為明日的網(wǎng)絡(luò)徹底改造RJ-45
提到以太網(wǎng)接口，總是會讓人想起耦合的模塊化RJ型插頭和插孔型連接器。自從有了結(jié)構(gòu)化電信布線的概念后，這種接口在電信市場占據(jù)了主要位置。之前，從六十年代晚期開始，幾乎每臺售出的電話耳機(jī)上都有著這樣的兩對型連接器。毫無疑問，RJ型插頭和插座接口的應(yīng)用是非常普遍的，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速度接近10 Gb/s，它們開始顯得有些力不從心。而且，大多數(shù)制造商沒有意識到這是一次創(chuàng)新的機(jī)會，而只是熱衷于依賴陳舊的補償電路對現(xiàn)有模塊化插座的過時的外殼和接點設(shè)計進(jìn)行精調(diào)細(xì)改，以克服人工端接的RJ型模塊化插頭連接器與生俱來的高頻電氣和機(jī)械上的缺陷。
作為一項革命性的舉措，西蒙已徹底改變了RJ型模塊化插頭和插座的內(nèi)在機(jī)能。獲得專利的新技術(shù)從根本上消除了插頭和插座端接的差異性、優(yōu)化了耦合性能，并指定使用了完整的針對性矯正補償電路，使連接裝置具有前所未有的傳輸性能余量和機(jī)械可靠性。這些革命性的增強功能，融入了西蒙全新的Z-MAX系列擴(kuò)展六類（6A）連接硬件和配線解決方案。
設(shè)計更好的連接器
今天的RJ型模塊化連接器被要求在五年前還無法預(yù)見的條件下工作并提供性能余量。尤其是，此接口需要在最大500 MHz頻率下表現(xiàn)出超低水平的內(nèi)部（線對間）和外部（外來）串?dāng)_，支持PoE Plus應(yīng)用中每線對最高600mA的電流，在各種環(huán)境條件下保持可靠和堅固的連接，同時還要使用環(huán)保材料制成。面對設(shè)計出超越這些要求的下一代擴(kuò)展六類連接器的挑戰(zhàn)，西蒙的工程師認(rèn)為應(yīng)該對RJ型模塊化插頭和插座進(jìn)行一次徹底的改造。
西蒙確定了以下幾個改進(jìn)設(shè)計的關(guān)鍵：
電氣：
1. 消除通常狀態(tài)下與現(xiàn)場和工廠端接過程相關(guān)的高可變性
2. 確保模塊化插頭性能始終在模塊化插座的“最佳點”內(nèi)，以提供最佳的耦合性能
3. 定位線纜端接以擺脫線對分離和線對交叉
4. 應(yīng)用精密的有限元傳輸模型技術(shù)，以優(yōu)化輸入和輸出線纜連接之間每個點的幅值和相位
5. 電氣隔離配線架和面板上相鄰的連接器，使外來的串?dāng)_最小化并消除信道間可能的屏蔽連接
機(jī)械：
1. 優(yōu)化觸點形狀和配置，使所有元件中的傳輸長度和中斷最小化，并使相鄰插座的引腳之間的距離最大化，以改善外來串?dāng)_
性能
2. 消除不環(huán)保的生產(chǎn)材料，例如鈹和鉛
3. 減少觸點插入應(yīng)力并使插頭/插座接口內(nèi)的正常受力的變化最小化
4. 確保“先接觸”/“后斷開”的觸點形狀可以提供獨立的電弧區(qū)域，并且與插頭和插座觸點上的耦合接口區(qū)域完全隔離，
保證同時傳輸電力和數(shù)據(jù)時的最佳可靠性
5. 有一個適合銅纜布線連接的所有要求的模塊化插座核心組件（例如，一體化平口/斜口，或Keystone和全色跳線）
電氣增強
消除RJ-45模塊化插頭的多變性
雙絞線依賴于精確的線對幾何結(jié)構(gòu)來確保正確的傳輸性能。根據(jù)其特性，線纜到模塊的插頭端接過程會破壞這種線對的幾何結(jié)構(gòu)并給最終的插頭組件帶來了較大的可變性。而且，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?線對T568A和T568B連線圖規(guī)定，端接于插針3和6的線對應(yīng)解開雙絞并分離安裝在端接于插針4和5的線對兩側(cè)（見圖1）。這種常見的安裝方法是模塊化插頭中串?dāng)_的一個主要來源。端接于插針3和6的線對通常被稱為“分離線對”。
另外，線對朝向根據(jù)端接的線纜端不同有順時針旋轉(zhuǎn)或逆時針旋轉(zhuǎn)（見圖2），這一事實常常被忽視。為了適應(yīng)“鏡像”線對方向，在線纜的兩端需要交叉一個不同的線對，以達(dá)到插針/線對連接的極性。因此，要使用相同的插頭設(shè)計來獲得線纜兩端的端接之間的性能一致性，實際上是不可能的。
有人把模塊化插頭端接過程稱為是一門藝術(shù)。或許這是因為該過程取決于操作人員的技術(shù)，在為端接準(zhǔn)備線對時，操作人員可使解開雙絞和線對干擾最小化。培訓(xùn)操作人員正確端接模塊化跳線需要花費較長的時間。即使這樣，成品跳線必須經(jīng)過100%傳輸測試，以確保制作正確。在認(rèn)識到傳輸性能取決于插頭端接的質(zhì)量和穩(wěn)定性后，布線制造商們不再對超五類以上性能等級的現(xiàn)場制作跳線提供保證。若生產(chǎn)和測試過程中沒有嚴(yán)格的流程控制，則無法保證性能。
由于模塊化插頭及其與線纜的端接對耦合性能如此關(guān)鍵，這是Z-MAX設(shè)計中的一個中心焦點。西蒙的工程師對現(xiàn)有的模塊化插頭技術(shù)進(jìn)行了徹底改造，設(shè)計出了具有以下特點的Z-MAX插頭：
1. 可向后兼容并能與現(xiàn)有的符合TIA和IEC要求的任何制造商的插座配合使用
2. 可消除與解開雙絞和“分離線對”相關(guān)的多變性
3. 可消除線纜兩端不同的顏色順序帶來的多變性
4. 完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并始終符合TIA和ISO/IEC規(guī)定的性能范圍，以提供最大匹配性能，同時保持與其它插座和性能類別的
完全兼容
為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，西蒙戰(zhàn)略性地在Z-MAX模塊化插頭中采用了專利的印刷電路板技術(shù)（見圖3）。為消除與傳統(tǒng)插頭端接過程相關(guān)的多變性，使用了不同的印刷電路板（PCB）設(shè)計來和線纜兩端的線纜放置和線對色序匹配。這種設(shè)計可優(yōu)化性能并保持四個完整的線對一直延伸到端接點，而無需解開線對或?qū)⒁粋€線對交叉疊放在另一個線對上。每根跳線用兩個不同的插頭端接，這兩個插頭有著截然不同的電路設(shè)計和連線方案，專門用于提供穩(wěn)定的性能并確保與所有符合TIA和IEC要求的模塊化插座的完全兼容和互操作性。
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找到“最佳點”：
為了驗證連接硬件的性能，TIA和IEC均規(guī)定了可接受的插頭的近端串?dāng)_（NEXT損耗）、遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT損耗）和回波損耗的范圍。這些范圍的規(guī)定使得高性能級別測試插頭的性能范圍相容于低性能級別。這種方法支持向后兼容性（例如，一個5e類插頭配上一個六類的插座將提供不低于5e類的耦合性能）和不同制造商之間的互操作性。
補償電路是所有5e和更高類別模塊化插座設(shè)計中的一個關(guān)鍵要素。其作用是應(yīng)用電抗元件（例如電容和電感性原件）來抵消插頭和插座接口所固有的串?dāng)_，以符合規(guī)定的性能指標(biāo)。歷史上，RJ-45插座補償電路被設(shè)計成適應(yīng)盡可能大的端接插頭的性能范圍。這種方法可能造成相對較平的耦合響應(yīng)，因為低串?dāng)_插頭容易被插座電路過度補償，而高串?dāng)_插頭容易補償不足。就像圖4中顯示的插頭NEXT標(biāo)準(zhǔn)損耗分布藍(lán)色曲線所表示的那樣，這些典型的插座設(shè)計使得插頭和插座配合時總是以非常小的性能余量來最低限度符合規(guī)范的要求。
專利的Z-MAX“含電路插頭”設(shè)計可準(zhǔn)確和穩(wěn)定地提供可控的性能。西蒙的工程師們優(yōu)化了Z-MAX插頭，使其在測試插頭范圍的“最佳點”中工作，在該點，耦合插座性能可達(dá)到與圖4中顯示的綠色曲線所代表的與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)相比更充足的余量。Z-MAX模塊化插頭和插座解決方案所提供的余量非常有吸引力，因為它有助于確保整個布線系統(tǒng)在其生命周期中都將可靠和堅固耐用地工作。如布線環(huán)境經(jīng)常變動時，余量尤其有利，它使布線系統(tǒng)更能承受現(xiàn)場布線安裝時可能的變數(shù)。在一個安裝端口成百上千的網(wǎng)絡(luò)中，哪怕只很小比例的鏈路有著臨界的測試結(jié)果都可能需要耗費數(shù)百個小時和數(shù)千美元才能解決。
西蒙開創(chuàng)性的“含電路插頭”的跳線設(shè)計有著極其精密的性能。值得注意的是，現(xiàn)場測試儀在其永久鏈路適配器跳線中也采用了該技術(shù)。而且，TIA和IEC的連接硬件測試方法均規(guī)定了測試插頭結(jié)構(gòu)中印刷電路的使用，以確保實驗室中測量結(jié)果的重復(fù)性與再現(xiàn)性。
減少插座端接的可變性：
模塊化插座使用絕緣位移連接器（IDC）與雙絞線連接。IDC是可承受多次重新端接的堅固、氣密連接。這些線路端接點也可以是多變性的一個原因，因其本身的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致安裝者必須解開線對和/或交叉線對，造成不需要的和不可控的串?dāng)_。這種可變性將對插座性能產(chǎn)生不利影響，這和線纜端接對模塊化插頭的影響幾乎相同。
西蒙的工程師們設(shè)計了Z-MAX IDC端接區(qū)域來確保雙絞的完整性被保持到端接處，同時消除了在線纜任一端讓線對彼此交叉的需要。通過線性的線對放置方法，Z-MAX Zero-CrossTM端接模塊將對線對幾何結(jié)構(gòu)的干擾最小化（見圖5）。在插座內(nèi)，IDC引腳被準(zhǔn)確地定位在一個使相鄰插座之間的線對間距最大化并減少串?dāng)_的方向上（見圖6）。這些特點確保了IDC端接的電氣特性在不同插座之間保持一致，從而使Z-MAX補償電路的效力最大化。
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矯正的補償電路：
補償電路的任務(wù)是抵消耦合插頭-插座接口和線纜連接時所固有的串?dāng)_。工程師們已經(jīng)開發(fā)出一些模型，表明由于傳輸?shù)牟贿B續(xù)性而造成的電容和電感的增加，為連接器引來了不必要的串?dāng)_。理論上，串?dāng)_可以通過再電路中增加同值反相的電容和電感來抵消。這種技術(shù)叫做“無功平衡”。但是，現(xiàn)實中，無功平衡的實施極其困難，因為：
1. 串?dāng)_電平可由于插頭和IDC端接的可變性而明顯波動
2. 補償元件表現(xiàn)出非線性頻率響應(yīng) – 需要極其小心，以確保在100MHz減小串?dāng)_的補償電路不會在500MHz增加串?dāng)_
3. 四線對連接器的多維性使提高一個方面的性能而不降低另一方面的性能變得極其困難和復(fù)雜
通過矯正補償設(shè)計，西蒙新的Z-MAX模塊化插頭和插座的IDC結(jié)構(gòu)有效地消除了端接可變性的影響。通過穩(wěn)定和可重復(fù)的插頭和IDC性能，西蒙的工程師們得以設(shè)計出一個精密的有限元傳輸模式作為開發(fā)一個高度精確的補償電路的基礎(chǔ)。無功元件的數(shù)值和類型說明了電路每側(cè)的連接器特性，以及與其在連接器中的位置相關(guān)的時移。計算模型被用來優(yōu)化這些元件的形狀和位置，以解釋所有8個線路（四個線對）和屏蔽層的雙向互動。然后，西蒙采用了專利的電路技術(shù)將這些元件加入Z-MAX插座中。
Z-MAX插座中復(fù)雜電路的放大圖揭示了加入無功元件和相位延遲的創(chuàng)新技術(shù)的多樣化（見圖7）。操控補償電路中的幅值和相位的專利技術(shù)包括了對PCB印制線參數(shù)如長度、寬度和厚度等的精確控制。這些參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化，可以保證整個Z-MAX插座有最低程度的反射和整體平衡性的提高。這些技術(shù)保證了非常精確和可重復(fù)的補償電路，這對于西蒙Z-MAX插座能提供出色的性能非常重要。事實上，該設(shè)計不僅支持較大的Z-MAX系統(tǒng)余量，甚至還支持Z-MAX插座與圖4中NEXT損耗分布粉紅色曲線所示的標(biāo)準(zhǔn)6A類插頭配合時增加的性能余量！
隔離：
屏蔽提供了對包括外來串?dāng)_在內(nèi)的所有類型電磁干擾的有效隔離，但UTP布線和元件除了平衡外只能依賴于分離和隔離。斜向分布的IDC為相鄰Z-MAX插座背部線對提供了最佳的分隔空間，以確保最大的外來串?dāng)_隔離（見圖8）。由于該設(shè)計的出色效果，可以實現(xiàn)極高密度的端口配置（1U配線架上可容納48個非屏蔽或屏蔽的端口–見圖9）。
由于高密度是設(shè)計布線系統(tǒng)時一個主要考慮的因素，西蒙的工程師們還想要確保左右并排的部件不會有無意中對相鄰插座構(gòu)成屏蔽連接的風(fēng)險。（這對屏蔽系統(tǒng)來說是一個特殊的優(yōu)點，即使在非特意接地的安裝位置也能保證插座間沒有直接的耦合噪音）。為了滿足這種要求，在Z-MAX核心和外框構(gòu)造中使用了一種創(chuàng)新的不對稱設(shè)計，以確保左右并排的屏蔽插座在安裝時不會相互碰到。該設(shè)計方法可支持最高密度的端口配置。Z-MAX左右并排的插座之間的隔離被準(zhǔn)確地控制，難以用裸眼看出，保證了屏蔽層之間的完全直流隔離。
前所未有的傳輸性能余量：
構(gòu)成Z-MAX模塊化插頭和插座的獨立元件具有穩(wěn)定的插頭性能、可重復(fù)和低串?dāng)_的IDC連接，以及最新技術(shù)的補償電路。在信道和永久鏈路配置中，Z-MAX解決方案以前所未有的余量超越了6A類傳輸性能指標(biāo)（見圖10）。這些性能水平不能通過簡單地調(diào)節(jié)某個獨立的元件來實現(xiàn)；它們是對模塊化插頭和插座裝置內(nèi)的每個元件進(jìn)行全面精細(xì)改造的結(jié)果。該系統(tǒng)還可滿足長度小于15米的6A類和EA級鏈路和信道的性能要求。
機(jī)械增強
插座引腳觸點：
模塊化插座的引腳在耦合的插頭插座連接的電氣和可靠性性能中起著關(guān)鍵作用。歷史上，模塊化插座生產(chǎn)主要是考慮成本，而不是性能。通常，插座觸點引腳的設(shè)計是適應(yīng)與PCB相關(guān)的插座結(jié)構(gòu)的，在插入不符合規(guī)范（例如6位）插頭時會出現(xiàn)永久性變形。它們通常用銅鈹合金制成，該材料具有良好的機(jī)械屬性，但是不屬于環(huán)保材料。雖然傳統(tǒng)的模塊化插座可能易于生產(chǎn)，但是它有著功能缺陷，例如，觸點位置的多變性以及過多的觸點移動，可造成不可靠的電氣和耦合性能。
創(chuàng)新的Z-MAX插座引腳觸點設(shè)計利用了短電氣線路以及用環(huán)保材料和工藝制造出來的穩(wěn)定、可重復(fù)的觸點形狀所帶來的優(yōu)勢。實現(xiàn)這些能力的第一步就是找到一種可對各種斜度觸點，包括不符合規(guī)格的插頭，提供最佳有效正交力的材料。由于銅合金具有屈服應(yīng)力與彈性系數(shù)的最佳比例，可確定彈性觸點的工作范圍，因此選擇該合金以確保插座觸點強度和耐久性之間的最佳平衡。Z-MAX觸點采用了環(huán)保設(shè)計的電鍍工藝流程（用于控制在初始和全耦合觸點接觸區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域的觸點屬性），使用順應(yīng)針技術(shù)（通常稱為“壓配”或“針眼孔端子”）連接到PCB來代替焊接，消除插座組裝過程中的有害材料如銅鈹合金和鉛等。
通過采用更容易適應(yīng)各種斜度的插座觸點的合金，西蒙的工程師們得以設(shè)計能夠承受各種壓接高度的模塊化插頭的引腳，保證與6位和8位模塊化插頭的互操作（見圖11）。Z-MAX觸點電氣線路短，超出了大多數(shù)較高的使用壽命要求。材料的彈性還確保觸點不會輕易變形或偏斜移位。在與插頭完全耦合時，Z-MAX引腳定位準(zhǔn)確，使相鄰引腳之間的串?dāng)_耦合最小化。這樣高度可靠和穩(wěn)定的插座觸點結(jié)構(gòu)可確保插座中采用的補償電路能夠至少為2500次插拔提供最優(yōu)性能保障。
觸點清潔：
即使在最理想的環(huán)境中，插頭和插座觸點也可能被液體和固體塵埃污染。當(dāng)Z-MAX模塊化插頭和插座耦合時，每個元件的引腳觸點在最終耦合接觸位置以外的區(qū)域相互抹擦。這種抹擦動作確保了每次插頭插入后潔凈、無污染的連接。Z-MAX觸點設(shè)計還確保了當(dāng)攜帶電力的線路（例如PoE或PoE Plus應(yīng)用）連接或脫離模塊化插座時，觸點由于產(chǎn)生電弧而可能的損壞。這種電弧被限制在完全耦合的觸點區(qū)以外預(yù)先確定的區(qū)域。
一體化模塊配置：
開發(fā)一個新的連接硬件產(chǎn)品的難點在于如何滿足客戶對于性能穩(wěn)定的產(chǎn)品各種各樣的需求。為了克服這一障礙，西蒙的工程師們開發(fā)了一個Z-MAX全功能插座核心組件，可結(jié)合模塊化外框使用，以適應(yīng)最大范圍的客戶需要。例如，平口/斜口和keystone 插座配置，以及顏色編碼，可簡單地通過相應(yīng)的外框來實現(xiàn)（見圖12）。非屏蔽的Z-MAX核心組件帶有一個模塑的非導(dǎo)電性外殼，而屏蔽的Z-MAX核心組件則帶有一個壓鑄的金屬外殼。這種方法確保了整個產(chǎn)品系列可穩(wěn)定工作，而生產(chǎn)工藝的可變性也減小到可能的最低程度。
外框是一項重要的Z-MAX創(chuàng)新一體化設(shè)計，可在標(biāo)準(zhǔn)配線架或面板開口中進(jìn)行平口或斜口安裝（見圖13）。屏蔽和非屏蔽插座均通過外框顏色選項和獨立的印制標(biāo)記提供彩色編碼。緊湊的核心和外框設(shè)計讓插座可以穿過面板開口，進(jìn)行正面或背面安裝。所有面板卡鎖均為自帶，也就是說，無需標(biāo)記片或防塵門來將插座固定在面板上。連彩色的標(biāo)識片也重新設(shè)計成顯眼、易用和可循環(huán)使用。
快速端接：
在現(xiàn)場，更快的端接時間可轉(zhuǎn)化為成本的節(jié)省，意味著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可以更快地投入使用而且減少了故障排查的需求。根據(jù)數(shù)百位安裝人員的反饋，西蒙Z-MAX被公認(rèn)為端接時間“最快”的產(chǎn)品。Z-MAX的許多特點在保持了線對的對稱，并消除了線對分離和交叉的同時，也改善了端接時間，西蒙將Z-MAX插座的目標(biāo)端接時間降低到1分鐘之內(nèi)。為了達(dá)到這一目標(biāo)，Z-MAX插座采用了優(yōu)化的工作流程，包括快速和可重復(fù)的線纜預(yù)備；單步驟線纜去應(yīng)力和屏蔽端接；線性單軸向線對放置；以及新的Z-TOOL端接設(shè)備（見圖14）。經(jīng)過這樣設(shè)計的Z-MAX端接時間，包括線纜預(yù)備步驟在內(nèi)，非屏蔽插座已經(jīng)減少到55秒之內(nèi)，屏蔽插座也可以減少到60秒之內(nèi)！
總結(jié)
西蒙新的Z-MAX非屏蔽和屏蔽解決方案是現(xiàn)有的模塊化RJ型插頭和插座技術(shù)整體改造的巔峰，它與時俱進(jìn)地徹底改變了6A類布線產(chǎn)業(yè)。
沒有其它的連接硬件解決方案具有以下功能：
1. 基于PCB智能插頭技術(shù)，可消除線對分離、交叉和端接的可變性。
2. 模塊化跳線每端的獨特插頭設(shè)計和端接方案，可減小因線纜兩端線序方向差異所造成的性能變化。
3. 跳線性能始終達(dá)到TIA和ISO測試插頭規(guī)定范圍的“最佳點”。
4. Zero-CrossTM IDC端接模塊，可消除線對分離和線對交叉，同時保持最小程度的線對松絞，以消除多變性。
5. 復(fù)雜的幅值和相位補償電路，可提供非常卓越的信道性能。
6. 插座隔離，可使外來串?dāng)_最小化，支持極高密度安裝（一個1U配線架支持48個端口）。
7. 對于那些不是特意要接地的連接點提供信道間屏蔽隔離。
8. 環(huán)保材料和高度可靠的構(gòu)造。
9. 可防止被帶電的PoE和PoE Plus信道損壞。
10. 可在1分鐘內(nèi)進(jìn)行非屏蔽和屏蔽端接。
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