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使用光学推进电子封装使VPX带宽提升450%行业资讯

2022-12-22 13:29:56

当今,有源电子扫描天线 (AESA) 雷达、红外搜索和跟踪 (IRST) 以及监视系统的信号处理要求非常苛刻。这种情况要求设计人员将更多的处理能力和电子设备压缩到VPX (ANSI/VITA 46) 和OpenVPX (ANSI/VITA 65)系统中。

当今,有源电子扫描天线 (AESA) 雷达、红外搜索和跟踪 (IRST) 以及监视系统的信号处理要求非常苛刻。这种情况要求设计人员将更多的处理能力和电子设备压缩到VPX (ANSI/VITA 46) 和OpenVPX (ANSI/VITA 65)系统中。一个答案是使用新一代3U外形的VPX 卡,由于符合即将推出的VITA 66.5标准的几个新的光互连,它提供了更多的带宽。这些互连——集成了高密度MT插芯接口和24通道光收发器——采用四级电子封装,将在半尺寸连接器模块内实现高达900 Gb/秒的双工数据吞吐量。与使用最新铜VITA 46.30兼容互连的背板相比,该速率几乎是线性带宽能力的四倍。

使VPX的四级电子封装达到光速

虽然 VITA 标准继续改进 VPX 系统电子封装中使用的铜合金互连,但不断发展的VITA 66“点”标准正在为光互连做同样的事情。先进的光连接器为VPX背板和模块提供了更高带宽和其他光技术固有优势的优势,其中包括:

  • 低信号损耗:通过光纤传播光信号比通过铜移动电子需要的放大少得多。因此,衰减(功率损失)的可能性要小得多。
  • 更少的电磁干扰 (EMI) 和串扰:非金属光纤电缆具有固有的抗电磁干扰能力,不需要电磁屏蔽。不同光纤电缆中的信号之间的串扰可以忽略不计。
  • 减小尺寸和重量:光学技术采用更轻、更紧凑的组件,最大限度地减少了空间和质量。
  • 安全性:光纤束不导电,具有固有的抗间接雷击效应。纯玻璃 (SiO2) 芯材可承受常见的潮湿和腐蚀性环境而不会降解。
  • 保密性:穿过玻璃的光不会辐射信号,这使得光纤极难窃听。
  • 灵活性:光纤的小直径、高强度和各种护套选项提供了灵活性和抗裂性和抗断裂性。传统光纤电缆的典型最小推荐长期弯曲半径是电缆外径的十倍。光学柔性电路可以适应更小的弯曲半径和多个堆叠层和光纤交叉。
  • 成本:光缆、组件和硬件材料成本的降低使光纤在许多应用中具有价格/性能优势。

除了高信号完整性和稳健性外,光纤还提供密度和带宽优势,这在数据密集型 VPX 应用中极具吸引力。

例如,具备一个带有VITA 46.30 兼容的 MULTIGIG RT 3 高速背板连接器的 3U VPX 模块,该连接器采用铜合金触点。每个半尺寸连接器使用八个印刷电路板 (PCB) 晶片,提供 16 个差分对。每对能够支持 25 Gb/秒的双工带宽,总双工带宽达到 200 Gb/秒。

首先将其与采用即将推出的半尺寸 VITA 66.5 E 型光纤连接器的3U VPX模块进行比较,用于0.800英寸卡对卡间距应用。较小的尺寸可实现更高的密度,其中两个 24 芯 MT 插芯可实现 24 个双工通道。每个通道能够提供 25 Gb/秒的双工带宽,总双工带宽达到 600 Gb/秒,与最新的铜互连相比,带宽增加了 300%。

即将推出的 VITA 66.5 D 型光纤连接器可为 1英寸间距应用提供额外的带宽能力(图 1)。这些连接器在一个半宽连接器模块内最多可容纳三个 24 光纤 MT 插芯,提供多达 36 个双工通道,在相同的线性空间中实现高达 900 Gbps 的速度,与符合 VITA 46.30 的铜缆相比,带宽增加了 450%互连。

图1:VITA 66.5 D 型3MT 半尺寸连接器

这种带宽的大幅增加是在 VPX 系统的电子封装中的三级、四级和五级实现的。

按照惯例,互连发生在电子封装方案的两个级别之间。在第一级,基本电路元件,例如集成电路 (IC) 芯片,永久且直接连接到其引线,例如芯片载体的框架。在第二级,设备连接到 PCB。在第三级,电路板连接在一起。子系统在第四级连接在一起,而在第五级,子系统与系统的输入/输出 (I/O) 接口连接。最后,在第六级,系统从一个盒子到另一个盒子进行物理连接,距离从厘米到公里不等。

除了在第五级板载 I/O 模块和第六级光纤网络中明显使用光学器件外,光学器件还可用于其他电子封装级别:

第一级:应用芯片上芯片载体的光学等效物涉及直接连接激光二极管或连接到波导的光电检测器芯片。可以使用光子“倒装芯片”技术,或者可以在这些互连中对齐切割的光纤。

第二级:实施光学可能涉及可插拔收发器——例如单通道 SFP+ 或基于 MT 的并行中板收发器——并且可以包括这些收发器内的子组件。

三级和四级:光互连的进步使三级板边解决方案与四级子系统相结合成为可能。VPX 插件模块和背板之间的这些高级光学互连显着扩展了带宽。

这种带宽提升是光互连 VITA 标准发展的直接结果。特别是,VITA 66.5 解决了三级和四级接口,而 VITA 87 定义了五级接口。

阵列和并行收发器

为了增加密度,板级和系统级设计通常从笨重的分立连接器转向使用更小、封装更密集的圆形和矩形连接器的基于阵列的解决方案。新的连接器模块设计可以将光信号集成到背板接口的公共块中。与传统的并排解决方案相比,该块在插槽中占用的空间更少。这种趋势正在影响 VPX 系统中的三级、四级和五级。对于小空间中的高光纤数,光学柔性电路可用于支持紧弯半径并通过容纳多达 12 层堆叠和多达 6 个光纤交叉来简化布线。

为了增加带宽,可以使用卡边缘和中板并行光收发器来允许通过多条光纤同时传输和接收数据。符合 VITA 66.5 的 MT 光接口也支持此应用。

VITA 66.5 进化

ANSI/VITA 66.0 基础标准为 ANSI/VITA 46 VPX 背板和插入式模块定义了一系列盲插光纤互连(表 1.)。每种终端样式在密度、坚固性、可修复性和其他特性方面都具有不同的优势。即将推出的 VITA 66.5 标准定义了 ANSI/VITA 65 OpenVPX 架构的高密度光纤互连。

表1:VITA 66 标准系列。

卡边缘的盲插收发器

有源盲配光互连设计具有多种优势。 背板连接器模块内的浮动插件可在 MT 套圈开始接合之前提供预对准(图 2)。 此外,卡级导销和导引模块的相互作用提供了无错误插接并防止损坏连接器

而且,该系统只能以一种方式组装,以避免错误接线和误操作。 而且它集成了薄型 VITA 66.5 A 型插入式模块连接器和收发器。模块与内插板一起拧到板边上;这种装配样式设计为可拆卸,以便将来进行升级。该设计还无需放置收发器中板,从而节省了板空间并减少了板上的光缆布线。

图2:坚固耐用的盲插 MT 光学模块化/背板互连,符合 VPX 系统的 VITA 66.1 和 VITA 66.4 开放式架构规范。

背板光学连接器模块的特点包括浮动插入件和销或叶片,它们在X和Y方向与 MT 插芯插口对齐,这种设计符合 VITA 66.5 插拔要求。插入式模块连接器的功能包括带有 MT 套圈的光收发器、LGA 内插器和带有相应对齐功能的前连接器外壳。

即将发布的 VITA 66.5 标准定义了两种不同的盲插光连接器接口配置。包含边缘安装收发器的连接器在插入式模块上包含固定的 MT 套圈接口,在背板上包含弹簧支撑(浮动位移)MT 套圈。包含线对线变体的连接器在背板和插入式模块连接器两半中都包含弹簧支撑的 MT 套圈。

新特性是 VITA 66.5 D 型和 E 型连接器变体可以增加密度。该标准定义了双 MT 插芯的半宽和全宽连接器模块。双 MT 插芯组合最多可提供 48 (2 × 24) 通道,而 Style D 最多支持 72 (3 × 24) 个通道。

这种 MT 开发不仅提高了带宽,而且即将推出的 VITA 66.5 标准还通过支持以下方面做出了其他重要贡献:

  • 多光纤端接 (MT) 插芯:MT 插芯的 MT 互连在发布的第一个“点”规范 (VITA 66.1) 中进行了描述。在所有行业标准插芯中,MT 为多模和单模光纤提供最高密度的互连。它是 VITA 66.5 的基本套圈类型。随着时间的推移,用于 VPX 背板接口的多光纤终端插芯连接器的 MT 模块在电路板上相同的物理空间中增加了一倍或三倍。每个 MT 模块的光纤数从 12 条增加到 24 条,再到 48 条到 72 条。MT 是一种物理接触式终端,这意味着玻璃端面直接接触,损耗非常低。符合 VITA 66.5 的设计使用弹簧加载的 MT 背板连接器在背板和插入式模块之间提供插拔力。弹簧加载接口可确保 MT 到 MT 的安全插接,以最大限度地减少回波损耗和振动影响。
  • 混合射频/光模块:即将推出的 VITA 66.5 标准不仅仅包含光学:该标准还旨在通过在同一连接器模块内组合射频和光链路,通过混合射频/光模块实现更高的密度。浮动插件可以容纳一系列射频触点和 MT 插芯,在 3U 半模块空间内最多可适应 10 个 NanoRF 触点和一个 MT。
  • 更高密度的 VPX 外壳光学 I/O 连接:用于光学 MT 圆形连接器的 VITA 87 标准也在开发中。该标准将定义符合 MIL-STD-38999(图 3)的圆形连接器外壳。将提供每 MT 12 或 24 根光纤以及物理接触或带镜片的 MT 的选项。

图3.D38999系列III型圆形连接器,带有多达四个 MT 插芯,可容纳多达 96 个光通道。

迈向未来:VITA与SOSA携手合作

VITA 66.5 和 VITA 87 标准的开发已被另一个有影响力的标准组织——传感器开放系统架构 (SOSA) 联盟所利用。 SOSA 联盟由美国军方、政府和相关行业代表组成,旨在为下一代传感器系统制定互操作性标准。 SOSA 对齐架构正在开发用于信号情报 (SIGINT)、电子战 (EW)、雷达和通信应用。 SOSA 正在机箱内采用 ANSI/VITA 65 OpenVPX 架构,并与 VITA 合作以利用现有标准,同时推动新的 VITA 标准。

不断发展的 VITA 标准推动了 VPX 系统有价值的光学和射频技术的发展。因此,未来的 VPX 系统可以通过添加更多快速通道来提高带宽来满足苛刻的信号处理要求。

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