TWI221237B - Method of detuning resonant frequencies of a power distribution system - Google Patents

Description

1221237 五、發明說明（1) -- 一、【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種功率分配系統。本發明尤其關於， 種藉由重新調整電源/接地平面之布局而調離功率分配系 統之共振頻率之方法。 f ^ 二、【先前技術】 對於更快的資料處理速率之要求，需要更高的操作頻 率，進而限制了由雜訊所造成之時序歪斜（Timing Skew) 之最大可容許值。此外，為了降低高密度布局中之電磁干 擾（Electromagnetic Interference，EMI)與功率銷耗， 以較低的電壓信號為佳。此兩項要求促使功率品質研究之 進行，目標在於如何提供較佳的供應電壓品質以及降低可 能的雜訊來源。然而，功率供給之品質相對上仍屬於未被 採索的技術領域’因為其通常牽涉到更加複雜的系統，稱 為功率分配系統（Power Distribution System ，PDS)。 多層印刷電路板（Multi-layer Printed Circuit Board ’PCB)之PDS通常包含電源平面與接地平面以及交互 連接通孔，因此基本上為電感性。所以，功率供給系統之 阻抗隨著操作頻率增加。高速度與低電壓的信號系統需要 低的目標阻抗。尤其是在高頻領域中，阻抗與供應電壓品 貝彼此相關。通用的解決方式為添加足夠數目的通孔，以 降低系統之電感值。 PDS之另一重要問題係關於共振之影響。如前所述， PDS係由若干個可儲存雜訊電磁能量的共振器之導電平面

第6頁 1221237 五、發明說明（2) ' "~~ " 所組成。倘若設計不當，使操作頻率或其諧波 (Harmonics)，例如533 MHz與其第三諧波“⑽MHz，位於 或接近共振頻率，則供應電壓可能隨著時間變化，造成信 號搞合額外的雜訊。即使穿過平面層而無物理接觸的信 號，例如從頂層至底層的信號通孔，也會從共振器耦^ 一 些雜訊。特別是多個信號同時開關雜訊（Simultane〇us Switching Noise ’ SSN/SS0)，將使EMI 問題更糟糕。在任 一情況中，共振之影響可能不僅導致功率完整性問題並且 造成嚴重的彳§號完整性問題。因而，在設計階段時即應 入共振影響分析。 ^ 若干解決方式已經提出。最常用的解決方式是添加去 麵合/旁通電容於適當位置，以提供等效的短路迴路並吸 收高頻雜訊。然而，去耦合電容之施加受到引線之等效的 串聯電感（ESL)所限制，使得電容於高頻領域中變成電感 性。再者，在若干緻密的基板布局中，無足夠空間容納此 等額外的電容。 另一解決方式為降低共振系統之品質因子。此可藉由 兩種方式元成。第一種方式為藉由採用損失性介電材料來 增加損失。然而，最常用的介電材料為環氧樹脂纖維玻璃 (Epoxy-Resin-Fiber Glass，FR4)，其於 1 GHz 時具有 0.02的損失切線（Loss Tangent)，但仍不夠提供足夠的損 失。因而，必須開發新的材料。另一方法為添加若干損失 性材料於電路板邊緣，稱為電阻性終端。此方法可於高頻 領域中有效地使從邊緣不連續而來的反射與輻射最小化，

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五、發明說明（3) 因缺乏適當的吸收材料所以無法提供寬頻帶吸收。 二、【發明内容】 源本發明之-目的在於提供-種使電 法。〜基礎…振頻率調離操作頻率與其揩波方 ^發明之另一 a的在於提供一 案〃法，促進最佳的整形位 而從頻率1f:商業上可得的模擬軟體與電性量測 與矩形微帶層㈣之共振影響。對於圓形 =調:發明應用至更實際的布局以展示出達成有意義的 ，據本發明之一態樣’一種共振頻率之調離方法 ϊ度：佈brr，平面之一共振模式之-電場之- 而確定該電源/ i=ί步驟a)所獲得的電場之該強度分佈 強声八德+ 、平面之至少一區域，使得該電場之該 二刀之一相對高的強度係位於該至少一區域中，x 及c)重新調整該至少一區域。 L t中以 Ϊ源/接地平面之該共振模式之該電場之該強度分 步驟所確定：a…頻率領域中對於二； 源/接地平面之-位置測量—反射係數& ;b)㈣下列方 ;以及C)重複該 程式計算該電場/之—強度：

1221237 五、發明說明（4) 步驟a)與b)遍及該電源/接 度分佈。 後也十面，以建構該電場之該強 依據本發明之方法有效地降 且應該併人電路設叶之老舍^ T之電源/接地雜訊 幾何形狀，！:處 了應用至更稷雜的電源/接地布局。 四、【實施方式】 下文中之說明與附圖將使本發明之前述盥A他目的 特徵、與優點更明顯。 ^义”具他目的、 Γ: ί:，細說明依據本發明之較佳實施例。 在夕層PCB中’相較於電源/接地平面 t , ^ 地千面之法線方向上的分量為固定且在垂直於接 分量係由電源/接地平面之邊界條件所決定（亦即，^模 在多層PCB應用中，電源/接地平面形狀一般上 改。因而’從各種布局中粹取其普遍性f是有價值的/ 了使本發明及其效果更容易被瞭解，將預先分說 明兩種最簡單的平面型微帶共振器，亦即圓形微帶：；； 與矩形微帶共振器，用以作為概念上的闡述。束八振 圖1A至ID顯示圓形微帶共振器之首先四個共振模 電场分佈輪廓。具體言之，圖U至1]}分別顯示四個模式以 110、TM21Q、TMG1G、與TM31G之位於圓形微帶共振器之中間平面 1221237 五、發明說明（5) ^ ^ ^ i :輪廓。圖1A至11}所示的電場分佈輪廓係從依據 tmI的數學方程式分析或者使用商業上可得的軟體 (在此你丨中坐獲、得。此共振器之粗略分析可藉由將外邊界 决声揀而每'徑為2〇 miD)當作完美的開路電路邊界（磁壁） 雷P $难灵現。共振器中之電場將不會取決於Z座標，且 電场之唯一分量為軸向場分量Ez。 既然沿著2方向的電場分量固定，故查看共振器 m不會喪失一般性。場圖案看起來像是圓形波導中之 二^之-模式，電場 ^壬热 π還界條件而使其最大值靠近圓盤之邊緣。 另一重要的事實為在同一結構中共同存在有簡併模 (Degenerate Mode)，且右相因的i曰園安/ 、 〇aey具有相同的场圖案但不同的極化。 ，例而s ’圖1A所*的模式TM"0具有二個簡併模式，支中 母-：之方位角彼此相差9〇度’且_所示的碼1。也具 方位角相差45度之二個簡併模式。為了祛度— 僅顯示相關的極化模式 式為了使展不清晰起見， 圖2Α至2D顯示長寬比為2之矩形微帶共振器之首 個共振模式之電場分佈輪廓。具體言之，圖至2d四 示於矩形微帶共振器之中間平面處計算 刀〜顯 ΤΜ, 與ΤΜ 圖2Α至2D所示的電場分佈 從依據電磁學理論的數學方程式之分析解或者使用μ 可得的軟體之數值模擬所獲得。如同圓形微帶共振写了 大場強度約略位於共振器之邊緣/角落。 " ’最 110 、ΤΜ ；ΤΜ 、的百先四個模式ΤΜ 應注意圖1Α至1D與圖2Α至2D所示的電場輪廓係從不需

第10頁 1221237 五、發明說明（6) 種藉由 〇 ，當測 糸統。 探測。 連接至 本效 面上， 成具有 電場分 了檢視 電性量測之數學方法所獲得。依據本發明， 外界探針進行電性量測而重新建構電抚仏一 品質因子係關聯於共振系統的獨特之：： 係r避免地會擾心: 里U因:之吊用方式係藉著最小輪合對立 但在此處之應用中，使用仔細校對探針尖ς 電源針部與最靠近的接地針部將更有效率且 益。以此方式，探針與共振器強烈地耦人。二 耦合影響將使共振頻率輕微偏離且造成二質因 位置相關性，但在另，方面上’其也提供一種探測 佈之手段。從測量的觀點來看，耦合量之變化供 共振場強度分佈之手段。 圖3A顯示在圓形微帶共振器之不同位置處所測得的反 射係數S„與掃描頻率之圖，而圖3B顯示在矩形微帶共振器 之不同位置處所測得的反射係數Su與掃描頻率之圖。如前 所述，對於圓形與矩形共振器兩者而言，反應曲線皆具有 位置相關性。當耦合度愈高，愈多的能量注入共振器，因 而反射將變得甚小。此意謂倘若探測共振器之場最大值 時，則會獲得最小的反射。相反地，倘若探測共振器之場 最小值時，則測量信號無法被|禺合入共振器中，導致高反 射或者甚至全反射。基於下列方程式， f (^7)00 ^/1 - (x7y)

1221237 五、發明說明（7) 此處f為電場強度且Su為反射係數，兩者皆為 (X y)之函數，可確定電場之相對強度之分佈。置 A顯示圓形微帶共振器之基諧模式 ;，而_顯示矩形微帶共振器之基諸模# = 度。如圖4A與4B所示，實線代表如㈣與以所干1场強 异結果’而點線代表依據本發明經置二=十 器之電性量測與重新建構的結果。 種位置探测共振 顯示依據本發明之pDS共振頻率之調離方法 ^ ^ =5，依據本發明之共振頻率之調離方法包二.私 佈! y、基於從步驟⑷所獲\的電V之二強度二 源/接地平面之至少一區域，使二電強= = 相對高的強度係位於該至少-區域中(； 至11，依調整該至少一區域(步驟5°3)。參照圖6 _、 = # &月之共振頻率之調離方法分別應用至一圓

形、一矩形、以及一Y形微帶共振器。 W ::文關聯於圖1A 與2“2D之說明所述，由於特 ，所以圓形與矩形微帶共振器之電場圖案之 ^ a 土上位於邊緣。因此，重新調整關聯於場最大 值之區域將改變共振頻率。 圖6A顯示依據本發明之圓形微帶共振器之重新調整方 ^，不意圖’而圖6B顯示圓形微帶共振器之重新調整對於 八辰頻率之影^首先二個軸向模式^線代表了‘與丁^

第12頁 1221237 五、發明說明(8) 模式）及其簡併模式（虛線代表ΤΜ*110與ΤΜ*210模式）顯示於圖 6B中无ΤΜιιο模式中之相對高的強度位於重新調整區域 △ r中4圖1A所，故依據本發明重新調整圓形微帶妓 ΪϊΐΪΪ修改變電場分佈之邊界條件，導致共振頻率之 ΐ楛V如圖6Β所示，在切割比率△r/r。為1 〇%之條件 了约併匕^1之\振頻率增加大約10%。附帶一提，有趣的 7 t ί ί /110 f上不受圖6A之重新調整方法所修 Ϊ塑對高的強度集中於相反極化處進而幾乎不受 TM11D基譜模式共振頻率之：有新調整方法時’ i有故提古ί且一般上為功率品質之最大潛在危害 HI 7Α = -11° 之共振頻率對於系統而言最有益處。 法之i 不依據本發明之矩形微帶共振器之重新調整方 圖，巾圖7B顯示矩形微帶共振器之重 對 :中，如圖2α所示，故依據本發明重新調整i 變電場分佈之邊界條件，導致共 頻率ίΪΪ: 圖7B所示，TM1。。基諧模式之共振 》矩形微帶共振器之長度[。相反地，此矩 響寬叉對㈣1。。基譜模式之共振頻率無任何影 如圖H既然其電場分佈僅取決於寬度W方向， 持認！：後”割比率AL/L°如何其共振頻率皆维 。不像圓形微帶共振器之例子， Π …並無簡併模式。幸運地，在實際的母板2:板；ΐ 第13頁 ^1237 五'發明說明（9) 中’電源/接地平面比較傻拓 新調整方法容易達成益二矩二因…據本發明之重 更複雜的多邊形，巾非簡單幾電：/接地：面之形狀通常為 整方法可應用來調離任=二據本發明之重新調 咖應用中之電源也；：：平二圖，；常用作為在多層 共振器之尺寸係藉由二：：；：分。在圖8中，γ形微帶 雜ώ蚀爾亦誓\ /准座軚系統以mm的單位來表示。 振器得的軟體之數值模擬，γ形微帶共 夂昭圖9A且古Γ fi辰模式之電場圖案顯示於圖9A與⑽中。 位；r/rGHz的最低共振頻率之基諧模式之 處稱為功率走廊)處，且於二個翅部 處具有相位冋步的場鐵各。姑t Am 2 347 莖^ 參照圖“，共振頻率為 2. 347 GHz的第一馬階模式具有相位完全相反的場 -個翅部4 ’導致電場於中心桿處消除。在下二個圖示' 將更進一步地探索此等獨特的場圖案。 ° 圖1 〇顯示藉由沿著中心線探測若干不同 構的圖8之Y形微帶共振器之基諧模式之 圖9A之數值模擬的場圖案，此圖示達成相當於 既然基谐模^之二個翅部的場變化相等，故圖^中僅顯干 ::2部Γ:強糸。當探測共振系統時，#可避免地會加 以干擾。】：，圖10之測量得的場圖案輕微不同於圖以之 模擬的％圖案。雖然有此缺點，但依據本發明之重 場圖案之方法提供了用以確定場最大值之足夠精確度，並

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第14頁 1221237 五、發明說明（10) - 且允許與測量結果直接比較。 曰既然Y形微帶共振器之基諧模式具有場最大區域於中 心桿之末端’如圖9 A與1 〇所示，故重新調整中心桿之末端 造成共振頻率之有意義的修改。圖丨丨顯示共振頻率對於圖 8之Y形微帶共振器之重新調整長度[之變化。當重新調整 長度L·為4 mm時，基諧模式之共振頻率從丨· 632 GHz提高至 1· 8 26 GHz。相反地，圖9B所示的第一高階模式之場圖案 建議其共振頻率將無關乎重新調整長度L，此已在圖^中 獲得進一步的驗證。 雖然本發明業已藉由較佳實施例作為例示加以說明， 應了解者為：本發明不限於此被揭露的實施例。相反地， 本發明思欲涵盍對於热習此項技藝之人士而言係明顯的各 種修改與相似配置。因此’申請專利範圍之範圍應根據最 廣的證釋，以包容所有此類修改與相似配置。

第15頁 1221237 圖式簡單說明 五、【圖示之簡單說明】 圖^至1D顯示圓形微帶共振器之首先四 電場分佈輪廓之圖； U，、振模式之 至⑼顯示矩形微帶共振器之首先四個it振> 電場分佈輪廓之圖； U，、振模式之 射係：AC形微帶共振器之不同位置處所測得的反 之不同心置2頻！之圖，而圖36顯示在矩形微帶共振器 处所測得的反射係數su與掃描頻率之圖· 度圓形微帶共振11之基諸模式之相對電場強 度；β 、、、不矩形微帶共振器之基諧模式之相對電場強 圖；圖5顯示依據本發明之pDS共振頻率之調離方法之流程 圖=顯不依據本發明之圓形微帶共振器之重新調整方 示〜、圖而圖6 B顯示圓形微帶共振器之重新調整對於 共振頻率之影響； ' 、、圖=顯示依據本發明之矩形微帶共振器之重新調整方 之不思圖，而圖7B顯示矩形微帶共振器之重新調整對於 共振頻率之影響； 、 圖8顯示Y形微帶共振器之平面圖； 圖9A與9B圖顯示圖8 形微帶共振器之首先二個共振 模式之電場分佈輪廓； 圖1 0顯不藉由沿著中心線探測若干不同位置而重新建 構的圖8之Y形微帶共振器之基諧模式之電場強度；以及

第16頁 1221237 圖式簡單說明 圖11顯示共振頻率對於圖8之Y形微帶共振器之重新調 整長度L之變化。 第17頁 III··

Claims (1)

1221237 六、申請專利範圍 1 · 一種共振頻率之網離古、土 ^ -電源/接地平面ΐ調；二使用於-功率分配系統之 美 中該方法包含下列步驟·· /接地*平面:至、丨模式之—電場之一強度分佈而確定該電源 一相對古的〜強^少—區域’使得該電場之該強度分佈中之 係位於該至少-區域中，以及 重新调整该至少一區域。 之調離方法，更包 2·如申請專利範圍第丨項之共振頻 含： 料亥電源/接地平面之該至少一區域之前，確定 讀共振核式之該電場之該強度分佈。 3 · 士*申明專利範圍第2項之共振頻率之調離方法，豆中古亥 電場之該強⑨分佈係、•由依據電石兹學理論k 數子方程式分析或使用商業上可得的軟體之數值模擬所 定0 4 ·如申请專利範圍第2項之共振頻率之調離方法，其中兮 共振模式之該電場之該強度分佈係藉由下列步驟所確定二 a) 在一頻率領域中對於該電源/接地平面之一位置 量一反射係數Si i ; b) 依據下列方程式計算該電場/之一強度·· /ccjl 一硌;以及

1221237 六、申請專利範圍 c) 重複該步驟a)與b)遍及該電源/接地平面，以建構 該電場之該強度分佈。 5 ·如申請專利範圍第1項之共振頻專之調離方法，其中該 至少一區域係藉由減低該至少一區域之尺寸而重新調整。 6. 如申請專利範圍第1項之共振頻率之調離方法，其中該 共振模式之該頻率係調離至一相對高的頻率。 7. 如申請專利範圍第1項之共振頻率之調離方法，其中該 共振模式係一基諧模式。 8. 如申請專利範圍第1項之共振頻率之調離方法，其中該 電源/接地平面之一部分係一圓形微帶。 9. 如申請專利範圍第1項之共振頻率之調離方法，其中該 電源/接地平面之一部分係一矩形微帶。 10. 如申請專利範圍第9項之共振頻率之調離方法，其中 重新調整該至少一區域之該步驟係藉由縮短該矩形微帶之 長度而實現。 11. 如申請專利範圍第1項之共振頻率之調離方法，其中 該電源/接地平面之一部分係一 Y形微帶，該Y形微帶具有

第19頁 1221237 六、申請專利範圍 一中心桿與連接至該中心桿之一端的二翅部。 12.如申請專利範圍第1 1項之共振頻率之調離方法，其中 重新調整該至少一區域之該步驟係藉由從該Y形微帶之該 <中心桿之另一端縮短該中心桿之長度而實現。

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