CN1799290A - 印刷电路板用小型转接传输线路及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种印刷电路板用小型转接传输线路及其设计方法,包括:形成小型转接传输线路的内侧导体边界并构成转接孔的中心导体(101);设置在中心导体的周围形成外侧导体边界的多个接地转接孔(102);以及由印刷电路板的导体层构成的接地板。并且,在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间设置结构参数调整用转接孔(103),在信号转接孔中传播的信号与其他信号在高频信号频带被电性隔离不会产生交扰。实现了具有好的特性阻抗且包含多层印刷电路板的小型化的同时,还能扩大安装在该印刷电路板上的转接孔传输线路的频率范围。
Description
技术领域
本发明涉及印刷电路板用小型转接传输线路(Compact via TransmissionLine)及其设计方法,特别是涉及填充构成转接传输线路的结构参数调整用转接孔(via hole)的填充用介质的结构参数与构成印刷电路板的绝缘层的结构参数不同的小型化印刷电路板用小型转接传输线路及其设计方法。
背景技术
为了更充分说明与本发明相关的当前的技术水准,通过在这里参照本申请中引用或特指的专利、专利申请、专利公报、科学论文等的全部,组入它们的全部说明。
印刷电路板的内部连接部,对于数字设备和通信用设备的高速化以及安装密度的提高是非常重要的,对这些设备的电特性带来巨大的影响。在包含多层衬底的印刷电路板中,从以往就广泛使用低成本,并且分别供给接地、电源、信号,把通过绝缘层彼此绝缘的多个导体层相互连接的内部连接技术。这些技术在微波传输带线、带状线、共面线、狭缝线等平面传输线路那样的内部连接电路的开发和设计中特别重要。
以往,提出了在多层衬底中设置与接地板连接的接地用转接孔,抑制漏入偏压图案的高频信号通过由接地板夹着的导电层产生不要传播模式。该以往技术例如在特开平9-321501号公报中记载。
此外,例如在特开平6-104601号公报中记载了在印刷电路板上由金属板、绝缘物、金属栓构成给定的阻抗的同轴线路,高频信号通过这里,从而构成给定阻抗的同轴线路,减小信号衰减的技术。
另外,在特开2001-68596号公报中记载了在四边配置用于遮蔽电磁波的转接孔,从而各转接孔彼此的间隔变为低于有效波长的1/2,不产生共振的技术。
如上述的专利公报所述,作为在垂直于印刷电路板的方向的内部连接部的代表性构造,有转接孔构造。形成在印刷电路板上的单纯的转接孔使构成印刷电路板的绝缘层中产生寄生的共振,从印刷电路板产生不要的电磁辐射。因此,如专利文献3所述,为了避免这样的不要的辐射的影响,进行把接地转接孔作为屏蔽使用的方法。
可是,关于由一个信号转接孔和接地转接孔的屏蔽所构成的复合转接传输线路要正确进行阻抗匹配,在把复合的转接传输线路小型化时是必须的,但是实情是会产生怎么也无法避免的困难的问题。
发明内容
因此,本发明的主要目的在于:实现适合于高密度安装并且具有适合的特性阻抗的小型转接传输线路,扩大包含多层印刷电路板的印刷电路板中的转接传输线路的频率范围。
本发明的其他目的在于:对于构成印刷电路板的小型转接传输线路,让把印刷电路板的导电层间绝缘的绝缘层的结构参数例如介电常数以及相对导磁率与构成小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的填充用介质的结构参数不同,从而实现内部连接线路和印刷电路板的小型化,并且实现所需的特性阻抗。
本发明的第1方面是一种印刷电路板用小型转接传输线路,设置在印刷电路板上,包括:构成所述小型转接传输线路的内侧导体边界,信号传递的中心导体;构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;设置在所述内侧导体边界和所述外侧导体边界之间,用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔;所述结构参数调整用转接孔由具有与构成所述印刷电路板的绝缘层的第1结构参数不同的第二结构参数的一样的介质或复合介质填充。
所述印刷电路板是具有多个导体层的多层印刷电路板。
所述第1和第2结构参数是介电常数和相对导磁率中的至少任意一个。
所述小型转接传输线路安装在所述印刷电路板上,与连接在所述小型转接传输线路上的内部连接电路取得阻抗匹配。
所述第2结构参数的值比所述第1结构参数的值小。
所述接地转接孔排列在圆周上。此外,所述接地转接孔排列在正方形上。
本发明的第2方面是一种印刷电路板用小型转接传输线路,设置在印刷电路板上,包括:构成所述小型转接传输线路的内侧导体边界,信号传递的中心导体;构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;设置在所述内侧导体边界和所述外侧导体边界之间,用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔;在所述内侧导体边界和所述外侧导体边界之间穿过所述印刷电路板而设置的空气孔。
所述空气孔设置在所述印刷电路板上,从而调整设置在所述印刷电路板上的转接传输线路和连接在该转接传输线路上的内部连接电路的特性阻抗。
所述空气孔至少包含由2个不同大小的圆形形状构成的所述空气孔。
所述空气孔不规则地配置在所述内侧导体边界和所述外侧导体边界之间。
所述空气孔对于所述信号转接孔配置为对称。
所述空气孔的截面形状的最大长度是在所述印刷电路板的绝缘层中传播的信号的给定频率范围的最小波长的1/8以下(在本申请文件中,“以上”、“以下”均包含本数)。
所述接地转接孔排列在圆周上。此外,所述接地转接孔排列在正方形上。
在所述印刷电路板上传播的主要电磁波的电场和磁场对于传播方向,是垂直方向,并且电场和磁场彼此正交。
本发明的第3方面是一种印刷电路板用小型转接传输线路,设置在印刷电路板上,包括:构成小型转接传输线路的2个内侧导体边界,差动信号传播的2个中心导体;构成分别配置在2个中心导体的周围的2个外侧导体边界的多个接地转接孔;由连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;设置在所述2个内侧导体边界和所述2个外侧导体边界之间,用于调整所述印刷电路板的结构参数的2个结构参数调整用转接孔;所述2个结构参数调整用转接孔分别由具有与构成所述印刷电路板的绝缘层的第1结构参数不同的第二结构参数的一样的介质或复合介质填充。
本发明的第4方面是一种印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,该印刷电路板用小型转接传输线路包括:构成所述小型转接传输线路的内侧导体边界,信号传递的中心导体;构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;在所述内侧导体边界和所述外侧导体边界之间设置用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔,所述结构参数调整用转接孔分别由具有与构成所述印刷电路板的绝缘层的第1结构参数不同的第二结构参数的一样的介质或复合介质填充。
所述第二结构参数比所述第一结构参数小。
所述第1和第2结构参数是介电常数和相对导磁率中的至少任意一个。
所述小型转接传输线路安装在所述印刷电路板上,与连接在所述小型转接传输线路上的内部连接电路取得阻抗匹配。
本发明的第5方面是一种印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,该印刷电路板用小型转接传输线路包括:构成所述小型转接传输线路的内侧导体边界,信号传递的中心导体;构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;在所述内侧导体边界和所述外侧导体边界之间设置用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔,在所述外侧导体边界之间穿过所述印刷电路板而形成空气孔。
所述空气孔设置在所述印刷电路板上,从而调整设置在所述印刷电路板上的转接传输线路和连接在该转接传输线路上的内部连接电路的特性阻抗。
在所述印刷电路板上传播的主要电磁波的电场和磁场对于传播方向,是垂直方向,并且电场和磁场彼此正交。
所述空气孔的截面形状的最大长度是在所述印刷电路板的绝缘层中传播的信号的给定频率范围的最小波长的1/8以下。
附图说明
下面简要说明附图。
图1A是在印刷电路板中表示本发明的小型转接传输线路的平面图。
图1B是在印刷电路板中表示本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图2A是在印刷电路板中表示把接地转接孔配置在圆周上的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图2B是在印刷电路板中表示把接地转接孔配置在圆周上的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图3A是在印刷电路板中表示把接地转接孔配置在正方形上的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图3B是在印刷电路板中表示把接地转接孔配置在正方形上的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图4A是在印刷电路板中表示在小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的区域中形成空气孔的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图4B是在印刷电路板中表示在小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的区域中形成空气孔的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图5A是在印刷电路板中表示具有形成在中心导体和接地转接孔之间的空气孔,具有结构参数调整用转接孔和形成印刷电路板的接地层的导体板的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图5B是在印刷电路板中表示具有形成在中心导体和接地转接孔之间的空气孔,具有结构参数调整用转接孔和形成印刷电路板的接地层的导体板的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图6A是在印刷电路板中表示形成圆形并且不同大小的空气孔的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图6B是在印刷电路板中表示形成圆形并且不同大小的空气孔的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图7是表示本发明的形成正方形以及长方形的空气孔的小型转接传输线路的平面图。
图8是表示本发明的按照预先决定的基准,配置空气孔的小型转接传输线路的平面图。
图9是表示本发明的不规则地配置空气孔的小型转接传输线路的平面图。
图10A是在印刷电路板中表示从本发明的小型转接传输线路到带状线的传输线路的平面图。
图10B是在印刷电路板中表示从本发明的小型转接传输线路到带状线的传输线路的纵剖视图。
图11A是在印刷电路板中表示从本发明的小型转接传输线路到微波传输带线的传输线路的平面图。
图11B是在印刷电路板中表示从本发明的小型转接传输线路到微波传输带线的传输线路的纵剖视图。
图12是在印刷电路板中表示为了传输差动信号而形成小型转接传输线路,并且具有与2个带状线连接的复合转接孔构造的2个基本单元的平面图。
图13是在印刷电路板中表示形成本发明的小型转接传输线路,与带状线连接的SMA连接器的转接孔构造的平面图。
图14A是在印刷电路板中表示在圆周上配置接地转接孔,从多层印刷电路板表面到途中形成中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图14B是在印刷电路板中表示在圆周上配置接地转接孔,从多层印刷电路板表面到途中形成中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图15A是表示在小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的区域中形成空气孔,从多层印刷电路板表面到途中形成中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质的本发明的小型转接传输线路的平面图。
图15B是表示在小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的区域中形成空气孔,从多层印刷电路板表面到途中形成中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质的本发明的小型转接传输线路的纵剖视图。
图16A是表示对安装在由12层的导体层构成的多层衬底上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的反射系数的仿真结果的图。
图16B是表示对安装在由12层的导体层构成的多层衬底上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的透过系数的仿真结果的图。
图17A是表示对安装在由12层的导体层构成的多层衬底上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的反射系数的仿真结果的图。
图17B是表示对安装在由12层的导体层构成的多层衬底上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的透过系数的仿真结果的图。
图18A是表示对安装在由12层的导体层构成的多层衬底上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的反射系数的仿真结果的图。
图18B是表示对安装在由12层的导体层构成的多层衬底上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的透过系数的仿真结果的图。
具体实施方式
下面,说明本发明实施例的概要。
本发明的小型转接传输线路具有:形成所述小型转接传输线路的内侧导体层的边界,构成信号用转接孔的中心导体;配置在中心导体的周围,形成小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;由印刷电路板导体层构成的多个导体板;为了在小型转接传输线路的内侧导体层的边界传播的信号与外侧导体层的边界电位在高频信号频带中不串扰而电分离的结构参数调整用转接孔。该结构参数调整用转接孔可以由一样的物质或不同的多个物质构成的复合材料填充。作为特别的例子,有在构成信号用转接孔的中心导体与转接传输线路的接地转接孔之间形成空气孔,调整印刷电路板的结构参数的方法。
选择填充本发明的结构参数调整用转接孔的填充用介质,从而使印刷电路板小型化,并且通常把小型转接传输线路和安装在印刷电路板上并且连接在小型转接传输线路上的电路的特性阻抗匹配。通过把填充结构参数调整用转接孔的介质材料或空气孔的介电常数和导磁率的任意一方或双方的参数选择为不同,能使印刷电路板小型化,所以能提高安装密度。此外,使用本发明的转接传输线路的印刷电路板能在宽阔频带的频率下工作,所以能传输高速的数字信号。
下面参照附图详细说明本发明实施例。
在以下的实施例中,主要关于包含一个信号转接孔的小型转接传输线路进行说明,但是本发明并不一定局限于小型转接传输线路,此外,例如像1对信号转接孔那样,对安装在印刷电路板上的小型转接传输线路的任意多个信号传输线路,也能容易应用。
复杂、高密度地配置转接孔的任意数量的小型转接传输线路能用于连接平面传输线路等任意种类的内部连接电路。此外,本发明的小型转接传输线路对于具有任意的传输线路的多层印刷电路板,也能应用。
图1A和图1B是在印刷电路板中,表示本发明的小型转接传输线路的平面图以及纵剖视图。如果参照图1A和图1B,则作为多层印刷电路板的设计例,表示形成在由10层的导体层1~10构成的多层印刷电路板上的小型转接传输线路的例子。在多层印刷电路板中,通过由绝缘层105绝缘的导体层1~10,形成接地线107、信号线108、电源线109。小型转接传输线路采用包含以下部分的结构:中心导体101、配置在中心导体101的周围的接地转接孔102、由导体层106形成的接地板106、由填充用介质104填充的直径dcle的结构参数调整用转接孔103。这里,构成信号转接孔的中心导体101传输高频信号。
为了满足小型化和与内部电路的特性阻抗匹配的双方,选择填充用介质104的结构参数例如介电常数或导磁率的一方或双方,从而与绝缘层105的结构参数不同。即从与小型转接传输线路结合的电路入射的电磁波信号的能量在该结合点,由于反射,其一部分返回,但是通过调整小型转接传输线路的尺寸、介电常数或导磁率的一方或双方的值,能极端减小反射,使信号振幅几乎不衰减,进行信号的传输。
此外,当形成转接传输线路的外侧导体边界的接地转接孔的数量多到相邻的接地转接孔之间的距离小于λ/4(λ是在给定频率范围中,印刷电路板的绝缘层的传输信号的最小波长)的程度时,能把该转接传输线路作为充分绝缘的传输线路考察。此外,包含接地转接孔的转接传输线路的外侧边界能作为基于近似连续的导体的边界考察。可以用把基于连续的导体的边界视为同轴电缆的一部分,信号波沿着该边界前进的近似计算转接传输线路的特性阻抗。
为了说明用于把安装在印刷电路板上的转接传输线路小型化的物理基础条件,考察关于接地转接孔的几个典型的几何学形状和配置。
图2A以及图2B是在印刷电路板中,表示把接地转接孔配置在圆周上的本发明的小型转接传输线路的平面图和纵剖视图。如果参照图2A以及图2B,则除了以中心导体201为中心,在圆周上以等间隔配置接地转接孔202的点,与图1A以及图1B所示的构造同样。如果为了使印刷电路板中使用的导体层彼此绝缘而使用的绝缘层205与结构参数调整用转接孔203的填充用介质204相同,则转接传输线路的特性阻抗能用信号波在圆周上的连续的内侧导体边界和外侧导体边界之间前进时使用的众所周知的以下的表达式(1)近似。
这里,Zr是小型转接传输线路的特性阻抗,Rr=Dr/2是中心导体的中心和构成外侧导体边界的接地转接孔之间的距离,rrod=drod/2是中心导体的半径,ε是绝缘层205的介电常数,绝缘层205的介电常数为1。
在本发明的小型转接传输线路中,填充直径dcle的结构参数调整用转接孔203的填充用介质204的介电常数必须与构成印刷电路板的绝缘层205的介电常数不同。
因此,这时,通过由填充结构参数调整用转接孔203的填充用介质204的介电常数、印刷电路板的绝缘层205的介电常数双方决定的有效介电常数计算安装在印刷电路板上的转接传输线路的特性阻抗。
该有效介电常数由已知的逻辑和实验的方法求出。如果填充在小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔中的填充用介质204的介电常数比绝缘层205的介电常数还小时,转接传输线路的有效介电常数比绝缘层205的介电常数还小。
据此,当比较填充用介质204和绝缘层205的材料相同的转接传输线路、所述本发明的小型转接传输线路时,2个转接传输线路的特性阻抗相等,并且填充结构参数调整用转接孔的填充用介质以外的参数相等,本发明的小型转接传输线路的截面积比以往的填充用介质204和绝缘层205的材料相同的转接传输线路的截面积小。
从以上可知,在圆周上配置图2A以及图2B所示的接地转接孔202的小型转接传输线路的特性阻抗由以下的表达式(2)表示。
这里,ZCVT,r是小型转接传输线路的特性阻抗,εeff是从绝缘层205和填充结构参数调整用转接孔的填充用介质204的双方决定的有效介电常数。
从表达式(2)可知,如果填充结构参数调整用转接孔的填充用介质的介电常数减小,则有效介电常数减小,为了把特性阻抗保持一定,例如50Ω,距离Rr必然减小。该事实提供用于开发小型转接传输线路的设计方针。为了实现印刷电路板的转接传输线路的小型化,重要的是进行选择,从而使填充结构参数调整用转接孔的绝缘层的介电常数比把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘材料的介电常数还小。
图3A和图3B是表示为了接地转接孔302分别包围中心导体301而配置为正方形的印刷电路板中小型转接传输线路的平面图和剖视图。为了简化说明,与图1A以及图1B同样,表示为小型转接传输线路嵌入印刷电路板中。
如果构成小型转接传输线路的直径dcle的结构参数调整用转接孔303由与把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘层相同的材料填充时,转接传输线路的特性阻抗能由信号波在正方形的连续的内侧导体边界和外侧导体边界之间前进时使用的众所周知的以下表达式(3)近似。
这里,Zsq是小型转接传输线路的特性阻抗,Rsq=Dsq/2是中心导体的中心和构成外侧导体边界的接地转接孔中离中心导体最近的接地转接孔之间的距离,rrod=drod/2是中心导体的半径,ε是绝缘层205的介电常数,绝缘层305的介电常数为1。
为了在印刷电路板上形成小型转接传输线路,重要的是使填充结构参数调整用转接孔303的填充用介质304的介电常数比把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘层305的介电常数小,这时,把图3A以及图3B所示的接地转接孔配置在正方形上的小型转接传输线路的特性阻抗由以下的表达式(4)表示。
这里,ZCVT,r是小型转接传输线路的特性阻抗,εeff是从绝缘层305和填充结构参数调整用转接孔的填充用介质304的双方决定的有效介电常数。
来自对使用配置在正方形上的接地转接孔的小型转接传输线路的考察的结论与从使用配置在圆周上的接地转接孔的小型转接传输线路的考察取得的结论是同样的。即通过减小填充结构参数调整用转接孔的填充用介质的介电常数,能把小型转接传输线路小型化。上述的2个实施例是基于包围构成信号转接孔的中心导体而形成接地转接孔,并且使填充结构参数调整用转接孔的填充用介质与把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘材料不同的设计思想。
在形成复合介质上特别重要的方法是使用空气孔作为转接孔构造的方法。这是因为空气的介电常数和相对导磁率实质上为1,所以使用空气孔的复合介质适合构成小型转接传输线路。
下面说明使用空气孔形成小型转接传输线路的实施例。图4A和图4B是表示具有分别在构成信号转接孔的中心导体401的周围配置为正方形的接地转接孔402的小型转接传输线路的平面图以及剖视图。在小型转接传输线路中,填充结构参数调整用转接孔403的复合绝缘体404中,复合绝缘体404的介电常数比用于把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘层405的介电常数小,设置空气孔,从而在构造上穿过位于结构参数调整用转接孔403的区域的绝缘层405。这里,关于印刷电路板的导体层配置,与图1以及图1B所示的构造同样。穿过绝缘层405而设置的空气孔410形成能视为有效介电常数比印刷电路板405的介电常数还小的结构参数调整用转接孔403的复合介质。结构参数调整用转接孔403的复合介质的有效介电常数依存于由空气孔410占有的体积,能从已知的理论和实验结果求出。使用形成这样的结构参数调整用转接孔上的复合介质,能一边保持与不使用空气孔时的转接传输线路的特性阻抗相同的值,一边开发更小型的转接传输线路。在小型转接传输线路中,使用表示把接地转接孔配置在圆周上或正方形上时的特性阻抗的所述表达式(2)~表达式(4),导出该结论。形成空气孔,使复合介质的有效介电常数减小,能比印刷电路板的绝缘层减小有效损失系数。
通过由空气孔和印刷电路板的绝缘材料构成的复合介质,能够乘减小小型转接传输线路的截面积的本发明的小型转接传输线路。此外通过减小有效介电常数和到形成外侧导体边界的距离,在小型转接传输线路中,能传输高次的谐波成分,据此,能扩大小型转接传输线路的工作频率范围。安装在印刷电路板上的小型转接传输线路的空气孔使空冷时的空气循环良好,据此,能改善高密度安装中的散热特性。
在小型转接传输线路中,电磁波中的基本波主要存在于构成信号转接孔的中心导体和构成外侧导体边界的接地转接孔之间,所以在应用上,空气孔不仅在结构参数调整用转接孔的区域,能在中心导体和接地转接孔之间的全部区域中形成。
图5A以及图5B是表示具有形成在中心导体和接地转接孔之间的空气孔,具有形成结构参数调整用转接孔503和印刷电路板的接地层的导体半的小型转接传输线路的平面图和剖视图。穿过结构参数调整用转接孔503的区域、由导体层507构成的导电板506而在该区域和接地转接孔502之间的区域形成空气孔510。小型转接传输线路的空气孔的截面能采用任意形状和任意尺寸,但是有必要比在用于把印刷电路板的导体层的绝缘的绝缘层505中前进的传输信号的波长λ还小很多,例如为1<λ/8。这里,1是空气孔的截面的最大长度,λ是在给定的频率范围中,电路板的绝缘层的中的传输信号的最小波长。
图6A和图6B是在印刷电路板中表示形成圆形并且不同大小的空气孔的本发明的小型转接传输线路的平面图和剖视图。在图6中,分别直径dal和da2的圆柱状空气孔配置在中心导体601和用于形成正方形的外侧导体边界的接地转接孔602之间。
图7是表示本发明的形成正方形以及长方形的空气孔的小型转接传输线路的平面图。在图7中,空气孔710的水平截面形状为正方形以及长方形,如图所示,在正方形以及长方形中,为不同的大小。在图7中,虽然未表示纵剖视图,但是与图5B所示的纵剖视图同样。即空气孔710具有水平截面形状为图7所示的正方形以及长方形的柱状的构造。
空气孔按照给定的规则配置,或者也可以不规则地佩兹。图8表示按照预先决定的规则配置空气孔810的小型转接传输线路的具体例。构成小型转接传输线路的小型转接传输线路的接地转接孔802配置在圆周上,从而在中心导体801的周围,离中心导体801的距离相等,配置空气孔810,从而在中心导体801的周围,相邻的空气孔彼此的距离相等,此外离中心导体801的距离相等。
图9是表示在中心导体901和构成外侧导体边界的接地转接孔902之间不规则地配置空气孔910的小型转接传输线路的平面图。
作为小型转接传输线路的空气孔的形成方法,考虑到用机械形成孔的方法、由激光形成孔的方法等各种方法。
当然为了把印刷电路板的各种内部连接电路结合而使用印刷电路板用小型转接传输线路,但是在图10A和图10B中,表示在12层的多层印刷电路板中,把小型转接传输线路和作为带状线1011的平面传输线路结合的具体例。从图10A和图10B可知,小型转接传输线路具有中心导体1001、配置在正方形上的接地转接孔1002、由构成印刷电路板的导体层构成的接地板1006、结构参数调整用转接孔1003。
小型转接传输线路中的复合介质由用于把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘层1005、根据预先决定的规则在小型转接传输线路的中心导体1001和接地转接孔1002之间形成不同尺寸的空气孔1010构成。这里,4个大的空气孔中,相邻的空气孔彼此的距离相等,并且均等地配置在中心导体1001的周围,3个小的空气孔在相邻的大的空气孔之间,均等地配置在中心导体1001的周围。全部空气孔对于带状线1011的水平轴配置为对称。这里,从图10A可知,在包含带状线1011的区域中,不存在对应的小的空气孔。小型转接传输线路的复合介质的有效介电常数比绝缘层1005的介电常数小,因此,一边把带状线1011的特性阻抗保持相同的值,一边能使连接在带状线1011上的传输线路小型化。
在图11A和图11B中表示在12层的多层印刷电路板中,把小型转接传输线路和作为微波传输带线1112的平面传输线路结合的具体例。从图11A和图11B可知,小型转接传输线路具有中心导体1101、配置在圆周上的接地转接孔1102、由构成印刷电路板的导体层1107构成的接地板1106、结构参数调整用转接孔1103。
小型转接传输线路的复合介质由用于把印刷电路板的导体层绝缘的绝缘层1105、除了微波传输带线1112的区域而不规则地配置在小型转接传输线路的中心导体1101和接地转接孔1102之间的空气孔1110构成。小型转接传输线路的复合介质的有效介电常数比绝缘层1105的介电常数小,因此一边把微波传输带线1112的特性阻抗保持相同的值,一边能使到达微波传输带线1112的传输线路小型化。
图12表示用于传输差动心好的小型转接传输线路的一例,表示具有高密度转接孔构造的2个基本单元。这2个基本单元构成信号转接孔对,分别连接在作为平面传输线路的一例的带传输线路对上。小型转接传输线路由分别由接地转接孔1202包围的2个信号转接孔1201、由导体层构成的接地层、2个结构参数调整用转接孔1203构成。为了把转接传输线路小型化、取得小型转接传输线路和带传输线路对的特性阻抗匹配,形成空气孔1210。
图13是表示小型转接传输线路的应用例即SMA(sub-miniature-type-A)连接器的转接孔构造的平面图。通常的SMA连接器的管脚具有信号转接孔1301和接地转接孔1313。在图13中,再度表示作为平面传输线路构造的一例的带状线1311和信号转接孔1301的连接。
可是,通常的转接传输线路在高频产生大的辐射和遗漏损失,由于依存于与接地转接孔1313的距离的高次的激励振荡,受到工作频率范围的限制。
为了实现SMA连接器的良好的转接孔构造,使用本发明的小型转接传输线路非常有效。在图13中,小型转接传输线路具有:构成信号转接孔的中心导体1301、配置在圆周上的接地转接孔1302、由印刷电路板的导体层构成的电源板、接地板等导体板、结构参数调整用转接孔1303。此外,通过在绝缘层穿过空气孔1310,形成复合介质。
决定中心导体1301和接地转接孔1313的距离、空气孔1310的数量和大小,从而在包含SMA连接器和带状线的内部连接电路中,使特性阻抗最佳化。而且,在给定的频率范围中,主要采用只传播基本模式的电磁波的构造。更具体而言,设定为在印刷电路板中传播的电磁波的电场和磁场对于传播方向,是垂直方向,并且电场和磁场彼此正交传播。可是,在传播实际的印刷电路板中传播的电磁波中,不仅是所述基本模式的电磁波,同时也包含对于传播方向,电场和磁场从垂直方向偏离,并且电场和磁场彼此不正交的电磁波。这时,同样能应用本发明。
在所述实施例中,从多层印刷电路板的表面贯通到背面设置中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质,但是不一定要贯通,也可以从多层印刷电路板的表面到到构成多层印刷电路板的内部衬底形成中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质的一部分或全部。
图14A和图14B是表示在印刷电路板中,分别在圆周上配置接地转接孔1402,从多层印刷电路板的表面到途中形成中心导体1401、接地转接孔1402、结构参数调整用转接孔1403、填充用介质1401的本发明的小型转接传输线路的平面图和剖视图。在所述图2A和图2B所示的构造中,从多层印刷电路板的表面贯通到背面形成中心导体201、接地转接孔202、结构参数调整用转接孔203、填充用介质204。而在本实施例的图14A和图14B所示的构造中,从最表面层的第1层到第3层形成中心导体1401,从最表面层的第1层到第4层形成接地转接孔1402、结构参数调整用转接孔1403、填充用介质1404。
图15A和图15B是表示分别在小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的区域形成空气孔,从多层印刷电路板的表面到途中形成中心导体1501、接地转接孔1502、结构参数调整用转接孔1503、空气孔1510的本发明的小型转接传输线路的平面图和剖视图。图15A和图15B所示的本实施例的构造除了以下的点,与所述图4A和图4B所示的构造类似。在图15A和图15B所示的本实施例的构造中,从最表面层的第1层到第3层形成中心导体1501,从最表面层的第1层到第4层形成接地转接孔1502、结构参数调整用转接孔1503、空气孔1510。
通过这样从多层印刷电路板的表面到构成印刷电路板的内部的衬底形成中心导体、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、填充用介质的一部分或全部,能进一步最优化小型转接传输线路的特性阻抗。
下面为了表示小型转接传输线路的优越性,在包含小型转接传输线路的构造中,说明关于高速信号传输的几个仿真结果。仿真结果表示通过由差分时间区域(finite-difference time-domain=FDTD)法计算的S参数的大小表示小型转接传输线路的优越性。该FDTD法在表示内部连接电路的特征时可以说是最正确、恰当并且多目的的逻辑计算手法。
图16是表示从50Ω的同轴电缆通过小型转接传输线路向其他50Ω的同轴电缆传输时,对于安装在由12层的导体层构成的多层电路板上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的反射系数(S11参数)的频率依存性的仿真结果的图。图16B是表示从50Ω的同轴电缆通过小型转接传输线路向其他50Ω的同轴电缆传输时,对于安装在由12层的导体层构成的多层电路板上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的透过系数(S12参数)的频率依存性的仿真结果的图。小型转接传输线路安装在12层的多层印刷电路板上,由中心导体、配置在正方形上的8个接地转接孔、由导体层构成的电源板、接地板等导体板、8个空气孔和结构参数调整用转接孔形成。
关于仿真中使用的小型转接传输线路和12层的多层电路板的几何形状,与图6A和图6B所示相同。这里,仿真中使用的中心导体和8个接地转接孔的大小如下所述。即中心导体的直径drod为0.65mm,配置接地转接孔的一边长度Rsq=Dsq/2为1.66mm,信号转接孔的焊盘直径为0.95mm,小型转接传输线路的结构参数调整用转接孔的直径dcle为1.65mm,大的空气孔的直径da1为0.5mm,小的空气孔的直径da2为0.3mm。
对于包含小型转接传输线路的内部连接构造的S参数的大小在15GHz之前由实线表示。此外为了比较,对于安装在相同的印刷电路板上的转接传输线路,具有同一参数的通常的同轴电缆的S参数由须线表示。在图16A中,反射系数|S11|越小,传输特性越好。例如在10GHz,通常的转接传输线路和小型转接传输线路的|S11|的差为6dB左右,但是这在线性刻度中,表示小型转接传输线路的信号的反射量变为通常的转接传输线路的反射量的一半。
此外,在图16B中,表示透过系数|S21|,但是它表示信号的损失量,可以说越接近0,传输特性越好。在10GHz,小型转接传输线路的信号损失为-0.3dB,在线性刻度中,为3%左右,而通常的转接传输线路的信号损失为1.0dB以上,在线性刻度中,为10%。通过由仿真取得的S参数的比较,关于信号的反射量和损失量,小型转接传输线路对于通常的转接传输线路的优越性是明显的。
在通常的转接传输线路中,为了减少反射量,考虑调整中心导体和接地转接孔之间的距离,从而一边把介电常数4.2和中心转接孔导体的直径drod=0.65mm保持一定,一边进行50Ω的特性阻抗匹配。如果按照所述表达式(3),则如果把中心导体和接地转接孔的距离增加到图6A和图6B所示的小型转接传输线路的尺寸的约1.5倍,就能实现阻抗匹配,但是通常构造越大,在更低的频率发生高次频率的不要传播模式,所以可使用的频率降低。如上所述,能从这些仿真结果理解在把转接传输线路小型化上,使用空气孔是极有效的。
图17A是表示通过小型转接传输线路在50Ω的同轴电缆和50Ω带状线之间传输信号时,对于安装在由12层的导体层构成的多层电路板上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的反射系数(S11参数)的频率依存性的仿真结果的图。图17B是表示通过小型转接传输线路在50Ω的同轴电缆和50Ω带状线之间传输信号时,对于安装在由12层的导体层构成的多层电路板上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的透过系数(S11参数)的频率依存性的仿真结果的图。
小型转接传输线路和带状线如图10A和图10所示那样安装在12层的多层电路板上。这里,印刷电路板、信号转接孔、接地转接孔、结构参数调整用转接孔、小型转接传输线路、构成小型转接传输线路的空气孔的全部尺寸与上述的仿真结果时使用的尺寸相同。此外接地转接孔和空气孔的排列与上述时同样,但是从图10A以及图10B可知,一个小的空气孔从配置带状线1011的区域除外,而设置第3导体层1011。
同轴电缆与配置在印刷电路板底面上的由第12层的导体层形成的小型转接传输线路的信号转接孔连接。对于包含小型转接传输线路、同轴电缆、带状线的内部连接构造的S参数的大小在15GHz之前由实线表示。
此外为了比较,关于具有相同的内部连接构造,只是不设置空气孔的点上不同的转接传输线路的S参数由虚线表示。与参照图16A和图16B,所述同样,从图17A以及图17B能理解通过在信号转接孔和接地转接孔之间设置空气孔,改善电特性,并且实现转接传输线路的小型化。
图18A是表示通过小型转接传输线路在50Ω的同轴电缆和50Ω微波传输带线之间传输信号时,对于安装在由12层的导体层构成的多层电路板上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的反射系数(S11参数)的频率依存性的仿真结果的图。图18B是表示通过小型转接传输线路在50Ω的同轴电缆和50Ω微波传输带线之间传输信号时,对于安装在由12层的导体层构成的多层电路板上的通常的转接传输线路以及本发明的小型转接传输线路的透过系数(S11参数)的频率依存性的仿真结果的图。
关于图18A以及图18B所示的内部连接构造的全部参数和配置与图17A以及图17B中讨论的相同,但是不同点仅在于:把图17A以及图17B的带状线置换为形成在衬底表面的第1层的50Ω的微波传输带线。对于包含小型转接传输线路、同轴电缆、微波传输带线的内部连接构造的S参数的大小在15GHz之前由实线表示。
此外,为了比较,关于具有相同的内部连接构造,只是不设置空气孔的点上不同的转接传输线路的S参数由虚线表示。此外,从关于上述2个内部连接构造的仿真结果取得的结论关于图18A以及图18B所示的构造也同样。即与参照图16A、图16B、图17A和图17B所述同样,从图18A以及图18B能理解通过在信号转接孔和接地转接孔之间设置空气孔,能改善电特性,并且实现转接传输线路的小型化。
如上所述,在同轴电缆、引线、LSI的各管脚、平面传输线路等任何种类的内部构造中使用本发明的印刷电路板用小型转接传输线路对于把印刷电路板小型化,使形成在印刷电路板上的信号布线的工作频率范围稳定、扩大是有效的。
作为特别的例子,通过在中心导体和小型转接传输线路的外侧导体边界之间形成多个空气孔,用具有表的介电常数的介质材料能取得与填充结构参数调整用转接孔同样的效果。
该空气孔,虽然受到限制:即该空气孔的截面形状的最大长度1、应远小于在给定频率范围内被设定为印刷电路板绝缘层中传输信号最小波长的波长λ(一般1<λ/8),但是为了实现满足小型转接传输线路的物质的要求特性,能以任意形状进行任意的配置。
作为附加的结果,空气孔不仅能减少转接传输线路的信号损失,而且能改善空冷用的空气流,据此,能改善高密度安装中的散热特性。此外,本发明的小型转接传输线路对于安装在印刷电路板上的复杂、高密度的转接孔构造以及用差动信号传输的转接孔构造的开发和设计,极端有效。
如果是关于印刷电路板用小型转接传输线路及其设计方法的,本发明就能应用,在利用的可能性上,没有任何限定。
与几个实施例关联,说明了本发明,但是这些实施例只是列举实例说明发明,并不意味着限定。如果读完本说明书,对于业内人士,基于等价的构成要素和技术的很多变更和置换是容易的,但是这样的变更和置换属于附加的权利要求书的范围和精神内。
Claims (23)
1.一种印刷电路板用小型转接传输线路,其设置在印刷电路板上,包括:
构成所述小型转接传输线路的内侧导体边界,传递信号的中心导体;
构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;
由连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;以及
设置在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间,用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔,
所述结构参数调整用转接孔,由具有与构成所述印刷电路板的绝缘层的第1结构参数不同的第二结构参数的一样的介质或复合介质填充。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述印刷电路板是具有多个导体层的多层印刷电路板。
3.根据权利要求1所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述第1和第2结构参数是介电常数和相对导磁率中的至少任意一个。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述小型转接传输线路,与安装在所述印刷电路板上并连接在所述小型转接传输线路上的内部连接电路取得阻抗匹配。
5.根据权利要求3所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述第2结构参数的值比所述第1结构参数的值小。
6.一种印刷电路板用小型转接传输线路,其设置在印刷电路板上,包括:
构成所述小型转接传输线路的内侧导体边界,传递信号的中心导体;
构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;
由连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;
设置在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间,用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔;以及
在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间穿过所述印刷电路板而设置的空气孔。
7.根据权利要求6所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述空气孔,设置在所述印刷电路板上,从而调整设置在所述印刷电路板上的转接传输线路与连接在该转接传输线路上的内部连接电路之间的特性阻抗。
8.根据权利要求6所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述空气孔,至少包含由2个不同大小的圆形形状构成的所述空气孔。
9.根据权利要求6所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述空气孔,不规则地配置在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间。
10.根据权利要求6所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述空气孔,相对于所述信号转接孔配置为对称。
11.根据权利要求6所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述空气孔的截面形状的最大长度,是在所述印刷电路板的绝缘层中传播的信号的给定频率范围的最小波长的1/8以下。
12.根据权利要求1~11中的任意一项所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述接地转接孔排列在圆周上。
13.根据权利要求1~11中的任意一项所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
所述接地转接孔排列在正方形上。
14.根据权利要求7所述的印刷电路板用小型转接传输线路,其中:
在所述印刷电路板上传播的主要电磁波的电场和磁场相对于传播方向,是垂直方向,并且电场与磁场彼此正交。
15.一种印刷电路板用小型转接传输线路,其设置在印刷电路板上,包括:
构成小型转接传输线路的2个内侧导体边界,传播差动信号的2个中心导体;
构成分别配置在2个中心导体的周围的2个外侧导体边界的多个接地转接孔;
由连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板;以及
设置在所述2个内侧导体边界与所述2个外侧导体边界之间,用于调整所述印刷电路板的结构参数的2个结构参数调整用转接孔,
所述2个结构参数调整用转接孔,分别由具有与构成所述印刷电路板的绝缘层的第1结构参数不同的第二结构参数的一样的介质或复合介质填充。
16.一种印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,该印刷电路板用小型转接传输线路包括:构成设置在印刷电路板上的所述小型转接传输线路的内侧导体边界、传递信号的中心导体;构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;以及由连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板,其中:
在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间设置用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔,所述结构参数调整用转接孔,分别由具有与构成所述印刷电路板的绝缘层的第1结构参数不同的第二结构参数的一样的介质或复合介质填充。
17.根据权利要求16所述的印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,其中:
所述第二结构参数比所述第一结构参数小。
18.根据权利要求16所述的印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,其中:
所述第1和第2结构参数是介电常数和相对导磁率中的至少任意一个。
19.根据权利要求16所述的印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,其中:
所述小型转接传输线路,与安装在所述印刷电路板上并连接在所述小型转接传输线路上的内部连接电路取得阻抗匹配。
20.一种印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,该印刷电路板用小型转接传输线路包括:构成设置在印刷电路板上的所述小型转接传输线路的内侧导体边界、传递信号的中心导体;构成所述小型转接传输线路的外侧导体边界的多个接地转接孔;以及由连接在所述接地转接孔上的所述印刷电路板的导体层构成的接地板,其中:
在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间设置用于调整所述印刷电路板的结构参数的结构参数调整用转接孔,在所述内侧导体边界与所述外侧导体边界之间还形成穿过所述印刷电路板的空气孔。
21.根据权利要求20所述的印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,其中:
所述空气孔,设置在所述印刷电路板上,从而调整设置在所述印刷电路板上的转接传输线路与连接在该转接传输线路上的内部连接电路之间的特性阻抗。
22.根据权利要求21所述的印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,其中:
在所述印刷电路板上传播的主要电磁波的电场和磁场对于传播方向,是垂直方向,并且电场与磁场彼此正交。
23.根据权利要求20所述的印刷电路板用小型转接传输线路的设计方法,其中:
所述空气孔的截面形状的最大长度,是在所述印刷电路板的绝缘层中传播的信号的给定频率范围的最小波长的1/8以下。
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