fakra傳輸啥信號(hào)(音視頻和車載信號(hào)傳輸詳解)
音視頻信號(hào)
信號(hào)連接線Fakra的定義:
FAKRA連接器 FachkreisAutomobil Connector
HSD: High Speed Data Connector
公母結(jié)構(gòu)如下:
主要的性能指標(biāo):
特性阻抗Impedance
由于在整個(gè)傳輸線上阻抗維持恒定不變,特性阻抗就是表達(dá)傳輸線的這種特性的名稱。
插入損耗Insertion Loss
插入損耗是指發(fā)射端與接收端之間,插入電纜或元件產(chǎn)生的信號(hào)損耗,通常指衰減。插入損耗以接收信號(hào)電平的對(duì)應(yīng)分貝(dB)來表示。
反射損耗 ReturnLoss
是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,一般是inline處的反射。不匹配主要發(fā)生在連接器的地方,但也可能發(fā)生于電纜中特性阻抗發(fā)生變化的地方。
Fakra的要求:
HSD的要求:
車載信號(hào)傳輸
隨著汽車智能駕駛系統(tǒng)和車載娛樂系統(tǒng)的需求日益增長,車內(nèi)信號(hào)傳輸速率隨之增加,導(dǎo)致相應(yīng)的連接線纜的傳輸頻率也逐漸增加。FAKRA同軸線纜是一種傳輸射頻信號(hào)或高清攝像頭信號(hào)的高速高頻線纜,其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括:FAKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器。
圖1 FAKRA同軸線纜連接結(jié)構(gòu)圖
FAKRA同軸線纜在零件匹配和汽車應(yīng)用中,回波損耗和插入損耗這兩項(xiàng)重要電氣性能會(huì)受到明顯影響,導(dǎo)致傳輸信號(hào)的品質(zhì)下降,影響用戶感知,甚至導(dǎo)致功能失效。本文主要分析FAKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器,對(duì)整個(gè)傳輸鏈路信號(hào)品質(zhì)的影響,并提出減少影響的工程方法。
FAKRA同軸線纜在零件匹配和汽車應(yīng)用中,回波損耗和插入損耗這兩項(xiàng)重要電氣性能會(huì)受到明顯影響,導(dǎo)致傳輸信號(hào)的品質(zhì)下降,影響用戶感知,甚至導(dǎo)致功能失效。本文主要分析FAKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器,對(duì)整個(gè)傳輸鏈路信號(hào)品質(zhì)的影響,并提出減少影響的工程方法。
1 FAKRA連接器對(duì)整個(gè)傳輸鏈路性能的影響
在分析FAKRA連接器對(duì)信號(hào)品質(zhì)的影響之前,需要先了解連接器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),再圍繞標(biāo)準(zhǔn)分析存在的潛在影響因素。FAKRA連接器主要參考的界面尺寸標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO20860-1和USCAR-18,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO20860-2,USCAR-17和USCAR-2。界面尺寸標(biāo)準(zhǔn),定義了FAKRA連接器軸向和徑向方向的主要尺寸,包括公端連接器和母端連接器,如圖2所例示(摘自ISO20860-1)。
圖2 線端公端連接器界面尺寸標(biāo)準(zhǔn)
在軸向方向上,某些尺寸是一個(gè)尺寸公差范圍,公母兩端連接器對(duì)插后,在連接界面處存在間隙。界面尺寸公差引起的對(duì)插后的間隙對(duì)電性能產(chǎn)生影響,空氣間隙的大小影響阻抗匹配的程度。另外從標(biāo)準(zhǔn)出發(fā),外導(dǎo)體端面處絕緣介質(zhì)材料只定義了50Ω的設(shè)計(jì)要求,在不同公司的產(chǎn)品中,絕緣介質(zhì)材料存在并不相同的現(xiàn)象,也會(huì)影響阻抗匹配的效果。故即使在界面結(jié)構(gòu)尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下,對(duì)于不同絕緣材料和界面結(jié)構(gòu)的連接器,需要進(jìn)行匹配試驗(yàn),驗(yàn)證相關(guān)電性能指標(biāo)是否在規(guī)定數(shù)值范圍內(nèi)。
2 FAKRA Inline連接器對(duì)整個(gè)傳輸鏈路性能的影響
在整車線束連接和組裝過程中,不可避免地采用Inline連接器進(jìn)行對(duì)接,例如對(duì)于娛樂主機(jī)與外部天線的連接,娛樂主機(jī)布置在儀表臺(tái)區(qū)域,而外部天線在車頂后部,一般需要通過儀表線束、車身線束和頂棚線束三段線束來共同連接,這就會(huì)產(chǎn)生Inline連接器。
如圖3所示,做了一下連接對(duì)比:一根為完整的400mm樣品1,兩端為FAKRA連接器;另外一根為4段等長的100mm樣品2,通過3對(duì)FAKRA Inline進(jìn)行串聯(lián)連接。
圖3 樣本1同軸電纜和樣本2同軸電纜
通過表1的插入損耗對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)在相同頻率下,樣品2比樣品1插入損耗大,是由于中間的3對(duì)Inline連接器的插入損耗在傳輸鏈路中施加了影響。
表1 樣本1同軸電纜與樣本2同軸電纜的插入損耗對(duì)比
通過表1可以看出,增加Inline連接器可以引入插入損耗,由此得知連接器插入的數(shù)量越多,插入損耗越大。同時(shí),對(duì)于Inline連接的選型應(yīng)用,需要考慮工作頻率,在不同頻率下,插入損耗不同。在實(shí)際應(yīng)用中,還需要驗(yàn)證Inline連接器的品質(zhì)穩(wěn)定性和一致性。
另外,尤其涉及到不同廠家的Inline連接時(shí),需要評(píng)估和測(cè)試切換后的整體性能。Inline連接器對(duì)配時(shí),如果發(fā)生阻抗失配,會(huì)引起回波損耗,導(dǎo)致信號(hào)輸出功率降低,插入損耗增大;Inline連接器的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗以及輻射能量都會(huì)引起插入損耗增大,導(dǎo)致信號(hào)輸出功率降低。
3 FAKRA同軸電纜對(duì)整個(gè)傳輸鏈路性能的影響
同軸線纜是由兩根同軸心、相互絕緣的圓柱形金屬導(dǎo)體構(gòu)成基本單元。其線纜示意見圖4。
圖4 同軸線纜結(jié)構(gòu)
在考慮到FAKRA同軸電纜時(shí),通常認(rèn)為,同軸電纜的插入損耗等于連接器和電纜的損耗之和。本文需要強(qiáng)調(diào),插針和插孔的同心度和接觸狀態(tài),對(duì)同軸電纜插入損耗的影響,“接觸不好”會(huì)導(dǎo)致同軸電纜插入損耗的增加,同時(shí)也可能體現(xiàn)為信號(hào)不穩(wěn)定或者直接開路。判定接觸狀態(tài)的好壞,除了測(cè)試公、母連接器對(duì)插后的接觸電阻之外,還可以測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接插保持力,以衡量和判定其接觸狀態(tài)。在ISO20860-2測(cè)試項(xiàng)目中明確定義了內(nèi)、外導(dǎo)體的測(cè)試方法。
影響同軸電纜插入損耗的另一個(gè)因素,是電纜的工作頻率范圍。圖5為某型號(hào)電纜插入損耗的測(cè)試曲線,可以看到,在電纜工作帶寬“線性頻段”之內(nèi),插入損耗測(cè)試曲線的線性變化,而在帶寬之外,測(cè)試結(jié)果非線性變化,并且在某些頻點(diǎn)產(chǎn)生突變,從而給整個(gè)鏈路的信號(hào)傳輸帶來不可忽視的影響和后果。
圖5 電纜的工作帶寬之外插入損耗性能突變
4 FAKRA 板端連接器對(duì)整個(gè)傳輸鏈路性能的影響
FAKRA板端連接器相對(duì)線端連接器,除了界面處結(jié)構(gòu)存在差異外,比較常見的差異為,公端外導(dǎo)體的端面存在兩種設(shè)計(jì):絕緣子和空氣。這兩種界面與母端連接器對(duì)插后,會(huì)存在性能上的差異。
影響公端板端連接器性能的另外一個(gè)重要因素是,在連接器的尾部與PCB板連接的設(shè)計(jì)。圖6為一款內(nèi)導(dǎo)體平貼在電路板信號(hào)線上的板端連接器,圖7為板端連接器切除部分外導(dǎo)體后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6 板端連接器
圖7 板端連接器切除部分外導(dǎo)體
為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,這些因素都會(huì)影響到信號(hào)的傳輸:板端連接器內(nèi)導(dǎo)體的根部(靠近連接器絕緣介質(zhì)的部位)離PCB板的距離、板上信號(hào)線的寬度、PCB板的工作帶寬、板上信號(hào)線兩側(cè)開孔的大小。
當(dāng)工作頻率超過一定的閾值時(shí),無論是板端連接器、PCB板,以及相應(yīng)的焊接參數(shù),都要充分論證,避免高頻信號(hào)在某些頻段產(chǎn)生突變。
5 結(jié)論
通過上述內(nèi)容可以看出,F(xiàn)AKRA同軸電纜在選擇時(shí),需要關(guān)注電纜和連接器的工作帶寬,在整個(gè)鏈路中,每個(gè)器件的工作帶寬都會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響。對(duì)于同種類別不同廠家的連接器,需要參照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范確認(rèn)選型匹配的一致性。
整車線纜實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于彎折區(qū)域的同軸線纜應(yīng)用,考慮到傳輸損耗以及彎折耐久,通常會(huì)采用損耗更低,直徑更大的專用耐彎折電纜。對(duì)于布置在濕區(qū)的用電器,通常采用防水防塵的專用FAKRA連接器。對(duì)于布置在振動(dòng)區(qū)域,還需考慮滿足振動(dòng)需求的FAKRA連接器。
總之,F(xiàn)AKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器,都會(huì)對(duì)整個(gè)鏈路的信號(hào)傳輸造成影響。通過分析和掌握其主要的影響因素,制訂相應(yīng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試措施,降低和消除這些影響,從而有利于高頻信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。