JP2007235363A - 特性決定方法，コモンモードフィルタおよび通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送線路全体の中で、コモンモードフィルタとして望ましい特性を決定するための技術を提供する。
【解決手段】第１基板１０，ハーネス３０および第２基板２０それぞれをＳパラメータでモデル化し、このＳパラメータに基づいて第１基板１０とハーネス３０との間を流れるコモンモード電流ｉＬを算出する。次に、電流算出手順にて算出したコモンモード電流が最小となるようなコモンモードフィルタのＳパラメータを算出し、このＳパラメータで特定される特性を、コモンモードフィルタ１８の新たな特性として決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、差動伝送線路に設けられるコモンモードフィルタに関する。

従来、差動伝送線路（差動通信を行うための伝送線路）に設けられるコモンモードフィルタによって、その線路に発生するコモンモード電流を抑制するための技術が種々提案されている。例えば、コモンモードフィルタを構成する部材の配置やそれらの材料特性を限定することによりコモンモード電流を抑制する、といった技術である（特許文献１）。
特開２００５−２１８０３１号公報

しかし、上述した技術は、コモンモードフィルタ単体での性能向上を目指したものであり、そのコモンモードフィルタが設けられる伝送線路全体の中で、どのような特性を有していることが望ましいのかといったことまで定めたものではない。そのため、コモンモードフィルタを設けた伝送線路全体の構成によっては、コモンモード電流を充分に抑制することができない恐れがある。

本願発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、伝送線路全体の中で、コモンモードフィルタとして望ましい特性を決定するための技術を提供することである。

上記課題を解決するため請求項１に記載の特性決定方法は、差動通信を行うための伝送線路である差動伝送線路を介してデータを送受信するノードとして、コモンモードフィルタを有する第１のノードとコモンモードフィルタを有しない第２のノードとが存在する通信システムのうち、前記第１のノード内の伝送線路に設けられるコモンモードフィルタの特性を決定するための特性決定方法である。

具体的には、まず、モデル化手順によって、前記第１のノード，前記差動伝送線路および前記第２のノードそれぞれをＳパラメータでモデル化する。次に、
該モデル化手順にてモデル化したＳパラメータに基づいて前記差動伝送線路を流れるコモンモード電流を、電流算出手順によって算出する。次に、該電流算出手順にて算出したコモンモード電流が所定のしきい値以下となるようなコモンモードフィルタのＳパラメータを、パラメータ算出手順によって算出する。そして、該パラメータ算出手順にて算出したＳパラメータで特定される特性を、特性決定手順によってコモンモードフィルタの特性として決定する。

このような特性決定方法であれば、コモンモードフィルタが設けられる第１のノードを含めた伝送線路全体の中で、そのコモンモードフィルタとして望ましい特性，具体的にいうと、コモンモード電流を抑制するのに適した特性を決定することができる。そのため、この特性決定方法により決定した特性を有するコモンモードフィルタを用いれば、このコモンモードフィルタが設けられる伝送線路において、コモンモード電流を充分に抑制することが期待できる。

なお、この特性決定方法において、モデル化手順では、第１のノード，差動伝送線路および第２のノードそれぞれをＳパラメータでモデル化することとなるが、このとき、第１のノードは、データの送信を制御する制御部，そのデータを伝送する伝送線路それぞれのＳパラメータを別々に算出してモデル化することが望ましい。それは、受動的な構成である伝送線路であれば、単純な計測によりＳパラメータを特定することができるが、能動的な構成である制御部については、単純な計測によりＳパラメータを算出することができず、解析的に求める必要があるからである。

具体的には、請求項２に記載のように、前記第１のノードをＳパラメータでモデル化するにあたり、該第１のノードにおいてデータの送信を制御するデータを送信電圧に変換して伝送線路を駆動するトランシーバＩＣ，および，該トランシーバＩＣにより送信されるデータを伝送する伝送線路それぞれのＳパラメータを算出し、該算出したＳパラメータそれぞれを結合することにより、前記第１のノードのモデル化を行うとよい。

このような手順とすれば、第１のノード内におけるトランシーバＩＣと伝送線路とについて、それぞれ別々にＳパラメータを算出し、これを結合することで、第１のノードをモデル化している。これにより、伝送線路とトランシーバＩＣとを、それぞれ適切な手法によりＳパラメータを算出することで各Ｓパラメータを正確に算出できるようになるため、こうして算出したＳパラメータを結合することで、より正確に第１のノードをモデル化することができる。

また、請求項３に記載のコモンモードフィルタは、差動通信を行うための伝送線路である差動伝送線路を介してデータを送受信するノードとして、コモンモードフィルタを有する第１のノードとコモンモードフィルタを有しない第２のノードとが存在する通信システムのうち、前記第１のノード内の伝送線路に設けられるコモンモードフィルタであって、請求項１または請求項２に記載の特性決定方法により決定された特性を有している。

このように構成されたコモンモードフィルタによれば、請求項１または請求項２に記載の特性決定方法により特性が決定されたコモンモードフィルタと同様の作用，効果を得ることができる。

また、請求項４に記載の通信システムは、差動通信を行うための伝送線路である差動伝送線路を介してデータを送受信するノードとして、コモンモードフィルタを有する第１のノードとコモンモードフィルタを有しない第２のノードとが存在する通信システムである。この通信システムにおいて、前記第１のノードは、該第１のノード内の伝送線路にコモンモードフィルタが設けられており、該コモンモードフィルタとして、請求項１または請求項２に記載の特性決定方法により決定された特性を有するものが用いられている。

このように構成された通信システムによれば、第１のノードに備えられたコモンモードフィルタにより、請求項１または請求項２に記載の特性決定方法により特性が決定されたコモンモードフィルタと同様の作用，効果を得ることができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（１）全体構成
通信システム１は、図１に示すように、第１基板１０，第２基板２０，この両者を接続するハーネス３０などからなる。

第１基板１０は、差動通信によるデータ通信を制御するトランシーバＩＣ１２，第１基板１０をハーネス３０に接続するコネクタ１４，トランシーバＩＣ１２からコネクタ１４までをつなぐ配線パターン１６，配線パターン１６中に設けられたコモンモードフィルタ１８などで構成される。

第２基板２０は、差動通信によるデータ通信を制御するトランシーバＩＣ２２，第２基板２０をハーネス３０に接続するコネクタ２４などで構成される。
ハーネス３０は、ツイストペアケーブルで構成された差動通信用の伝送線路である。

なお、上述した第１基板１０が本発明における第１のノードであり、第２基板２０が本発明における第２のノードであり、ハーネス３０が本発明における差動伝送線路である。また、上述した配線パターン１６が本発明における「制御部により送信されるデータを伝送する差動伝送線路」である。
（２）コモンモードフィルタの特性
上述した第１基板１０のコモンモードフィルタ１８は、以下に示す特性決定方法のいずれかにてその特性が決定されたものである。その手順について以下に説明する。
（２−１）特性決定方法その１
まず、通信システム１を、図２に示すように、トランシーバＩＣ１２，コモンモードフィルタ１８，配線パターン１６，ハーネス３０，第２基板２０それぞれを４ポート（入力，出力にそれぞれ２つずつの線路）のデバイスとしてモデル化した構成を想定する。

次に、第１基板１０，ハーネス３０および第２基板２０それぞれをＳパラメータでモデル化する（モデル化手順）。
このモデル化手順では、まず、上記モデルのトランシーバＩＣ１２を、２つの信号源Ｅ１，Ｅ２およびインピーダンスＺ１，Ｚ２からなる等価回路とみなし、この等価回路に基づいてＳパラメータ「Ｓｉｃ」を算出する。ここで、トランシーバＩＣ１２を等価回路とみなすにあたっては、まず、図３に示すように、トランシーバＩＣ１２に負荷回路１００を接続した状態で、この負荷回路１００における特定の抵抗（図３のｒ１，ｒ２参照）を複数の値それぞれに変化させた場合における全ての抵抗（図３のｒ１〜ｒ３参照）それぞれの電圧波形を測定する。そして、こうして測定された電圧波形をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）によりスペクトル解析し、各周波数成分から最小二乗法により求められるパラメータに基づいて信号源Ｅ１，Ｅ２およびインピーダンスＺ１，Ｚ２の推定値を得る。こうして得られた信号源およびインピーダンスに基づいて、トランシーバＩＣ１２のＳパラメータが算出される。なお、このトランシーバＩＣ１２からみたコモンモードフィルタ１８との間における入射波と反射波との関係は、下記の式１−１のようになる。

ｃ１１，ｃ１２：信号源Ｅ１，Ｅ２に起因する定数
続いて、コモンモードフィルタ１８のＳパラメータ「Ｓｃｆ」を、ネットワークアナライザにて実測し、その値を得る。ここで、コモンモードフィルタ１８からトランシーバＩＣ１２をみた場合の入射波と反射波との関係は、下記の式１−２のようになる。

続いて、トランシーバＩＣ１２とコモンモードフィルタ１８とを結合したブロックにおけるＳパラメータ「Ｓｉｃ＿ｃｆ」を算出する。ここでは、上記式１−１，式１−２，トランシーバＩＣ１２とコモンモードフィルタ１８との間における入射波と反射波との関係（ａ１＝ｂ３，ｂ１＝ａ３，ａ２＝ｂ４，ｂ２＝ａ４）から、ｂ５，ｂ６を解くことにより「Ｓｉｃ＿ｃｆ」を算出する。ここで、コモンモードフィルタ１８から配線パターン１６をみた場合における入射波と反射波との関係は、下記の式１−３のようになる。

ｃ２１，ｃ２２：信号源Ｅ１，Ｅ２に起因する定数
続いて、配線パターン１６のＳパラメータ「Ｓｂｄ」を、ネットワークアナライザにて実測し、その値を得る。ここで、配線パターン１６からコモンモードフィルタ１８をみた場合における入射波と反射波との関係は、下記の式１−４のようになる。

続いて、トランシーバＩＣ１２とコモンモードフィルタ１８と配線パターン１６とを結合したブロックにおけるＳパラメータ「Ｓｉｃ＿ｃｄ＿ｂｄ」を算出する。ここでは、上記式１−３，式１−４，コモンモードフィルタ１８と配線パターン２６との間における入射波と反射波との関係（ａ５＝ｂ７，ｂ５＝ａ７，ａ６＝ｂ８，ｂ６＝ａ８）から、ｂ９，ｂ１０を解くことにより「Ｓｉｃ＿ｃｄ＿ｂｄ」を算出する。ここで、第１基板１０からハーネス３０をみた場合における入射波と反射波との関係は、下記の式１−５のようになる。

ｃ３１，ｃ３２：信号源Ｅ１，Ｅ２に起因する定数
続いて、ハーネス３０と第２基板２０とを結合したブロックのＳパラメータ「Ｓｌｄ」を、ネットワークアナライザにて実測し、その値を得る。ここで、ハーネス３０から第１基板１０をみた場合における入射波と反射波との関係は、下記の式１−６のようになる。

こうして、各上述した第１基板１０，ハーネス３０および第２基板２０それぞれのＳパラメータを取得することにより、Ｓパラメータによるモデル化がなされたこととなる。

次に、モデル化手順にてモデル化したＳパラメータに基づいて第１基板１０とハーネス３０との間を流れるコモンモード電流ｉＬを算出する（電流算出手順）。
ここでは、まず、第１基板１０とハーネス３０との間における伝送線路それぞれを流れる電流ｉＬ１，ｉＬ２を、上記式１−５，式１−６，および，電流ｉＬ１，ｉＬ２を示す下記の式１−７，１−８に基づいて算出する。そして、こうして算出した各電流ｉＬ１，ｉＬ２，および，下記の式１−９に基づいてコモンモード電流ｉＬを算出する。

Ｒ０：伝送線路の特性インピーダンス（Ω）
ｉＬ＝（ｉＬ１＋ｉＬ２）／２ … （１−９）
次に、電流算出手順にて算出したコモンモード電流が所定の最小となるようなコモンモードフィルタのＳパラメータを算出する（パラメータ算出手順）。ここでは、コモンモードフィルタ１８が対称な性質を有するものであることを条件として、上記の式１−９にて算出されるコモンモード電流が最小となるパラメータ（Ｓパラメータ）を算出する。この最小となるＳパラメータは，勾配法等の最適化アルゴリズムによって求められる．
そして、パラメータ算出手順にて算出したＳパラメータで特定される特性を、コモンモードフィルタ１８の新たな特性として決定する（特性決定手順）。

こうして特性を決定した後、上記モデルにおいて設けられていたコモンモードフィルタ１８の代わりに、パラメータ算出手段にて算出された特性のものを、第１基板１０のコモンモードフィルタ１８として置き換える。

なお、上述した各手順においては、通信システム１における各構成のＳパラメータ（Ｓｉｃ，Ｓｃｆ，Ｓｂｄ，Ｓｌｄ）を、各手順の中でその都度算出，実測しているが、これらＳパラメータは、各手順とは無関係にまとめて算出，実測しておくこととしてもよい。
（２−２）特性決定方法その２
続いて、上記特性決定方法とは別の方法について説明する。

まず、通信システム１を、トランシーバＩＣ１２，コモンモードフィルタ１８，配線パターン１６，ハーネス３０，第２基板２０それぞれが４ポートを有するブロックとした構成にモデル化する（図２参照）。

次に、第１基板１０，ハーネス３０および第２基板２０それぞれをＳパラメータでモデル化する（モデル化手順）。このモデル化手順では、まず、上記モデルのトランシーバＩＣ１２を、上記「特性決定方法その１」のときと同様、その等価回路に基づいてＳパラメータ「Ｓｉｃ」を算出する。続いて、コモンモードフィルタ１８のＳパラメータ「Ｓｃｆ」、配線パターン１６のＳパラメータ「Ｓｂｄ」、ハーネス３０と第２基板２０とを結合したブロックのＳパラメータ「Ｓｌｄ」を、それぞれネットワークアナライザにて実測し、その値を得る。こうして、各上述した第１基板１０，ハーネス３０および第２基板２０それぞれがＳパラメータでモデル化されたこととなる。

次に、モデル化手順にてモデル化したＳパラメータ（スタンダードＳパラメータ）それぞれを、ミックスモードＳパラメータに変換する。ここでは、各スタンダードＳパラメータを「Ｓｎｍ」（Ｓｎｍ＿ｉｃ，Ｓｎｍ＿ｃｆ，Ｓｎｍ＿ｂｄ，Ｓｎｍ＿ｌｄ）とし、これを下記の式２−１によって、ミックスモードＳパラメータ「Ｓｍｍ」（Ｓｍｍ＿ｉｃ，Ｓｍｍ＿ｃｆ，Ｓｍｍ＿ｂｄ，Ｓｍｍ＿ｌｄ）それぞれに変換する。

このミックスモードＳパラメータとは、図４（ａ）に示すように、４ポートを有するデバイスについて、それぞれが一組のポートからなるポートＰ１，Ｐ２に対する信号の入出力を、ディファレンシャルモード，コモンモードそれぞれについて別々に表してなるＳパラメータである（図４（ｂ）参照）。

次に、第１基板１０とハーネス３０との間を流れるコモンモード電流ｉＬを、上記のように変換された各構成要素のミックスモードＳパラメータを用いて，さらにＳパラメータを結合することによって，関数Ｆｃｃとして，算出する（電流算出手順）。ここで、コモンモード電流ｉＬは、下記の式２−２のように、コモンモードフィルタのミックスモードＳパラメータＳｍｍのうち、コモンモードでの入出力に関する部分のみのパラメータ（Ｓｍｍｃｃ１１，Ｓｍｍｃｃ１２，Ｓｍｍｃｃ２１，Ｓｍｍｃｃ２２）で示されるＦｃｃとして示される。

ｉＬ＝Ｆｃｃ（Smmcc11,Smcc12, Smmcc21,Smcc22） … （２−２）
次に、電流算出手順にて算出したコモンモード電流が最小となるようなコモンモードフィルタ１８のＳパラメータを算出する（パラメータ算出手順）。ここでは、コモンモードフィルタ１８が無損失のものであることを条件として、上記の式２−２にて算出されるコモンモード電流が最小となるパラメータ（Ｓパラメータ）を算出する。ここで、ミックスモードＳパラメータに関しては、コモンモードフィルタ１８における特性の対称性を考慮すると、下記の式２−３，２−４が成立する。

Ｓｍｍｃｃ１１＝Ｓｍｍｃｃ２２ … （２−３）
Ｓｍｍｃｃ１２＝Ｓｍｍｃｃ２１ … （２−４）
また、ここで、コモンモードフィルタ１８が無損失のものであることを前提にすると、下記の式２−５が成立する。

｜Ｓｍｍｃｃ１１｜＾２＋｜Ｓｍｍｃｃ２１｜＾２＝１ … （２−５）
よって、上記の式２−２，２−３，２−４，２−５に基づき、コモンモード電流Ｆｃｃ（Smmcc11,Smcc12）の絶対値が最小になるパラメータ（Ｓパラメータ）を算出することとすればよい。このＳパラメータをもとめる際には，勾配法等の最適化アルゴリズムを用いて，算出することができる．
そして、パラメータ算出手順にて算出したＳパラメータで特定される特性を、コモンモードフィルタ１８の新たな特性として決定する（特性決定手順）。

こうして特性を決定した後、上記モデルにおいて設けられていたコモンモードフィルタ１８の代わりに、パラメータ算出手段にて算出された特性のものを、第１基板１０のコモンモードフィルタ１８として置き換える
（３）作用，効果
このように構成された第１基板１０のコモンモードフィルタ１８は、上述した特性決定方法によって、その特性が決定されたものである。この方法では、コモンモードフィルタ１８が設けられる第１基板１０を含めた通信システム１全体の中で、そのコモンモードフィルタ１８として望ましい特性，具体的にいうと、コモンモード電流を抑制するのに適した特性を決定している。そのため、この方法により決定した特性を有するコモンモードフィルタ１８を用いれば、このコモンモードフィルタ１８が設けられる伝送線路において、コモンモード電流を充分に抑制することができる。

また、上述した特性決定方法におけるモデル化手順においては、第１基板１０を、データの送信を制御するデータを送信電圧に変換して，伝送線路を駆動するトランシーバＩＣ，そのデータを伝送する配線パターン１６それぞれのＳパラメータを別々に算出してモデル化している。

このような手順とすれば、第１基板１０内におけるトランシーバＩＣ１２と配線パターン１６とについて、それぞれ適切な手法によりＳパラメータを算出できるため、こうして算出したＳパラメータを結合することで、より正確に第１基板１０をモデル化することができる。ここで、受動的な構成である配線パターン１６は、単純な計測によりＳパラメータを特定することができるが、能動的な構成であるトランシーバＩＣ１２については、単純な計測によりＳパラメータを算出することができず、解析的に求める必要がある。よって、上述のように、別々にＳパラメータを算出することは、それぞれ適切なＳパラメータを算出し、正確に第１基板１０をモデル化するのに好適である。
（４）変形例
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、通信システム１の第１基板１０にコモンモードフィルタ１８が設けられた状態をモデル化し、そのコモンモードフィルタ１８の特性として、コモンモード電流を抑制できるような特性を決定するように構成されたものを例示した。しかし、コモンモードフィルタ１８が設けられていない状態をモデル化した状態でコモンモード電流を算出し、これを最小化できるようなコモンモードフィルタ１８の特性を決定するように構成してもよい。この場合、コモンモードフィルタ１８が設けられていないものとして上記各手順を行うものとすればよい。

通信システムの構成を示す斜視図 通信システムをモデル化したブロック図 トランシーバＩＣの等価回路を推定するために用いる負荷回路を示す回路図 ミックスモードＳパラメータを説明するための図

符号の説明

１…通信システム、１０…第１基板、１２…トランシーバＩＣ、１４…コネクタ、１６…配線パターン、１８…コモンモードフィルタ、２０…第２基板、２２…トランシーバＩＣ、２４…コネクタ、２６…配線パターン、３０…ハーネス。

Claims (4)

1. 差動通信を行うための伝送線路である差動伝送線路を介してデータを送受信するノードとして、コモンモードフィルタを有する第１のノードとコモンモードフィルタを有しない第２のノードとが存在する通信システムのうち、前記第１のノード内の伝送線路に設けられるコモンモードフィルタの特性を決定するための特性決定方法であって、 前記第１のノード，前記差動伝送線路および前記第２のノードそれぞれをＳパラメータでモデル化するモデル化手順と、
   該モデル化手順にてモデル化したＳパラメータに基づいて前記差動伝送線路を流れるコモンモード電流を算出する電流算出手順と、
   該電流算出手順にて算出したコモンモード電流が最小となるようなコモンモードフィルタのＳパラメータを算出するパラメータ算出手順と、
   該パラメータ算出手順にて算出したＳパラメータで特定される特性を、コモンモードフィルタの特性として決定する特性決定手順と、からなる
   ことを特徴とする特性決定方法。
2. 前記モデル化手順では、前記第１のノードをＳパラメータでモデル化するにあたり、該第１のノードにおいてデータの送信を制御するデータを送信電圧に変換して伝送線路を駆動するトランシーバＩＣ，および，該トランシーバＩＣにより送信されるデータを伝送する伝送線路それぞれのＳパラメータを算出し、該算出したＳパラメータそれぞれを結合することにより、前記第１のノードのモデル化を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の特性決定方法。
3. 差動通信を行うための伝送線路である差動伝送線路を介してデータを送受信するノードとして、コモンモードフィルタを有する第１のノードとコモンモードフィルタを有しない第２のノードとが存在する通信システムのうち、前記第１のノード内の伝送線路に設けられるコモンモードフィルタであって、
   請求項１または請求項２に記載の特性決定方法により決定された特性を有している
   ことを特徴とするコモンモードフィルタ。
4. 差動通信を行うための伝送線路である差動伝送線路を介してデータを送受信するノードとして、コモンモードフィルタを有する第１のノードとコモンモードフィルタを有しない第２のノードとが存在する通信システムであって、
   前記第１のノードは、該第１のノード内の伝送線路にコモンモードフィルタが設けられており、該コモンモードフィルタとして、請求項１または請求項２に記載の特性決定方法により決定された特性を有するものが用いられている
   ことを特徴とする通信システム。

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