的 ZenShield^® 连接器则能抑制无用辐射，防止其向外扩散。

对线对内时延偏差引发电磁干扰的仿真分析

---

为验证 ZenShield^® 连接器能够有效抑制由线对内时延偏斜引起的 EMI，研究人员在以下仿真条件下开展了试验：•    一组极细同轴电缆组件，两端均使用非屏蔽连接器
•    另一组极细同轴电缆组件，两端均使用屏蔽连接器
•    两组电缆组件均在以下 P/N 长度不匹配条件下进行仿真：
a. 无 P/N 不匹配
b. 1mm 小幅 P/N 长度偏差
c. 4mm 大幅 P/N 长度偏差
•    所有仿真条件下均采用 10 Gbps 的差分输入数据
•    电场（E 场）分布在 连接器上方 0.5 mm 处进行测量
 

根据仿真结果，在 10 Gbps 条件下，有效对内偏斜（EIPS）为：
•    条件 3(a)（无 P/N 偏差）的有效线对内时延偏差（EIPS）为0.2 ps
•    条件 3(b)（1mm 小幅 P/N 偏差）为3.5 ps
•    条件 3 (c)（4mm 大幅 P/N 偏差）为16.6 ps

表 1： 10Gbps 速率下差分对内有效偏斜

条件	Skew (ps)
无 P/N 偏差	0.2
1 mm 小幅 P/N 偏差	3.5
4 mm 大幅 P/N 偏差	16.6

从差分转共模转换数据中，同样能看出阻抗失配问题。失配程度越大，模转换效应就越明显。该现象符合理论预期，原因在于此差分线对本身存在不平衡。

对比非屏蔽连接器与屏蔽连接器的电场分布图可以发现，差分对内时延偏斜对电磁干扰（EMI）有着显著影响，同时也能直观体现出采用屏蔽连接器的优势。
在下图中，失配程度从左至右逐渐增大。上表为非屏蔽连接器的仿真结果，可以明显看到其电场强度随之不断升高。而下方屏蔽连接器的仿真结果并未出现这一现象，原因在于ZenShield^® 屏蔽结构将电场约束在了连接器内部。这一点可结合图 14 中连接器的侧视图进一步查看。

图 13 不同 P/N 线失配条件下，非屏蔽连接器与屏蔽连接器的俯视电场图

	E Field [V/m]	匹配长度	线长失配 - 1 毫米	线长失配 - 1 毫米
Unshielded Connector (CABLINE®-CA)
ZenShield® Connector (CABLINE®-CA II)

图 14 不同 P/N 线失配下，非屏蔽连接器与屏蔽连接器的侧视电场图

	E Field [V/m]	匹配长度	线长失配 - 1 毫米	线长失配 - 1 毫米
Unshielded Connector (CABLINE®-CA)
ZenShield® Connector (CABLINE®-CA II)

 

结论

---

本文中所述的测试结果表明，ZenShield^® 连接器是减轻由**对内偏斜**引起的 EMI（电磁干扰）的理想解决方案，并且能够为电缆长度不匹配所带来的制造与装配公差提供额外的裕量。