JP6385316B2

JP6385316B2 - 伝送装置

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Publication number: JP6385316B2
Application number: JP2015157067A
Authority: JP
Inventors: 幸司澁谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2035-08-07
Also published as: JP2017038133A

Description

本発明は、例えばプリント基板に形成された伝送線路の一部区間にインピーダンス不整合部がある場合に、広い周波数範囲で反射の影響を抑えることのできる伝送装置に関するものである。

プリント基板の配線を用いて高速な信号を伝送する場合、配線の特性インピーダンスが整合していないと、この不整合部において一部の信号が反射し、伝送波形が劣化する要因となる。配線のインピーダンスは、配線電極の断面構造や基板材料により決まる電気パラメータであり、一般的には配線の幅を適切に設計してインピーダンスを管理することにより不整合反射に伴う波形劣化を防止する。

図９に、プリント基板の一般的な配線構成を示す。プリント基板１上の送信回路５と受信回路６の接続を行うにあたり、送信回路５から受信回路６への信号の伝送路である信号線３ａ，３ｂの途中に基板コネクタ２が実装されている。一般に、基板コネクタ２は、プリント基板１の特性インピーダンスとは異なるため、反射に伴う波形劣化が避けられない。

こうした状況を、配線インピーダンスを配線幅で模擬する形で伝送路をモデル化した例を図１０に示す。図１０では、基板コネクタ２のインピーダンスが低い状況を太い配線幅でモデル化し、インピーダンス不整合部２として表している。配線の特性インピーダンスは配線幅の設計で調整することができる一方、使用するコネクタが決まっている場合は、不整合反射の影響が避けられない状況である。こうした状況においても、広い範囲で反射波形による影響を抑制するための伝送路を構成する手法が課題となる。

このような課題に対処するため、プリント基板配線等の一部区間にインピーダンス不整合部がある場合、λ／４変成器をインピーダンス不整合部に付加するといった手法が広く知られており、またλ／４ごとにインピーダンスを変化させる手法が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１３−５１３２７４号公報

しかしながら、λ／４線路を用いた技術では、その長さが四分の一波長となる周波数でしか機能せず、別の周波数では反射が大きくなる場合があり、従って、例えばデジタル伝送といった広帯域に低反射であることが求められる伝送線路では適用が困難であった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、広い周波数範囲で反射の影響を抑えることのできる伝送装置を得ることを目的とする。

この発明に係る伝送装置は、伝送線路内のインピーダンス不整合区間の前段側と後段側にそれぞれ接続され、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ二つの伝送線路と、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ二つの伝送線路にそれぞれ接続され、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ伝送線路の遅延時間に対して、２^ｎ倍（ｎは正の整数）の遅延時間を持ち、かつ、ｎの値が小さいほどインピーダンス不整合区間に近い側に接続された複数の伝送線路とを備え、各伝送線路の特性インピーダンスは、各伝送線路間接続部の反射係数が等しくなるよう設定されたものである。

この発明の伝送装置は、伝送線路内のインピーダンス不整合区間の前段側と後段側に、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ伝送線路と、この伝送線路の遅延時間に対して、２^ｎ倍（ｎは正の整数）の遅延時間を持ち、かつ、ｎの値が小さいほどインピーダンス不整合区間に近い側に接続された複数の伝送線路とを接続し、各伝送線路の特性インピーダンスを、各伝送線路間接続部の反射係数が等しくなるようにしたので、広い周波数範囲で反射の影響を抑えることができる。

この発明の実施の形態１による伝送装置の構成を示す説明図である。この発明の実施の形態１による伝送装置の計算例を示す説明図である。この発明の実施の形態１による伝送装置と従来の構成とのシミュレーション例を示す説明図である。この発明の実施の形態２による伝送装置の構成を示す説明図である。この発明の実施の形態３による伝送装置の構成を示す説明図である。この発明の実施の形態４による伝送装置の構成を示す説明図である。この発明の実施の形態５による伝送装置の構成を示す説明図である。この発明の実施の形態６による伝送装置の構成を示す説明図である。プリント基板の一般的な配線構成を示す説明図である。図９の構成をモデル化した例を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による伝送装置の構成を示す説明図である。
図１は図１０に対応して伝送路をモデル化して示しており、プリント基板１上に送信回路５と受信回路６が設けられ、これらの信号を伝送する信号線３ａ，３ｂの途中にインピーダンス不整合区間であるインピーダンス不整合部２が存在している。実施の形態１では、さらに伝送線路内のインピーダンス不整合部２と、送信回路５の出力端に接続される信号線３ａとの間に、特性インピーダンスの異なる伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３を接続し、また、インピーダンス不整合部２と、受信回路６の入力端に接続される信号線３ｂとの間に、特性インピーダンスの異なる伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３を接続している。また、各伝送線路の遅延時間は、各伝送線路の長さを変えることで、インピーダンス不整合区間に近い側から順に、インピーダンス不整合区間の遅延時間の１倍、２倍、４倍、…、２^ｎ−１倍としている。ここで、ｎは各伝送線路に割り振られた連番であり、インピーダンス不整合区間を０とし、インピーダンス不整合区間に近い側から１，２，３，…となる。

また、各伝送線路の特性インピーダンスは、各伝送線路間の接続部の反射係数が等しくなるように設定されている。具体的には以下の式（１）を満たすように設定されている。

上式（１）において、Ｎはｎの最大数であり、送信回路５の出力インピーダンスまたは受信回路６の入力インピーダンスとインピーダンス不整合部２の状態とに応じて適宜決定する。例えば、プリント基板に実装する際には、改善度と実装性のトレードオフでシミュレーションなどを実施し決定する。このような構成は、配線長が長くなるシステム、例えば、バックプレーンシステムに適用が可能である。図１の場合はＮ＝４であり、ｎ＝４は信号線３ａ，３ｂを示す。Ｚ_ｎはｎ番目の線路の特性インピーダンスである。Ｚ_ＮはＮ番目の線路の特性インピーダンス、すなわち信号線３ａ，３ｂの特性インピーダンスである。Ｚ_０はインピーダンス不整合区間の特性インピーダンスである。なお、両端に相当するＺ_Ｎは、送信回路５の出力インピーダンスまたは受信回路６の入力インピーダンスと整合する値とし、一般的には５０Ωであることが多い。上式（１）からｎ番目の伝送線路の特性インピーダンスＺ_ｎを計算することができる。計算例を図２に示す。図１及び図２に示す例では、伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の特性インピーダンスを、その配線幅を変えることで所望の値としているが、それぞれの伝送線路の誘電体厚で設定してもよく、また、配線幅と誘電体厚の両方の値を変化させて設定してもよい。

実施の形態１の伝送装置では、インピーダンス不整合部２の前段側と後段側の伝送線路の各段でそれぞれ式（１）を満たすことにより、各段の不連続部で生じる反射波の大きさをほぼ同じとすることができる。また、伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の遅延時間を、インピーダンス不整合部２の遅延時間の１倍、２倍、４倍、…、２^ｎ−１倍としているので、各不連続部で生じる反射波の位相が特定の周波数で全てそろうことが無い。また、特定の周波数である二つの反射波が同位相の場合、別の反射波が逆位相で打ち消すような関係となる。具体的に説明すると、Ｚ_２が半波長共振（Ｚ_３−Ｚ_２間不整合による反射と、Ｚ_２−Ｚ_１間不整合による反射が同位相）する周波数で、Ｚ_１がλ／４変成器（Ｚ_２−Ｚ_１間不整合による反射と、Ｚ_１−Ｚ_０間不整合による反射が逆位相）として動作するというように、広い周波数に渡って強い反射が生じない構造になる。

図３に、シミュレーション例を示す．
図中の破線で示す特性が図１０の反射特性、実線が図１の反射特性である。従来の図１０では特定の周波数（２．５ＧＨｚ及び７．５ＧＨｚ）で強い反射が生じているのに対し、実施の形態１の反射特性では広い周波数範囲でそのような強い反射が生じていないことが確認できる。

以上説明したように、実施の形態１の伝送装置によれば、伝送線路内のインピーダンス不整合区間の前段側と後段側にそれぞれ接続され、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ二つの伝送線路と、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ二つの伝送線路にそれぞれ接続され、インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ伝送線路の遅延時間に対して、２^ｎ倍（ｎは正の整数）の遅延時間を持ち、かつ、ｎの値が小さいほどインピーダンス不整合区間に近い側に接続された複数の伝送線路とを備え、各伝送線路の特性インピーダンスは、各伝送線路間接続部の反射係数が等しくなるよう設定されたので、広い周波数に渡って強い反射（多くの反射波が同位相）が生じない構造を得ることができ、広帯域で反射を低減することが要求されるデジタル伝送にも適用することができる。

また、実施の形態１の伝送装置によれば、各伝送線路の特性インピーダンスＺ_ｎは式（１）を満たすようにしたので、各伝送線路間の接続部の反射係数を等しくすることができる。

また、実施の形態１の伝送装置によれば、各伝送線路の特性インピーダンスの設定を、各伝送線路の配線幅で行うようにしたので、容易に各伝送線路の特性インピーダンスの設定を行うことができる。

また、実施の形態１の伝送装置によれば、各伝送線路の特性インピーダンスの設定を、各伝送線路の誘電体厚で行うようにしたので、容易に各伝送線路の特性インピーダンスの設定を行うことができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２の伝送装置の構成を示す説明図である。実施の形態２の伝送装置は、各伝送線路の接続部分を近似曲線の形状とし、これら近似曲線部分の特性インピーダンスを連続的に変化するインピーダンス分布としたものである。
図４において、プリント基板１上に形成された信号線３ａ，３ｂは、実施の形態１と同様である。また、各段の伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の遅延時間と特性インピーダンスは実施の形態１と同様である。すなわち、実施の形態２においても、各段の伝送線路の遅延時間がインピーダンス不整合部２の遅延時間の２^ｎ−１倍となるよう設定され、かつ、各段の伝送線路の特性インピーダンスが式（１）に従うよう構成されている。

一方、実施の形態２のインピーダンス不整合部２から伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３に至る各段の特性インピーダンスが変化する接続部分において、インピーダンス変化を曲線で近似した形状とし、近似曲線部分の伝送インピーダンス分布を連続的に変化させるよう構成している。

以上説明したように、実施の形態２の伝送装置によれば、各伝送線路の接続部分を近似曲線の形状とし、近似曲線部分の特性インピーダンスは連続的に変化するインピーダンス分布であるようにしたので、実施の形態１と同様の効果が得られるのに加え、急峻なインピーダンス変化が無くなるため、製造上の不具合が発生しにくいという効果が得られる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３の伝送装置の構成を示す説明図である。実施の形態３の伝送装置は、各伝送線路の接続部分をテーパ状とし、これらテーパ状部分の特性インピーダンスを連続的に変化するインピーダンス分布としたものである。
図５において、プリント基板１上に形成された信号線３ａ，３ｂは、実施の形態１と同様である。また、各段の伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の遅延時間と特性インピーダンスは実施の形態１と同様である。すなわち、実施の形態３においても、各段の伝送線路の遅延時間がインピーダンス不整合部２の遅延時間の２^ｎ−１倍となるよう設定され、かつ、各段の伝送線路の特性インピーダンスが式（１）に従うよう構成されている。

一方、実施の形態３のインピーダンス不整合部２から伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３に至る各段の特性インピーダンスが変化する接続部分において、配線幅をテーパ状とし、テーパ状部分の伝送インピーダンスを連続的に変化させるよう構成している。

以上説明したように、実施の形態３の伝送装置によれば、各伝送線路の接続部分をテーパ状とし、テーパ状部分の特性インピーダンスは連続的に変化するインピーダンス分布であるようにしたので、実施の形態１と同様の効果が得られるのに加え、急峻なインピーダンス変化が無くなるため、製造上の不具合が発生しにくいという効果が得られる。さらに、テーパ状の構成で接続したため、従来の基板パターン設計ツールによって容易に設計できるという利点が得られる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、シングルエンドの配線で伝送路を構成した例を示したが、伝送路を１対の差動配線により構成してもよく、これを実施の形態４として以下説明する。

図６は、実施の形態４に係る伝送装置の構成を示す説明図である。ここで、インピーダンス不整合部２と、伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３と、信号線３ａ，３ｂとの多段構成における遅延時間及び特性インピーダンスの関係は実施の形態１と同様である。また、実施の形態４における差動線路の特性インピーダンスは、１対のペア配線の配線間隙を変更することにより管理されている。

実施の形態４では、信号線３ａと伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３、信号線３ｂと伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の各段の配線は、特性インピーダンスが式（１）に従うよう構成している。これにより、差動線路においても、各段の接合部にて生じる反射波の大きさが同一となり、広い周波数にわたって反射波を低いレベルに抑制することができる。

なお、本実施の形態では、差動配線の特性インピーダンスの調整手法として、差動配線の配線間隙で管理する手法を示したが、配線幅や誘電体厚を変更する方法を利用できることはいうまでもない。

以上説明したように、実施の形態４の伝送装置によれば、各伝送線路は差動線路であり、各伝送線路の特性インピーダンスは差動インピーダンスであるようにしたので、伝送線路が差動線路である場合に、広い周波数に渡って強い反射（多くの反射波が同位相）が生じない構造を得ることができる。

また、実施の形態４の伝送装置によれば、各伝送線路の特性インピーダンスを差動線路間の間隔で設定するようにしたので、差動線路においても広い周波数に渡って強い反射を防止できる効果を得られる。

実施の形態５．
図７は、実施の形態５に係る伝送装置の構成を示す説明図である。実施の形態５の伝送装置は、インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路の特性インピーダンスを、各伝送線路を介して信号を送出する送信回路の出力インピーダンスと等しくしたものである。
図７において、プリント基板１上に形成された信号線３ａ，３ｂは、インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路であり、実施の形態１と同様に送信回路５の出力インピーダンスまたは受信回路６の入力インピーダンスと整合する値に設定されている。また、各段の伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の遅延時間と特性インピーダンスは実施の形態１と同様である。すなわち、実施の形態５においても、各段の伝送線路は遅延時間がインピーダンス不整合部２の遅延時間の２^ｎ−１倍となるよう設定され、かつ、各段の伝送線路の特性インピーダンスが式（１）に従うよう構成されている。さらに、実施の形態５では、伝送路の一端に接続された、伝送路を駆動する送信回路５の出力インピーダンスは出力抵抗５１により調整されるよう構成されている。

上記の構成において、送信回路５に接続される信号線３ａの特性インピーダンスは、出力抵抗５１の抵抗値と同一となる様に構成されている。これにより、送信回路５の出力インピーダンスと信号線３ａの特性インピーダンスが等しくなり、送信回路５と信号線３ａの接続部において、不整合反射に伴う波形劣化がなくなり、良好な信号伝送が可能となる。

以上説明したように、実施の形態５の伝送装置によれば、インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路の特性インピーダンスを、各伝送線路を介して信号を送出する送信回路の出力インピーダンスと等しくしたので、信号の出力回路と伝送路の接続部において、不整合反射に伴う波形劣化を無くすことができ、良好な信号伝送が可能となる。

実施の形態６．
図８は、実施の形態６に係る伝送装置の構成を示す説明図である。実施の形態６の伝送装置は、インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路の特性インピーダンスを、各伝送線路を介して信号を受信する受信回路の入力インピーダンスと等しくしたものである。
図８において、プリント基板１上に形成された信号線３ａ，３ｂは、インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路であり、実施の形態１と同様に送信回路５の出力インピーダンスまたは受信回路６の入力インピーダンスと整合する値に設定されている。また、各段の伝送線路４ａ１，４ａ２，４ａ３及び伝送線路４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の遅延時間と特性インピーダンスは実施の形態１と同様である。すなわち、実施の形態６においても、各段の伝送線路は遅延時間がインピーダンス不整合部２の遅延時間の２^ｎ−１倍となるよう設定され、かつ、各段の伝送線路の特性インピーダンスが式（１）に従うよう構成されている。さらに、実施の形態６では、伝送路の一端に接続された、伝送路を伝搬した信号を受信する受信回路６の入力インピーダンスは終端抵抗６１により調整されるよう構成されている。

上記の構成において、受信回路６に接続される信号線３ｂの特性インピーダンスは、終端抵抗６１の抵抗値と同一となる様に構成されている。これにより、受信回路６の入力インピーダンスと信号線３ｂの特性インピーダンスが等しくなり、受信回路６と信号線３ｂの接続部において、不整合反射に伴う波形劣化がなくなり、良好な信号伝送が可能となる。

以上説明したように、実施の形態６の伝送装置によれば、インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路の特性インピーダンスを、各伝送線路を介して信号を受信する受信回路の入力インピーダンスと等しくしたので、受信回路と伝送路の接続部において、不整合反射に伴う波形劣化を無くすことができ、良好な信号伝送が可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１プリント基板、２インピーダンス不整合部、３ａ，３ｂ信号線、４ａ１，４ａ２，４ａ３，４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３伝送線路、５送信回路、６受信回路、５１出力抵抗、６１終端抵抗。

Claims

伝送線路内のインピーダンス不整合区間の前段側と後段側にそれぞれ接続され、前記インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ二つの伝送線路と、
前記インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ二つの伝送線路にそれぞれ接続され、当該インピーダンス不整合区間と同じ遅延時間を持つ伝送線路の遅延時間に対して、２^ｎ倍（ｎは正の整数）の遅延時間を持ち、かつ、ｎの値が小さいほど前記インピーダンス不整合区間に近い側に接続された複数の伝送線路とを備え、
前記各伝送線路の特性インピーダンスは、当該各伝送線路間接続部の反射係数が等しくなるよう設定されたことを特徴とする伝送装置。
前記各伝送線路の特性インピーダンスＺ_ｎは、

ただし、Ｎはｎの最大値
を満たすことを特徴とする請求項１記載の伝送装置。
前記各伝送線路の接続部分を近似曲線の形状とし、当該近似曲線部分の特性インピーダンスは連続的に変化するインピーダンス分布であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の伝送装置。
前記各伝送線路の特性インピーダンスの設定を、当該各伝送線路の配線幅で行うことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の伝送装置。
前記各伝送線路の特性インピーダンスの設定を、当該各伝送線路の誘電体厚で行うことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の伝送装置。
前記各伝送線路の接続部分をテーパ状とし、当該テーパ状部分の特性インピーダンスは連続的に変化するインピーダンス分布であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４及び請求項５のうちのいずれか１項記載の伝送装置。
前記各伝送線路は差動線路であり、当該各伝送線路の特性インピーダンスは差動インピーダンスであることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の伝送装置。
前記各伝送線路の特性インピーダンスを前記差動線路間の間隔で設定することを特徴とする請求項７記載の伝送装置。
前記インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路の特性インピーダンスを、前記各伝送線路を介して信号を送出する送信回路の出力インピーダンスと等しくしたことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の伝送装置。
前記インピーダンス不整合区間に最も遠い側に接続された伝送線路の特性インピーダンスを、前記各伝送線路を介して信号を受信する受信回路の出力インピーダンスと等しくしたことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の伝送装置。