CN1119903A - 一种含有屏蔽网的电路板装置和它的构造 - Google Patents

Abstract

一种屏蔽柔软电缆包括由导电元件组成的方形的第一屏蔽栅网。第二屏蔽栅网也形成方形。两个栅网在两个方向上都相互偏移方形顶点的对角线间距的一半而定位。电信号导线定位于两个栅网之间并沿着各方形顶点的连接延伸以维持信号线的受控阻抗。一种电路板包括由导电元件形成的方形栅网所配置的参考平面。电信号导线定位于邻近该栅网的平面上。构成栅网的铜用量百分数的减少增加了信号导线的特性阻抗而不增加电路板的厚度、不减少导线的宽度或厚度且不必使用非均匀或非标准介质。该电路板提供信号导线使用更大范围的阻抗，可允许在不降低信号质量或损失信号密度的情况下传输信号，同时提供可接受的屏蔽能力。

Description

一种含有屏蔽网的电路板装置 和它的构造

发明背景

发明的领域

本发明一般地涉及柔软电缆和印制电路板的传输线，更具体地说，涉及增大柔软电缆和印制电路板传输线的阻抗范围的装置和方法。

已有技术的说明

本发明涉及控制扁平软电缆中和印制电路板中的数据传输线的阻抗，这些印制电路板具有多条距参考地平面很接近的导线。

微带线和带状线(夹心线)广泛地用于数字计算机中连接高速逻辑电路，因为它们可以用自动化技术来制造并且可以提供所要求的阻抗受控制的信号通路。但是，微带结构会带来很高程度的外加电磁辐射。带状线结构可以用来大大地减少不需要的电磁辐射。但是，增加一个第二参考或接地层会引起信号导线和参考平面之间的电容耦合的增大，从而显著地减小信号导线的阻抗。为了维持所要求的阻抗，在传统的带状线结构中参考层和信号线之间的距离必须大于微带结构的距离。这会明显增加其厚度，因而减少电缆耐受多次挠曲的能力，或者当用在印制电路板中时，增加印刷电路板的总厚度。

一般说来，导线形成于柔软电缆或印制电路板的多个平面上。地平面或其它参考电压平面定位于和导线各平面相平行的平面上，以控制导线的阻抗和阻止载有存在于数字计算机中的时钟信号和高速数据信号这类高频信号的导线中发出的电磁辐射的传播。在印制电路板及其类似的电路板中，通常都用整体的接地平面。但是，整体接地平面除非做得极薄时是不能挠曲的，因此就不能方便地用于那些需要经常地弯曲的电缆中以保护信号线，例如，笔记本式计算机中基板和可移动的显示屏之间的信号线。此外，由于整体接地平面和紧挨着的信号线所形成的大电容，信号线的阻抗可能低于所需要的值。另一方面，如果把接地平面和导线相隔得更远以减少电容从而增大阻抗，那么，柔软电缆就变得更厚因而不那么柔软，从而在重复弯曲时就易于折断。同样，印刷电路板会变得更厚、更重并且制造成本更高。

在微带设计中为了增加阻抗和提供易弯曲性曾利用了在栅网中形成导电元件的参考平面。但是，由于栅网不像整体参考平面那样，它是不连续的，已经发现，要控制由带栅网的参考平面所保护的信号线的阻抗是十分困难的，因为信号线相对于屏蔽网的取向是不可控制的。因此，本发明的一个目标是提供一种柔软电缆和一种电路板，它可以提供有效的屏蔽并具有可控的特性阻抗。

利用交叉网状参考平面(Cross-hatched reference plane)来控制柔软电缆和电路板、特别是带状线结构的阻抗特性的特殊困难之一是电缆中转弯的结构。一般说来，当信号线的取向需要改变时，例如，要转90度或大体上那么多，这种转弯在信号线中并不是直接一次转90度。相反，这种取向的改变通常是以弧形转弯(即用曲线形)来完成的，使得信号线的方向从其原始方向连续地改变到新的方向。很可能在转弯的各点上，信号线会和栅网的上边的或下边的网或者同时和上下边的网中的导线在方向上相重合。这种重合会使这些点上的阻抗显著地减小从而引起阻抗的明显的不连续性。因此，本发明的另一个目标是提供一种使信号线重新取向的装置，它可以使阻抗的不连续性降到最小。

按照惯例，微带和带状线结构的阻抗取决于信号导线的宽度、导线和参考平面的分隔距离、包围导线的介电常数，以及其影响作用较小的导线厚度。

但是，这些确定带状线和微带的阻抗的传统方法给设计人员带来过多的限制。例如，在某些应用中，例如外围设备和最新的台面及服务器系统的互相联接中，要求印制电路板有极高的阻抗。利用现有技术得到这样高阻抗的一种方法是增加信号导线和参考平面之间的分隔。但是，这将要求使用昂贵的非标准厚度的印制电路板。这种非标准的印制电路板不仅实现起来很昂贵，而且在许多应用中由于其笨重而不受欢迎。因此本发明的一个目标是提供一种印制电路板，它提供高阻抗而不需要增加电路板的厚度。

换一种办法，微带的设计人员也可以选择增加导线和参考平面之间的分隔距离和减小导线的宽度的方法来增大信号导线的阻抗。但是，有两个限制会阻碍设计人员去实施后面这一措施。首先，目前的工艺限制了信号线的最小宽度约为4密耳。第二，当导体的宽度下降到6密耳以下时制造电路板的成本将急剧增加。

尽管有这些限制，如果在同一平面上也象在高阻抗层上要求有“常规的”50到65Ω的阻抗，则就有必要调整导线的线宽。此外，具有“常规的”阻抗的导线从别的层次走向高阻抗层时也要求在各层间调节它们的宽度以便在它们的整个长度上保持匹配的阻抗。这种以增加线宽而得的匹配，会导致在高阻抗层上信号密度的严重损失。例如，为了把高阻抗层的90Ω的阻抗匹配到常规电路板阻抗的50到65Ω，高阻抗层上的信号密度将减少为约2.7分之1。

对这一问题的常规解决方法是增加信号层次。但是，增加信号层的数量，例如，在一个现成的母板上从6层增加到8层时，每块印制电路板的成本将增加约20美元。因此，本发明的另一个目的是提供一种带有增加了的阻抗的区域的电路板而不必增加导线对参考平面的隔离距离或者依靠使用昂贵的导线和/或使用在目前的工艺条件下制造时显得太细的导线。因此，提供一种这样的电路板而同时防止减小信号密度和消除对电路板增加外加层次的要求也是本发明的一个目标。

和传统的微带结构相关联的另一个缺点是，同时会产生正向和反向的串扰，它可能严重地损害信号的质量。串扰是一个通道的信号和另一通道的信号相耦合的结果。串扰可以由一系列来源所引起，其中之一是电缆参数的不平衡特别是导线之间电容和电感的不平衡。由于这种不平衡，可以引起一个导线对另一导线的信号净耦合。这种不平衡在导线暴露于非均匀的介质中时一般会变得更加严重，而传统的微带结构正是这种情况。因此，本发明的另一个目的就是提供一种电路板，它呈现出减小的串扰而同时提供增大的阻抗。

除了上述的限制外，传统的微带结构的表面导线会发射出高程度的电磁辐射，它们干扰周围电子电路的工作。反过来说，外来的辐射也会影响表面导线的工作。在传统的微带结构中，要提供足够的屏蔽是不可能的，因为导线的表面能自由地辐射到包围电路板的系统的空间中。抑制这样的辐射要求导线使用带状线的结构来构造。但是，带状线结构的高阻抗导线要求参考平面和导线之间的间隔急剧地增加以达到所需要的高阻抗。然而，厚度的这种增加对要求薄型电路板或标准厚度电路板的应用中是不合适的。因此，本发明的另一个目的是提供有效的屏蔽并同时提供增大的阻抗。

由此可见，在技术上有这样的要求，即提供一种具有柔软参考平面的柔软电缆，在带状线的设计情况下能够挠曲成千上万次，它能达到所要求的阻抗以便在不损害信号质量的情况下传输信号，同时提供可接受的屏蔽能力。

在技术上还有这样的要求，即提供一种加大阻抗的电路板而不增加电路板的厚度、导线宽度、导线厚度或使用不均匀的或非标准的介电材料，同时实现所要求的加大的阻抗，以允许在不损害信号质量或损失信号密度的情况下传输信号，同时提供可接受的屏蔽能力。

发明概要

本发明的一个方面是一种含有第一屏蔽栅网的电路板，这个屏蔽栅网是由用一种几何图形互相连接的导电元件组成的第一预定的布置。这种电路板还有一个第二屏蔽栅网，它具有基本上和第一预定布置相同的第二预定布置。第二屏蔽栅网相对于第一屏蔽栅网以一预定的偏移而相互对准。导电元件定位于第一和第二栅网之间，使得导线位于相对于第一和第二栅网的一个预定的位置上。在优选实施例中，这种几何图形是一个方形。

本发明的第二方面是一种构成具有带屏蔽的电信号导线的柔软电路板的方法。这个方法包括把具有第一预定布置的第一屏蔽栅网定位到在第一平面中的信号导线的一个侧面的步骤。这种布置包括导电元件组成的多个交叉点。这个方法还包括把具有基本上和第一种布置相同的第二种预定的布置的第二屏蔽栅网定位于和第一平面相平行的第二平面中的信号导线的对面一侧的步骤。第二栅网是这样和第一栅网进行对准的，即第二栅网导电元件的交叉点和第二栅网导电元件的交叉点有一个预定的偏移量。这个方法还包括这样的步骤，即要使信号导线的取向平行于联接栅网中导电元件的交叉点的联线。

本发明另外进一步的方面是一种电路板，它包括一个被确定在第一平面中的具有第一种预定布置的第一屏蔽栅网、和一个被确定在第二平面中具有第二种预定布置的第二屏蔽栅网。第二屏蔽栅网相对于第一屏蔽栅网以一预定的偏移量来定位。第二电路板还包括一个定位于第一和第二栅网之间的导电元件，使得导线定位于相对于第一和第二栅网间的一个预定位置上。

本发明的另外一个方面是一种构造电路板的方法，它包括这样一些步骤，即把具有第一种预定布置的第一屏蔽栅网定位在第一平面中，把具有第二种预定布置的第二屏蔽栅网定位在平行于第一平面的第二平面中，并且使第二屏蔽栅网相对于第一屏蔽栅网在第二平面上偏置一个预定的方向。这个方法还包括这样的步骤，即把第一和第二栅网间的导电元件进行定位，使得导体相对于第一和第二栅网定位于一个预定的位置。

本发明的另外一个方面是一种屏蔽的柔软电缆，它包括以第一方向取向的第一种多个导电元件和以垂直于第一方向的第二方向取向的第二种多个导电元件组成的第一屏蔽栅网，使得第一种多个导电元件和第二种多个导电元件形成多个方形。这些方形的顶点相应于第一种和第二种多个导电元件的交叉点。这些顶点在它们之间沿着与第一和第二方向成45度角的对角线方向具有一个对角线距离。柔软电缆具有在结构上和第一屏蔽栅网相同的第二屏蔽栅网。第二栅网的位置基本上平行于第一栅网，使得第一屏蔽栅网的导电元件的交叉点和第二屏蔽栅网的交叉点在对角线方向上相距一个基本上等于对角线距离一半的距离。多条信号导线定位在屏蔽栅网之间，其方向基本上平行于两个对角线方向中的一个方向。最好是让信号导线的走向被取向成为接近经过这些方块的顶点。

本发明的还有一个方面是一种改进的电路板，它包括以一种几何图形相互连接的导电元件组成的预定布置的单独的屏蔽栅网，还包括位于栅网邻近的导电元件，使得导电元件定位于相对于栅网的一个预定的位置上。最好是该电路板还包括第二导电元件，它位于栅网附近，其方向为在第一导电元件的对面，其中所说的第二导电元件位于相对于第一导电元件的第二预定的位置上。

本发明的另外一个方面是一种电路板，它包括一个具有预定布置的屏蔽栅网，栅网由以一种几何图形相互连接的导电元件组成，包括位于栅网之上相对于栅网有一个第一预定位置的第一导电元件，和位于栅网之下相对于第一导电元件有一个第二预定位置的第二导电元件。

本发明的另外一个方面是一种在具有电信号导线的电路板上增加阻抗的方法。这个方法包括这样的步骤，即把具有预定布置的单独的屏蔽栅网定位在邻近信号导线的位置。这种布置包含有导电元件的多个交叉点。这一方法还包括这样的步骤，即让信号导线的取向成为平行于栅网上导电元件各交叉点的联接线。

本发明的另外一个方面是一种电路板，它包括：被确定在第一平面的具有预定布置的一个屏蔽栅网，第一导电元件位于该栅网之上从而使该第一导电元件定位在相对于栅网的第一预定位置上，第二导电元件位于上述栅网之下从而使该第二导电元件定位在相对于第一导电元件的第二预定位置上。

本发明的另外一个方面是一种构造电路板的方法。这个方法包括这样的步骤，即把具有第一预定布置的单独的屏蔽栅网定位在第一平面中，并把导电元件定位在邻近栅网的第二平面中从而使导电元件定位在相对于栅网的预定位置上。

本发明的另外一个方面是一种电路板，它包括以第一方向取向的第一种多个导电元件和以第二方向取向的第二种多个导电元件的所组成的栅网，此第二方向垂直于第一方向，使第一种多个导电元件和第二种多个导电元件形成多个方形，这些方形的顶点相应于第一和第二多个导电元件的交叉点。这些顶点在沿着与第一和第二方向成45度角的对角线上具有它们之间的对角线距离。这个电路板还包括第一种多个信号导线，它们定位于栅网的邻近并且其取向为基本上平行于各对角线方向之一。第二种多个信号导线定位于栅网的邻近，其取向是远离第一种多个信号线的方向，并且是基本上垂直于第一种多个信号导线的方向。

附图的简单说明

图1表示按照本发明的屏蔽柔软电缆的平面视图。

图2表示图1的2-2部分的放大视图。

图3表示沿着图2的线3-3所取的本发明的横截面立面视图。

图4表示图1的4-4部分的放大平面视图，表示使信号导线转角90度的一种方法。

图5描绘了按照本发明的电路板传输线的优选实施例的平面视图。

图6表示图5中6-6部分的放大平面图。

图7描绘了沿着图6中线7-7所取的本发明的放大平面视图的横截面立面视图。

图8表明本发明的电路板一种实施方案的横截面立面视图。

图9描绘了图5的电路板传输线的9-9部分的放大平面视图，表明一种实现信号导线90度转弯的优选方法。

图10描绘了沿着图9中10-10线所取的本发明的电路板一种实施例的横截面立面图。

优选实施例的详细说明

图1描绘了按照本发明的屏蔽柔软电缆10的平面视图。电缆10可以用来在电气上连接笔记本计算机的基板和可移动的显示屏幕。

如图2所示，本发明的电路板10包括由一组导电元件构成的上屏蔽栅网20、由一组类似的导电元件构成的下部屏蔽栅网40、和多条信号导线60、62、64，所有的这些导线都在相互之间按预定的位置上对准，如下面所述。

如图2所示，屏蔽栅网20、40的每一个都有统一的图形，在优选实施例中，这图形被选择成重复的方块图形，它们分别由导电元件22、24和42、44所形成，并组成了栅网20、40。如图所示，在优选实施例中，上部栅网20的元件22和元件24是垂直的，而下部栅网40的元件42则和元件44相垂直。较理想的情况是，栅网20和40是由印制电路板蚀刻技术通过从印制电路板的空白处去掉铜或其它导电材料而形成的，使得在蚀刻后留下的导电材料成为导电元件22、24、42、44。

特别要指出，由于下面所提出的理由，这些方块的取向相对于信号导线60、62、64的主要取向要形成45度角，使得导电元件相对于信号导线60、62、64显得成为交叉网纹状的。

每个栅网方形都有4个顶点，它们分别是由栅网20、40的导电元件22、24或42、44中的两个导电元件的交点所形成的。两个相对配置的顶点间的对角线距离，例如，上部栅网20的一对顶点30和32，形成任何两个导电元件之间的最大空隙距离D。距离D可以认为是屏蔽中开槽的尺寸。就像在电信号屏蔽技术中众所周知的那样，如果开槽尺寸D是栅网的最大空隙，而且距离小于在信号导线60、62、64中任何一条中所传播的最高信号频率的半波长，则屏蔽栅网20、40就形成了从信号导线60、62、64发射出的电磁能量的有效屏障。应该理解，假定举例说，电时钟信号的频率为100兆赫，它将具有该频率的多倍的谐波。在为屏蔽栅网20、40的导电元件选择最大允许间距时要考虑最高信号频率的谐波。在优选实施例中，D选择成小于通过信号导线60、62、64的信号的最小预期波长的1/20。

如图3所示，信号导线60、62、64位于栅网20、40之间，并用一上部绝缘体50和下部绝缘体52使其和栅网20、40形成电绝缘。上部栅网20的上表面上叠有一层绝缘体54。下部栅网40的底表面则叠有一层绝缘体56。各个层次以夹心方式叠在一起并用已有技术的粘合剂固定住。最好是，上绝缘体50和下绝缘体52是用Z LINK^绝缘材料构成的绝缘体，这种材料是明尼苏达(Minnesota)州的诺思菲尔德(Northfield)的舍达尔(Sheldahl)公司的产品。Z LINK绝缘材料的优点在于它是自粘结的，还在于通过适当的制造技术，在Z LINK绝缘体上可以形成电接点以把屏蔽栅网20和40连接在一起和/或接到选定的信号导线60、62、64上以便把选定的导线接地。这种选定的接地不是本发明的一部分因而这里不再说明。

为了更充分地理解下面的说明，对所画的附图确定一个X、Y、Z座标系统是有帮助的。X和Y轴位于水平的平面上，如图2所示。每一个上部栅网20和下部栅网40是在平行于水平平面的面上。与此相似，信号导线60、62、64位于两个栅网20、40所在的平面之间且平行于该两个平面。信号导线60、62、64的主要取向是平行于Y轴的，如图2所示，或者是平行于X轴的，这一情况仅当导线的取向要在两个主要取向间发生转交时是例外。Z轴垂直于X和Y轴，如图3所示。

如图2所示，上部栅网20和下部栅网40的导电元件的取向是使各元件都和X轴和Y轴成45度，并且使导电元件所形成的对角线都平行于X轴或平行于Y轴。

参考图2和3，虽然上部栅网20和下部栅网40具有基本上相同的结构，但两个栅网的位置都并不像预期的那样是对准的。相反，上部栅网20和下部栅网40相互之间有一个偏移，使得在上部栅网20中的方形的一个顶点相对于最近一个下部栅网40的方形的顶点在X方向和Y方向都有一个D/2的偏移距离，尽管这个偏移可以大于或小于D/2，但偏移为D/2时可提供本发明对阻抗的最大控制。尤其是，可以看出，没有一个上部栅网20的导电元件以明显的距离在Z方向上直接覆盖在下部栅网40的任何一个导电元件上面。相反，上部栅网20的导电元件和下部栅网40的导电元件以直角互相交叉，使得两个栅网20、40之间在交叉点上所形成的电容量为最小。

如图2所进一步显示的，信号导线60、62、64最好这样来定位，使信号导线60、62、64从由上部和下部栅网20、40的导电元件所规定的方形的一个顶点延伸到另一顶点。在信号导线60、62、64以这种方式定位的情况下，信号导线60、62、64经过上部栅网20的一个顶点的下面然后再经过下部栅网40的一个顶点的上面。因此，信号导线60、62、64在任何地方都不会位于上部栅网20和下部栅网40的导电元件之间。这可以使信号导线60、62、64和地之间在任何地点都保持一个最小的电容。此外，通过把所有导线定位在相对于上部和下部栅网20、40的导电元件的同样位置上，导线60、62、64的特性阻抗可以相互之间得到有效的匹配。

信号导线60、62、64的阻抗是电阻、电导、电容和电感的如下的一个函数： $Z_0=\sqrt{\frac{R+\mathrm{j\ωL}}{G+\mathrm{j\ωC}}}---\left(1\right)$ 此处Z₀是信号导线的特性阻抗，R是导线的电阻，G是其电导，ω是以弧度(即2πf)计的频率，j是 L是其电感，C是其电容。

在高频时，阻抗主要取决于电容和电感，因此方程式(1)可简化为： $Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(2\right)$ 因此，通过减小信号导线60、62、64的电容，信号导线的阻抗可以保持得足够高以便和电子系统中的其它电路通道特性阻抗相匹配，例如在笔记本计算机或其类似产品中的电子系统。举例来说，通常都希望能提供50欧姆的特性阻抗，这个阻抗通常用于高频时钟电路中。

在有多条信号导线的位置靠得很近的场合，例如图2中的信号导线60、62、64，则最好使导线相互之间的偏移距离d是上部栅网20和下部栅网40的导电元件所形成的方形的顶点之间的对角线距离的一半的整数倍。这就是说：此处n是一个整数。信号导线60、62、64之间的这个相同的位置关系即使在信号导线60、62、64并不处在方形的顶点与栅网相交的位置时最好仍能保持。例如，如果一条导线的位置在通过方形的顶点时有一微小的距离，则其它导线也应以同样的距离通过各顶点，使得各导线的阻抗基本上相等。

为了要得到可以弯曲成千上万次的电路板，柔软电缆在Z方向的厚度必须保持为最小。然而，栅网必须具有足够量的金属材料以耐受重复的弯曲(例如在打开和合上笔记本计算机的显示器的情况)。在本发明的一个优选实施例中，构成了一种总体厚度为0.0085英寸的柔软电缆，它的屏蔽栅网20、40之间的空隙为0.005英寸，信号导线60、62、64定位于大致在两个栅网的中间。在这样的厚度下，发现栅网大约具有23％的金属含量(即在每个栅网方形中约23％的面积是金属，约77％的面积是空隙)。这种布置提供的阻抗约为50欧姆。

对于商用的目的，希望屏蔽所提供的有效程度至少为20分贝。可以表明，屏蔽的有效性可以表示为： $S=20\log \left(\frac{\mathrm{\λ}}{21}\right)---\left(4\right)$ 在金属面积为23％的情况下，在间隙D为约0.060英寸时可提供的屏蔽有效性约为29分贝，这已很好地处在商业目的所要求的20分贝范围。

偶然有这种情况，信号导线60、62、64必须为了各种理由而走另外的路径，例如为了符合设计的布置或者在各端口间进行连接，这些端口并不沿着平行于Y轴的线排成一直线。在这些情况下，信号导线60、62、64就要重新取向以进行这样的连接。如图4所示，这种方向的改变可以在使信号线的阻抗不连续性保持在最小的情况下来完成。为了实现90度的方向改变，含有其第一段72的信号线70的取向是沿着栅网20、40的各顶点，其方向为平行于Y轴。这第一段72延伸到第二段74，后者相对于第一段而言其取向成45度。第二段74然后再延伸到第三段76，它相对于第二段74的取向是45度，因而相对于第一段72其取向为90度。如图所示，信号导线70中第一个45度转向发生在上部栅网20的一个顶点和下部栅网40的一个顶点之间的大约为中间处。导线70的第二段74则沿着一条平行于上部栅网20和下部栅网40的导电元件但与它们离开一定间距的途径行进。第二个45度的转向则发生在上部和下部栅网20、40的两顶点之间基本上中间的位置，然后第三段76和前面一样从一个顶点前进到另一个顶点，但是平行于X轴而不是Y轴。

上面所说明的并在图1-4中所描绘的本发明提供了一种扁平电缆或柔软的电路板，它具有柔软的参考平面，在带状线设计中能被成千上万次地弯曲，并达到所要求的阻抗以便允许在不损害信号质量的情况下传输信号而同时提供可接受的屏蔽能力。这个设计是基于一对对称的、具有位移的参考平面和集中的带状线导体。它特别适用于在需要厚约为5密耳的薄型柔软电路的应用中。

但是，在技术上也存在着这样的要求，即提供一种增加阻抗的电路板而不依赖于具有副作用的任何一种传统的方法。例如，增大信号线和屏蔽之间的距离可减小电容从而使阻抗增加；但是，增大间距很可能增加电路板的厚度，而这在许多应用中是不受欢迎的。信号线和屏蔽之间电容耦合可以通过减小导线的宽度或厚度来减小，这也可增加阻抗。但是，这种改变又一次可能是不受欢迎的。另外，通过使用非均匀的或非标准的介质材料也可使阻抗改变。在技术上还存在着外加的要求，即要达到这种所要求的增大的阻抗的以便允许在没有信号质量变劣或损失信号密度的情况下传输信号，同时还要提供可接受的屏蔽能力。这些目标可以通过下面详细说明的本发明来满足。

图5描绘了作为一个高阻抗总线112而实现的本发明的印制电路板100的一个优选实施例的平面视图。如图5所描绘的那样，高阻抗总线112可以用印制电路板的一个部分来实现。这将允许集成电路114A、114B、114C之间沿着总线112而互相连接，这些电路必须通过高阻抗的导线连接。有一个整体的接地平面116围绕着高阻抗区域112使得“常规的”阻抗的信号走线成为可能。另外的情况下，高阻抗区域112可以在几个部分使用或者成为电路板100上的整个一层。

如图5所示，本发明的电路板100包括：第一种多个信号导线120、122、124；一个由一组导电元件组成的参考栅网130；和第二种多个信号线140、142、144，所有这些导线都相互间以预定的位置对准，这将在下面说明。

在本发明的另一种实施例中，可以在参考栅网130的上部提供信号导线120、122、124而在参考栅网130下面并不存在第二种多个信号导线。在还有的另外一种实施例中，信号导线120、122、124可以存在于参考栅网130之下而在栅网130的上面则不存在第二种多个导线。

如图5所示，参考栅网130具有统一的图形，在优选实施例中，它被选择成重复的方形图案，这些方形由形成栅网130的导电元件132、134所构成。如图所示，在优选实施例中，栅网130的元件是垂直于元件134的。可取的办法是，栅网130是用印制电路板的蚀刻技术制成的，它把印制电路板上空白处的铜或别的导电材料除去，使得在蚀刻后留下来的导电材料形成导电元件132、134。

特别要指出，由于下面所提出的理由，方形的取向相对于信号导线120、122、124是45度，使得导电元件相对于信号导线120、122、124成为交叉的斜线。同样，这些方形相对于信号导线140、142、144的主要方向也取向成45度。但是，由于下面所提到的原因，信号导线120、122、124的取向相对于信号导线140、142、144是90度。

图6是图5的6-6部分的放大视图。虽然在图6中只表示了两条信号导线，即导线120和140，但应该理解，它们只是为了说明而描绘的，实际上下面的说明也适用于导线120、122、124、140、142和144。如图6所示，每个栅网的方形有4个由栅网130的两个导电元件132、134的交点所形成的顶点。两个面对面配置的顶点，例如栅网130的一对顶点136和138，它们间的对角线距离成为任何两个导电元件之间最大的空隙距离D。这个距离D可以认为是参考栅网130的开槽的尺寸。就像在电信号屏蔽技术中所熟知的那样，如果开槽的尺寸是栅网中最大的空隙，并且如果该距离小于在任何一根信号导线120、122、124、140、142、144中所传播的最高信号频率的半波长，则参考栅网130就成为对从信号导线120、122、124、140、142、144所发射的电磁能量的有效屏障。应该理解，一个电时钟信号，假定其频率为100兆赫，会有该频率的多倍的谐波。在为参考栅网130的导电元件选择最大允许间隔时要考虑最高信号频率的谐波。在优选实施例中，距离D选择成为小于通过信号导线120、122、124、140、142、144的信号的最小预期波长的1/20。

如图7所示，上部信号导线120、122、124位于栅网130的上部，而下部信号导线140、142、144则位于栅网130的下部。如上面所讨论的那样，尽管只显示了导线120和140，但下面的说明同样适用于导线120、122、124、140、142和144。上部信号导线120用一个上部绝缘体152使它和栅网130在电气上绝缘，下部信号导线140则用一个下部绝缘体154使它和栅网130在电气上绝缘。上部信号导线120的上部表面用绝缘体156叠上一层。下部信号导线140的底部表面则叠上一层绝缘体158。这些层以夹心方式叠在一起并用已知技术的粘合剂把它们粘住。

为了更充分地理解下面的说明，对于各附图建立起一个X、Y、Z座标系统是有帮助的。X和Y轴位于水平的平面上，如图5和6所示。栅网130位于和水平平面相平行的平面中。同样，信号线120、122、124位于一个在栅网130之上且平行于它的平面中。信号线140、142、144也位于一个平面中，该平面在栅网130的平面下面而平行于该平面。信号导线120、122、124的主要取向平行于X轴，如图5和6所示。信号导线140、142、144的相应的主要取向则平行于Y轴，也如图5和6所示，在另外的情况下，信号导线120、122、124可能的取向是平行于Y轴的，而相应的信号线140、142、144则有平行于X轴的取向。为了讨论的目的，被使用的是前一种取向。Z轴垂直于X和Y轴，如图7所示。

如图5和6所示，栅网130的导电元件132、134是这样取向的，使得元件对X轴和Y轴的取向为45度，并使由导电元件132、134所形成的方形的对角线平行于X轴或平行于Y轴。

如图5所进一步表示的，信号导线120、122、124最好这样来定位，使得信号导线120、122、124沿着平行于X轴且沿着从栅网130的导电元件所确定的方形的一个顶点延伸到另一个顶点。与此相似，信号导线140、142、144则平行于Y轴且沿着从栅网130的导电元件所确定的方形的一个顶点延伸到另一个顶点。在信号导线120、122、124以这种方式定位的情况下，信号导线120、122、124平行于X轴而在上面通过栅网130的各个顶点，而信号线140、142、144则平行于Y轴在下面通过栅网130的各个顶点。因此，信号导线120、122、124和140、142、144在任何位置都不处于栅网130的各元件之间。这样，在所有位置可以使在上部导线120、122、124和地之间的电容以及下部信号导线140、142、144和地之间的电容都保持为最小。此外，把所有导线都定位在相对于栅网130的导电元件而言为相同的位置，则导线120、122、124的特性阻抗就可以有效地得到相互匹配。

低损耗导线(如信号导线120、122、124、140、142、144)的阻抗通常是电阻、电导、电容和电感的如下一个函数： $Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}[1+j(\frac{G}{2\mathrm{\ωC}\mathrm{}}-\frac{R}{2\mathrm{\ωL}})]---\left(5\right)$ 此处Z₀是信号导线的特性阻抗，R是信号导线的电阻，G是它的电导，ω是以弧度(即2πf)计的频率，j是 L是信号导线的电感，C是它的电容。

在高频时，阻抗主要取决于电容和电感，公式(5)可以简化为： $Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(6\right)$ 通过减少导线对参考平面的电容耦合，公式(6)中分母的C值可以减少，因此特性阻抗就增加(即阻抗和导线的单位长度的电容成反比)。这具有看起来如同把参考平面进一步从导线移向远处从而增加信号导线的特性阻抗的作用。

图8表示按本发明所实施的6层电路板200的横截面视图。图8的顶上3层202组成了本发明的上部信号导线120、参考栅网130和下面的信号线140。信号线120位于第一层204；参考栅网130位于第二层206；下部信号线140位于第三层208。下面3层表示常规的微带设计的传输线和参考平面。这下面3层210的第一层212包括第一信号导线214；下面3层210的第二层216是一层整体的参考平面218；第3层220则包括第2信号导线222。204、206、208、212、216和220各层相互间在电气上是用绝缘体绝缘的，相互重叠并用已知技术的粘结剂粘合在一起。

对于常规的微带传输线，其特征阻抗和导线与参考平面之间的距离的关系可用下式表示： $Z_0=\frac{119.9}{\sqrt{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}}\left[\ln \right\{4\frac{h}{w}+\sqrt{16{\left(\frac{h}{w}\right)}^2+2}\}-\frac{1}{2}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}\right)(\ln \frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\ln \frac{4}{\mathrm{\π}})]---\left(7\right)$ 此处：

    h是表面导体和参考平面间的分隔距离；

    w是导体的宽度；和

    ε_r是导体和参考平面间的材料的介电常数。

对于常规的中心式带状线特性阻抗和导体与参考平面间的距离之间的关系由下式支配： $Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{2.0\mathrm{\π}\sqrt{E_r}}\ln \{1.0+\frac{4.0(b-t)}{\mathrm{\π}{w}^{\′}}[\frac{8.0(b-t)}{\mathrm{\π}{w}^{\′}}+\sqrt{{\left(\frac{8.0(b-t)}{\mathrm{\π}{w}^{\′}}\right)}^2+6.27}\left]\right\}\mathrm{\Ω}---\left(8\right)$ 此处： $w^{\′}=w+\frac{\mathrm{\Δw}}{t}t$ $\frac{\mathrm{\Δw}}{t}=\frac{1.0}{\mathrm{\π}}\ln \left[\frac{e}{\sqrt{{\left(\frac{1}{2.0\frac{(b-t)}{t+1}}\right)}^2}+{\left(\frac{\frac{1}{4\mathrm{\π}}}{\frac{w}{t}+1.1}\right)}^m}\right]$ $m=\frac{6.0}{3.0+\frac{2.0t}{(b-t)}}$

b是导体和整体参考平面之间的间距；

t是导体的厚度；和

η₀是导体的本征阻抗。

等式(7)和(8)分别为微带和带状线设计提供更加精确的特性阻抗和导体与参考平面的间隔之间的关系的表达方式。

按照常规，电路板的传输线的阻抗是通过实际增加导体和参考平面之间的距离而增加的。通过参考图8、式(7)和式(8)，这意味着要增加微带层的h和带状线层的b。其结果是，在这些层上的所有导体将会相应地增加阻抗。如果在同一平面上像高阻抗层上一样也需要“常规”的50到65Ω的板阻抗，则将需要增宽导线的宽度(w)以维持板上的其它信号的主要是50和65Ω的阻抗。

遗憾的是，所需要的导线宽度(w)将从所希望的4或5密耳分别增加到27.3和16.4密耳以维持这些阻抗。这些线宽将不适合间距细小的器件的焊盘，因此，将不得不如图5所示的那样围绕着集成电路芯片来走线。此外，从别的层次走线到高阻抗层的“常规”阻抗的导线将需要把它们的宽度逐层进行调整以便沿着它们的整个长度内保持阻抗的匹配。即使没有碰到试图在细小间距的器件焊盘之间走线的问题，增加h或b将导致约按2.7的倍比关系而降低信号密度，因为在同一层上可实现的信号线变得更少了。此外，对于带状线的导体要求增加它的b也会导致板的厚度大大超过标准电路板的62密耳的规范。

如上面所讨论的，本发明允许在有选择的区域内构造比传统设计具有更宽范围的阻抗的信号线。这是通过引入一个在传统的微带或带状线设计中没有考虑的新的变量而实现的，这个新变量对导线的阻抗有明显的影响。这个新变量是用于构造参考平面中的所用铜的百分数。传统的参考平面是整体的。在传统上为了增加特性阻抗，必须在物理上增加信号导线和参考平面之间的间距。

本发明允许增加阻抗而不必在物理上增加信号导线和参考平面之间的间距，这样就可以不增加电路板的厚度而增加阻抗。此外，信号导线的阻抗可以通过改变在构造参考平面中所用的铜的百分数而在宽阔的范围内得到改变。本发明还可以有效地消除在传统的微带和带状线设计中所伴随的问题，就如上面所讨论的。

虽然本发明具有看起来会增加信号导线和参考层之间的距离的作用，但它的这个作用仅限于它被使用的区域而且仅限于两个直接紧靠着邻近的参考平面的信号层，从而使它不会改变电路板的其余部分的传输线的特性。因此，在图8中，在204和208层中的相应的信号导线120和140将由于栅网130而呈现出高阻抗，而在212和220层中的相应的信号导线214和222则不会因为栅网130的存在而受到影响，因而将工作在正常的阻抗下。

例如，在设计参数x＝10密耳，b＝40.8密耳，h＝8密耳和8密耳宽的导线时，信号线120(一条微带)的阻抗在使用含有17％的铜的栅网的情况下约是92欧姆。使用同样的设计参数和一根6密耳宽的导线，信号导线140(一条带状线)的阻抗约为92欧姆。

此外，在层2使用具有17％铜的斜线交叉的参考平面的效果将使在212层的信号导线214的阻抗事实上不受影响，而在220层的信号导线222的阻抗则完全不受影响。

本发明的进一步的优点是实际上消除了从那些在栅网130下面走线的信号所带来的一种串扰源，即前向串扰。串扰是信号从一个信道耦合到另一个信道上的效应。串扰可以由一系列的来源所引起，其中之一就是电缆参数的不平衡，特别是导线之间的电容和电感的不平衡。由于这个不平衡，可以造成信号从一根导线向另一根导线的净耦合。

这种不平衡通常在一条导线暴露在非均匀介质时会加剧，例如在常规的微带结构的情况下。这是因为前向串扰是奇数和偶数跟踪速度(trace velocity)之差所引起的，这在已有技术中是都熟悉的。在均匀介质中，奇数和偶数跟踪速度是相等的，因而相互抵销，其结果是消除了前向串扰。在非均匀介质中，这两个速度是不相等的，因而导致非零因素而引起了前向串扰。在传统的允许高阻抗的结构中，例如微带结构中，导线至少要和三种不同的介质相遇，一般为FR-4、焊剂掩膜和空气。这种不均匀的环境导致不同的奇数和偶数跟踪速度从而引起前向串扰。

在本发明，信号可以通过在栅网130下面的信号导线140中在一种准带状线的环境中走线，特别是当有需要让信号经过相互平行且在电气上距离较长的导线时。“在电气上较长”的距离是指会发生最大耦合的接近λ/4的距离。由于在208层上的导线140、142、144是在接近于均匀的环境中走线的，奇数和偶数跟踪速度的差接近为零，因此前向串扰接近于零。其结果是本发明实际上消除了前向串扰。

在有多个信号导线定位于很靠近的场合，例如图5中的信号导线120、122、124或140、142、144，最好把导线120、122、124或140、142、144相互之间偏置一个距离d，这个d是由栅网130的导电元件所形成的方形的顶点之间对角线距离D的一半的倍数。这个偏置值和对角线距离D之间的关系示于方程式(3)中。

这个在信号线120、122、124或140、142、144之间的相同的位置关系即使在信号线120、122、124或140、142、144并不定位在方形的顶点上和栅网130相交的情况下也最好予以保持。例如，如果有一条导线的位置距方形的顶点有一小段距离而通过，则其它导线也应该距各顶点有相同的距离而通过，以便使导线的阻抗实际上是相等的。

除了上面所说的优点外，这个新的设计使得对在参考栅网下面走线的高阻抗导线得到前所未有的屏蔽。由于本发明允许高阻抗导线在图8的层204(微带或嵌入的微带)和层208(带状线或准带状线)上都可以走线，因此有可能把高阻抗信号在典型的6层板上仅仅通过208层上的导线走线。此外，如果需要更高阻抗的导线，那么可以在层216上使用带栅网的参考平面，而在层212上的导线214提供所需的外加的高阻抗。同时在层216上的栅网将提供必要的屏蔽。

为了商用的目的，希望屏蔽提供的有效程度至少应为20分贝。目前的设计可以为接近纳秒(毫微秒)的上升时间时所遇到的典型频率(100兆赫-500兆赫)提供明显的衰减。在屏蔽有效性、开槽的最大尺寸(D)和导线中信号的波长之间的关系表示于式(4)中。当金属面积为23％，间距D约为0.06英寸时所提供的屏蔽有效性约为29分贝，完全在商业目的所要求的范围之内。

在偶然情况下，信号导线120、122、124或140、142、144由于各种原因而要求重新走线，例如，为了符合设计布局或为了在各个不是沿着平行于Y轴的线而对准的端口之间进行连接。在这些情况下，信号导线120、122、124或140、142、144必须重新取向以进行这样的连接。如图5、9和10所示的那样，这种方向的改变可以在使信号线阻抗的不连续性保持在最小的情况下完成。为了完成90度的方向改变，位于栅网130上面的信号导线124的方向是首先沿着栅网130的各顶点行进，其方向是平行于X轴。穿过含有第一信号导线124的电路板和栅网130钻一个通孔134到达位于栅网130下面的第二导线144。第二导线144相对于第一导线130而言其方向为90度，并且也是沿着栅网130的各顶点接着平行于Y轴的方向取向。第一导线124通过该通孔134而与第二导线144在电气上相连接，这个通孔里填充焊锡，这是已知技术。用这种方式就可使导线重新走线而同时使得其不连贯性为最小。

因此，本发明允许微带和带状线的设计人员选择比传统设计宽阔得多的阻抗范围。这个设计在以下情况特别有用，即要在一个电路板上的选定的区域内提供很高阻抗的导线而无需增加标准电路板的厚度、无需减少信号导线的宽度和厚度，以及无需依靠使用非均匀或非标准的电介质。本发明也可提供高阻抗而同时维持高的信号密度，高的屏蔽等级，同时降低高阻抗导线之间的串扰。

虽然本发明是用某些优选实施例来说明的，对那些具有本项技术一般了解的人说来是易于了解的其它实施例也是在本发明范围之内的。因此，发明的范围指的只是由下列的权利要求所规定的。

Claims (27)

1.一种电路板，其特征在于包括：

具有在第一平面内确定的第一预定布置的第一屏蔽栅网；

具有在第二平面内确定的第二预定布置的第二屏蔽栅网，上述第二屏蔽栅网定位于离开上述第一屏蔽栅网的一个预定偏置距离；和

位于上述第一和第二栅网之间的导电元件，使该导电元件定位于相对于上述第一和第二栅网的一个预定位置上。

2.权利要求1的电路板，其特征在于，上述每个第一和第二预定布置是以一种几何图形互相连接的导电元件。

3.权利要求2的电路板，其特征在于，上述几何图形是在上述导电元件之间的空隙，并且其中所说的空隙的最大尺寸小于由上述导电元件所传导的信号的最高频率的波长的一半。

4.权利要求3的电路板，其特征在于，上述空隙的上述最大尺寸小于由上述的导电元件所传导的信号的最高频率的波长的20分之一。

5.权利要求4的电路板，其特征在于，上述的电路板还包括第二导电元件。

6.权利要求5的电路板，其特征在于，上述的第二导电元件基本上是平行于上述的第一导电元件的。

7.权利要求6的电路板，其特征在于，上述的第二导电元件定位于一个偏移距离，它等于上述栅网的上述空隙最大尺寸的一半的整数倍。

8.权利要求7的电路板，其特征在于，其中所说的偏移值是上述栅网的空隙的最大尺寸的一半距离的一个系数。

9.权利要求2所规定的电路板，其特征在于，上述的几何图形是一个方形。

10.权利要求1的电路板，其特征在于，其中所说的导电元件的上述预定位置由上述栅网的顶点所确定。

11.权利要求1的电路板，其特征在于，其中所说的第一和第二栅网以及上述的导电元件包括柔软电缆。

12.权利要求1的电路板，其特征在于：

上述第一屏蔽栅网包括以第一方向取向的第一种多个导电元件和以垂直于该第一方向的第二方向取向的第二种多个导电元件，使得上述第一种多个导电元件和上述第二种多个导电元件形成多个方形，上述方形具有相应于该第一种和第二种多个导电元件所形成的交点的顶点，上述的这些顶点的对角线之间的距离是沿着与上述第一和第二方向成45度的对角线方向的；

上述的第二屏蔽栅网在结构上和上述的第一屏蔽栅网相同，上述第二屏蔽栅网的位置基本上平行于上述第一屏蔽栅网，使得上述的第一屏蔽栅网的上述导电元件的交点和上述的第二屏蔽栅网的上述交点在上述对角线方向上相距的距离基本上等于上述对角线距离的一半；和

上述电路板包括多个定位于上述屏蔽栅网之间的信号导线，其取向基本上平行于上述两个对角线方向之一的方向。

13.权利要求12所规定的柔软电缆，其特征在于，上述的信号导线的取向是接近通过上述各方形的顶点。

14.一种构造电路板的方法，包括下列各步骤：

把具有第一预定布置的第一屏蔽栅网定位在第一平面中；

把具有第二预定布置的第二屏蔽栅网定位于平行于第一平面的第二平面内，并把该第二屏蔽栅网在上述第二平面内以预定的方向偏离上述的第一屏蔽栅网；和

把导电元件定位在上述第一和第二栅网之间使得该导电元件定位在相对于上述第一和第二栅网的一个预定位置上。

15.权利要求14所规定的方法，其特征为：

上述的第一平面是在一个上述导电元件上，上述第一预定的布置包含导电元件的多个交点；

上述的第二平面是在上述导电元件的一个对侧并且是平行于上述第一平面的，上述的第二屏蔽栅网包括导电元件的多个交点，上述的第二栅网相对于第一栅网对准从而使上述第二栅网的导电元件的交点离上述第一栅网的导电元件的交点有一预定的偏移；和

上述的信号导线是沿着平行于连接上述第一和第二栅网各导电元件的交点的连接的各线而取向的。

16.一种电路板，其特征在于包括：

一个屏蔽栅网，它具有由相互连接成一种几何图形的导电元件构成的预定的布置；和

位于上述栅网邻近的第一导电元件，使得该导电元件定位于相对于上述栅网的一个预定位置上。

17.权利要求16的电路板，其特征在于，上述的第一导电元件的上述预定位置是由上述栅网的顶点所确定的。

18.权利要求16所规定的电路板，其特征在于，上述的预定图形是一个方形。

19.权利要求16所规定的电路板，其特征在于：

上述的栅网包括以第一方向取向的第一种多个导电元件和以垂直于上述第一方向的第二方向取向的第二种多个导电元件，使得该第一种多个导电元件和该第二种多个导电元件形成多个方形，上述的这些方形具有相应于该第一和第二多个导电元件交点的顶点，上述这些顶点的对角线之间的距离是沿着与上述第一和第二方向成45度的对角线方向的；

第一种多个信号导线位于上述栅网的邻近，且其取向的方向基本上平行于上述对角线方向之一；

第二种多个信号导线位于上述栅网的邻近，其取向的方向基本上垂直于上述第一种多个信号导线。

20.权利要求19所规定的电路板，其特征在于上述第一种多个信号导线的取向为经过紧密靠近上述方形的各顶点。

21.权利要求16的电路板，其特征在于，上述几何图形是在上述导电元件之间的空隙，且其中上述空隙的最大尺寸小于由上述第一导电元件所传导的信号最高频率的波长的一半。

22.权利要求21的电路板，其特征在于，上述空隙的上述最大尺寸小于由上述第一导电元件所传导的信号最高频率的波长的20分之一。

23.权利要求21的电路板，其特征在于，还包括一个第二导电元件，它基本上平行于上述第一导电元件，该第二导电元件离上述第一导电元件一个偏移距离，上述偏移距离是上述栅网的上述空隙最大尺寸的一半距离的整数倍。

24.权利要求23的电路板，其特征在于，上述电路板还包括与上述栅网靠近的第三导电元件，其方向为与上述第一导电元件相对，其中所说的第三导电元件相对于上述的第一导电元件而定位于第二预定位置上。

25.权利要求23的电路板，其特征在于，上述的第三导电元件基本上垂直于上述第一导电元件。

26.权利要求24的电路板，其特征在于，包括第四导电元件，它基本上平行于上述的第三导电元件，上述第四导电元件与上述第三导电元件的位置之间有一个偏移距离，这个偏移是上述栅网的上述空隙最大尺寸的一半距离的整数倍。

27.一种增加具有电信号导线的电路板的阻抗的方法，包括的步骤为：

把具有预定布置的单独屏蔽栅网定位在邻近于上述信号导线的位置，上述布置含有多个由导电元件所组成的交点；和

把上述信号导线沿着平行于连接上述栅网的导电元件的上述交点的线的各线而取向。

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