Pase la conexión USB 3.0 a través del conector D-SUB

Necesito pasar un cable USB a través de una pared de la cámara de vacío, para lo cual solo tenemos bridas de paso D-SUB disponibles. Así que corté un cable USB por la mitad y solde un conector D-SUB a cada mitad. Para las conexiones USB 2.0, esto funciona sin ningún problema, pero he tenido problemas para que funcione una conexión USB 3.0.

Específicamente, la computadora emite el sonido de conexión / desconexión repetidamente cada pocos segundos cuando el cable está enchufado. La única solución es empujar el conector lentamente, hasta que el dispositivo sea reconocido, forzando esencialmente una conexión USB 2.0.

¿Supongo que esto se debe a un blindaje insuficiente para obtener un enlace USB 3.0?

Las conexiones individuales parecen estar bien, con una resistencia <3Ω para cada una y sin cortocircuitos. A continuación se muestra un diagrama de cómo encaminé los cables a través del conector:

Como se muestra en la figura, el blindaje está conectado a la carcasa del conector para conectar el blindaje en ambos lados. Traté de mantener baja la cantidad de blindaje destruido, con alrededor de 3 cm a cada lado eliminado.

¿Cuál es la causa más probable de este fracaso y, si es posible, cómo evitarlo en el futuro?

¿Supongo que esto se debe a un blindaje insuficiente para obtener un enlace USB 3.0?

Es más probable que simplemente introduzca una ruptura de impedancia tan significativa al separar los pares de conductores de los conductores de supervelocidad para que la comunicación no pueda realizarse correctamente.

¿Cuál es la causa más probable de este fracaso y, si es posible, cómo evitarlo en el futuro?

Como se dijo, no puede simplemente separar los conductores de USB3 arbitrariamente: la señal se transporta como un campo electromagnético entre los conductores; Debido a que las frecuencias de señal de USB3 están sólidamente dentro del rango de microondas, su división del par de conductores esencialmente significa que interrumpe el transporte de energía.

Probablemente no podrá resolver esta situación utilizando sus conectores D-SUB actuales. Deberá reemplazar estos conectores por unos que al menos retengan aproximadamente la impedancia nominal de 90Ω de los pares de conectores USB3 SS. Es muy probable que la forma más fácil de lograrlo sea a través de los mismos conectores USB3.

Hay dos problemas aquí:

1) Un cable USB es intercambiable en caliente, lo que significa que los pines de alimentación se conectan primero (son más largos que los pines de datos). Un conector d-sub no está diseñado para la conexión en caliente, los pines son todos de la misma longitud y algunos se acoplan primero, dependiendo del ángulo en el que está enchufado el D-sub y puede causar problemas.

2) La impedancia de las líneas diferenciales (como se mencionó anteriormente) debe ser de 90Ω; de lo contrario, las señales diferenciales rápidas se reflejarán y atenuarán si no coinciden adecuadamente. El conector también necesita ser controlado por impedancia para pasar señales rápidas a través de él.

La especificación USB 3.0 utiliza señalización de baja frecuencia (10-50 MHz) para iniciar un enlace con el otro lado. Los transceptores SFP + generalmente no cubren este rango, al menos no en sus hojas de datos (es más como 300-2500 MHz más o menos). Por lo tanto, esta señal vital puede no llegar al otro lado correctamente y, por lo tanto, el establecimiento del enlace puede fallar. Fuente: http://billauer.co.il/blog/2015/12/usb-superspeed-parallel/

El problema con su d-sub es que probablemente tenga una capacitancia / inductancia similar a las que se muestran a continuación, y no lo suficientemente rápido como para pasar la rápida señalización de 2.5GHz de USB 3.0

Fuente: https://www.farnell.com/datasheets/66098.pdf

Entonces, ¿qué puede hacer usted al respecto?

Si no tiene que tener USB 3.0, puede intentar usar solo las líneas GND, Vcc, D + y D-. Si se puede evitar la conexión en caliente del D-sub, eso sería lo mejor (conecte el conector que va al concentrador).

También hacen pasajes de puerto USB 3.0 compatibles con UHV si desea perforar otro agujero en su placa o encontrar otra forma de conectarlo.

El problema con el conector DB-9 es que no está "controlado por impedancia" y no tiene protección entre los pares de señales (debe usar pares diferenciales a través del conector y protegerlos de otros pares de diferencias). El USB 3.0 funciona a una velocidad de señal de 2.5 GHz, y "3 cm de cable suelto" es una matanza para él. La falta de coincidencia de impedancia crea multitud de reflejos de señal (causando la llamada "interferencia entre símbolos"), y una conversación cruzada significativa entre los pares Rx y Tx matará la coherencia de la señal causando caídas de enlace masivas. Las especificaciones USB 3.x tienen requisitos muy estrictos para la impedancia y las diafonía de extremo cercano y lejano sobre el cable.

Para tener una conexión USB 3.x con su cámara interna, debe realizar una búsqueda exhaustiva de conectores USB de grado de vacío (si es que existen), o utilizar alimentación de múltiples pines coaxiales de 50 Ω de grado RF conectores de grado espacial. Hay conectores de tamaño Sub-D de doble eje, necesita al menos dos canales twinaxiales, similares a este:

También podría usar conectores utilizados para la conectividad ethernet, si puede encontrarlos en la versión de grado de vacío, algo como esto

En el peor de los casos, puede usar cuatro conectores de tipo SMA de alimentación y hacer un adaptador de USB a SMA, similar a lo que usa USB-IF en las pruebas de interconexión y la certificación de cables, algo como esto:

Algunas fuentes de soluciones de alimentación de grado de vacío son Pave Technology , MDC Vacuum Products y probablemente muchos otros.

En cualquier caso, no veo la posibilidad de tener un canal USB SuperSpeed ​​confiable utilizando conectores DB-9, y necesitará un trabajo serio en su cámara.