CN107396534B

CN107396534B - 传输线的阻抗匹配架构

Info

Publication number: CN107396534B
Application number: CN201610324151.1A
Authority: CN
Inventors: 郭荣发
Original assignee: Alpha Networks Inc
Current assignee: Alpha Networks Inc
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2036-05-16
Also published as: CN107396534A

Abstract

本公开提供一种传输线的阻抗匹配架构，包括：至少二冗余导电段以及至少一接地导电段。前述的冗余导电段耦接在传输线的输入端与输出端之间，每一冗余导电段的第一端耦接到传输线，第二端与传输线分离，且不同冗余导电段彼此分离；每一个接地导电段设置在一个对应的冗余导电段的周围且与冗余导电段保持分离。其中，每一个冗余导电段各自配置于相对应的一个通孔内。采用本发明所提供的技术可以更容易的制造出具有良好阻抗匹配特性的电路。

Description

传输线的阻抗匹配架构

技术领域

本发明涉及阻抗匹配的技术领域，特别涉及一种传输线的阻抗匹配架构。

背景技术

在数据传输持续高速化的现代，为了维持高速传输信号时的信号传输品质，必须于电路设计时确保整体特性阻抗的整合匹配。尤其是，在高频电路中，必须将特性阻抗(Characteristic Impedance)的全体整合性做好，使信号从原始端一路传输到目标端的特性阻抗值都相等，如此方能保证高频信号传输的精确性。

为了达到良好的特性阻抗匹配的效果，包括走线(trace)的宽度、不同走线之间的距离乃至于在多层印刷电路板(Multilayer Printed Circuit Board)中走线时所使用的通孔(Plating Hole)，包含贯孔(non-through hole)与贯穿孔(through hole)及设置于贯孔或贯穿孔中的导体结构，的特性都需要精密的设计。其中，每个通孔的特性，包括其衬垫(Pad)的大小和形状、通孔长度、通孔类型(贯穿孔、贯孔、盲孔(blind hole)或埋孔(buriedhole))、通孔中不做信号传输的冗余部分(stub)以及连接导线所在的电路板层数等，都会影响信号传递的品质。

在目前的设计中，一般都会使用盲孔、埋孔或者背面钻孔(back drill)的技术来减少不做信号传输的冗余部分所产生的信号反射。请参照图1A，当要利用贯穿孔制作出一个从电路板第一层L1到第四层L4的走线时，现有技术会将原本位于电路板第四层L4到第八层L8之间的冗余部分ST去除。然而，在利用背面钻孔的技术去除冗余部分ST的时候，很容易发生钻孔过度(如图1B所示)或钻孔不足(如图1C所示)的现象。当钻孔过度的时候，将会产生导线衔接不足的现象而影响高频特性阻抗；在另一方面，当钻孔不足的时候，将会造成局部的冗余部分的残留，进而同样影响高频特性阻抗。因此，在进行背面钻孔时需要十分精密的控制，否则就很容易出现不良品。这会使得高频电路在制作时所需的成本出现偏高的现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种传输线的阻抗匹配架构。其可制造出良好的特性阻抗匹配电路。

从一个方面来看，本发明提出的传输线的阻抗匹配架构包括：至少二冗余导电段以及至少一接地导电段。前述的冗余导电段耦接在传输线的输入端与输出端之间，每一冗余导电段的一端耦接到传输线，另一端与传输线分离，且不同的冗余导电段彼此分离；每一个接地导电段设置在一个对应的冗余导电段的周围且与冗余导电段保持分离。其中，每一个冗余导电段各自配置于相对应的一个通孔内。

在一个实施例中，前述的任一个冗余导电段的长度小于相对应的通孔的长度。

在一个实施例中，前述的每一个冗余导电段的第二端为开路。

在一个实施例中，前述的每一个冗余导电段的第二端接地。

在一个实施例中，由前述的传输线之中、介于输入端与输出端之间的部分以及冗余导电段所组合而得的阻抗，与输入端之前的阻抗相匹配。

在一个实施例中，由前述的传输线之中、介于输入端与输出端之间的部分以及冗余导电段所组合而得的阻抗，与输出端之后的阻抗相匹配。

在一个实施例中，传输线经过与某一个选定冗余导电段相对应的通孔中的其中一部分，而选定冗余导电段则设置于此通孔的其它一部分。

在一个实施例中，前述的阻抗匹配架构还包括一个接地线路。此接地线路电性耦接至前述的接地导电段，以使接地导电段接地。

在一个实施例中，该传输线中存在具有不同特性阻抗的两区段。

本发明因不需要完全地消去所有的冗余导电段，因此即使采用背面钻孔的技术来消去部分的冗余导电段，也不会出现因为钻孔过度而产生导线衔接不足的现象。再者，由于不需要担心钻孔过度所带来的问题，钻孔时所需要保留的公差也可以减小，所以钻孔不足的现象也可以获得有效的解决。整体而言，采用本发明所提供的技术可以更容易的制造出具有良好阻抗匹配特性的电路。

附图说明

图1A为现有技术使用贯穿孔以设计走线的示意图。

图1B为采用背面钻孔技术而导致钻孔过度的示意图。

图1C为采用背面钻孔技术而导致钻孔不足的示意图。

图2为根据本发明一实施例的传输线的阻抗匹配架构的剖面示意图。

图3A是根据本发明一实施例的冗余导电段与接地导电段的位置关系示意图。

图3B是根据本发明一实施例的冗余导电段与接地导电段的位置关系示意图。

图3C是根据本发明一实施例的冗余导电段与接地导电段的位置关系示意图。

图4是图2所示的传输线及其阻抗匹配架构的等效电路方块图。

图5是根据本发明一实施例的传输线与接地线的位置关系示意图。

图6是根据本发明一实施例的冗余导电段接地时的等效电路示意图。

附图标记说明：

20：多层印刷电路板

100：传输线

100a：输入端

100b：输出端

200、202、204、206、208、210、212：导电材

200’、202’、202”、204’、206’、208’、210’、212’、220a’、220a”、230a’、240a’、240a”、400、410、420：等效电路模块

220：贯穿孔

230、240：贯孔

220a、230a、240a：冗余导电段

250、252、260、262、550：接地导电段

280、282、284、286：地线

302、502、602：走线

300、500、600：接地线路

C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅、C₂₂、C₂₃、C₃₁、C₃₂、C₃₃、C₃₄：等效电容

L1：第一层

L2：第二层

L3：第三层

L4：第四层

L5：第五层

L8：第八层

ST：冗余部分

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与技术效果，在以下配合参考附图的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

请参照图2，其为根据本发明一实施例的传输线的阻抗匹配架构的剖面示意图。在本实施例中，传输线100包括了导电材200、202、204、206、208、210与212，以及与前述导电材200、202、204、206、208、210与212相对应的地线。从另一个角度来看，传输线100可被区分为多个区段以及与各区段相对应的地线，其中每一个区段分别包含前述导电材200、202、204、206、208、210与212之一，而与各区段相对应的地线就是分别与导电材200、202、204、206、208、210与212相对应的地线。应注意的是，在此图中仅显示了部分导电材所对应的地线，如地线280、282、284与286等，其它的地线因为角度或设计位置的关系，并未呈现在此图中。除了各导电材与对应的地线之外，传输线100还具有一个输入端100a与一个输出端100b，信号由外界从输入端100a进入传输线100，并经过传输线100而被传递到输出端100b；而传输线100的阻抗匹配架构则包括了冗余导电段220a、230a与240a，以及接地导电段250、252、260与262。

如图所示，本实施例中的传输线100及其阻抗匹配架构是被设置在一个多层印刷电路板20之中。这个多层印刷电路板20包括了第一层L1～第六层L6共六层的走线空间，而且在多层印刷电路板20之中设置了多个通孔(Plating Hole)，包括：贯穿孔(throughhole)220与设置在其中的导体结构，以及贯孔(non-through hole)230与240与设置在其中的导体结构。传输线100通过前述通孔的协助而上下穿梭于多层印刷电路板20的各层电路板之间。详细地说，传输线100从输入端100a开始被设置在第一层L1的表面上，并经由同样被设置在第一层L1表面上的导电材200而电性耦接至导电材202。导电材202被设置在贯穿孔220中，并且与导电材200以及导电材204耦接以将信号自导电材200传递至导电材204。导电材204被设置在第三层L3的表面上，且其两端分别与导电材202以及导电材206耦接以将信号自导电材202传递至导电材206。导电材206被设置在贯孔230之中，并且与导电材204以及导电材208耦接以将信号自导电材204传递至导电材208。导电材208被设置在第二层L2的表面上，且其两端分别耦接至导电材206与210以将信号自导电材206传递至导电材210。导电材210被设置在贯孔240之中，并且与导电材208以及导电材212耦接以将信号自导电材208传递至导电材212。导电材212被设置在第一层L1的表面上，且其两端分别耦接至导电材210以及输出端100b以将信号从导电材210传递至输出端100b。如本领域的一般技术人员所知，信号传递的方向可以改变，故本实施例中的信号传递方向只是用于举例，并非是本发明技术运用的限制条件。

于本实施例中，在贯穿孔220的第一部分区域(从第一层L1的表面附近到第三层L3的表面附近)内配置了导电材202，其第二部分区域(从第三层L3的表面附近到第五层L5的底面附近)内则配置了冗余导电段220a；在贯孔230的第一部分区域(从第二层L2的表面附近到第三层L3的表面附近)内配置了导电材206，其第二部分区域(从第三层L3的表面附近到第四层L4的表面附近)内配置了冗余导电段230a，而其第三部分区域(从第四层L4的表面附近到第五层L5底面)则保持清空；在贯孔240的第一部分区域(从第一层L1的表面附近到第二层L2的表面附近)内配置了导电材210，而其第二部分区域(从第二层L2的表面附近到第四层L4的表面附近)内则配置了冗余导电段240a。

从另一个角度来看，若以冗余导电段220a与导电材202的接触区域、冗余导电段230a与导电材206的接触区域，以及冗余导电段240a与导电材210的接触区域分别为冗余导电段220a、230a与240a的第一端，并以冗余导电段220a远离导电材202、冗余导电段230a远离导电材206，以及冗余导电段240a远离导电材210的一端分别为冗余导电段220a、230a与240a的第二端，则各冗余导电段220a、230a与240a的第一端是分别耦接到传输线100的输入端100a到输出端100b之间的不同处，而各冗余导电段220a、230a与240a的第二端则与传输线100分离，且每一个冗余导电段220a、230a与240a彼此分离不相耦接。

应注意的是，虽然冗余导电段220a与导电材202使用同一个贯穿孔220、冗余导电段230a与导电材206使用同一个贯孔230，且冗余导电段240a与导电材210使用同一个贯孔240，但这并不表示冗余导电段只能与导电材共用相同的通孔(亦即，贯穿孔或贯孔以及分别设置于其中的导体材)。换言之，在其它的实施方式中也可能在一个通孔中仅设置冗余导电段。再者，为了便于特性阻抗的设计，冗余导电段与导电材可以使用相同的材料，例如带状线(Strip Line)，来制作。

请继续参照图2。可以看到在第四层L4的表面靠近冗余导电段220a的周围设置了接地导电段250，在第五层L5的表面靠近冗余导电段220a的周围设置了接地导电段252，在第三层L3的表面靠近冗余导电段240a的周围设置了接地导电段260，且在第四层L4的表面靠近冗余导电段240a的周围设置了接地导电段262。这些冗余导电段与各接地导电段彼此分离，藉此使冗余导电段与周围相对应的接地导电段之间形成电容结构。通过设计接地导电段的尺寸、形状等，可以调整由冗余导电段与对应的接地导电段之间所形成的电容结构的电容值，进而达到阻抗匹配的目的。

请一并参照图3A、3B与3C，其为根据本发明不同实施例的冗余导电段与接地导电段的位置关系示意图。虽然在这些实施例中是以冗余导电段220a与接地导电段250为例，但其余的冗余导电段与接地导电段之间的位置关系以及各接地导电段的形状等，都可采用类似或任何适合的设计方式。再者，虽然因为在本实施例中没有在冗余导电段230a的周围设置接地导电段，所以图2所示的剖面图中不会有接地导电段出现在冗余导电段230a的周围，但这并不代表在整个阻抗匹配结构中必须存在不与接地导电段相对应的冗余导电段。换句话说，每一个冗余导电段的周围都可以视设计需求而决定是否设置接地导电段，本发明的技术并不因图2所示的特定冗余导电段的位置而受到限制。

承上述，各接地导电段还可以通过走线(trace)而接地。如图3A到3C所示，接地导电段250可以通过走线302或直接电性耦接至接地线路300，而接地线路300则电性耦接到多层印刷电路板20的接地层，以使接地线路300能提供接地的能力。

在图2所示的实施例中，冗余导电段220a、230a与240a的第二端都处于浮接状态，亦即为开路。故图2所示的传输线及其阻抗匹配架构可被表示为如图4所示的等效电路。请参照图4，其中等效电路模块200’是导电材200的等效电路；等效电路模块202’是导电材202在第一层L1到第二层L2之间的这一部分的等效电路；等效电路模块202”是导电材202在第二层L2到第三层L3之间的这一部分的等效电路；等效电路模块204’是导电材204的等效电路；等效电路模块206’是导电材206的等效电路；等效电路模块208’是导电材208的等效电路；等效电路模块210’是导电材210的等效电路；等效电路模块212’是导电材212的等效电路；等效电路模块400是冗余导电段220a及对应的接地导电段250和252的等效电路；等效电路模块410是冗余导电段230a以及对应的接地导电段250和262的等效电路；等效电路模块420是冗余导电段240a及对应的接地导电段260和262的等效电路。

在本实施例中，最左方的输入端100a电性耦接到等效电路模块200’的一端，等效电路模块200’的另一端电性耦接到等效电容C₁₁以及等效电路模块202’的一端。等效电路模块202’的另一端电性耦接到等效电容C₁₂以及等效电路模块202”的一端。等效电路模块202”的另一端电性耦接到等效电容C₁₃、等效电路模块400，以及等效电路模块204’的一端。等效电路模块204’的另一端电性耦接到等效电容C₂₃、等效电路模块410，以及等效电路模块206’的一端。等效电路模块206’的另一端电性耦接到等效电容C₂₂以及等效电路模块208’的一端。等效电路模块208’的另一端电性耦接到等效电容C₃₂、等效电路模块420，以及等效电路模块210’的一端。等效电路模块210’的另一端电性耦接到等效电容C₃₁以及等效电路模块212’的一端。等效电路模块212’的另一端电性耦接到输出端100b。

更进一步的，等效电路模块400包括了等效电路模块220a’、等效电路模块220a”、等效电容C₁₄以及等效电容C₁₅，其中，等效电路模块220a’是冗余导电段220a介于第三层L3到第四层L4之间的那一部分的等效电路，等效电路模块220a”则是冗余导电段220a介于第四层L4到第五层L5之间的那一部分的等效电路；等效电路模块410包括了等效电路模块230a’与等效开路及其相对应的地(意即有一个参考的地，等效成等效电路模块410)，其中等效电路模块230a’是冗余导电段230a的等效电路；等效电路模块420包括了等效电路模块240a’、等效电路模块240a”、等效电容C₃₃以及等效电容C₃₄，其中等效电路模块240a’是冗余导电段240a介于第二层L2到第三层L3之间的那一部分的等效电路，等效电路模块240a”是冗余导电段240a介于第三层L3到第四层L4之间的那一部分的等效电路。等效电路模块220a’的一端电性耦接到等效电路模块202”，另一端电性耦接到等效电容C₁₄以及等效电路模块220a”的一端。等效电路模块220a”的另一端电性耦接到等效电容C₁₅。等效电路模块230a’的一端电性耦接到等效电路模块204’，另一端则为电性开路。等效电路模块240a’的一端电性耦接到等效电路模块208’，另一端电性耦接到等效电容C₃₃以及等效电路模块240a”的一端。等效电路模块240a”的另一端电性耦接到等效电容C₃₄。

其中，等效电容C₁₁是对应到如图5一般、由接地导电段550与导电材200所造成的电容效应，在导电材200固定的前提下，其电容值会随着接地导电段550的尺寸、形状以及接地导电段550与导电材200之间的距离而改变。接地导电段550可通过走线502或直接电性耦接到接地线路500而接地，因此在图4所示的等效电路中，等效电容C₁₁的一端与等效电路模块200’电性耦接，而另一端则接地。如图5这类的电路是为了防止在导电材200中传递的信号受到附近走线的影响而设计，若不考虑此点而移除在导电材200旁的接地导电段550，则对应的也应从等效电路中将等效电容C₁₁移除。等效电容C₁₂、C₁₃、C₂₂、C₂₃、C₃₁与C₃₂也都与等效电容C₁₁相类似，在此就不多做说明。

再者，等效电容C₁₄是对应到如图3A到3C一般、由冗余导电段220a与周围的接地导电段250所造成的电容效应，在冗余导电段220a固定的前提下，其电容值同样会随着接地导电段250的尺寸、形状以及接地导电段250与冗余导电段220a之间的距离而改变。等效电容C₁₅、C₃₃与C₃₄与等效电容C₁₄相类似，在此不多做说明。

通过上述等效电路，可以在特定传输线100的阻抗需求的情况下，通过调整等效电路模块220a’与220a”的阻抗值，也就是冗余导电段220a的长度，来调整传输线100的整体阻抗。类似的，也可以通过调整冗余导电段230a与240a的长度来调整传输线100的整体阻抗。除此之外，也可以通过调整各接地导电段的尺寸、形状以及其与对应的导电材或冗余导电段之间的距离来调整传输线100的整体阻抗。此外，尚可结合等效电路模块204’与208’的阻抗值来调整传输线100的整体阻抗。更进一步的，传输线100中的各区段彼此之间的特性阻抗也可能不同；并且，通过调整这些区段的特性阻抗可以改变传输线100的整体阻抗至预先设定好的阻抗值。因此，可以使传输线100在介于输入端100a与输出端100b之间的部分以及冗余导电段220a～240a所组合而得的阻抗，能够与设置在输入端100a之前的阻抗相匹配。或者，也可以使传输线100在介于输入端100a与输出端100b之间的部分以及冗余导电段220a～240a所组合而得的阻抗，能够与设置在输出端100b之后的阻抗相匹配。

值得注意的是，当冗余导电段远离传输线的一端是开路(如图2所示)的时候，在等效电路上就会呈现为一个对应的等效电容；而当冗余导电段远离传输线的一端是短路(如图6所示，将冗余导电段220a经由走线602或以走线602的环形区域宽度直接电性耦接至接地线路600)，则在等效电路上就会呈现为一个对应的等效电感。再者，若需要如图2所示一般在贯孔230(或者贯穿孔也是一样)中制造出一段清空的空间，则可以考虑采用背面钻孔技术或其它适合的方式来处理，此部分技术为本技术领域者所熟知，故不再赘述。

除了前述的实施方式之外，本发明所提供的技术还可以利用其它的实施方式来呈现。举例来说，可以利用冗余导电段220a与230a来匹配由导电材202、204与206以及与这些导电材相对应的地线所组成的传输线的阻抗；或者，可以利用冗余导电段220a与230a来匹配由导电材204以及与其相对应的地线所组成的传输线的阻抗。

此外，也可以单独将位于第一层L1的部分传输线(例如：由导电材200以及与导电材200相对应的地线所组成者，或者由导电材212以及与导电材212相对应的地线所组成者)，以同在第一层L1上设计冗余导电段的方式来进行阻抗匹配；而其余的部分传输线(由导电材202、204、206、208与210以及与这些导电材相对应的地线所组成者)，再以冗余导电段220a、230a以及240a来进行阻抗匹配。

根据上述，相较于现有技术都是分开对个别的导电材202、204、206等等进行阻抗匹配的处理，本发明因为利用冗余导电段直接对整个传输线100进行阻抗匹配，所以相对地就不需要消去全部的冗余导电段。因此，即使同样采用背面钻孔的技术来消去部分的冗余导电段，也不会出现因为钻孔过度而产生导线衔接不足的现象。再者，由于不需要担心钻孔过度所带来的问题，钻孔时所需要保留的公差就可以减小，所以钻孔不足的现象也可以获得有效的解决。整体而言，采用本发明所提供的技术可以更容易的制造出具有良好阻抗匹配特性的电路。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。另外本发明的任一实施例或权利要求不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims

1.一种传输线的阻抗匹配架构，设置于一电路板上以匹配一传输线的阻抗，该传输线具有一输入端与一输出端，并将电子信号自该输入端传输至该输出端，其特征在于，该阻抗匹配架构包括：

至少二冗余导电段，所述冗余导电段分别耦接在该传输线的该输入端与该输出端之间的不同处，每一所述冗余导电段的两端为一第一端与一第二端，该第一端耦接到该传输线，该第二端与该传输线分离，且所述冗余导电段彼此分离；以及

至少一接地导电段，每一该至少一接地导电段设置在所述冗余导电段中的对应一者的周围，且所述接地导电段与所述冗余导电段分离；

其中，每一所述冗余导电段各自配置于相对应的一通孔内，且该阻抗匹配架构通过设计所述冗余导电段或所述接地导电段的尺寸或形状而进行阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：任一所述冗余导电段的长度小于相对应的该通孔的长度。

3.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：每一所述冗余导电段的该第二端为开路。

4.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：每一所述冗余导电段的该第二端接地。

5.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：由该传输线介于该输入端与该输出端之间的部分以及所述冗余导电段所组合而得的阻抗，与该传输线中设置在该输入端之前的部分的阻抗相匹配。

6.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：由该传输线介于该输入端与该输出端之间的部分以及所述冗余导电段所组合而得的阻抗，与该传输线中设置在该输出端之后的部分的阻抗相匹配。

7.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：该传输线经过与一选定冗余导电段对应的该通孔的其中一部分，而该选定冗余导电段则设置于该通孔的其它一部分。

8.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：该阻抗匹配架构还包括一接地线路，该接地线路电性耦接至该至少一接地导电段，以使该至少一接地导电段接地。

9.如权利要求1所述的阻抗匹配架构，其特征在于：该传输线中存在具有不同特性阻抗的两区段。