CN1716685A

CN1716685A - 形成在多层基板上的集总元件传输线

Info

Publication number: CN1716685A
Application number: CN 200410062529
Authority: CN
Inventors: 林佑生; 黎克迈
Original assignee: Chi Mei Communication Systems Inc
Current assignee: Chi Mei Communication Systems Inc
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-04
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: CN100423360C

Abstract

本发明提供一种形成在多层基板上的集总元件传输线。所述形成在多层基板上的集总元件传输线包括一第一电感；一第二电感，以其一端电串联于所述第一电感，其中所述第一电感与所述第二电感的形状为螺旋形，以及所述第一电感与所述第二电感的螺旋旋转前进方向相同，因而使得所述第一电感与所述第二电感间的互感为正值且相等于一第一预定值；以及一第一电容，其中所述第一电容的第一端电连接于地电位以及所述第一电容的第二端电连接于所述第二电感用以连接所述第一电感的一端。

Description

形成在多层基板上的集总元件传输线

技术领域

本发明提供一种集总元件传输线，尤指一种形成在多层基板上的集总元件传输线。

背景技术

在设计射频电路和微波电路时，传输线是非常广泛被应用的一种元件。举例来说，四分之一波长的传输线常被用来转换阻抗，或是在射频电路中形成等效开路电路或短路电路。然而，这些传输线电路的物理长度通常过长，特别当应用在较低频的电路时，这些传输线电路往往占去相当大的电路面积。

在常见技术中，通常使用曲折线路结构(meander line structure)来缩减传输线的大小。请参阅图1。图1是传统的使用曲折线路结构的传输线的示意图。P11和P12是图1的传输线的二个端子。虽然利用曲折线路结构可缩短传输线的长度，但长度缩短后的传输线所占据的电路面积，对于现在的无线手持电子装置来说，仍然太过庞大。除了利用曲折线路结构以缩减传输线的长度，另一常用的传统技术是使用集总元件(lumped element)来实现传输线。请参阅图2和图3。图2是传统的传输线的T型等效电路(T-equivalent circuit)的示意图，图3则是传统的传输线的π型等效电路(π-equivalent circuit)的示意图。L21、L22和L31是电感；而C21、C31和C32是电容。P21、P22、P31和P32是图2与图3中的传输线的端子。图2与图3中的集总元件传输线是使用集总元件来分别实现传输线的T型等效电路与π型等效电路，以缩小所需的电路面积。图4是一传统的传输线T型等效电路或π型等效电路以及一理想传输线的频率响应图。在图4中，横轴代表操作频率，纵轴代表以dB为单位的频率响应的振幅。S11A与S21A分别是一理想传输线的反射系数和穿透系数，S11B4和S21B4则分别代表传统传输线的T型等效电路或π型等效电路的典型反射系数和穿透系数。如图4所示，这些等效电路模型只在中心频率f₀附近非常窄的频段中可被视为与理想的传输线相等；而在与中心频率f₀相差较大的频率上，这些等效电路的反射系数和穿透系数与理想的传输线的反射系数和穿透系数都有着相当大的差距。举例来说，在图4的频率响应图上可看出，在频率f₁处，S21A与S21B4的差距为d4；另外，T型等效电路与π型等效电路的典型穿透系数S21B4在频率高于中心频率f₀之后即快速减小。这些不符合理想传输线的特性限制了这些传输线等效电路的应用而使其只适用于特定窄频的应用电路。然而，现在大部分的通信系统的射频电路都为宽频的应用电路，而其所采用的也必须是宽频电路元件以在整个应用频带上保持所需的电路效能。尤有甚者，对于多频带的射频电路来说，甚至要求所采用的传输线等效电路也可操作于多频带上。很明显，如前所述的传统的传输线等效电路是无法符合这些宽频电路甚至多频带电路的要求的。

发明内容

因此本发明的主要目的在于提供一种形成在多层基板上的集总元件传输线，利用两电感间的互感使得该集总元件传输线能提供一更接近理想传输线的频率响应，以改善上述问题。

根据本发明的权利要求，公开了一种形成在多层基板上的集总元件传输线，其包括一第一电感；一第二电感，以其一端电串联于所述第一电感，其中所述第一电感与所述第二电感的形状为螺旋形，以及所述第一电感与所述第二电感的螺旋旋转前进方向相同，因而使得所述第一电感与所述第二电感间的互感为正值且相等于一第一预定值；以及一第一电容，其中所述第一电容的第一端电连接于地电位以及所述第一电容的第二端电连接于所述第二电感用以连接所述第一电感之一端。

附图说明

图1为传统的使用曲折线路结构的传输线的示意图。

图2为传统的传输线的T型等效电路的示意图。

图3为传统的传输线的π型等效电路的示意图。

图4为传统的传输线的T型等效电路与π型等效电路的频率响应图。

图5为示出电感间的互感的集总元件传输线的示意图。

图6为本发明的集总元件传输线的频率响应图。

图7为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第一实施例的示意图。

图8为图7的电路的侧视图。

图9为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第二实施例的示意图。

图10为图9的电路的侧视图。

图11为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第三实施例的示意图。

图12为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第四实施例的示意图。

附图的符号说明

P11，P12，P21，P22，P31，P32，P51，P52，埠

P71，P72，P91，P92，P111，P112，P121，P122

L21，L22，L31，L51，L52，L71，L72，L91，L92，电感

L111，L112，L121，L122

LM5，LM7，LM9 互感

C21，C31，C32，C51，C71，C91，C911，C912，电容

C111，C121，C1211，C1212

G71，G91，G92，G111，G121，G122 地电位平板

Via71，Via72，Via91，Via92，Via93，Via111，金属连通柱

Via112，Via121，Via122

具体实施方式

请参阅图5。图5是示出电感间的互感的传输线T型等效电路模型的示意图。图5中示出了二个端子P51和P52，二个电感L51和L52，一个电容C51，以及二个电感L51与L52间的互感(mutual inductance)LM5。众所周知，互感的存在是一种自然物理现象，而且也出现在传统集总元件传输线等效电路的实现中。互感会影响整个电路的频率响应，因此在传统技术中，总是尽量避免互感的产生。然而，本发明却主动地利用一正互感来增进集总元件传输线的频率响应。图6是本发明的集总元件传输线与传统传输线T型等效电路以及一理想传输线的频率响应图，其中在该传统传输线T型等效电路中不具有互感。在图6中，横轴代表操作频率，纵轴代表以dB为单位的频率响应的振幅。S11A与S21A分别是一理想传输线的反射系数和穿透系数，S11B4与S21B4分别为传统传输线的T型等效电路或π型等效电路的典型反射系数与穿透系数，而S11B6与S21B6则分别代表本发明的集总元件传输线的反射系数与穿透系数。本发明的传输线保留了互感且设计为一正值，而如图6所示，与传统的传输线的T型等效电路或π型等效电路相比，本发明的传输线的频率响应在一相当宽的频率范围内都较接近理想传输线的频率响应。举例来说，在图6的频率响应图上可看出，在频率f₁处，S21A与S21B6的差距为d6，大大小于S21A与S21B4的差距d4；另外，本发明的传输线的传输系数S21B6在频率高于中心频率f₀之处，并未如同传统的T型等效电路或π型等效电路的典型传输系数S21B4那样快速减小。

采用集总元件传输线的主要原因是为了减小电路面积，而本发明利用互感则帮助了加宽集总元件传输线的应用频率范围。互感与两电感的相对距离以及电感的形状相关。因此，本发明非常适合以一立体的结构来实现，例如在一多层基板(multi-layered substrate)上实现。请参阅图7。图7为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第一实施例的示意图。G71为一地电位平板；P71与P72为二个端子；L71与L72为二个电感，分别与端子P71和端子P72相连；C71为一电容；Via71与Via72则为二个穿透基板而连接不同层的金属连通柱(metal via)；以及LM7为电感L71与电感L72间的互感。电感L71与电感L72为分别形成在基板的第四层与第三层上的方形螺旋金属带，其中电感L72通过金属连通柱Via71与电感L71相串联。电容C71包含分别形成在该多层基板的第二层上以及第一层上的二个金属平板，其中，形成在第二层上的平板通过金属连通柱Via72电连接于地电位平板G71，而形成在第一层上的平板电连接于金属连通柱Via71。请注意电感L71与电感L72的螺旋旋转方向相同，因而使得电感L71与电感L72间的互感LM7为正值。电感L71与电感L72的形状可被妥当调整，以及/或第三层与第四层间的距离可经适当选择，以使得互感LM7的值被调整至一经设计的正值。图7中的电路是相等于图5中所示的电路，其中电感L71、电感L72、互感LM7以及电容C71分别对应于图5中的电感L51、电感L52、互感LM5以及电容C51。如果互感LM7的值经妥当设计，则如图7所示的电路的大小甚至可缩减为理想传输线的1/20，而仍能达到如图6所示的在一相当宽的频段中近似理想传输线的频率响应。互感LM7的值是根据一算法而决定以使得本发明的传输线的频率响应能符合一预定曲线。图8是图7所示的电路的侧视图。

图9为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第二实施例的示意图。P91与P92为二个端子；G91与G92为二个地电位平板；L91与L92为二个电感，分别与端子P91与端子P92相连；C91为一个电容；Via91、Via92与Via93则为三个穿透基板而连接不同层的金属连通柱；以及LM9为电感L91与电感L92间的互感。电感L91与电感L92为分别形成在基板的第四层与第三层上的圆形螺旋金属带，其中电感L92通过金属连通柱Via91与电感L91相串联。电容C91包含二个子电容C911与C912，其中二个子电容C911与C922互相并联，使得电容C91所占的面积可缩小。电容C911包括分别形成在该多层基板的第二层上以及第一层上的二个金属平板，其中该形成于第二层上的平板通过金属连通柱Via92电连接于地电位平板G91，以及该形成于第一层上的平板电连接于金属连通柱Via91。电容C912包括分别形成于该多层基板的第五层上以及第六层上的二个金属平板，其中该形成于第五层上的平板通过金属连通柱Via93电连接于地电位平板G92，以及该形成于第六层上的平板电连接于金属连通柱Via91。同理，电感L91与电感L92的螺旋旋转方向相同，因而使得电感L91与电感L92间的互感LM9为正值。电感L91与电感L92的形状可被妥当调整，以及/或第三层与第四层间的距离可经适当选择，以使得互感LM9的值被调整至一经设计的正值。图9中的电路是相等于图5中所示的电路，其中电感L91、电感L92、互感LM9以及电容C91分别对应于图5中的电感L51、电感L52、互感LM5以及电容C51。若互感LM9的值经妥当设计，则如图9所示的电路的大小可缩减为理想传输线的1/20，而仍能达到如图6所示的在一相当宽的频段中近似理想传输线的频率响应。互感LM9的值是根据一算法而决定以使得本发明的传输线的频率响应能符合一预设的曲线。图10是图9所示的电路的侧视图。

图11与图12是如图5所示的本发明的集总元件传输线的另外两个实施例的示意图。请参阅图11。图11为本发明是形成在多层基板上的集总元件传输线的第三实施例的示意图。P111与P112为二个端子，G111为一地电位平板，L111与L112为二个电感，C111为一电容，以及Via111与Via112为二个穿透基板而连接不同层的金属连通柱。电感L111与电感L112为形成在基板的第二层上的八角形螺旋金属带，其中电感L112以其一端与电感L111相串联。电感L111通过金属连通柱Via111与形成在基板的第三层上的端子P111相连，而电感L112则以其一端与位于同一层上的端子P112相连。电容C111形成于基板的第一层上的金属平板与地电位平板G111之间，其中形成在第一层上的平板电连接于金属连通柱Via112，而金属连通柱Via112同时也连接于电感L112用以与电感L111相串联的一端。电感L111与电感L112的螺旋旋转方向相同，而虽然图11上未加以标示，电感L111与电感L112间存在一为正值的互感LM11。同理，电感L111与电感L112的形状可被妥当调整，以使得互感LM11的值被调整至一经设计的正值。图11中的电路相等于图5中所示的电路，其中电感L111、电感L112、互感LM11以及电容C111分别对应于图5中的电感L51、电感L52、互感LM5以及电容C51。若互感LM11的值经妥当设计，则如图11所示的电路的大小也可缩减为理想传输线的1/20，而仍能达到如图6所示的在一相当宽频中近似理想传输线的频率响应。互感LM11的值是根据一算法而决定以使得本发明的传输线的频率响应能符合一预设的曲线。与前述图7与图9中的二个实施例相比，图11中所述的集总元件传输线将电感L111与电感L112形成于同一层上，因而只需使用多层基板的较少的层，此为一电路设计及生产上的优点。

请参阅图12。图12为本发明的形成在多层基板上的集总元件传输线的第四实施例的示意图。图12中所示的本发明的第四实施例与图11中所示的第三实施例很相似。P121与P122为二个端子，G121与G122为二个地电位平板。L121与L122为二个电感，形成于该多层基板的同一层上，其结构与图11中的电感L111与电感L112相同。C121为一电容，包含二个子电容C1211与C1212，其中二个子电容C1211与C1212互相并联，使得电容C121所占的面积可缩小。电容C1211形成在基板的第一层上的金属平板与地电位平板G121之间，其中形成在第一层上的平板电连接于金属连通柱Via122，而金属连通柱Via122同时也连接于电感L122用以与电感L121相串联的一端。电容C1212形成在基板的第四层上的金属平板与地电位平板G122之间，其中形成在第四层上的平板也电连接于金属连通柱Via122。如同前三个实施例，电感L121与电感L122间的互感LM12的值可经妥当设计，以使得图12所示的集总元件传输线的频率响应能如图6所示的在一相当宽的频段中非常近似理想传输线的频率响应。

与传统技术相比，本发明的集总元件传输线电路的尺寸要比如图1所示的传统的曲折线路结构传输线电路的尺寸小得多。此外，本发明主动利用并设计两电感间的互感为一正值，也增进传输线的频率响应，使得本发明的集总元件传输线的频率响应和传统的传输线T型等效电路或π型等效电路的频率响应相比，能在一较宽的频带中更近似一理想的传输线的频率响应。

总而言之，本发明采用传统的传输线T型等效电路的结构以缩减电路的大小，并且利用两电感间的正互感来增进集总元件传输线的频率响应，以加宽本发明的集总元件传输线可应用的频率范围。本发明的集总元件传输线最好在一多层陶瓷基板上实现，例如一低温共烧陶瓷(low temperature co-firedceramic，LTCC)基板，因其兼具立体结构与低基板损耗(substrate loss)的优点。对以上所举的各实施例中的电路来说，其所采用的电感的形状可为矩形螺旋、圆形螺旋或八角形螺旋。这些电感可形成在不只一层之上以获得较大的电感值或为方便控制存在其间的互感值。至于电容的部分，设计者可根据所需的电容值及电路面积而利用任意个层以形成电容。本发明的效果经实验证明且其频率响应在一宽频范围内皆近似一理想传输线。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡是根据本发明权利要求所做的均等变化和修改，都应属于本发明的涵盖范围。

Claims

1、一种形成在多层基板上的集总元件传输线，其包含：

一第一电感；

一第二电感，以其一端电串联于所述第一电感，其中所述第一电感与所述第二电感的形状为螺旋形，以及所述第一电感与所述第二电感的螺旋旋转方向相同，因而使得所述第一电感与所述第二电感间的互感为正值且相等于一第一预定值；以及

一第一电容，其中所述第一电容的第一端电连接于地电位且所述第一电容的第二端电连接于所述第二电感用以连接所述第一电感的一端。

2、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述第一电感形成在所述多层基板的第四层上，所述第二电感形成在所述多层基板的第三层上且所述第二电感通过一穿透该基板的第一金属连通柱电串联于所述第一电感，以及所述第一电容包含分别形成在所述多层基板的第二层上以及第一层上的二个平板，其中形成在该第二层上的平板电连接于地电位，以及形成在该第一层上的平板电连接于所述第一金属连通柱。

3、如权利要求2所述的集总元件传输线，其中所述第一电容电并联于一第二电容，所述第二电容包含分别形成在该多层基板的第五层上以及第六层上的二个平板，其中形成在该第五层上的平板电连接于地电位，以及形成在该第六层上的平板电连接于所述第一金属连通柱。

4、如权利要求3所述的集总元件传输线，其中所述第一电容与所述第二电容分别位于所述第一电感以及所述第二电感的上下两侧。

5、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述第一电感形成在该多层基板的第二层上，所述第二电感也形成在该第二层上且所述第二电感以其一端电串联于所述第一电感，以及所述第一电容形成在该多层基板的第一层上，其中该第一层紧临于一地电位平板且通过一穿透该基板的第一金属连通柱电连接于所述第二电感与所述第一电感相连接的一端。

6、如权利要求5所述的集总元件传输线，其中所述第一电容电并联于一第二电容，所述第二电容形成在该多层基板的第四层上，其中该第四层紧临于另一地电位平板且电连接于所述第一金属连通柱。

7、如权利要求6所述的集总元件传输线，其中所述第一电容与所述第二电容分别位于所述第一电感以及所述第二电感的上下两侧。

8、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述多层基板为低温共烧陶瓷基板。

9、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述第一电感与所述第二电感的形状为矩形螺旋、圆形螺旋或八角形螺旋。

10、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述第一预定值是根据一应用频率范围以及所述第一电感、所述第二电感与所述第一电容的值来设计的。

11、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述第一预定值是根据所述第一电感与所述第二电感的形状以及所述第一电感与所述第二电感间的距离来设计的，使得所述第一电感与所述第二电感间的互感相等于所述第一预定值。

12、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中至少一个电感是形成在所述多层基板的多个层上的。

13、如权利要求1所述的集总元件传输线，其中所述第一电容包含形成于所述多层基板的多个层上的多个平板。