CN108666720B - 小型化超宽带共模噪声抑制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化超宽带共模噪声抑制电路，包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器层、嵌入式差分耦合微带线层、半波长谐振器层、参考地层；各层之间以介质基板分隔；所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器层包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器，所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器一端开路，另一端并联第一支节，所述第一支节末端通过金属过孔与参考地层相连；所述嵌入式差分耦合微带线层包括嵌入式差分耦合微带线；所述半波长谐振器层包括半波长谐振器，所述半波长谐振器两端均开路。该电路适用于GHz频段，在实现共模噪声抑制的同时可以保证差分信号传输的信号完整性。

Description

小型化超宽带共模噪声抑制电路
技术领域
本发明属于信号完整性领域，具体涉及一种小型化的超宽带共模噪声抑制电路。
背景技术
在高速电子电路系统中，差分信号由于具有抗噪声和低电磁干扰的优点而被广泛用于传输高速数字信号。例如，HDMI、USB3.0、SATA-Ⅲ、PCI-E等高速接口都是采用差分布线来传输Gbps的高速数字信号。然而，在实际电路中，由于差分布线的不对称性及差分信号的不平衡，如升降时间不相等、幅度相位不一致，共模噪声会被有效地激励起来，从而影响差分信号的传输；特别是，当共模噪声随着差分信号一起传输到线缆上，会引起严重的电磁干扰，进而影响周围电路的正常工作。因此，需要在对共模噪声进行有效抑制的同时保证差分信号传输的信号完整性。
目前共模噪声抑制电路采用的技术主要分为三种：(1)在铁氧体上进行线圈绕组，缺点是适用于MHz频段，且尺寸太大，不能适应现代小型化电路系统传输Gbps高速数字信号的需要；(2)在耦合微带线的参考地平面上引入缺陷地结构(DGS,Defect GroundStructure)，相当于在共模噪声回路路径上引入LC谐振，从而实现GHz共模噪声的抑制，但将DGS结构应用于多层电路时，如果DGS参考地平面下方还有金属平面，将会显著恶化共模噪声抑制效果；(3)多层电路技术，涉及到的主要工艺技术有多层PCB工艺和低温共烧陶瓷(LTCC,Low Temperature Co-Fired Ceramic)工艺。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种适用于GHz频段的小型化超宽带共模噪声抑制电路，实现共模噪声抑制的同时保证差分信号传输的信号完整性。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
小型化超宽带共模噪声抑制电路，包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器层(1)、嵌入式差分耦合微带线层(2)、半波长谐振器层(3)、参考地层(4)；各层之间以介质基板(5)分隔；所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器层(1)包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器(6)，所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器(6)一端开路，另一端并联第一支节(7)，所述第一支节(7)末端通过金属过孔与参考地层相连；所述嵌入式差分耦合微带线层(2)包括嵌入式差分耦合微带线(8)，嵌入式差分耦合微带线(8)末端通过金属过孔与参考地层的表贴焊盘连接；所述半波长谐振器层(3)包括半波长谐振器(9)，所述半波长谐振器(9)两端均开路。
所述介质基板(5)的介质材料为Dupont 951。
所述第一支节(7)末端为折叠形。
所述嵌入式差分耦合微带线(8)末端线宽大于嵌入式差分耦合微带线(8)中部线宽。
所述半波长谐振器(9)中间两侧并联第二支节(10)，所述第二支节(10)末端通过金属过孔与参考地层(4)相连。
有益效果：本发明所提供的共模噪声抑制电路巧妙利用多层电路的优势，将四分之一波长SIR(Stepped Impedance Resonator，阶梯阻抗谐振器)与半波长谐振器在垂直方向上集成在一起，合理利用电路面积。对于差分信号而言，它的传输主要集中在两条耦合微带线之间，基本不受影响，因此可以很好地保持差分信号传输的信号完整性；当共模噪声在耦合微带线中传输时，共模噪声通过宽边耦合会激励起四分之一波长SIR及半波长谐振器的谐振模式。对于四分之一波长SIR而言，宽边耦合会激励起四分之一波长谐振，在dc-10GHz频段内包含两种谐振模式：主模和高次模，两种不同的谐振模式会在其频域响应上对应产生两个共模传输零点；对于半波长谐振器而言，宽边耦合会激励起半波谐振，在dc-10GHz频段内的频域响应上产生一个共模传输零点。此外，四分之一波长SIR与半波长谐振器之间也存在宽边耦合，会在整体电路的共模频域响应上产生一个非谐振零点。多个谐振模式之间的相互耦合使得该共模噪声抑制电路在2.45-9.85GHz频段内实现对共模噪声的-10dB的抑制，同时该电路可以很好地保证差分信号传输的信号完整性。
附图说明
图1为本发明所提供的共模噪声抑制电路的三维结构示意图；
图2为本发明所提供的共模噪声抑制电路的结构侧视图；
图3为四分之一波长阶梯阻抗谐振器层的结构示意图；
图4为嵌入式差分耦合微带线层的结构示意图；
图5为半波长谐振器层的结构示意图；
图6为参考地层的结构示意图；
图7为实施例中公开的共模噪声抑制电路混合模态散射参数仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
本实施例中提供的共模噪声抑制电路采用多层电路技术，如图1和图2所示，分别为共模噪声抑制电路的三维结构示意图和侧视图。该共模噪声抑制电路共有四层电路结构，均由金属构成，实际电路中可采用损耗较小的铜/银实现。四层电路包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器层1、嵌入式差分耦合微带线层2、半波长谐振器层3、参考地层4；各层之间以介质基板5分隔；本实施例中采用LTCC工艺，介质材料为Dupont 951，相对介电常数εr＝7.8，损耗角正切tanδ＝0.002，介电常数较大，利于实现电路尺寸的小型化。图2中，h1、h2、h3分别为相邻两层间介质基板的厚度。本实施例中，具体尺寸为：h1＝0.1mm，h2＝0.1mm，h3＝0.4mm。
如图3所示，为四分之一波长阶梯阻抗谐振器层的结构示意图。四分之一波长阶梯阻抗谐振器层1包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器6，四分之一波长阶梯阻抗谐振器6一端开路，另一端并联第一支节7，第一支节7的末端通过金属过孔O1与参考地层4相连。本实施例中第一支节7末端为折叠形，可以减小该电路在非信号传播方向上的尺寸，有效利用电路面积。图3中，l1为四分之一波长阶梯阻抗谐振器的长度、l2为第一支节的长度、l3为第一支节7的宽度、w1为四分之一波长阶梯阻抗谐振器的线宽、w2为第一支节的线宽，r1为金属过孔O1的半径；本实施例中，具体尺寸为：l1＝7.7mm，l2＝2.8mm，l3＝1mm，w1＝0.7mm，w2＝0.3mm，r1＝0.1mm。
如图4所示，为嵌入式差分耦合微带线层的结构示意图。嵌入式差分耦合微带线层2包括嵌入式差分耦合微带线8；差分耦合线关于信号传播方向对称，耦合间距保持不变，由此保证差分信号传输的信号完整性。嵌入式差分耦合微带线8末端馈电抽头通过金属过孔O2与参考地层的表贴焊盘O4连接，方便实际电路中与其他电路系统连接应用。本实施例中嵌入式差分耦合微带线8末端线宽大于嵌入式差分耦合微带线8中部线宽。线宽的变化是为了克服由于参考平面的变化而造成的奇模阻抗的不连续性，使奇模阻抗稳定在50Ω左右，由此与标准的器件端口阻抗相匹配，减小差模插损，保证差分信号传输的信号完整性。图4中，嵌入式差分耦合微带线8中部线宽较小部分的长度为l4，线宽为w4；嵌入式差分耦合微带线8末端线宽较大部分的长度为l5，线宽为w5，金属过孔O2的半径为r2，嵌入式差分耦合微带线的线间距为s。本实施例中，具体物理尺寸为：l4＝8mm，l5＝1mm，s＝0.25mm，w3＝0.36mm，w4＝0.15mm，r2＝0.08mm。
如图5所示，为半波长谐振器层的结构示意图。半波长谐振器层3包括半波长谐振器9，所述半波长谐振器9两端均开路。本实施例中，半波长谐振器9中间两侧并联第二支节10，所述第二支节10的末端通过金属过孔O3与参考地层4相连。并联第二支节10是为了增加金属过孔的串联等效电感，可以有效地调节半波谐振产生的共模传输零点的位置。图5中半波长谐振器9的长度为l6，宽度为w5；单侧的第二支节10长度为l7，宽度为w6，金属过孔O3的半径为r3。本实施例中，具体物理尺寸为：l6＝8mm，l7＝1mm，w5＝0.7mm，w6＝0.18mm，r3＝0.08mm。
如图6所示，为参考地层的结构示意图。参考地层4是整个电路结构的参考地，包括金属区域和表贴焊盘O4。图6中，l8和l9分别为参考地层中金属区域的长和宽，l10为金属区域与边缘的距离，r4为表贴焊盘O4的外径的一半。本实施例中具体物理尺寸为：l8＝8.7mm，l9＝3.8mm，l10＝0.65mm，r4＝0.24mm。
图7为本实施例混合模态散射参数(S参数)的频域仿真结果，其中Sdd21代表差模插损，Scc21代表共模插损。对于差分信号而言，通过该共模噪声抑制电路，在dc-10GHz频段内差模插损|Sdd21|小于1.5dB，基本不影响差分信号的传输；对于共模噪声而言，通过该共模噪声抑制电路，在2.45-9.85GHz频段内共模插损|Scc21|大于10dB，因此本发明对共模噪声可以进行有效的抑制。共模传输零点与谐振模式一一对应：f1位于2.53GHz处，对应四分之一波长谐振的主模，f3位于9GHz处，对应四分之一波长谐振的高次模；f2位于5.35GHz处，对应半波长谐振模式；fc位于6.52GHz处，由四分之一波长SIR与半波长谐振器通过宽边耦合产生。

Claims (5)

1.小型化超宽带共模噪声抑制电路，其特征在于，包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器层(1)、嵌入式差分耦合微带线层(2)、半波长谐振器层(3)、参考地层(4)；所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器层(1)位于顶层，嵌入式差分耦合微带线层(2)位于第二层，半波长谐振器层(3)位于第三层，参考地层(4)位于底层；各层之间以介质基板(5)分隔；
所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器层(1)包括四分之一波长阶梯阻抗谐振器(6)，所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器(6)一端开路，另一端并联第一支节(7)，所述第一支节(7)末端通过金属过孔与参考地层相连；
所述嵌入式差分耦合微带线层(2)包括嵌入式差分耦合微带线(8)，嵌入式差分耦合微带线(8)末端通过金属过孔与参考地层的表贴焊盘连接；
所述半波长谐振器层(3)包括半波长谐振器(9)，所述半波长谐振器(9)两端均开路。
2.根据权利要求1所述的小型化超宽带共模噪声抑制电路，其特征在于，所述介质基板(5)的介质材料为Dupont 951。
3.根据权利要求1所述的小型化超宽带共模噪声抑制电路，其特征在于，所述第一支节(7)末端为折叠形。
4.根据权利要求1所述的小型化超宽带共模噪声抑制电路，其特征在于，所述嵌入式差分耦合微带线(8)末端线宽大于嵌入式差分耦合微带线(8)中部线宽。
5.根据权利要求1所述的小型化超宽带共模噪声抑制电路，其特征在于，所述半波长谐振器(9)中间两侧并联第二支节(10)，所述第二支节(10)末端通过金属过孔与参考地层(4)相连。
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