CN1040268C - 传输线 - Google Patents
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Abstract
一种具有有限横截面、一定几何图形和改进的特性阻抗容差的传输线。该传输线的几何图形利用具有一个反射板的边垂耦合和共平面耦合的一种独特组合，以改进特性阻抗的容差。第一，可采用大些的共平面间隙来减小蚀刻误差。第二，利用边垂耦合和共平面耦合来决定传输线特性阻抗，还可减小对内部介质厚度的敏感性。第三，使两个信号运载导体没在同一层上，以消除边垂耦合中配准误差的影响。
Description
本发明涉及传输线，具体涉及一种横截面小的平衡传输线。
通常，平衡传输线用在两个电路之间差分地传输射频信号(RF)。横电磁波(TEM)传输线传统上包含至少两个导体，用以传输射频信号，两个导体的几何形状和所用的介电材料决定了传输线的特性阻抗和质量。过去，几何图形诸如图1示例的边垂耦合传输线、图2示例的共平面传输线和图3示例的微带传输线业已在特定应用中用以作为传输线。然而，在将这些特定的几何形状的传输线试图用于有限截面的传输线时，图1至图3示例的这些传统几何形状的传输线不能提供具有所需范围内特性阻抗。传输线的横截面与传输线几何图形的高度和宽度有关。这三种几何图形之所以不具有容许的特性阻抗是因为导体图案蚀刻、导体图案配准和介电片的厚度在制造上有偏差。此外，微带传输线是一种不平衡传输线。鉴此，提供一种具有有限横截面而特性阻抗在所需范围内、并能容易制造的传输线，将是十分有益的。
本发明的一个目的是提供一种传输线，它具有在所限定的横截面内的所需特性阻抗，其中所述的横截面涉及该传输线的高度和宽度。
本发明的另一个目的是实现易于加工制造的传输线的所需阻抗特性，并且要求其结构容许导体图型蚀刻、导体图型配准和介电叠层厚度三者的加工制造偏差。
实现在所限定的横截面内的所需阻抗是通过设置一条第一导体、一条第二导体和一条第三导体而完成的，其中该第一导体具有第一预定宽度并且在一个第一平面内就位；该第二导体与该第一导体共平面并且相互离开和基本上相平行，该第二导体具有第二预定宽度；该第三导体离开该第一平面，但平行于该第一平面而延伸，具有第三预定宽度，还具有长度，在其长度上按照个别的距离至少有一个间断，间断之间的距离小于在该传输线上所传送的信号的最高频率的1/4波长。
该第一和第二导体是容性耦合的。该第三导体的各段跨过该间断是容性耦合的，该第三导体与该第一和第二导体也是容性耦合的，借此，借助这些平行导体的阻抗特性可实现所需的阻抗。该特性阻抗是利用该传输线导体的耦合阻抗来实现的。
图1示出先有技术的边垂耦合传输线的几何图形。
图2示出先有技术的共平面传输线的几何图形。
图3示出先有技术的微带传输线几何图形的示例图。
图4示出按照本发明所采用的对称平面的示例图。
图5示出按照本发明的传输线的示例图。
图6示出按照本发明的图5所示的传输线的透视图。
图7示出按照本发明的传输线的几何图形所测试的一个容差表。
图8示出对先有技术的传输线图形所测得的两个容差表。
本发明的优选实施例涉及一种传输线的几何图形，该图形对于有限截面的传输线具有改进的特性阻抗容差。该传输线几何图形利用边垂耦合和共平面耦合与反射板的独特组合，来改进特性阻抗容差。第一，利用一个较大的共平面间隙来减小蚀刻误差的影响。第二，利用边垂耦合和共平面耦合来确定传输线特性阻抗，也可减小内部介质厚度的敏感性。第三，使运载两个信号的导体在同一层上，消除了边垂耦合中配准误差的影响。
边垂耦合传输线几何图形如图1所示，其特征阻抗对第一导体101与第二导体103之间的介电材料的厚度很敏感；对第一导体101与第二导体103之间的配准偏差很敏感；对第一导体101和第二导体103的宽度很敏感。图8的表801示出对于具有所需导体宽度0.39mm、介质厚度0.125mm的50Ω传输线而言，边垂耦合传输线几何图形对蚀刻或线路宽度和介质的不精确度的容差。从表801可以看到，边垂耦合传输线几何图形因差异引起的变化约为-24.5％到+27％。图8的表803示出，边垂耦合传输线几何图形的容差与导体宽度和第一导体101与第二导体103之间配准偏差之间的关系。从表803可以看到，对于给定的配准偏差，边垂耦合传输线几何图形的容差在-8％到+17％之间变化。
共平面耦合传输线几何图形如图2所示，当设计准则要求传输线总宽度小于1.6mm时，它不能够提供50Ω的传输线。原因在于，具有导体宽度1.6mm的50Ω传输线需要共平面间隙为0.025mm。对于给定的应用，这种宽度的间隙依现行的可利用技术是难以制造的。共平面间隙在图2表示为第一导体201与第二导体203之间的距离并在图2中标为Y。
为了克服现有传输线几何图形的缺点，现已发明了一种新的传输线几何图形，它利用了边垂耦合传输线几何图形和共平面耦合传输线几何图形的特性。图4的第一部分是出自共平面耦合传输线几何形态的一个对称平面的示例，它由新的传输线几何图形采用。图4的第二部分是出自边垂耦合传输线几何图形的一个对称平面的示例，它也由新的传输线几何图形态采用。
图5示出按照本发明的传输线几何图形500示例图。传输线几何图形500包括有第一导体501、第二导体503和第三导体505。第一导体501与第二导体503边垂耦合，如同图5电容器507所示的传统式共平面几何图形一样。第一导体501与第二导体503边垂耦合还利用第三导体505作为反射板，如图5的电容器509所示的那样。有效的边垂高度等于第三导体505与第一导体501和第二导体503所组成平面间距的两倍。在优选实施例中，第一导体501和第二导体503用在无线电接收机与天线之间运载射频信号。第三导体505是悬浮导体，用来包容第一导体501与第二导体503之间的电场，借此，反射出导体501和503的影像。通常将第三导体称作“反射板”。典型的是，在第三导体505与第一导体501和第二导体503所组成平面之间的空间内填满介电材料。另一种可替的方案是，该空间可以保留为空的。在优选的实施例中，介电材料是可挠性的电路板材料，它通常简称为“挠性材料”，其介电常数εr等于3.4。
此外，第三导体505在其长度方向上具有周期性的间断，在抑制不需要的传输模式，诸如横电波(TE)、横磁波(TM)或者横电磁波(TEM)。周期性间断是通过使第三导体沿其长度设有断裂实现的。周期性间断之间的电气距离长度应小于传输线500上要传输的最高频率的四分之一波长。在优选实施例中，周期性间断发生在传输线上传输的最高频率的每十分之一波长处。传输的最高频率是1.5GHz。
图7所示的表示明新传输线几何图形对于50Ω传输线在各项容差下的结果。对于给定的容差下，特性阻抗与边垂耦合的容差其变化为-24.5％到+27％相比较，变化为-15.2％到+17.2％。为此，新传输线几何图形对于小横截面的传输线设计允许宽一些的误差容限。
为了设计采用这种几图形的传输线，应依循下面的过程。第一，确定传输线的所需的物理横截面积，其中包括传输线的高度和宽度。在优选实施例中，总高度不超过0.311mm，内部介质限制于0.100mm，传输线宽度不超过1.6mm。第二，确定所需的传输线特性阻抗Zod。在优选实施例中，所需的特性阻抗Zod等于50Ω。第三，确定在传输线上所采用的传输最高效率，以及它在传输线中相应的波长。在优选实施例中，传输的最高频率是1.5CHz，它在传输线中对应的波长为110mm。第四，选取第一导体501与第二导体503之间的共平面间隙Y。该共平面间隙Y应选取得小到由给定的现行制造技术能便利地制造出来。共平面间隙将产生一个共平面特性阻抗Zoc，它大于所需的传输线特性阻抗Zod。在优选实施例中，共平面间隙Y选取为等于0.25mm。利用该传输线的共平面间隙Y和总宽度，可计算第一导体501和第二导体503的最大的相等的宽度。在优选实施例中，第一导体501和第二导体503的宽度都等于0.55mm。第五，计算第一导体501与第二导体503之间的边垂高度，以满足下式的要求：
1/Zod＝1/Zoc+1/Zob，
式中，Zod是传输线500(如图6所示)的所需特性阻抗；Zoc是共平面特性阻抗，即导体505的特性阻抗；Zob是边垂耦合传输线特性阻抗，即导体501和503的特性阻抗。因为在这些导体之间存在某些容性耦合，如图5所示，故特性阻抗Zod与上式中的阻抗Zob和Zoc有关。
该式是对所得出的传输线有效阻抗的粗略估算。在优选实施例中，边垂高度等于0.200mm。第六，将第三导体505与第一导体501和第二导体503所组成平面之间的距离设定为等于计算出的边垂高度的一半。第七，设制计算的几何图形，然后，最终地调整尺寸，以得到所需的特性阻抗。大体上说，作为上式求解所得的结果的估算值将给出比所需特性阻抗Zod要低些的一个特性阻抗值。在制造这个计算出的几何图形之前，利用一个高频结构仿真器(诸如应用惠普公司可供应的高频结构仿真器85180A)做出精确的模型。作为一个可选用的步骤，可以沿第三导体505的长度方向设计出周期性的间断。在第三导体505上做成的周期性间断或断裂其每间隔应小于沿传输线500上要传输的最高频率的四分之一波长。在优选实施例中，周期性间断每间隔为传输线500上要传输的最高频率的十分之一波长(20mm)。图6是图5中传输线的透视图，从图6中可以清楚地看到第三导体505上的间断。
Claims (9)
1.一种传输线，用以传输一个具有最高频率的所需信号，该最高频率具有一个第一波长，其特征在于，所述的传输线包括：
一条第一导体，具有第一预定宽度，配置在一个第一平面内；
一条第二导体，与该第一导体基本上平行，它与该第一导体共平面并间隔开，具有一个第二预定宽度；
一条第三导体，与第一平面隔开，基本上平行于该第一平面，该第三导体具有一个第三预定宽度和一个长度，并沿长度方向上按照个别的间距有间断，各间断之间的个别间距要比最高频率的四分之一波长小得多。
2.按照权利要求1所述的传输线，其特征在于，第三预定宽度大于第一预定宽度与第二预定宽度之和。
3.按照权利要求1所述的传输线，其特征在于，第三导体离开第一导体一个第一高度X。
4.按照权利要求3所述的传输线，其特征在于，第一导体离开第二导体一个第一共平面空隙间距Y。
5.按照权利要求1所述的传输线，其特征在于，在第一导体平面与第三导体之间配置介电材料。
6.按照权利要求1所述的传输线，其特征在于，所需的信号在第一导体和第二导体上差分地传输。
7.按照权利要求6所述的传输线，其特征在于，第三导体对于第一导体和第二导体来说是一个反射板。
8.按照权利要求1所述的传输线，其特征在于，所述的个别的距离等于最高频率的十分之一波长。
9.按照权利要求1所述的传输线，其特征在于，所述的传输线是平衡传输线。
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