用于超高速应用的具有多层PCB的模块化插头连接器的制作方法

本公开内容主要涉及用于数据传输的模块化插头。更具体地，文中公开了用于支持10、25和40千兆比特以太网协议（有时称为multi-g-base-t协议）的超高速数据传输应用的模块化插头设计的实施例。

背景技术：

模块化插头和插孔（或插座，jack）用于数据传输是常见的。插头附接至连接两个电子装置的电缆线的端部，该电子装置例如为数据中心中的交换机或路由器或者办公室中的计算机。缆线具有多根导体或导线。对于以太网协议连接，典型地使用八根导线。当缆线通过插头端接时，电子装备必须具有与插头对应的插孔。插头和插孔设计成用以可互相配对来提供机械和电联接（或耦合）。插头和插孔的机械尺寸以及它们二者之间的接口受国际标准管控。至于在以太网信号传输中使用的连接器，管控标准是国际电工委员会标准60603-7系列。

从传输的角度看，插孔、缆线和插头代表通道（channel）的构件。通道和对应构件的性能称为在iec/iso11801标准中所规定的等级和类别，如下表所示：

常见的机械连接器构型允许通过称为自动协商的特征来利用现有的网络装备。在自动协商过程期间，两个连接的装置采用主从关系并且商定用于传输数据的最大速度。

通道必须能够支持以太网协议并且可影响自动协商。如果任何构件设计成用于较旧的以太网速度，则它将迫使更新且更快的网络装备低于其预期的速度运行。

为了支持每秒40千兆比特的以太网协议，需要具有类别8.1连接器的等级i通道。

连接到缆线的模块化插头可插入到设置在各代以太网装备中的插孔。在此类情形中，模块化插头构造成用以与具有相对较低速度（即100mhz）的装备一起工作以及也在另一极端条件下与最高速度装备（即2000mhz）一起工作。

插头设计的常规目标是确保安全的电隔离。例如，装备应耐受邻近触头之间的1000vdc和所有触头和屏蔽（或屏蔽件，shield）之间的1500vdc而不发生短路或飞弧。

在当前实践中，iec6003-7-1标准中描述的常见rj45机械接口允许在40gbe和低速装备之间连接。然而，没有已知的模块化插头在从100到2000mhz的宽频谱中工作而不引起信号的衰减。与对应插孔配合的插头形成配合的连接器对，在其中电磁信号从装备侧传送到缆线侧，反之亦然。

以太网协议将电磁信号分成四个流。这些流在同一缆线上传输。因此，在配合的连接器对中，具有同时操作的四个流或通道。这些信号的不需要的相互作用称为近端串扰（或next）。next必须最小化以允许基本无错误的数据传输。减少next的最常见方法是通过补偿。补偿可通过从原有地存在于插孔和插头之间的接口处的next信号产生幅值相似但极性相反的信号来提供。因此，补偿next将抵偿初始的next。

高频下的信号衰减由若干潜在地相互依赖的问题中的一个或多个引起。远离接口地引入补偿可引起在插孔和插头连接内传送的电磁信号不可预测的相移。插头触片具有高的固有自感和在邻近触头之间不受控制并且相对低的电容。已知的设计也不允许控制插头内的缆线对的相互作用。在现有的设计中，缆线端子和触头之间的距离过长。最后，大多数现有的插头设计试图以传输性能为代价在现场提供容易的端接。

因此，将期望根据现有的机械和类别8.1电气标准向模块化插孔提供配对接口并且在100mhz至2000mhz及更高的宽频谱范围内操作。

将进一步期望的是减少初级补偿和接触接口之间的相移。

将进一步期望的是将此种设备与较低类别的连接器配合以使其性能对应的衰减。

将进一步希望的是使用手动工具在现场将设备端接至缆线，或者备选地在工厂位置处端接至缆线，在任一情况下都基本使用相同的构件。

将进一步期望的是提供一种具有可易于制造并且成本低廉的构型的设备，例如使插头部件的数量和内部构件需求最小化。将特别期望的是不需要附加的离散电子构件，例如电容器、电感器和/或电阻器。

将进一步期望的是控制插头内的缆线对并且进一步地通过与初级印刷电路板一体形成的气隙提供所述缆线对的隔离。

如果初级印刷电路板通过受控阻抗来控制连接器电信号性能，则将是进一步期望的。

如果补偿是由独立的次级刚性印刷电路板提供的，则将是进一步期望的。

如果电信号性能由初级和次级印刷电路板的固有特性控制，特别是不依赖于这些板的次级调谐，则将是进一步期望的。

将进一步期望的是缆线触头具有低的自感和高的电容耦合。

将进一步期望的是在宽线规范围内端接缆线；从awg22至awg28的绞合和实心导体。

技术实现要素：

在如文中所公开的模块化连接器插头的各种实施例中，设计在相关的机械细节、尺寸和形状上对应于工业标准rj45插头，并且还能在宽频谱内操作，例如诸如从10到2000mhz，具有最小的相移和对应的信号衰减。

设备的另一示例性方面是用于现场可端接插头和工厂可端接插头的构件基本相同。

在如文中所公开的具体实施例中，一种模块化连接器插头设备提供成用于在高速数据传输网络中与连接器插孔形成连接器接口。设备包括外壳，其包括可附接以限定内部的绝缘前部和导电（或传导）屏蔽部分。接触子组件构造成用于定位在所述外壳的内部，并且包括第一印刷电路板（pcb）、多个细长的插头触头，以及第二pcb。第一pcb具有第一端和第二端，第二端包括用于多个缆线对中的每个缆线对的导电安装垫。触头分别包括安装在第一pcb的第一端上的第一端、远离第一端的第二端，以及在二者之间的桥接部分，该多个插头触头的桥接部分共同限定用于连接器插孔的对应触头的接口。该多个插头触头的相应第二端安装在第二pcb上，其中，第二pcb包括期望的电特性，其为设备提供一定的电容补偿性能，并且其中，电容补偿从限定在插孔-插头连接器接口和缆线对之间的信号路径偏移。

在前述实施例的一个期望的方面，初级补偿提供在连接器接口的紧邻处。设备的另一示例性方面是插头触片可非常短并且具有非常低的固有自感和在邻近触头之间的高电容。

前述设备的另一示例性方面是插头使用两个单独的pcb而不是单个组合的pcb。这通常可简化可制造性，并且导致更好地控制两个pcb上的电性能，从而进一步消除不需要的电相互作用的任何可能性。

在设备的上述示例性实施例的一个变体中，第一pcb还包括用于接收插头触头的相应第一端的通孔，以及从第二端开槽并且平行于在通孔和安装垫之间的电迹线延伸的气隙。设备的此种实施方式的期望方面是缆线对的位置且因此相互的电相互作用通过初级印刷电路板上的导体迹线图案的设计来严格控制。

在设备的示例性实施例的另一变体中，基本平面的导电屏蔽位于开槽式气隙内并且在相对于第一pcb的表面平面的正交定向上与第一pcb内的一个或多个接地平面共用。

在设备的示例性实施例的另一变体中，第一对和第二对导电安装垫提供在第一pcb的第一表面上，分别定位在平面导电屏蔽的相对的第一和第二侧面上，以及第三对和第四对导电安装垫提供在第一pcb的相对的第二表面上，分别定位在平面导电屏蔽的相对的第一和第二侧面上。

在设备的示例性实施例的另一变体中，第二pcb包括其中布置有平行板的多个基板层，以及电容补偿的值由与其相关联的面积、距离和介电常数来限定。

在设备的示例性实施例的另一变体中，接触子组件包括接触固持器，该接触固持器构造成用以接收多个触头并且由具有独特介电性能的绝缘材料组成，在邻近的触头对之间提供补充的电容补偿并且从信号路径偏移。

在设备的示例性实施例的另一变体中，接触固持器包括第一和第二相对侧面部分，突起从第一和第二相对侧面部分延伸，并且外壳的前部包括构造成用以经由突起可滑动地接收第一和第二相对侧面部分的对应的第一和第二内部槽口。

在设备的示例性实施例的另一变体中，第一内部槽口和第二内部槽口包括沿着它们的相应长度的凹口，以及突起构造成用以在插入到外壳的前部期间压缩并且然后向外延伸以接合凹口。

在设备的示例性实施例的另一变体中，外壳的前部包括具有一个或多个开孔的顶侧面，以及外壳的导电屏蔽部分包括相应的一个或多个闩锁，该一个或多个闩锁构造成用以当前部和导电屏蔽部分可滑动地接合时接合该一个或多个开孔。

在设备的示例性实施例的另一变体中，导电屏蔽部分包括插孔接地插片，当前部和导电屏蔽部分可滑动地接合时，该插孔接地插片沿着外壳的前部的第一和第二相对外侧壁延伸。

在设备的示例性实施例的另一变体中，第一和第二插孔接地插片还分别包括屏蔽固持插片（tab），该屏蔽固持插片构造成用以当前部和导电屏蔽部分可滑动接合时折叠在第一和第二内部槽口的凹口上，进一步地用以接合接触固持器的向外延伸并固持在其中的突起。

在设备的示例性实施例的另一变体中，用于每个插头触头的桥接部分具有在垂直于pcb长度的方向上延伸的最大宽度，至少一个插头触头具有最大宽度大于另一插头触头的最大宽度。每个插头触头均限定在邻近的插头触头对之间形成的另一补偿电容的电极，每个另一补偿电容均至少部分地由在接触接口处的相应邻近的插头触头对之间的距离限定。

在设备的示例性实施例的另一变体中，用于每个插头触头的相应桥接部分具有在第一端和第二端之间延伸的长度，至少一个插头触头具有桥接部分长度短于另一插头触头的桥接部分长度。

在设备的示例性实施例的另一变体中，用于第一多个插头触头和第二多个插头触头的相应的第一端位于第一和第二平行间隔的平面中。

在如文中所公开的设备的各种实施例中，接触子组件构造成用以在任何两个邻近触头之间耐受1000vdc，以及在任何两个非邻近触头之间和/或在任何一个触头与导电屏蔽之间耐受1500vdc，而不短路或飞弧。

附图简要说明

图1是代表如文中所公开的用于高速数据传输的模块化连接器插头的第一实施例的透视图。

图2是图1中所例示实施例的反向透视图。

图3是图1中所例示实施例的分解透视图。

图4是图1中所例示实施例的第一另外的分解透视图。

图5是图1中所例示实施例的第二另外的分解透视图。

图6是图1中所例示实施例的第三另外的分解透视图。

图7是代表来自图1的模块化连接器插头的具有触头的示例性接触固持器的透视图。

图8是代表从图7的接触固持器移除的触头的分解透视图。

图9是代表用于图1的模块化连接器插头的前插头外壳的透视图。

图10是代表用于图1的模块化连接器插头的插头子组件的透视图，该插头子组件端接至如文中所公开的屏蔽式双绞线缆线。

图11是代表用于如图1中所例示的模块化插头的实施例的示例性初级印刷电路板（pcb）的顶视图。

图12是代表用于图11的初级pcb的示例性顶部铜层的顶视图。

图13是代表用于图11的初级pcb的示例性接地平面的顶视图。

图14是代表用于图11的初级pcb的示例性底部铜层的顶视图。

图15是代表用于如图1中所例示的模块化插头的实施例的示例性补偿pcb的顶视图。

图16是代表用于图15的补偿pcb的示例性顶部铜层的顶视图，包括next和rl补偿电容板。

图17是代表用于图15的补偿pcb的示例性底部铜层的顶视图，包括next和rl补偿电容板。

用于实施本发明的最佳方式

总体地参看图1至图17，现在可详细地描述模块化连接器插头的各种示例性实施例。在各个附图可描述与其它实施例共享各种共有元件和特征的实施例的情况下，相似的元件和特征被给予相同的参考标号并且对其的冗余描述可在下文省略。

如在图1和图2中所代表的模块化连接器插头的初始实施例可构造成用以在高速数据传输网络中与包括多个凹入插孔触头的对应凹入连接器插孔（未示出）形成连接器接口。外壳由绝缘（例如，塑料）插头本体107形成，该插头本体与导电（例如，金属）屏蔽106和绝缘（例如，塑料）应变消除本体105操作性地附接。插头施用至屏蔽式双绞线缆线104。在插头本体内的是插头子组件108。当插头将在现场端接时，该插头可以未组装构型提供（例如，参见如在图3中所代表那样）。

图4更详细地示出应变消除件105和外屏蔽106。与应变消除件105一体形成的是缆线挠曲部分105a、凸出抗咬合部分105b和多个闩锁特征结构105c，这些闩锁特征结构与屏蔽开孔（例如，切口）106e接合从而定位并固持外部屏蔽106。

外部屏蔽106也可构成为具有附加的一体形成的特征结构。在示例性实施例中，一旦屏蔽106和应变消除件105组装到插头子组件108和插头本体107，则在上方形成屏蔽固持插片106a。这些固持插片106a有助于将插头保持在一起。插头连接器的电接地路径由缆线接地弹簧106b和插孔接地插片106c保持。缆线接地弹簧106b从主屏蔽106向内形成，并且与双绞线170的箔屏蔽170a接触。接地路径继续穿过屏蔽106且然后继续穿过插头接地插片106c。这些插头接地插片106c设置在插头本体107的任一侧面上，并且与存在于典型插孔连接器中的接地弹簧接触。插头外壳闩锁106f与前外壳107中的切口107d接合。

图5和图6示出插头子组件108的示例性实施例。这两副图以组装（图5）和未组装或分解（图6）的构型示出。压接套圈160示出在未压接状态160a中和压接状态160b中。此种插头子组件108的示例性组装和功能可在下文进一步地详细描述。

图7示出触头（或接触件，contact）130插入到接触固持器140中并且放置在初级印刷电路板（pcb）110上。触头通过在接触固持器140中的槽口140b和触头130的一体形成的倒钩部分130a之间的干涉保持就位。pcb110是多层电路板，其在屏蔽式双绞线缆线104与插头信号触头130和接地触头106c之间提供电信号和接地连接路径。插头触头130通过镀通孔110b电连接到pcb110，并且如下文进一步说明，缆线对170电连接到导电垫110a。插头触头130和缆线对170之间的电路径由匹配的阻抗导电迹线控制。还控制的是电通路的电感和电长度。

在所示的实施例中，每个插头触头130均包括经由相应的通孔110b连接至pcb110的第一端。每个相应插头触头130的第一端均相对于pcb110的长度以横向定向延伸。在一个实施例中，每个插头触头130的第一端也可至少与pcb110的下平面重合。每个插头触头130还包括第二端，该第二端与其它插头触头的其它相应的第二端平行且相对于pcb110的长度以横向定向延伸。在所示的构型中，当每个插头触头的第一端130在相应的接触孔110b处连接至pcb110时，每个插头触头的第二端悬于pcb的端部。每个插头触头130还包括在文中可称为在相应的第一端和第二端之间的桥接部分。每个插头触头130的最终形状可类似于如图8中所示的缝钉（或u形钉），其具有例如在桥接部和相应端部之间的圆形接合部分。

然而，插头触头构型不必如此受限，并且在本公开内容范围内的备选实施例中可理解的是，接合部分可为方形的、斜角的，等等。

在所示的实施例中，一些触头，即130-3和130-5（参见图8中的触头细节）比其它触头局部地更宽（参见例如130d）。所有触头在面向插孔的连接器正面中线性地对齐，但奇数触头130-1、130-3、130-5和130-7一般短于偶数触头130-2、130-4，130-6、130-8。接触通孔110b可相应地形成两行，包括一行第一接触通孔和一行第二接触通孔，其中第一接触通孔当面对插孔时更靠近pcb110的前端。

高电容耦合选择性地产生，例如在触头对130-3和130-4之间以及还在触头对130-5和130-6之间。这些触头对位于由绝缘材料组成的接触固持器140中。该绝缘材料的独特介电性能是已知的并且受控的，从而在触头对之间产生受控电容。因为此种电容紧密地位于插头和插孔触头之间的接触点，故几乎没有信号延迟（和相移），从而导致非常有效的电容补偿。

附加的电容补偿由次级pcb120提供（参见图6）。由次级pcb120形成的电容值通过控制在次级pcb的层内构成的平行板120b之间的面积和分隔距离来产生。控制绝缘pcb材料的面积、距离和介电常数将控制补偿区120c中的电容值。出于例示性目的参看图15至图17，在示例性实施例中，补偿板120b可形成为顶部铜层120d和底部铜层120e的一体形成部分。它们为近端串扰（next）和回波损耗（rl）二者提供补偿。每个所述电容器的值根据例如设计意图而为100毫微微法拉到3000毫微微法拉。

在一个实施例中，pcb120位于插头触头的远端（例如，在末端上）。插头触头优选地长度相对较短，使得由次级pcb120提供的补偿电容定位成紧邻插孔/插头接口。补偿电容的此种位置也特别地偏离插孔/插头接口和插头缆线之间的电流路径或相反在该电流路径外部。补偿件120c和插头触头130之间的连接经由镀通孔120a-1至120a-8制成。

将初级pcb110与补偿pcb120分开简化了可制造性，并且还能横越两个pcb使用不同的基本材料、整体厚度和介电常数。这可进一步导致更好地控制两个pcb上的电性能，并且基本上消除不需要的电相互作用的机会。

在初级pcb110内的是两个或多个水平接地平面110g，其在端接至初级pcb顶部和底部的缆线对170之间提供电屏蔽和隔离。附加的竖直（即，在定向上相对于初级pcb的表面平面正交）屏蔽150附接至初级pcb110，并且与驻留在初级pcb110中的接地平面（多个）是共用的。此种屏蔽150，由金属或其它导电物质组成，在端接于初级pcb右侧面和左侧面的缆线对170之间提供电屏蔽和隔离。此种电屏蔽用来减轻缆线对170之间的高频电信号的交换。屏蔽150通过镀通孔110c定位并且在气隙槽口110d内。气隙110d沿着初级pcb的纵向轴线布置并且与邻近的导体迹线平行。这样做是为了避免信号对的路径之间的任何感应共振耦合。

参看如图11至图14中所示的示例性实施例，缆线焊垫110a与接触镀通孔110b-1至110b-8之间的导电路径被示为信号迹线110t。这些是顶部铜层110h和底部铜层110k二者的部分。对于每个信号对而言，迹线110t以平行定向位于接地平面110g上方以生成受控的阻抗区域110i。该控制通过规定迹线110t的宽度、迹线110t与接地平面110g之间的间距来保持。

前插头外壳107的示例性实施例在图9中示出。插头闩锁107a与标准插孔中的闩锁特征结构接合以提供容易接近并且可靠的（或确定的）连接器接合和固持。在插头外壳107后部的是插头子组件引导槽口107b的入口。端接的插头子组件108插入到这些槽口中。该槽口将子组件108定位并固持以确保适当的电和机械性能。当子组件108完全插入时，接触固持器闩锁140a与前外壳107侧面中的凹口107c接合。这确保了子组件108的固持和位置。另外，当这些形成时，这些凹口107c与屏蔽插片106a接合。这进一步地确保完全组装的插头在正常使用期间将没有机会变成分解的。闩锁孔107d也提供成用以在制造过程期间和在最终组装之后固持主屏蔽106和前外壳107。

图10示出端接至屏蔽双绞线缆线104的插头子组件108。在端接之前，应变消除件和主屏蔽穿过缆线的端部。然后，压接套圈160a也穿过缆线的端部。然后，这些将推上缆线并且在缆线准备期间被推离。

现在可描述用于缆线104的示例性准备序列。初始地，将缆线护套104a从缆线104的端部移除，并且将四个双绞线170分开。从双绞线170的端部切下（或修剪）屏蔽箔170a，并且将导线绝缘体170b的一短区段切掉，从而露出信号导体170c。

在准备缆线104之后，以适当的布线图案布置导体170c。导体170c端接于pcb110上的导电垫110a。为了端接，导体通过焊接、软焊或类似工艺附接。在将缆线对端接至初级pcb110之后，将压接套圈160a推向插头子组件108。压接套圈160a与竖直屏蔽150中的凹口150a对齐，并且然后用适当的端接工具压接。现在，压接套圈160b的压接用来与双绞线170a的屏蔽和插头子组件108的竖直屏蔽共用，且因此与初级pcb110的接地平面（多个）共用。

然后，端接的插头组件108插入到前外壳107的槽口107b中。将子组件向前推动直到闩锁140a与前外壳凹口107c完全接合。然后，将应变消除件105和主屏蔽106向上推到前外壳107上并且闩锁就位。现在，插头已完全组装并且准备用于测试和使用。

贯穿说明书和权利要求书，除非上下文另有规定，否则以下用语至少采用文中明确关联的含义。下文标识的含义不必限制该用语，而是仅提供对于该用语的例示性实例。“一”、“一个”和“该”的含义可包括复数引用，并且“在……中”的含义可包括“在其中”和“在其上”。尽管如文中所用，短语“在一个实施例中”不必指代同一实施例，尽管可能如此。

用语“联接（或耦合）”至少是指所连接物品之间的直接电连接或者通过一个或多个无源或有源中间装置的间接连接。

除非另有特别说明或在所使用的上下文中以其它方式理解，否则文中使用的条件措辞，其中例如“可”、“可能”、“可以”、“例如”等等，一般地旨在传达某些实施例包括而其它实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这样的条件措辞一般地并非旨在暗示特征、元件和/或状态以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然地包括用于确定是否有作者输入或提示的逻辑，是否这些特征、元件和/或状态在任何特定实施例中被包括或将被执行。

此前的详细描述提供成用于例示和描述目的。因此，尽管已描述了新的和有用的发明的特定实施例，但是除了如在以下权利要求中所提及的以外，此类参照引用并非旨在解释为对本发明范围的限制。