JP6845540B2 - Single layer thin film common mode filter - Google Patents

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Description

本開示は、高周波の差動伝送に用いられるコモンモードフィルタに関する。 The present disclosure relates to a common mode filter used for high frequency differential transmission.

次世代通信規格である5Gでは従来の通信帯域のUHF帯(0.3〜3GHz)に加えてSHF帯(3〜30GHz)あるいはそれ以上の周波数帯が検討され、しかもLTE−Advanced通信規格が適用される可能性がある。つまりキャリアアグリケーションやMIMO(Multi Input Multi Output)技術の導入が検討されている。 In 5G, which is the next-generation communication standard, in addition to the UHF band (0.3 to 3 GHz) of the conventional communication band, the SHF band (3 to 30 GHz) or higher frequency band is examined, and the LTE-Advanced communication standard is applied. May be done. That is, the introduction of carrier aggregation and MIMO (Multi Input Multi Output) technology is being considered.

特にMIMO技術において、上り最大4本、下り最大8本のアンテナが使用される見込みであり、そうなれば各アンテナ毎に無線回路が必要となる。また、国際ローミング対応のためのマルチバンド化の必要もあり、携帯電話等モバイル端末の内部の回路規模は増加の傾向にある。その一方でモバイル端末の更なる小型化、低背化のニーズが依然強く、回路のさらなる小型化、集積化が急務となってきている。 Especially in MIMO technology, it is expected that a maximum of 4 antennas and a maximum of 8 antennas will be used, and if this is the case, a wireless circuit will be required for each antenna. In addition, there is a need for multi-band to support international roaming, and the internal circuit scale of mobile terminals such as mobile phones is on the rise. On the other hand, there is still a strong need for further miniaturization and lower profile of mobile terminals, and there is an urgent need for further miniaturization and integration of circuits.

一方で5G規格ではより高い周波数の信号を扱うため、回路の集積化や小型化に伴い、モバイル端末筐体内部での電磁干渉 (EMI;Electro Magnetic Interference)がより顕在化する。このEMI対策の1つとして差動信号伝送方式が有効である。この差動信号伝送方式は現在USBやHDMI(登録商標)などに用いられており、モバイル通信分野でもディジタル回路、特に液晶ディスプレイとCPU間の伝送線路で主流となっている(非特許文献1)。またディジタル伝送のみならず、アナログ回路でも素子間をつなぐ伝送線路として差動信号伝送方式が用いられることがある。 On the other hand, since the 5G standard handles signals with higher frequencies, electromagnetic interference (EMI) inside the mobile terminal housing becomes more apparent as circuits are integrated and miniaturized. The differential signal transmission method is effective as one of the EMI countermeasures. This differential signal transmission method is currently used for USB, HDMI (registered trademark), etc., and is mainly used in digital circuits, especially transmission lines between liquid crystal displays and CPUs in the mobile communication field (Non-Patent Document 1). .. Further, not only in digital transmission but also in analog circuits, a differential signal transmission method may be used as a transmission line connecting elements.

差動信号伝送方式は2本の伝送線路にそれぞれ逆位相の信号を入力して通信する方式であり、原理的に伝送線路の外部からのノイズ(同相成分)がキャンセルされる。また、伝送線路から放出される電磁界も相殺され、外部へのノイズ放射もないとされる。しかしながら、現実には信号や振幅のずれや差動信号の歪み、信号線路の僅かなばらつきなどによって不平衡成分が発生する。このため2本の伝送線路の信号は完全に逆位相の信号とはならず、いわゆるコモン(同相)モード電流が流れ、これがノイズの発生源となり、周辺の機器や回路に影響を与える。したがって、差動信号伝送方式には、このコモンモードノイズを抑制するコモンモードフィルタが必要不可欠となる。 The differential signal transmission method is a method in which signals having opposite phases are input to each of the two transmission lines for communication, and in principle, noise (in-phase component) from the outside of the transmission line is canceled. In addition, the electromagnetic field emitted from the transmission line is also canceled, and it is said that there is no noise radiation to the outside. However, in reality, unbalanced components occur due to deviations in signals and amplitudes, distortions in differential signals, and slight variations in signal lines. Therefore, the signals of the two transmission lines do not become completely out-of-phase signals, and a so-called common (in-phase) mode current flows, which becomes a source of noise and affects peripheral devices and circuits. Therefore, a common mode filter that suppresses this common mode noise is indispensable for the differential signal transmission method.

現在、実用されているコモンモードフィルタには、コモンモードチョークコイル(以下、CMCと記述)によるチップ部品等が多く使用されている。CMCは磁心に2本の導線を同方向に巻き、磁気結合を利用した電子部品であり、巻線に差動信号の電流が流れる場合とコモンモード電流が流れる場合とで、コア内に発生する磁束の結合が逆に作用し、インピーダンスに大きな差が生じる。そのため、低インピーダンスとなる差動信号の電流はそのまま通過し、高インピーダンスとなるコモンモード電流は抑制され、ノイズの発生を防ぐことができる(非特許文献2)。しかしながら、上記CMCデバイスは薄膜コイル2つを重ねる必要があり、集積化、特に低背化が構造上難しいことが問題であった。 Currently, in the common mode filter that is in practical use, many chip parts and the like using a common mode choke coil (hereinafter referred to as CMC) are used. CMC is an electronic component that uses magnetic coupling by winding two conductors around a magnetic core in the same direction. It occurs in the core when a differential signal current flows through the winding and when a common mode current flows. The coupling of magnetic flux acts in the opposite direction, causing a large difference in impedance. Therefore, the current of the differential signal having low impedance passes as it is, the common mode current having high impedance is suppressed, and the generation of noise can be prevented (Non-Patent Document 2). However, the above-mentioned CMC device requires two thin film coils to be stacked, and there is a problem that integration, particularly low profile, is structurally difficult.

そこで、発明者らは薄膜形成されたインダクタとキャパシタの組み合わせにより、差動(ディファレンシャル)伝送モードおよび同相(コモン)伝送モードで等価回路特性が相違することを利用した薄膜コモンモードフィルタを提案し、1.8〜2.0GHz帯における良好な動作を実証した(特許文献1)。 Therefore, the inventors have proposed a thin film common mode filter that utilizes the difference in equivalent circuit characteristics between the differential (differential) transmission mode and the in-phase (common) transmission mode depending on the combination of the inductor and the capacitor formed in the thin film. Good operation in the 1.8 to 2.0 GHz band was demonstrated (Patent Document 1).

特開2016−144115号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-144115

斎藤 悟;「差動インタフェースのEMC設計」、TDK EMC Technology、 https://product.tdk.com/info/ja/products/emc/guidebook/ index.html(accessed 2016−04−19)Satoru Saito; "EMC Design of Differential Interfaces", TDK EMC Technology, https: // products. tdk. com / info / ja / products / emc / guidebook / index. html (accessed 2016-04-19) 藤城 義和;「Sパラメータによるコモンモードフィルタの解析」、電子情報通信学会、EMCJ2000−60、pp.25−30(Sep.2000)Yoshikazu Fujishiro; "Analysis of Common Mode Filters by S-Parameters", Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, EMCJ2000-60, pp.25-30 (Sep.2000)

しかし従来のコモンモードフィルタがディファレンシャル(差動)モードの減衰3dB以下、コモンモード減衰15dB以上という実用上十分な性能で動作する周波数はおおむねUHF帯までであり、従来の延長線上の構成ではこれよりも1桁高いSHF帯において同等の性能を確保することは非常に困難であった。 However, the frequency at which the conventional common mode filter operates with practically sufficient performance such as differential mode attenuation of 3 dB or less and common mode attenuation of 15 dB or more is generally up to the UHF band, and the conventional extension line configuration is higher than this. However, it was very difficult to secure the same performance in the SHF band, which is an order of magnitude higher.

そこで発明者らは鋭意研究を重ね、その結果、単層薄膜で構成され、SHF帯でも良好に動作し、小型でシンプルな構成のコモンモードフィルタを実現するに至った。 Therefore, the inventors have conducted extensive research, and as a result, they have realized a common mode filter that is composed of a single-layer thin film, operates well even in the SHF band, and has a compact and simple configuration.

本開示の一態様に係る単層薄膜コモンモードフィルタは、基板および上記基板表面上に薄膜の導体群を有し、差動信号入力に対して差動信号を出力する単層薄膜コモンモードフィルタであって、上記導体群は少なくとも、入力側の差動信号間の経路中に第1インダクタ部と、出力側の差動信号間の経路中に第2インダクタ部と、を含み、上記第1インダクタ部と上記第2インダクタ部は、互いに同一形状の非直線形状のストライプ導体線路よりなり、しかもそれぞれ離間した長方形領域に収められ互いに平行に設けられたことを特徴とする。 The single-layer thin film common mode filter according to one aspect of the present disclosure is a single-layer thin film common mode filter having a substrate and a group of thin film conductors on the surface of the substrate and outputting a differential signal to a differential signal input. Therefore, the conductor group includes at least a first inductor portion in the path between the differential signals on the input side and a second inductor portion in the path between the differential signals on the output side, and the first inductor The portion and the second inductor portion are made of non-linear striped conductor lines having the same shape as each other, and are housed in rectangular regions separated from each other and provided in parallel with each other.

上記第1インダクタ部と上記第2インダクタ部はミアンダ形状のストライプ導体線路でもよい。 The first inductor portion and the second inductor portion may be a meander-shaped striped conductor line.

上記導体群はさらに、上記第1インダクタ部の差動入力にそれぞれに設けられた端部と、 上記第2インダクタ部の差動出力にそれぞれに設けられた端部と、上記第1インダクタ部の差動入力の一方の端部とスリットを介して隣接する第1入力端子と、上記第インダクタ部の差動入力の他方の端部とスリットを介して隣接する第2入力端子と、上記第インダクタ部の差動出力の一方の端部とスリットを介して隣接する第1出力端子と、上記第2インダクタ部の差動出力の他方の端部とスリットを介して隣接する第2出力端子とを含んでもよい。 Further, the conductor group includes an end portion provided for each of the differential inputs of the first inductor portion, an end portion provided for each of the differential outputs of the second inductor portion, and the first inductor portion. a first input terminal adjacent to each other via the one end portion and the slit of the differential input, a second input terminal adjacent via the other end portion and the slit of the differential input of the first inductor section, the first a first output terminal adjacent to each other via the one end portion and the slit of the differential output of the second inductor section, the second output terminal adjacent to each other via the other end portion and the slit of the differential output of the second inductor section And may be included.

上記第1インダクタ部とその入力側の端部は第1導体として形成され、上記第2インダクタ部とその出力側の端部は第2導体として形成され、上記第1導体の両側の端部にそれぞれスリットを介して隣接する第1接地端子と、上記第2導体の両側の端部にそれぞれスリットを介して隣接する第2接地端子と、を含んでもよい。 The first inductor portion and its input side end are formed as a first conductor, the second inductor portion and its output side end are formed as a second conductor, and the end portions on both sides of the first conductor are formed. A first grounding terminal adjacent to each other via a slit and a second grounding terminal adjacent to both ends of the second conductor via a slit may be included.

上記基板の表面および上記導体群は誘電体で被覆されてもよい。 The surface of the substrate and the conductor group may be coated with a dielectric material.

上記第1および第2のインダクタ部の線路長は信号波長の10%〜40%であってもよい。 The line lengths of the first and second inductors may be 10% to 40% of the signal wavelength.

上記第1インダクタ部と上記第2インダクタ部は80μm以上離間し、上記ミアンダ形状のストライプ導体線路の幅は5μm〜40μmであってもよい。 The first inductor portion and the second inductor portion may be separated by 80 μm or more, and the width of the meander-shaped striped conductor line may be 5 μm to 40 μm.

上記ミアンダ形状のストライプ導体線路における折り返しの間隔は50μm以上であってもよい。 The folding interval in the meander-shaped striped conductor line may be 50 μm or more.

本開示の一態様によれば、薄膜単層構造でコモンモードフィルタを構成でき、従来技術に対し、大幅な小型化・薄型化になるだけでなく、優れたフィルタ性能が示される。さらに単層で構成されることから、設計が容易になるだけでなく、層間のビアが不要となり、歩留の向上と製造コストの低減が図れる。 According to one aspect of the present disclosure, a common mode filter can be configured with a thin film single-layer structure, and not only is it significantly smaller and thinner than the prior art, but also excellent filter performance is exhibited. Furthermore, since it is composed of a single layer, not only the design is facilitated, but also vias between layers are not required, so that the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced.

本開示の一態様の上面図Top view of one aspect of the present disclosure 本開示の一態様の断面図Sectional view of one aspect of the present disclosure 本開示の一態様の部品図Part diagram of one aspect of the present disclosure 本開示の一態様の等価回路図Equivalent circuit diagram of one aspect of the present disclosure 本開示の一態様の等価回路図(コモンモードの場合)Equivalent circuit diagram of one aspect of the present disclosure (in the case of common mode) 本開示の一実施例の特性図Characteristic diagram of one embodiment of the present disclosure

以下、本開示の一態様に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments according to one aspect of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.

図1に本開示の一態様に係る実施の形態(以下、本実施形態)における単層薄膜コモンモードフィルタの上面図を、図2に断面A−Aの断面図を、図3(a)、(b)、(c)に部品図を示す。 FIG. 1 is a top view of a single-layer thin film common mode filter according to an embodiment of the present disclosure (hereinafter referred to as the present embodiment), FIG. 2 is a sectional view of cross-sections AA, and FIG. 3A, FIG. Parts drawings are shown in (b) and (c).

図1および図2において、1は基板であり、例えばポリイミド樹脂が用いられる。基板1の表面上には例えば銅よりなる薄膜状の導体群が設けられている。上記導体群のうち、13は第1入力端子、14 は第2入力端子であり、ここに差動入力信号が供給される。24は第1出力端子、23は第2出力端子であり、フィルタリング処理をされた信号が差動信号で出力される。 In FIGS. 1 and 2, reference numeral 1 denotes a substrate, and for example, a polyimide resin is used. A group of thin-film conductors made of, for example, copper is provided on the surface of the substrate 1. Of the conductor group, 13 is a first input terminal and 14 is a second input terminal, to which a differential input signal is supplied. 24 first output terminal, 23 is a second output terminal element, signal filtering processing is output in the differential signal.

11は第1導体であり、第1インダクタ部112およびその両側に端部111、113を有する。21は第2導体であり、第2インダクタ部212およびその両側に端部211、213を有する。端部211、213はそれぞれ上記第1導体の端部111、113とスリット101、201を介して隣接している。また、第1導体の端部111、113とそれぞれスリット104、105を介して隣接する第1接地端子15が設けられている。同様に、第2導体の端部211、213にそれぞれスリット204、205を介して隣接する第2接地端子25が設けられている。 Reference numeral 11 denotes a first conductor, which has a first inductor portion 112 and ends 111 and 113 on both sides thereof. Reference numeral 21 denotes a second conductor, which has a second inductor portion 212 and end portions 211 and 213 on both sides thereof. The ends 211 and 213 are adjacent to the ends 111 and 113 of the first conductor via slits 101 and 201, respectively. Further, a first ground terminal 15 adjacent to the ends 111 and 113 of the first conductor via slits 104 and 105, respectively, is provided. Similarly, the end portions 211 and 213 of the second conductor are provided with the adjacent second grounding terminals 25 via the slits 204 and 205, respectively.

また、本実施形態においては、第1導体の一方の端部111がスリット102を介して第1入力端子13と、第2導体の一方の端部211がスリット202を介して第1出力端子24と、それぞれ隣接している。また、第1導体の他方の端部113がスリット103を介して第2入力端子14と、第2導体の他方の端部213がスリット203を介して第2出力端子23と隣接している。 Further, in the present embodiment, one end 111 of the first conductor passes through the slit 102 to the first input terminal 13, and one end 211 of the second conductor passes through the slit 202 to the first output terminal 24. And they are adjacent to each other. Further, the other end 113 of the first conductor is adjacent to the second input terminal 14 via the slit 103, and the other end 213 of the second conductor is adjacent to the second output terminal 23 via the slit 203.

ここで、第1インダクタ部112と第2インダクタ部212は、非直線形状のストライプ導体線路であり、互いに同一の形状をなすものである。 Here, the first inductor portion 112 and the second inductor portion 212 are non-linear striped conductor lines, and have the same shape as each other.

特に本実施形態においては、第1インダクタ部112と第2インダクタ部212は、図1に示されるように、ミアンダ形状をなし、互いに平行に設けられている。 In particular, in the present embodiment, the first inductor portion 112 and the second inductor portion 212 have a meander shape and are provided parallel to each other as shown in FIG.

さらに、本実施形態においては、図2に示されるように、基板1の表面および上記導体群を誘電体2が被覆している。なお、誘電体2は導体間のスリット(105、204、等)にも入り込んでいるとする。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the surface of the substrate 1 and the conductor group are covered with the dielectric 2. It is assumed that the dielectric 2 also enters the slits (105, 204, etc.) between the conductors.

以上のように構成された本実施形態における単層薄膜コモンモードフィルタについて、以下その機能を説明する。 The functions of the single-layer thin film common mode filter according to the present embodiment configured as described above will be described below.

まず、第1インダクタ部112と第2インダクタ部212はそれぞれ自己誘導作用に基づくインダクタンスを生じる。第1および第2のインダクタ部は、それぞれ図3(a)に示されるようなミアンダ形状(もしくは櫛型形状)のストライプ導体線路よりなる。ミアンダ形状の導体線路のインダクタンスは折り返しの回数や折り返し区間の長さ、あるいは隣接するインダクタ部からの干渉などによっても変わるが、大まかには導体線路の全長にほぼ比例してインダクタンスは大きくなる。 First, the first inductor section 112 and the second inductor section 212 generate inductance based on self-induction action, respectively. The first and second inductor portions are each composed of a meander-shaped (or comb-shaped) striped conductor line as shown in FIG. 3 (a). The inductance of the meander-shaped conductor line changes depending on the number of turns, the length of the turn-back section, the interference from the adjacent inductor portion, etc., but the inductance increases roughly in proportion to the total length of the conductor line.

後述の実施例では信号周波数を28GHz(波長10.7mm)とした場合の最適設計における、各インダクタ部の定数は0.64nHであり、これを実現するインダクタ部の導体線路長は2.12mmであった。これは上記信号波長の約20%に相当している。フィルタの仕様にもよるが、本実施形態のようなコモンモードフィルタの場合、各インダクタ部の線路長として信号波長の10%〜40%程度の長さの導線に相当するインダクタの確保が必要と考えられる。 In the examples described later, in the optimum design when the signal frequency is 28 GHz (wavelength 10.7 mm), the constant of each inductor section is 0.64 nH, and the conductor line length of the inductor section that realizes this is 2.12 mm. there were. This corresponds to about 20% of the above signal wavelength. Although it depends on the filter specifications, in the case of a common mode filter as in this embodiment, it is necessary to secure an inductor corresponding to a lead wire having a length of about 10% to 40% of the signal wavelength as the line length of each inductor section. Conceivable.

さらに、同実施例においては9回折り返しのミアンダ形状が用いられ、線路長2.12mmのストライプ状導体を680μm×180μmの領域に収めている。これが、もし直線ストライプ形状のインダクタであれば、少なくとも縦寸は2.12mm以上必要である。横寸については、後述のように他方のインダクタ部と間隔を開けておく必要があり、縦寸を長くした分横寸を短くすることはできない。すなわちミアンダ形状を用いずに同程度のインダクタンスを確保しようとした場合、確実にフィルタ全体の面積は増えることになる。 Further, in the same embodiment, a 9-fold back mianda shape is used, and a striped conductor having a line length of 2.12 mm is contained in a region of 680 μm × 180 μm. If this is a linear striped inductor, at least the vertical dimension needs to be 2.12 mm or more. As for the horizontal dimension, it is necessary to keep a space from the other inductor portion as described later, and the horizontal dimension cannot be shortened by the lengthening of the vertical dimension. That is, if an attempt is made to secure the same degree of inductance without using the meander shape, the area of the entire filter will surely increase.

なお、インダクタを構成するストライプ導体線路はミアンダ形状でなくても非直線形状であれば、ある程度のインダクタンス対面積比を稼ぐことができる。例えば、ミアンダ形状の代わりに鋸歯状もしくはサイン波状であってもよい。またミアンダ形状であっても、図1に示されるミアンダとは直角方向に、すなわちy軸方向に折り返すものであってもよい。さらに、ミアンダの折り返し部分は図1や図3(a)のように直角である必要は無く、円弧状に折り返すものであってもよい。 Even if the striped conductor line constituting the inductor is not a meander shape but a non-linear shape, a certain inductance-to-area ratio can be obtained. For example, instead of the mianda shape, it may be serrated or sine wavy. Further, even if it has a meander shape, it may be folded back in the direction perpendicular to the meander shown in FIG. 1, that is, in the y-axis direction. Further, the folded portion of the mianda does not have to be at a right angle as shown in FIGS. 1 and 3 (a), and may be folded back in an arc shape.

ミアンダの折り返し回数は、多ければ多いほどより長い導線を同一面積中に収納できる。すなわちインダクタンスが稼げる。しかしその反面、折り返しの間隔が狭くなり、寄生容量が無視できなくなる。後述するキャパシタ(20〜40fF)が幅5μmのスリットでできていることを考慮すると、折り返しの間隔はその10倍すなわち50μm以上あるのが望ましい。 The greater the number of folds of Mianda, the longer the wire can be stored in the same area. That is, inductance can be earned. However, on the other hand, the interval between folds becomes narrower, and the parasitic capacitance cannot be ignored. Considering that the capacitor (20 to 40 fF) described later is made of a slit having a width of 5 μm, it is desirable that the folding interval is 10 times that, that is, 50 μm or more.

上記ストライプ導体線路の幅d(図3(a))は抵抗成分が無視できる程度に太い方がよい。ただし、太すぎると隣接の折り返し部分との間の寄生容量が増す。後述の実施例ではd=20μmとしたが、要望仕様に応じて5μmから40μmの範囲で設計するのがよい。 The width d (FIG. 3A) of the striped conductor line should be thick enough that the resistance component can be ignored. However, if it is too thick, the parasitic capacitance between the adjacent folded parts will increase. In the examples described later, d = 20 μm, but it is preferable to design in the range of 5 μm to 40 μm according to the required specifications.

第1インダクタ部112および第2インダクタ部212の間隔はできるだけ詰めたほうが全体のチップ面積は小さくなる。しかし、詰めすぎると両インダクタ部間の相互インダクタンスが無視できなくなる。ミアンダ型コイルでは相互インダクタンスはマイナス値となり、それぞれのインダクタンスを低下させるように作用する。チップ面積とインダクタンスとの兼ね合いで最適な間隔を決める必要がある。 The overall chip area will be smaller if the distance between the first inductor section 112 and the second inductor section 212 is as close as possible. However, if it is packed too much, the mutual inductance between both inductors cannot be ignored. In the meander type coil, the mutual inductance becomes a negative value and acts to reduce each inductance. It is necessary to determine the optimum interval in consideration of the chip area and inductance.

上記相互インダクタンスの影響を極力低減するためには、同一形状の第1インダクタ部112および第2インダクタ部212を互いに平行に配置した方が良い。逆に、両者を互いに左右対称になるように設けた場合、近接した部分と離隔した部分が交互に生じ、近接した部分においては相互インダクタンスがより強く現れる。 In order to reduce the influence of the mutual inductance as much as possible, it is preferable to arrange the first inductor portion 112 and the second inductor portion 212 having the same shape in parallel with each other. On the contrary, when both are provided so as to be symmetrical with each other, adjacent portions and separated portions are alternately generated, and mutual inductance appears stronger in the close portions.

以上のように、同一形状でしかも非直線形状の、特にミアンダ形状の2本のインダクタ部112、212を平行に設けることにより、単層構造で所望のインダクタンスをほぼ最小の面積で実現することができる。 As described above, by providing two inductor portions 112 and 212 having the same shape and a non-linear shape, particularly a meander shape, in parallel, it is possible to realize a desired inductance in a single-layer structure with an almost minimum area. it can.

スリット101、102、103、104、105、201、202、203、204、205はこれらを挟む導体とともにそれぞれキャパシタとして機能する。特にスリット102、103、202、203は容量Cのタイプのキャパシタ(図3(b))を、スリット104、105、204、205は容量Cのタイプのキャパシタ(図3(c))をそれぞれ構成する。スリット101、201は、容量がC/2になるように合わせ込まれている。 The slits 101, 102, 103, 104, 105, 201, 202, 203, 204, 205 function as capacitors together with the conductors sandwiching them. Especially the slit 102,103,202,203 capacity C L type capacitor (FIG. 3 (b)), the slits 104,105,204,205 capacity C R of the type of the capacitor (FIG. 3 (c)) the Each is configured. Slits 101 and 201 are incorporated combined so capacity is C L / 2.

本実施形態においては上記スリットもインダクタ部のような櫛型形状を成すが、キャパシタの容量値はスリットの長さのみならず幅w(図3(b))によっても決定される。よってインダクタ部より設計の自由度は高い。例えば、後述の実施例(20〜40fF)ではw=5μmとしているが、デザインルールが幅wを狭めることを許せば、直線状であっても同一容量を得ることが可能である。 In the present embodiment, the slit also has a comb shape like an inductor portion, but the capacitance value of the capacitor is determined not only by the length of the slit but also by the width w (FIG. 3B). Therefore, the degree of freedom in design is higher than that of the inductor section. For example, in Examples (20 to 40 fF) described later, w = 5 μm, but if the design rule allows the width w to be narrowed, it is possible to obtain the same capacitance even if it is linear.

上記第1、第2のインダクタおよび周辺のキャパシタ群は、図4の等価回路で示されるコモンモードフィルタを構成する。同図中括弧内の数字は第1入力端子13、第2入力端子14、第1出力端子24、第2出力端子23、第1接地端子15、第2接地端子25に対応する回路図上のノードを表す。
The first and second inductors and peripheral capacitors form a common mode filter shown by the equivalent circuit of FIG. The numbers in parentheses in the figure are on the circuit diagram corresponding to the first input terminal 13, the second input terminal 14 , the first output terminal 24 , the second output terminal 23, the first ground terminal 15, and the second ground terminal 25. Represents a node.

さらにコモンモードの場合、図4の等価回路は図5のようにインダクタを略して書き換えることができる。 Further, in the case of the common mode, the equivalent circuit of FIG. 4 can be rewritten by omitting the inductor as shown in FIG.

図4、5で示される等価回路の特性インピーダンスZ、ディファレンシャルモードの透過係数|S21D|、コモンモードの透過係数|S21C|は、以下式(1)〜(3)のように表すことができる。



The characteristic impedance Z 0 of the equivalent circuit shown in FIGS. 4 and 5, the transmission coefficient of the differential mode | S 21D |, and the transmission coefficient of the common mode | S 21C | are expressed by the following equations (1) to (3). Can be done.



以下、本実施形態におけるコモンモードフィルタの実施例について説明する。 Hereinafter, examples of the common mode filter in the present embodiment will be described.

本実施例では、27.9〜28.1GHz(SHF)帯用のコモンモードフィルタの設計例および電磁界解析結果について述べる。まず、設計指針として、特性インピーダンスZ、ディファレンシャルモードの透過係数|S21D|、コモンモードの透過係数|S21C|は下記仕様を満たすものとする。
=50±5Ω ・・・(4)
|S21D|>0.89( −1dB) ・・・(5)
|S21C|≦0.1 (−20dB) ・・・(6)
なお、式(5)、(6)の等価係数はそれぞれ電圧比で表されるものとする。
In this embodiment, a design example of a common mode filter for the 27.9 to 28.1 GHz (SHF) band and an electromagnetic field analysis result will be described. First, as a design guideline, the characteristic impedance Z 0 , the transmission coefficient of the differential mode | S 21D |, and the transmission coefficient of the common mode | S 21C | shall satisfy the following specifications.
Z 0 = 50 ± 5Ω ・ ・ ・ (4)
| S 21D |> 0.89 (-1dB) ... (5)
| S 21C | ≤0.1 (-20 dB) ... (6)
The equivalence coefficients of equations (5) and (6) are represented by voltage ratios, respectively.

実用上は、ディファレンシャルモード減衰3dB以内、コモンモード減衰15dB以上を満たせばよいとされているが、配線の寄生容量や表皮効果などによる誤差が想定され、特に|S21D|は設計値よりも大きくなる傾向にあるため、敢えて厳しめの仕様を設定した。 Practically, it is said that the differential mode attenuation should be within 3 dB and the common mode attenuation should be 15 dB or more. However, errors due to parasitic capacitance of wiring and skin effect are assumed, and in particular, | S 21D | is larger than the design value. Because there is a tendency to become, we dared to set strict specifications.

本実施例においては、まずは適当なパラメータ(L、C、C)を代入して式(1)〜(3)を用いて特性インピーダンスZ0、透過係数|S21D|、透過係数|S21C|を計算し、式(4)〜(6)の条件をすべて満たす複数の候補を絞り込む。次に、これらの候補の中から、|S21D|が最小となるパラメータを選択する。次に選択されたパラメータを電磁界解析ソフトでモデリングし、それらを組み合わせて構造設計したフルデバイスの特性解析を行う。解析結果より透過係数が目標値を満たしているかどうかを判断し、満たしている場合はデバイスの設計を完了とし、満たしていない場合はデバイス構造やパラメータを修正し上記プロセスを繰り返す。なお、電磁界解析には高周波3次元電磁界解析ソフトウェアANSYS−HFSS(登録商標)を用いた。 In the present embodiment, first a suitable parameter (L L, C L, C R) is an expression (1) to the characteristic impedance Z 0 with (3), the transmission coefficient | S 21D |, transmission coefficient | S 21C | is calculated, and a plurality of candidates satisfying all the conditions of the equations (4) to (6) are narrowed down. Next, from these candidates, the parameter that minimizes | S 21D | is selected. Next, the selected parameters are modeled with electromagnetic field analysis software, and the characteristics of the full device whose structure is designed by combining them are analyzed. From the analysis result, it is determined whether or not the transmission coefficient satisfies the target value, and if it is satisfied, the device design is completed. If not, the device structure and parameters are modified and the above process is repeated. The high-frequency three-dimensional electromagnetic field analysis software ANSYS-HFSS (registered trademark) was used for the electromagnetic field analysis.

その結果、上記(4)〜(6)式の条件を満足するパラメータは以下の値に収束した。
= 0.32nH(2L=0.64nH)
= 40fF
= 30fF
As a result, the parameters satisfying the conditions of the above equations (4) to (6) converged to the following values.
L L = 0.32 nH (2 L L = 0.64 nH)
C L = 40fF
C R = 30fF

このときのコモンモードフィルタ上の部品の実寸は以下の通りであった。
x2L=180μm
y2L=680μm
xC= 80μm
yC=205μm
xC=145μm
yC= 65μm
なお、基板1と誘電体2の材質はポリイミドであり、導体群はすべて厚さ5μmの銅よりなる。また、各インダクタ部の線幅dは20μm、スリットの幅wは5μmとしている。
The actual size of the parts on the common mode filter at this time was as follows.
x2L L = 180 μm
y2L L = 680μm
xC L = 80 μm
yC L = 205μm
xC R = 145μm
yC R = 65μm
The material of the substrate 1 and the dielectric 2 is polyimide, and the conductor group is all made of copper having a thickness of 5 μm. Further, the line width d of each inductor portion is 20 μm, and the slit width w is 5 μm.

上記のように設計された本実施例のコモンモードフィルタの周波数特性を図6に示す。図6(b)はディファレンシャルモード透過係数|S21D|とコモンモードの透過係数|S21C|の周波数特性を、同図(a)はディファレンシャルモード透過係数|S21D|の周波数28GHz付近の周波数特性の拡大図を示す。 The frequency characteristics of the common mode filter of this embodiment designed as described above are shown in FIG. FIG. 6B shows the frequency characteristics of the differential mode transmission coefficient | S 21D | and the common mode transmission coefficient | S 21C |, and FIG. 6A shows the frequency characteristics of the differential mode transmission coefficient | S 21D | near a frequency of 28 GHz. An enlarged view of is shown.

図6より明らかなように、周波数28GHz付近においては、ディファレンシャルモードの透過率は−2.1dBと目標仕様(−1dB)よりやや低い。この理由は、ひとつはストライプ導体線路などの導体(銅)の表皮効果による抵抗の増加による誤差と考えられる。しかし、−3dBを上回る結果が得られているので実用上問題ないと考えられる。ここで注目すべきは、コモンモード透過係数が−34dBと、目標(−20dB)よりもさらに14dBも下回る(コモンモードノイズが抑圧される)結果が得られたことである。 As is clear from FIG. 6, in the vicinity of the frequency of 28 GHz, the transmittance in the differential mode is −2.1 dB, which is slightly lower than the target specification (-1 dB). One reason for this is considered to be an error due to an increase in resistance due to the skin effect of conductors (copper) such as striped conductor lines. However, since the result exceeds -3 dB, it is considered that there is no problem in practical use. It should be noted here that the common mode transmission coefficient is −34 dB, which is 14 dB lower than the target (-20 dB) (common mode noise is suppressed).

以上、本実施形態によれば、非直線形状、特にミアンダ形状のインダクタと導体間のスリットよりなるキャパシタを用いることで、小型でシンプルな構成であり、しかもSHF周波数帯でコモンモードノイズを著しく抑圧できる単層構造のコモンモードフィルタを実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, by using a capacitor composed of a non-linear shape, particularly a meander-shaped inductor and a slit between conductors, the configuration is small and simple, and common mode noise is remarkably suppressed in the SHF frequency band. It is possible to realize a common mode filter having a single-layer structure.

なお、本実施形態のコモンモードフィルタにおいては、導体群の材質は銅としたが、これに限らずとも、金やアルミといった他の金属、もしくは薄膜化できる導電性の材料であってもよい。また、基板1および誘電体2をポリアミドとしたが、SHF帯で使用可能なものであれば他の絶縁材料であってもよい。また、本実施形態ではコモンモードフィルタを独立したチップ部品としたが、他の電子回路(例えば高周波発振器、アンプ)等とともにシリコンウェハ上に実装してもよい。また、実施例では中心周波数を28GH付近と想定したが、寄生容量や表皮効果が顕在化しない範囲で全体のサイズを適当に縮小・拡大することにより、対象とする周波数を多少シフトさせることができる。 In the common mode filter of the present embodiment, the material of the conductor group is copper, but the material is not limited to this, and other metals such as gold and aluminum, or a conductive material that can be thinned may be used. Further, although the substrate 1 and the dielectric 2 are made of polyamide, other insulating materials may be used as long as they can be used in the SHF band. Further, although the common mode filter is an independent chip component in the present embodiment, it may be mounted on a silicon wafer together with other electronic circuits (for example, a high frequency oscillator, an amplifier) and the like. Further, in the embodiment, the center frequency is assumed to be around 28 GH, but the target frequency can be slightly shifted by appropriately reducing or enlarging the overall size within the range where the parasitic capacitance and the skin effect do not become apparent. ..

本発明は、SHF帯の周波数を用いる情報機器、特に5G規格の携帯電話やスマートフォンといったモバイル端末の高周波回路に用いることができる。また通信機器に限らず、レーダーなど高周波を扱う電子機器全般に応用することも可能である。 The present invention can be used for high frequency circuits of information devices using frequencies in the SHF band, particularly mobile terminals such as mobile phones and smartphones of 5G standard. It can also be applied not only to communication equipment but also to all electronic equipment that handles high frequencies such as radar.

1 基板
2 誘電体
11 第1導体
112 第1インダクタ部
111、113 導体端部
21 第2導体
212 第2インダクタ部
211、213 導体端部
13 第1入力端子
24 第2入力端子
14 第1出力端子
23 第2出力端子
15 第1接地端子
25 第2接地端子
101〜105 スリット
201〜205 スリット

1 Substrate 2 Dielectric 11 1st conductor 112 1st conductor 111, 113 Conductor end 21 2nd conductor 212 2nd inductor 211, 213 Conductor end 13 1st input terminal 24 2nd input terminal 14 1st output terminal 23 2nd output terminal 15 1st ground terminal 25 2nd ground terminal 101-105 Slit 201-205 Slit

Claims (8)

基板および上記基板表面上に薄膜の導体群を有し、差動信号入力に対して差動信号を出力する単層薄膜コモンモードフィルタであって、
上記導体群は少なくとも、
入力側の差動信号間の経路中に第1インダクタ部と、
出力側の差動信号間の経路中に第2インダクタ部と、を含み、
上記第1インダクタ部と上記第2インダクタ部は、互いに同一形状の非直線形状のストライプ導体線路よりなり、しかもそれぞれ離間した長方形領域に収められ互いに平行に設けられたことを特徴とする単層薄膜コモンモードフィルタ。
A single-layer thin film common mode filter that has a group of thin film conductors on a substrate and the surface of the substrate and outputs a differential signal to a differential signal input.
The conductor group is at least
In the path between the differential signals on the input side , the first inductor and
A second inductor is included in the path between the differential signals on the output side.
The first inductor portion and the second inductor portion are made of non-linear striped conductor lines having the same shape as each other, and are housed in rectangular regions separated from each other and provided in parallel with each other. Common mode filter.
上記第1インダクタ部と上記第2インダクタ部はミアンダ形状のストライプ導体線路よりなることを特徴とする請求項1記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。 The single-layer thin film common mode filter according to claim 1, wherein the first inductor portion and the second inductor portion are formed of a meander-shaped striped conductor line. 上記導体群はさらに、
上記第1インダクタ部の差動入力にそれぞれに設けられた端部と、
上記第2インダクタ部の差動出力にそれぞれに設けられた端部と、
上記第1インダクタ部の差動入力の一方の端部とスリットを介して隣接する第1入力端子と、
上記第インダクタ部の差動入力の他方の端部とスリットを介して隣接する第2入力端子と、
上記第インダクタ部の差動出力の一方の端部とスリットを介して隣接する第1出力端子と、
上記第2インダクタ部の差動出力の他方の端部とスリットを介して隣接する第2出力端子とを含む請求項1乃至請求項2記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。
The above conductor group is further
The ends provided for each of the differential inputs of the first inductor section and
The ends provided for each of the differential outputs of the second inductor section and
The first input terminal adjacent to one end of the differential input of the first inductor section via a slit,
The other end of the differential input of the first inductor section and the second input terminal adjacent to it via a slit,
The first output terminal adjacent to one end of the differential output of the second inductor section via a slit,
The single-layer thin film common mode filter according to claim 1 to 2, wherein the other end of the differential output of the second inductor portion and the second output terminal adjacent to each other via a slit are included.
上記第1インダクタ部とその入力側の端部は第1導体として形成され、
上記第2インダクタ部とその出力側の端部は第2導体として形成され、
上記第1導体の両側の端部にそれぞれスリットを介して隣接する第1接地端子と、
上記第2導体の両側の端部にそれぞれスリットを介して隣接する第2接地端子と、
を含む請求項3記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。
The first inductor portion and the end portion on the input side thereof are formed as the first conductor.
The second inductor portion and its output side end are formed as a second conductor.
The first grounding terminal adjacent to each end of the first conductor via a slit,
A second grounding terminal adjacent to each end of the second conductor via a slit,
3. The single-layer thin film common mode filter according to claim 3.
上記基板の表面および上記導体群は誘電体で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。 The single-layer thin film common mode filter according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface of the substrate and the conductor group are coated with a dielectric material. 上記第1および第2のインダクタンス部の線路長は信号波長の10%〜40%であることを特徴とする請求項1乃至5記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。 The single-layer thin film common mode filter according to claim 1, wherein the line lengths of the first and second inductance portions are 10% to 40% of the signal wavelength. 上記第1インダクタ部と上記第2インダクタ部は80μm以上離間し、上記ミアンダ形状のストライプ導体線路の幅は5μm〜40μmであることを特徴とする請求項2記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。 The single-layer thin film common mode filter according to claim 2, wherein the first inductor portion and the second inductor portion are separated by 80 μm or more, and the width of the meander-shaped striped conductor line is 5 μm to 40 μm. 上記ミアンダ形状のストライプ導体線路における折り返しの間隔は50μm以上であることを特徴とする請求項2記載の単層薄膜コモンモードフィルタ。 The single-layer thin film common mode filter according to claim 2, wherein the folding interval in the meander-shaped striped conductor line is 50 μm or more.
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