傳輸線及其設計方法
2023-06-08 13:26:26
專利名稱：傳輸線及其設計方法
技術領域：
本發明涉及傳輸線，具體涉及一種橫截面小的平衡傳輸線及其設計方法。
通常，平衡傳輸線用在兩個電路之間差分地傳輸射頻信號(RF)。橫電磁波(TEM)傳輸線傳統上包含至少兩個導體，用以傳輸射頻信號。兩個導體的幾何形狀和所用的介電材料決定了傳輸線的特性阻抗和質量。過去，幾何圖形諸如
圖1示例的邊垂耦合傳輸線、圖2示例的共平面傳輸線和圖3示例的微帶傳輸線業已在特定應用中用以作為傳輸線。然而，在將這些特定的幾何形狀的傳輸線試圖用於有限截面的傳輸線時，圖1至圖3示例的這些傳統幾何形狀的傳輸線不能提供具有所需範圍內特性阻抗。傳輸線的橫截面與傳輸線幾何圖形的高度和寬度有關。這三種幾何圖形之所以不具有容許的特性阻抗是因為導體圖案蝕刻、導體圖案配準和介電片的厚度在製造上有偏差。此外，微帶傳輸線是一種不平衡傳輸線。鑑此，提供一種具有有限橫截面而特性阻抗在所需範圍內、並能容易製造的傳輸線，將是十分有益的。
圖1示出先有技術的邊垂耦合傳輸線的幾何圖形。
圖2示出先有技術的共平面傳輸線的幾何圖形。
圖3示出先有技術的微帶傳輸線幾何圖形的示例圖。
圖4示出按照本發明所採用的對稱平面的示例圖。
圖5示出按照本發明的傳輸線的示例圖。
圖6示出按照本發明的圖5所示的傳輸線的透視圖。
圖7示出按照本發明的傳輸線的幾何圖形所測試的一個容差表。
圖8示出對先有技術的傳輸線圖形所測得的兩個容差表。
本發明的優選實施例涉及一種傳輸線的幾何圖形，該圖形對於有限截面的傳輸線具有改進的特性阻抗容差。該傳輸線幾何圖形利用邊垂耦合和共平面耦合與反射板的獨特組合，來改進特性阻抗容差。第一，利用一個較大的共平面間隙來減小蝕刻誤差的影響。第二，利用邊垂耦合和共平面耦合來確定傳輸線特性阻抗，也可減小內部介質厚度的敏感性。第三，使運載兩個信號的導體在同一層上，消除了邊垂耦合中配準誤差的影響。
邊垂耦合傳輸線幾何圖形如圖1所示，其特徵阻抗對第一導體101與第二導體103之間的介電材料的厚度很敏感；對第一導體101與第二導體103之間的配準偏差很敏感；對第一導體101和第二導體103的寬度很敏感。圖8的表801示出對於具有所需導體寬度0.39mm、介質厚度0.125mm的50Ω傳輸線而言，邊垂耦合傳輸線幾何圖形對蝕刻或線路寬度和介質的不精確度的容差。從表801可以看到，邊垂耦合傳輸線幾何圖形因差異引起的變化約為-24.5％到+27％。圖8的表803示出，邊垂耦合傳輸線幾何圖形的容差與導體寬度和第一導體101與第二導體103之間配準偏差之間的關係。從表803可以看到，對於給定的配準偏差，邊垂耦合傳輸線幾何圖形的容差在-8％到+17％之間變化。
共平面耦合傳輸線幾何圖形如圖2所示，當設計準則要求傳輸線總寬度小於1.6mm時，它不能夠提供50Ω的傳輸線。原因在於，具有導體寬度1.6mm的502傳輸線需要共平面間隙為0.025mm。對於給定的應用，這種寬度的間隙依現行的可利用技術是難以製造的。共平面間隙在圖2表示為第一導體201與第二導體203之間的距離並在圖2中標為Y。
為了克服現有傳輸線幾何圖形的缺點，現已發明了一種新的傳輸線幾何圖形，它利用了邊垂耦合傳輸線幾何圖形和共平面耦合傳輸線幾何圖形的特性。圖4的第一部分是出自共平面耦合傳輸線幾何形態的一個對稱平面的示例，它由新的傳輸線幾何圖形採用。圖4的第二部分是出自邊垂耦合傳輸線幾何圖形的一個對稱平面的示例，它也由新的傳輸線幾何圖形態採用。
圖5示出按照本發明的傳輸線幾何圖形500示例圖。傳輸線幾何圖形500包括有第一導體501、第二導體503和第三導體505。第一導體501與第二導體503邊垂耦合，如同圖5電容器507所示的傳統式共平面幾何圖形一樣。第一導體501與第二導體503邊垂耦合還利用第三導體505作為反射板，如圖5的電容器509所示的那樣。有效的邊垂高度等於第三導體505與第一導體501和第二導體503所組成平面間距的兩倍。在優選實施例中，第一導體501和第二導體503用在無線電接收機與天線之間運載射頻信號。第三導體505是懸浮導體，用來包容第一導體501與第二導體503之間的電場，藉此，反射出導體501和503的影像。通常將第三導體稱作「反射板」。典型的是，在第三導體505與第一導體501和第二導體503所組成平面之間的空間內填滿介電材料。另一種可替的方案是，該空間可以保留為空的。在優選的實施例中，介電材料是可撓性的電路板材料，它通常簡稱為「撓性材料」，其介電常數εr等於3.4。
此外，第三導體505在其長度方向上具有周期性的間斷，以抑制不需要的傳輸模式，諸如橫電波(TE)、橫磁波(TM)或者橫電磁波(TEM)。周期性間斷是通過使第三導體沿其長度設有斷裂實現的。周期性間斷之間的電氣距離長度應小於傳輸線500上要傳輸的最高頻率的四分之一波長。在優選實施例中，周期性間斷髮生在傳輸線上傳輸的最高頻率的每十分之一波長處。傳輸的最高頻率是1.5GHz。
圖7所示的表示明新傳輸線幾何圖形對於50Ω傳輸線在各項容差下的結果。對於給定的容差下，特性阻抗與邊垂耦合的容差其變化為-24.5％到+27％相比較，變化為-15.2％到+17.2％。為此，新傳輸線幾何圖形對於小橫截面的傳輸線設計允許寬一些的誤差容限。
為了設計採用這種幾圖形的傳輸線，應依循下面的過程。第一，確定傳輸線的所需的物理橫截面積，其中包括傳輸線的高度和寬度。在優選實施例中，總高度不超過0.311mm，內部介質限制於0.100mm，傳輸線寬度不超過1.6mm。第二，確定所需的傳輸線特性阻抗Zod。在優選實施例中，所需的特性阻抗Zod等於50Ω。第三，確定在傳輸線上所採用的傳輸最高頻率，以及它在傳輸線中相應的波長。在優選實施例中，傳輸的最高頻率是1.5GHz，它在傳輸線中對應的波長為110mm。第四，選取第一導體501與第二導體503之間的共平面間隙Y。該共平面間隙Y應選取得小到由給定的現行製造技術能便利地製造出來。共平面間隙將產生一個共平面特性阻抗Zoc，它大於所需的傳輸線特性阻抗Zod。在優選實施例中，共平面間隙Y選取為等於0.25mm。利用該傳輸線的共平面間隙Y和總寬度，可計算第一導體501和第二導體503的最大的相等的寬度。在優選實施例中，第一導體501和第二導體503的寬度都等於0.55mm。第五，計算第一導體501與第二導體503之間的邊垂高度，以滿足下式的要求1/Zod＝1/Zoc＋1/Zob，該式是對所得出的傳輸線有效阻抗的粗略估算。在優選實施例中，邊垂高度等於0.200mm。第六，將第三導體505與第一導體501和第二導體503所組成平面之間的距離設定為等於計算出的邊垂高度的一半。第七，設制計算的幾何圖形，然後，最終地調整尺寸，以得到所需的特性阻抗。大體上說，作為上式求解所得的結果的估算值將給出比所需特性阻抗Zod要低些的一個特性阻抗值。在製造這個計算出的幾何圖形之前，利用一個高頻結構仿真器(諸如應用惠普公司可供應的高頻結構仿真器85180A)做出精確的模型。作為一個可選用的步驟，可以沿第三導體505的長度方向設計出周期性的間斷。在第三導體505上做成的周期性間斷或斷裂其每間隔應小於沿傳輸線500上要傳輸的最高頻率的四分之一波長。在優選實施例中，周期性間斷每間隔為傳輸線500上要傳輸的最高頻率的十分之一波長(20mm)。圖6是圖5中傳輸線的透視圖，從圖6中可以清楚地看到第三導體505上的間斷。
權利要求
1.一種傳輸線，用以傳輸一個具有最高頻率的所需信號，該最高頻率具有一個第一波長，其特徵在於，所述傳輸線包括一條第一導體，具有第一預定寬度，配置在一個第一平面內；一條第二導體，與該第一導體實質上相平行，它與該第一導體共平面並間隔開，具有一個第二預定寬度；一條第三導體，從第一平面升起，實質上平行於該第一平面，該第三導體具有一個第三預定寬度和一個長度，並沿長度方向上按照一個預定的間距有間斷，每個間斷小於最高頻率的四分之一波長。
2.按照權利要求1的傳輸線，其特徵在於，第三預定寬度大於第一預定寬度與第二預定寬度之和。
3.按照權利要求1的傳輸線，其特徵在於，在第一導體和第二導體所組成平面與第三導體之間是介電材料。
4.按照權利要求1的傳輸線，其特徵在於，所需的信號在第一導體和第二導體上差分地傳輸。
5.按照權利要求4的傳輸線，其特徵在於，第三導體對於第一導體和第二導體來說是一個反射板。
6.按照權利要求1的傳輸線，其特徵在於，所述的預定的距離等於最高頻率的十分之一波長。
7.按照權利要求1的傳輸線，其特徵在於，所述的傳輸線是平衡傳輸線。
8.一種設計傳輸線的方法，其特徵在於，包括以下步驟確定所需的傳輸線物理橫截面，包括高度和寬度；確定所需的傳輸線特性阻抗Zod；確定傳輸線上傳輸的最高頻率，該最高頻率具有一個波長；選取第一導體與第二導體之間的共平面間隙，選取第一導體和第二導休的寬度，藉以形成一個共平面特性阻抗Zoc，以使共平面特性阻抗Zoc大於傳輸線特性阻抗Zod；響應傳輸線特性阻抗Zod和共平面特性阻抗Zoc，計算第一導體與第二導體之間的邊垂高度，藉此形成一個邊垂特性阻抗Zob；設定第三導體與第一導體和第二導體所組成平面之間的距離等於邊垂高度的一半；沿第三導體的長度方向上以小於最高頻率的四分之一波長的間距作出斷裂。
9.按照權利要求8的設計方法，其特徵在於，還包括以下步驟響應選取共平面間隙的步驟，選取一種具有一定介電常數的介電材料。
10.按照權利要求8的設計方法，其特徵在於，計算步驟還包括要滿足公式1/Zod＝1/Zoc＋1/Zob。
全文摘要
一種具有有限橫截面、一定幾何圖形和改進的特性阻抗容差的傳輸線。該傳輸線的幾何圖形利用具有一個反射板的邊垂耦合和共平面耦合的一種獨特組合，以改進特性阻抗的容差。第一，可採用大些的共平面間隙來減小蝕刻誤差。第二，利用邊垂耦合和共平面耦合來決定傳輸線特性阻抗，還可減小對內部介質厚度的敏感性。第三，使兩個信號運載導體設在同一層上，以消除邊垂耦合中配準誤差的影響。
文檔編號H01P3/02GK1124539SQ95190179
公開日1996年6月12日 申請日期1995年2月7日 優先權日1994年3月11日
發明者路易斯·J·范納拉, 詹姆斯·P·菲利普斯, 埃裡克·L·克倫茨 申請人:摩託羅拉公司