CN102017285A - 传输线系统和设备 - Google Patents

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CN102017285A CN2009801139536A CN200980113953A CN102017285A CN 102017285 A CN102017285 A CN 102017285A CN 2009801139536 A CN2009801139536 A CN 2009801139536A CN 200980113953 A CN200980113953 A CN 200980113953A CN 102017285 A CN102017285 A CN 102017285A
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什里·克里希纳·潘迪
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Abstract

本发明提供具有三个经耦合传输线的系统，所述传输线以以下方式设计：其中任何两个传输线联系在一起均可用作具有粗略相等的差模特性阻抗的差分传输线，同时实现高等级的共模特性阻抗。通过将所述三个传输线沿传输轴布置在不同平面内来实现所述高等级的共模特性阻抗。

Description

传输线系统和设备
技术领域
本发明大体上涉及电子器件领域，且更确切地说，涉及包含移动台等的电子装置内的信号传输和处理的领域。
背景技术
对于创新及专门化的便携式电子装置的需求正在不断增加，且因此电子装置的设计、封装和功能性正在不断地适应和改进以满足所述需求。许多装置采用两个传输线在装置内传导差分信号。然而，随着许多装置(例如移动电话、计算机、个人数字助理、个人导航系统等等)的复杂性和功能性增加，对可用多路复用方式处置差分信号的传输线系统的需要也增加。此外，在使用差分信令且使用差分传输线来输送信号的电系统中，在传输线之间具有较高的共模特性阻抗同时维持所要的差模特性阻抗是有利的。
遗憾的是，具有三个或三个以上传输线的系统有许多不合意的副作用，包含对传输线的差模及共模阻抗的不利影响。为了避免前述不利影响，一些传输线系统采用安置在传输线之间的接地片或电源板来保留所要的差模特性阻抗结果。遗憾的是，情况通常是这样的：额外接地片或电源板的存在会降低传输线的共模阻抗，这在许多应用中是不合意的。此外，接地片和电源板的添加会增加封装的复杂性、成本和大小，并限制可其可使用的环境。
因此，此项技术中需要一种传输线系统，其可采用使用三个或三个以上传输线的差分信令，其中所述三个传输线中的任何两个传输线均展现出粗略相等的差模特性阻抗，同时维持高共模特性阻抗。
发明内容
本文中所揭示的方面应对上文所陈述的需要。因此，本发明的方面包含具有三个经耦合传输线的系统，所述传输线以以下方式设计：其中任何两个传输线联系在一起均可用作具有粗略相等的差模特性阻抗的差分传输线，同时实现高等级的共模特性阻抗。通过仔细地在两个分离的层中布置所述三个传输线并避免在传输线之间使用接地片、电源板或浮动片来实现高等级的共模特性阻抗。
在一个方面中，本发明包含一种耦合式传输线系统，其包含三个一组的独立传输线，每一传输线适于将来自信号源的信号输送到信号目的地。所述三个一组的独立传输线包含第一传输线、第二传输线和第三传输线，每一传输线沿传输轴以大致统一的方向定向。此外，第一、第二和第三传输线中的每一者进一步定向成使得平行于传输轴的虚平面将与第一、第二和第三传输线中的不超过两个传输线相交，且使得第一、第二和第三传输线中的任一预定传输线对具有大致相等的差模特性阻抗(Zdiff)。
在另一方面中，本发明包含一种耦合式传输线系统，其包含一对独立传输线，每一传输线适于将来自信号源的信号输送到信号目的地。所述对传输线沿传输轴以大致统一的方向定向，且进一步布置成使得所述对传输线与第一虚平面大致相交，传输轴穿过所述第一虚平面。所述耦合式传输线系统还可包含独立于所述对沿传输轴以大致统一的方向定向的传输线的第三传输线。所述第三传输线可安置在不同于第一虚平面的第二虚平面内。
在另一方面中，本发明包含用于电装置(例如翻盖式移动电话)中的耦合式传输线系统。所述耦合式传输线系统可包含多层结构，其包括至少第一层和第二层，以及一对安置在所述多层结构的第一层的第一侧上的独立传输线。所述系统可进一步包含独立于所述对传输线且安置在所述多层结构的第二层的第一侧上的第三传输线，其中所述多层结构的第一层和第二层是不同的。
本发明的各种方面可无需补充的接地片或电源板而操作，从而改进系统性能并增加封装和应用中的灵活性，同时减小系统的大小并降低系统的成本。下文参看以下各图来详细描述本发明的其它方面、特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的传输线系统的示意性横截面图。
图2是根据本发明的另一方面的传输线系统的示意性横截面图。
图3是根据本发明的另一方面的传输线系统的示意性横截面图。
图4是根据本发明的另一方面的传输线系统的示意性横截面图。
图5是根据本发明的另一方面的传输线系统的示意性横截面图。
图6是差模信号的图解表示。
图7是共模信号的图解表示。
图8是根据本发明的传输线系统的一个方面而传输的实例共模信号所经历的共模特性阻抗的图解表示。
图9是根据本发明的传输线系统的一个方面而传输的实例差模信号所经历的差模特性阻抗的图解表示。
图10是使用传输线系统的变化形式的多层结构的平面图。
图11是使用传输线系统的变化形式的多层结构的横截面图。
图12A和图12B是使用传输线系统的变化形式的多层结构的选定层的平面图。
图13A和图13B是使用传输线系统的变化形式的多层结构的选定层的平面图。
具体实施方式
本文中参看本发明的优选方面及其选定变化形式来描述本发明。因为以下详细描述内容本质上是开放且示范性的，所以不应将其解释为限制所附权利要求书的范围。在本发明的各种方面中呈现的本发明大体上包含三个经耦合传输线，其可以使得差模特性阻抗(Zdiff)为所要值(例如，100欧姆)的方式设置在封装、印刷电路板(PCB)或任一多层层叠结构的两个单独的层上。所述设计并未在传输线之间使用接地片。因此，共模特性阻抗(Zcomm)较高，这使得系统的共模抑制比较高，且整体系统性能得到改进。
可使用三种方式将传输线配对。这些传输线对中的每一者任何时候均可输送差分信号、共模信号或差模信号与共模信号的组合。图6和图7分别说明差分信令波形和共用信令波形。两个传输线的差分特性阻抗被定义为在组成一对的两个传输线中传播的差分信号所经历的阻抗。图6中展示此差分信号的实例，其中200表示正线上的波形，且202表示负线上的波形，并且是波形200的互补波形。
两个传输线的共模特性阻抗被定义为在组成一对的两个传输线中传播的共模信号所经历的阻抗。图7中展示此共模信号的实例，其中204表示正线上的波形，且206表示负线上的波形，并且是波形204的精确复制。
在真实的系统中，情况通常是这样的：任一选定对传输线均输送差模信号与共模信号的组合。在差分信令标准中，例如在移动显示数字接口(MDDI)标准中，通常期望所述对传输线的差分特性阻抗是固定阻抗，例如100欧姆，而共模特性阻抗尽可能地高。对于差分信令标准(如MDDI)，为了实现良好的系统设计，需要受控的Zdiff和高Zcomm。受控的Zdiff被选择为与系统中的其它相关联组件的阻抗匹配，并且有助于使传输线反射保持较低。Zcomm的较高值有助于抑制共模噪声。
图1到图5说明根据本发明的一个方面的传输线系统。在所述传输线系统中，系统10包含三个一组的独立传输线100，每一传输线100适于将来自信号源的信号输送到信号目的地。所述三个一组的独立传输线100通常包含第一传输线、第二传输线和第三传输线，其中的每一者沿传输轴以大致统一的方向(垂直于页)定向。在系统10的一个方面中，第一、第二和第三传输线中的每一者进一步定向成使得平行于传输轴的虚平面将与第一、第二和第三传输线中的不超过两者相交。如图所示，例如在图1到图5中，系统10可包含下文详细论述的一个或一个以上参考平面102、104、106、110、112，其大致平行于上文所述的虚平面。第一、第二和第三传输线的相对定向使得第一、第二和第三传输线的任一预定对具有大致相等的Zdiff。
在系统10的第一变化形式中，Zdiff值可依据系统10的几何形状、三个一组的独立传输线100所承载的信号的频率以及系统10经专门设计而具有的特定性能参数和/或功能性而在一组预定值内变动。举例来说，对于典型的应用，Zdiff值可大体上在八十与一百二十欧姆之间变动，且更具体地说在九十与一百一十欧姆之间变动。在一个替代方案中，Zdiff值可大约为一百欧姆，而与由系统10的特定几何形状和/或其它特征决定的信号频率无关。在另一替代方案中，响应于775兆赫的信号频率(其对于移动台环境中的信号通信来说是典型频率)，Zdiff可大约为一百欧姆。
在系统10的第二变化形式中，系统10可包含一个或一个以上参考平面102、104、106、110和112，其安置成远离所述虚平面且大致平行于所述虚平面。参考平面在电子器件和电气工程技术中是已知的，其作用是为多个来源/负载对提供共用返回路径。一个或一个以上参考平面102、104、106、110和112可包含(例如)金属外罩、板、印刷电路板的一部分或其它保护性和/或功能性元件，其提供一个或一个以上参考平面102、104、106、110和112所承载的返回电流的零阻抗或接近于零的阻抗。
在系统10的第三变化形式中，所述三个一组的独立传输线经定向以使得第一、第二和第三传输线的任一预定对展现出相当高的Zcomm。在一个替代方案中，第一、第二和第三传输线100的任一预定对之间的Zcomm可在四十与五十五欧姆之间。在另一替代方案中，共平面传输线对之间的Zcomm可为第一值，且共平面传输线对中的任一者与第三传输线之间的Zcomm可为另一值。举例来说，第一与第二传输线之间的Zcomm可在四十八与五十二欧姆之间，而第二和第三传输线与第一和第三传输线之间的Zcomm可在四十四与四十六欧姆之间，而与系统10的几何形状或信号频率无关。在又一替代方案中，Zcomm值可取决于信号频率，使得第一、第二和第三传输线的任一预定对之间的Zcomm响应于775兆赫的信号频率而在四十与五十五欧姆之间。在典型的传输线系统中，Zcomm值在二十五与三十欧姆之间，因此本发明的实例方面提供Zcomm值的至少百分之四十六的改善。
在系统10的另一变化形式中，系统10可包含电介质材料，所述材料内安置有三个一组的传输线100。电介质材料的作用是抑制电传导，并且促进在系统10内产生静电场。电介质材料可为可产生给定系统10内的必要Zdiff和Zcomm值及其几何形状和信号频率的任何合适材料。合适的电介质材料对于所属领域的技术人员来说是众所周知的。在一个替代方案中，电介质材料的介电常数小于五。在另一替代方案中，电介质材料的介电常数大约是4.4。电介质材料可由一种或一种以上材料组成，且可全部具有大致统一的介电常数，或者其可全部具有预定且实质上可变的介电常数，这取决于系统10的几何形状和信号频率。
图5说明系统10的实例配置，其包含用于产生系统10的所要Zdiff和Zcomm值的合适几何形状。图5所示的系统10的变化形式包含下部参考平面112、上部参考平面110以及安置在参考平面110与112之间的电介质材料120。在电介质材料120内，系统10包含第一传输线114、第二传输线116和第三传输线118，其根据本发明的原理而布置在单独的平面内。如上文所述，电介质材料120可为提供系统10的所要性能的任何类型或类型组合和/或一致性。
图5进一步说明系统的实例几何形状，包含组件之间的实例距离和相对间距的宽度，其中所述间距距离并不包含相应组件的厚度和/或宽度，而是指代相应组件之间的距离。举例来说，符号A表示从下部参考平面112测量的第三传输线118的高度，其可在四密耳与八密耳之间变动(一密耳等于一英寸的千分之一)。符号B表示从下部参考平面112测量的第一传输线114和第二传输线116的高度，其可在十密耳与十四密耳之间变动。符号C表示从上部参考平面110测量的第一传输线114和第二传输线116的高度，其可在十四密耳与十六密耳之间变动。第一、第二和第三传输线中的每一者的垂直于上部参考平面110和下部参考平面112而测量的厚度在二分之一密耳与一密耳之间，如由符号D、E和F表示。
在系统10的实例配置中，第一传输线114和第二传输线116从虚中心线间隔开距离G和H，其在从相应传输线的中心测量时可在三密耳与四密耳之间变动。第三传输线118可安置在与上部参考平面相距距离J处，其中J在十八密耳与二十二密耳之间变动。第一传输线114、第二传输线116和第三传输线118中的每一者的平行于上部参考平面110和下部参考平面112而测量的宽度可在两密耳与四密耳之间，如由符号I、K和L表示。
图5中所示的实例配置的模拟测试产生了在图8和图9中以图解方式展示的结果，图8和图9分别展示随频率而变的以欧姆计的Zcomm和Zdiff。如图8所示，在775MHz下，Zcomm对于层间对(即第一传输线114和第二传输线116中的一者与第三传输线118配对)来说大约为44.3欧姆(底部曲线)，且对于共平面对(即，第一传输线114与第二传输线116对)来说大约为49.1欧姆(顶部曲线)。这些值显著高于通过较常规的布置将实现的值，如上文所述，较常规的布置通常将产生在25欧姆到30欧姆的范围内的Zcomm。
类似地，图9展示在775MHz下，Zdiff对于层间对来说为100欧姆(顶部曲线)，且对于共平面对来说为99.4欧姆(底部曲线)。注意，在此特定设计中，共平面对和层间对的差分阻抗存在轻微的变化(在1％以下)，但在本文中所描述的系统10的其它配置中，任何变化均可被最小化且/或消除。图10、图11、图12和图13中展示系统10的其它实例配置。图10是使用传输线系统10的变化形式的多层结构的平面图。图10所示的实例多层结构300包含印刷电路板(PCB)306，例如移动台或其它电子装置中所使用的PCB。封装302安置在PCB 306上，且硅裸片304安置在封装302上或集成到封装302中。三个一组的传输线310经由一组裸片凸块312连接到硅裸片，且途经PCB 306上的一组封装引脚308或途经PCB 306。固态线类型的传输线在顶部共平面层级上，且以虚线展示的第三传输线在看不到的下部层上。如上文所述，多层结构300可包含印刷电路板、集成电路、柔性电缆或半导体芯片或经由传输线系统的信号传输所需的任何其它类型的电子组件。
图11是使用例如上文参看图10而展示的传输线系统的变化形式的多层结构400的横截面图。封装400包含多层PCB 402A、402B、402C、402D，多层封装406经由一系列封装引脚404连接到所述多层PCB。多层封装406可包含界定一个或一个以上表面和/或接口406A、406B、406C、406D的一个或一个以上衬底层。多个裸片凸块410将硅裸片408连接到多层封装406，如此项技术中已知，上述各项可全部囊封在模制化合物412中。
图12A、图12B、图13A和图13B说明可将传输线系统集成为图11所示类型的多层结构的一种方式。图12A描绘第一层406A的俯视平面图，且图12B描绘多层封装406的第二层406B的俯视平面图。在第一层406A之上，以阵列形式展示一系列裸片凸块焊盘410A和一组通孔414。共平面传输线416A、416B从裸片凸块焊盘410A中的两者延伸到远端通孔414。在第二层406B之上，第三传输线416C在通孔414的方向上从组合通孔/焊盘418延伸，所述通孔414在堆叠过程中将与共平面传输线416A、416B所穿过的通孔414匹配。
如图13A所示，第三层406C可充当参考平面420、接地或电源。因此，第一层406A、第二层406B和第三层406C形成多层结构，其具有两个共平面传输线416A、416B以及第三传输线416C，所述传输线全部相对于参考平面420如图1到图5所示而安置。可利用许多合适的方法将传输线416A、416B和416C连接到多层结构的任一端上的引脚。举例来说，可利用上文所描述的通孔/焊盘组合418将传输线中的一者带到多层结构的第二层。或者，如图13B所示，可在引脚422附近形成一个或一个以上通孔414。相应传输线416A、416B、416C可穿过所述多个层中的每一者，且连接到引脚422。多层封装406的层中的一者或一者以上可至少部分地由电介质材料组成，以便在传输线416A、416B、416C之间产生Zdiff和Zcomm的最优值。
本发明的每一方面可容易地并入到移动台中。在本文中使用时，移动台(MS)是指例如蜂窝式或其它无线通信装置、个人通信系统(PCS)装置、个人导航装置、膝上型或其它能够接收和处理SPS(卫星定位系统)信号的合适移动装置等装置。术语“移动台”还既定包含例如通过近程无线、红外线、线路连接或其它连接与个人导航装置(PND)通信的装置，无论卫星信号接收、辅助数据接收和/或位置相关处理是在装置处还是在PND处发生。此外，“移动台”既定包含能够(例如)经由因特网、WiFi或其它网络与服务器通信的所有装置，包含无线通信装置、计算机、膝上型计算机等，且无论卫星信号接收、辅助数据接收和/或位置相关处理是在装置处、服务器处还是在与网络相关联的另一装置处发生。以上装置的任一可操作组合也被视为“移动台”。
所属领域的技术人员根据以上详细描述内容且根据各图和所附权利要求书将认识到，在不脱离所附权利要求书中所定义的本发明的范围的情况下，可对本发明的方面作出修改和改变。

Claims (50)

1.一种耦合式传输线系统，其包括：
三个一组的独立传输线，其各自适于将来自信号源的信号输送到信号目的地，所述三个一组的独立传输线包括第一传输线、第二传输线和第三传输线，所述第一、第二和第三传输线中的每一者沿传输轴以大致统一的方向定向，且所述第一、第二和第三传输线中的每一者进一步经定向以使得平行于所述传输轴的虚平面将与所述第一、第二和第三传输线中的不超过两者相交，且使得所述第一、第二和第三传输线的任一预定对具有大致相等的差模特性阻抗(Zdiff)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述Zdiff在八十与一百二十欧姆之间变动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述Zdiff在九十与一百一十欧姆之间变动。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述Zdiff大约为一百欧姆。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述Zdiff响应于775兆赫的信号频率而大约为一百欧姆。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括远离且大致平行于所述虚平面而安置的第一参考平面。
7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括远离且大致平行于所述第一参考平面而安置的第二参考平面。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一、第二和第三传输线中的任一预定对均展现出相当高的共模特性阻抗(Zcomm)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一、第二和第三传输线的任一预定对之间的所述Zcomm在四十与五十五欧姆之间。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一与第二传输线之间的所述Zcomm在四十八与五十二欧姆之间。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二与第三传输线之间的所述Zcomm在四十四与四十六欧姆之间。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一与第三传输线之间的所述Zcomm在四十四与四十六欧姆之间。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一、第二和第三传输线的任一预定对之间的所述Zcomm响应于775兆赫的信号频率而在四十与五十五欧姆之间。
14.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括电介质材料，所述三个一组的传输线安置在所述材料内。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述电介质材料的介电常数小于五。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述电介质材料的所述介电常数大约为4.4。
17.一种耦合式传输线系统，其包括：
一对独立传输线，其各自适于将来自信号源的信号输送到信号目的地，所述对传输线沿传输轴以大致统一的方向定向，且进一步经布置以使得所述对传输线大致与所述传输轴所穿过的第一虚平面相交；以及
第三传输线，其独立于所述对传输线，所述第三传输线适于将来自所述信号源的信号输送到所述信号目的地，所述第三传输线沿所述传输轴以大致统一的方向定向，且进一步经布置以使得所述第三传输线位于不同于所述第一虚平面的第二虚平面内。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述对独立的传输线具有大致相等的差模特性阻抗(Zdiff)。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述Zdiff在八十与一百二十欧姆之间变动。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述Zdiff在九十与一百一十欧姆之间变动。
21.根据权利要求18所述的系统，其中所述Zdiff大约为一百欧姆。
22.根据权利要求17所述的系统，其中所述第三传输线以及所述对独立传输线中的一者具有大致相等的差模特性阻抗(Zdiff)。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述Zdiff在八十与一百二十欧姆之间变动。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述Zdiff在九十与一百一十欧姆之间变动。
25.根据权利要求22所述的系统，其中所述Zdiff大约为一百欧姆。
26.根据权利要求17所述的系统，其进一步包括远离且大致平行于所述第一虚平面而设置的第一参考平面。
27.根据权利要求26所述的系统，其进一步包括远离且大致平行于所述第一参考平面而设置的第二参考平面。
28.根据权利要求17所述的系统，其中所述对独立传输线展现出相当高的共模特性阻抗(Zcomm)，且进一步其中所述第三传输线以及所述对独立传输线中的一者展现出相当高的Zcomm。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述对独立传输线之间的所述Zcomm在四十五与五十五欧姆之间。
30.根据权利要求28所述的系统，其中所述对独立传输线之间的所述Zcomm大约为四十九欧姆。
31.根据权利要求28所述的系统，其中所述第三传输线与所述对独立传输线中的一者之间的所述Zcomm在四十与五十五欧姆之间。
32.根据权利要求28所述的系统，其中所述第三传输线与所述对独立传输线中的一者之间的所述Zcomm在四十四与四十六欧姆之间。
33.根据权利要求17所述的系统，其进一步包括电介质材料，所述对独立传输线和所述第三传输线安置在所述材料内。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述电介质材料的介电常数小于五。
35.根据权利要求33所述的系统，其中所述电介质材料的所述介电常数大约为4.4。
36.一种用于电装置中的耦合式传输线系统，其包括：
多层结构，其包括至少第一层和第二层；
一对独立传输线，其安置在所述多层结构的所述第一层的第一侧上，所述对传输线中的每一者适于将来自信号源的信号输送到信号目的地；
第三传输线，其独立于所述对传输线且安置在所述多层结构的所述第二层的第一侧上，所述第三传输线适于将来自所述信号源的信号输送到所述信号目的地。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述多层结构包括印刷电路板、集成电路、柔性电缆、集成电路封装或半导体芯片中的一者。
38.根据权利要求36所述的系统，其中所述对独立传输线具有大致相等的差模特性阻抗(Zdiff)。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述Zdiff在八十与一百二十欧姆之间变动。
40.根据权利要求38所述的系统，其中所述Zdiff在九十与一百一十欧姆之间变动。
41.根据权利要求38所述的系统，其中所述Zdiff大约为一百欧姆。
42.根据权利要求36所述的系统，其中所述第三传输线以及所述对独立传输线中的一者具有大致相等的差模特性阻抗(Zdiff)。
43.根据权利要求42所述的系统，其中所述Zdiff在八十与一百二十欧姆之间变动。
44.根据权利要求42所述的系统，其中所述Zdiff在九十与一百一十欧姆之间变动。
45.根据权利要求42所述的系统，其中所述Zdiff大约为一百欧姆。
46.根据权利要求36所述的系统，其中所述对独立传输线展现出相当高的共模特性阻抗(Zcomm)，且进一步其中所述第三传输线以及所述对独立传输线中的一者展现出相当高的Zcomm。
47.根据权利要求46所述的系统，其中所述对独立传输线之间的所述Zcomm在四十五与五十五欧姆之间。
48.根据权利要求46所述的系统，其中所述对独立传输线之间的所述Zcomm大约为四十九欧姆。
49.根据权利要求46所述的系统，其中所述第三传输线与所述对独立传输线中的一者之间的所述Zcomm在四十与五十五欧姆之间。
50.根据权利要求46所述的系统，其中所述第三传输线与所述对独立传输线中的一者之间的所述Zcomm在四十四与四十六欧姆之间。
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