高速傳輸介面在這幾年更新速度日新月異，帶動電子產業界的技術整體向上提升，因應時下最熱門的5G/6G、IoT、AI的主流趨勢發展，雖然是以無線傳輸方式為主，但有線高速傳輸的I/O介面，也跟上高速傳輸時代的潮流，有資料與影音儲存的SD8.0、也有網路通訊的Ethernet CAT8、還有充電/資料/影音傳輸的USB4與Thunderbolt4、及有影音傳輸的HDMI 2.0與Displayport 2.1。
這些介面就是運用高頻技術，來達到高速傳輸與高解析度影音的效能，主要又可分為兩大類：以雙工使用雙通道進行高速傳輸的Thunderbolt4、USB4、SD8.0，還有以單工而使用三通道以上進行高速傳輸的Displayport 2.0、HDMI 2.1、Ethernet CAT8。基本上都是從單通道進化成較多通道來實現高頻訊號傳輸，除了以通道增加來達成高速傳輸的目標，每個通道由原來的單線傳輸升級為差分訊號對傳輸，差分訊號對的傳輸也由低頻傳輸升級為高頻傳輸。為了達成高頻高速傳輸的目標，針對高頻傳輸路徑中所使用的主控晶片、電連接器、電纜線、電路板的要求也更為精密與精準，尤其是現今對傳輸速度與高解析度影像的要求動輒40Gbps與8kHz為基本規格，所以，高頻結構的優化處理已成為被重視的關鍵因素(圖1)。
圖1 有業者新開發的USB-C公頭與母座應用於轉接器中，在使用Thunderbolt3的系統環境中，已可達成Write-Read速度達1,957~2,543MB/s。
高頻結構受制於先天缺陷難企及高速規格
產品結構決定其高頻特性的優劣，高頻結構需要整體考量，主控晶片、電連接器、電纜線、電路板都難以獨善其身各自考量。機構與電子的機電整合挑戰更高，涉及模具開發、量產自動化的精密度與精確度要求更加嚴苛，尤其是結構修改的交互牽動效應複雜艱難，雖然可從模擬仿真中找到方向，但當為了遷就量產的可行性時，幾乎都是認證測試的樣品與實際量產品差異甚大。目前業界幾乎都投入Thunderbolt/USB Type-C的優化改善，少部分投入在HDMI、Displayport、SD。有線高速傳輸先驅的網通介面連接器為最早投入的高速需求，但因受限於原生結構缺陷，以及常規產品使用要求，這與其他早期發布的介面連接器相同，難以達到真正的高速規格，往往都是降規使用(圖2)。
圖2 有業者如維將科技開發的RJ45母座，其原生結構限制在第3pin與第6pin，但重新將焊接引腳改為單排與內部結構，因此在20GHz的高頻特性表現較佳。
有線高頻差動訊號對看似簡單，主要由一對(+/-)(P/N)所組成的高頻訊號，但高頻差模訊號傳輸的路徑連續性牽涉甚廣。高頻差動訊號對訊號品質的好壞，最直接的影響是訊號對本身的粗細厚薄與距離，而間接的影響是共模雜訊，以訊號對的左右兩側參考邊，與訊號的上下兩面參考層。因共模雜訊會在差模訊號傳輸時，差模訊號對本身與其四周參考邊與參考層的電位差，產生感應耦合造成共模雜訊，使得原本的差模訊號受到影響而衰減，或與其他訊號產生串音雜訊干擾，抑或是與其他電源發生共模雜訊，因此產生電磁輻射，造成電磁波干擾(EMI)(圖3)。
圖3 業者開發的USB-C母座to USB-C公頭轉接器，因為整體高頻特性優化，且做好完整雜訊抑制，故能高標通過EMI測試。
電路板的整機有項重要的測試為靜電放電(ESD)，為解決高頻結構優化時，常會因此與靜電放電的結構發生衝突，主要是接地結構的處理不同：高頻結構對於接地結構的處理在隔離，但靜電放電對於接地在於整面不間斷，因此產生極大對抗。然而高頻特性往往會因為調整阻抗或屏蔽雜訊時刻意將訊號與接地靠近，然而就會在安規認證時，於靜電放電項目無法達標，也因此須增加成本，外加其他ESD被動元件或機構件，但其實靜電放電與高頻特性可以兼顧相容，甚至也可結合兩者基本要求，關鍵在於參考接地對於高頻特性可以用先期的結構設計解決(圖4)。
圖4 USB-C母座to USB-C公頭轉接器，因整體高頻特性優化，且做好完整雜訊抑制，故也能通過ESD測試。
高速傳輸衍生耗電問題大電力輸送已成產品標配
除了高速傳輸備受重視之外，另一項重要的議題是大電力輸送。因為在可攜帶或移動式高速傳輸的使用環境中，耗電量的增加是必然的趨勢，也因此大電量儲能是這類產品必要的要求，快速充電的需求也就因此產生。為了達成能夠快速充電的目標，唯有靠大電力輸送能夠應付這項需求，但因為產品的體積與功能要求日益增多，也因此在有限的空間限制下，大電力輸送面臨的瓶頸更是困難，尤其是在大電力輸送的使用時，溫升過高、電壓降大、短路燒熔、靜電放電、電磁干擾等，其危險性比起過去使用小電力輸送超出甚多。尤其是還要面臨到市面上良莠不齊的劣質充電產品，也因此常見在充電過程中發生起火、爆炸的不幸事件頻傳，甚至因為5G產品的耗電量超大，所以，大電力輸送已成為電子產品的標準特性要求，加大功率的結構設計已經成為必然的趨勢，其中以USB PD3.0為目前最常見的規範，已定義標準為5A@100W/20V(圖5)。
圖5 有業者開發的USB-C公頭與母座重新將焊接引腳改為單排且加寬，因此已達到8A@160W/20V的特性。
有線高頻訊號的優化，可以解決訊號延遲、不對稱、衰減、干擾、抖動、串音，更可以減少共模、降低雜訊、緩解干擾，看似簡單淺顯易懂，但礙於先天原生結構的缺陷，而使得高頻訊號處理難度倍增。其主要關鍵來自於控制晶片與連接器，再加上搭配的電路板走線布局與電纜線，礙於各介面的制定協會參考規範限制與不明確，而使得理論速度與實際量測速度有顯著的落差降速，甚至是隨著使用的頻率提高而干擾到無線或其他有線介面的頻率，這些都是各有線介面使用更高頻率始料未及的問題。也因為如此需要增加使用濾波元件、屏蔽機構件、強波晶片來做改善，但因為其改善效果有限時，只能不得已降規使用，或是當無解時在產品的官網宣告，此問題發生的肇因在於原生特性所導致(圖6)。
圖6 把該USB-A母座to USB-C公頭轉接器，插接USB-C母座to USB-A公頭轉接器，再插接USB Flash Pen Driver，未覆蓋金屬屏蔽殼測試Near Field Platform Noise Scanner後，1.5~3.6GHz雜訊值最高僅-107dB。
突破訊號干擾問題需從最佳化連接器設計著手
射頻干擾的驗證已經在近幾年逐步被重視，尤以USB協會更是正視此問題的嚴重性，也是多數傳輸介面協會中唯一有重視的組織， 並已在電纜線的認證取得新增驗證項目，但美中不足的是對於電連接器、電路板、主控晶片、系統整機並未有相關認證機制。其實好的連接器設計決定了整體射頻干擾的程度，因為連接器的設計必須考量電路板的走線布局、主控晶片的引腳走線、電纜線加工結構，打破常規而重新設計，也因此電連接器才不會淪為秤斤論兩的低價品，更可因為優化的結構設計與特性幫助客戶，使得客戶減少不必要的屏蔽殼間與材料，也不必要再外加濾波與共模扼流線圈元件，甚至是不用再外加訊號放大器或整流元件。如此靠優質的結構處理訊號，來達成整機降價，節省成本，才能增加產品報價優勢，而非一味只求壓低連接器單價(圖7)。
圖7 有業者開發的USB A母座to USB C公頭轉接器，插接USB C母座to USB A公頭轉接器，再插接USB Flash Pen Driver，未覆蓋金屬屏蔽殼測試2.4GHz Without R/W與R/W Throughput後狀況良好。
為了達到最佳化的結果，高速高頻的訊號分析模擬，與實測項目的多寡是決定訊號品質的關鍵因素，以下是常見的項目：
1. RLC(Resistance-Inductance-Capacitance)Series and Parallel Circuits；
2. Differential and Common Mode Time Domain Reflectometry(Impedance、Delay、Intra Skew、Inter Skew)；
3. Differential and Common Mode Scattering Parameters(Insert Loss、Return Loss、Near-Crosstalk、Far-Crosstalk)；
4. CMRR、VSWR、Jitter、Eye。
以下是決定訊號雜訊的常見關鍵因素：
1. Low Frequency Noise and Reference GND；
2. Power Loop Noise；
3. Power Mixed and Low Frequency Mixed Noise；
以上3項Electromagnetic Interference必然發生，最難處理的是不同訊號間發生混波，這也造成高頻雜訊產生。
1. High Frequency Noise Reference GND；
2. High Frequency and Low Frequency Mixed Noise；
3. High Frequency and Power Loop Mixed Noise；
4. High Frequency、Power Mixed、Low Frequency Mixed Noise。
以上4項除了Electromagnetic Interference必然發生之外，連帶地也會對天線產生Radio Frequency Interference。
總之，高頻訊號的處理技術目前仍然面臨許多的挑戰，不僅在於本身傳輸訊號品質的好壞，主要影響在於速度與傳輸距離的表現，及高頻訊號處理不佳時所產生的雜訊，這對其他訊號也會發生不同程度的訊號干擾，甚至在處理高頻訊號時衍生出其他問題，因此高頻訊號、電源迴路、其他訊號之間的處理需要被重視。
(本文作者為維將科技總經理)