TWI587641B - 射頻訊號傳輸結構 - Google Patents

Description

射頻訊號傳輸結構

本發明是有關於一種射頻訊號傳輸結構，且特別是一種具有高傳輸效能之射頻訊號傳輸結構。

隨著傳輸技術的演進，電子設備或元件之間的訊號傳輸已可以高傳輸速率來進行。另一方面，在射頻訊號的傳輸上，射頻訊號產生器與主體設備之間的射頻訊號傳遞通常需透過射頻訊號傳輸器來進行。因此，射頻訊號傳輸器的設計對使用此射頻訊號傳輸器的主體設備之效能具有決定性的影響。

請參照圖1，圖1係繪示習知射頻訊號傳輸結構100的剖面示意圖。射頻訊號傳輸結構100由內而外依序為中心導體110、介電質120和外部導體130，其中介電質120為空氣。然而，在射頻訊號傳輸結構100中，中心導體110與外部導體130之間不具有任何的支撐結構，使得中心導體110容易受到外部作用力的影響而產生形變，導致降低射頻訊號傳輸結構100的傳輸效能。

請參照圖2，圖2係繪示習知另一射頻訊號傳輸結構200的剖面示意圖。射頻訊號傳輸結構200由內而外依序為中心導體210、介電質220和外部導體230，其中介電質220為鐵氟龍材料。相較於圖1之射頻訊號傳輸結構100，圖2之射頻訊號傳輸結構200可固定中心導體210，以避免其產生形變。然而，射頻訊號傳輸結構200用在射頻訊號傳輸上會有較大的插入損失(insertion loss)和特性阻抗(characteristic impedance)變化。

本發明的目的是在於提供一種射頻訊號傳輸結構，相較於習知技術，其至少具有低特性阻抗(characteristic impedance)變化和低插入損失(insertion loss)，故本發明之射頻訊號傳輸結構適合作為射頻訊號產生器與主體設備之間的最佳化特性阻抗匹配。使用本發明之射頻訊號傳輸結構，可增加射頻訊號的傳輸效能且降低功率耗損。

為達上述目的，本發明提出一種射頻訊號傳輸結構。此射頻訊號傳輸結構包含至少一第一結構、至少一第二結構和外部導體。第一結構具有第一中心導體和第一介電質，其中第一中心導體與第一介電質形成第一特性阻抗。第二結構具有第二中心導體和第二介電質，其中第二中心導體與第二介電質形成第二特性阻抗，且第二中心導體鄰接於第一中心導體。外部導體圍繞第一結構和第二結構。第一結構 和第二結構分別具有第一厚度和第二厚度，且第一厚度與第二厚度的比例小於0.2。

依據本發明的一些實施例，上述至少一第一結構為多個第一結構，上述至少一第二結構為多個第二結構，且此些第一結構和此些第二結構沿射頻訊號傳輸結構的長度方向彼此交替排列。

依據本發明的又一些實施例，上述第一中心導體和上述第二中心導體為圓形柱體結構或矩形柱體結構。

依據本發明的又一些實施例，上述外部導體為環形柱體結構或矩形框架柱體結構。

依據本發明的又一些實施例，上述第一中心導體、上述第二中心導體以及上述外部導體為金、銀、銅、鋁、錫、鎳或前述金屬之合金。

依據本發明的又一些實施例，上述第一介電質為陶瓷材料、玻璃纖維材料、碳氫化合物材料、鐵氟龍材料、鐵氟龍玻璃纖維材料、聚醚醚酮材料或鐵氟龍陶瓷材料。

依據本發明的又一些實施例，上述第一介電質的介電常數小於5。

依據本發明的又一些實施例，上述第二介電質為真空或空氣。

依據本發明的又一些實施例，上述第一特性阻抗和上述第二特性阻抗介於10歐姆與250歐姆之間。

依據本發明的又一些實施例，上述第一特性阻抗與上述第二特性阻抗之差距在1歐姆以內。

100、200、300‧‧‧射頻訊號傳輸結構

110、210、312、312A、312B、312C、322、322A、322B、322C‧‧‧中心導體

120、220、314、314A、314B、314C、324、324A、324B、324C‧‧‧介電質

130、230、330、330A、330B、330C‧‧‧外部導體

310、310A、310B、310C‧‧‧第一結構

320、320A、320B、320C‧‧‧第二結構

d1、d2、d3‧‧‧直徑

h1、h2、h3‧‧‧高度

L‧‧‧長度方向

ri1、ri2、ro1、ro2‧‧‧半徑

S‧‧‧區段

t1、t2‧‧‧厚度

w1、w2、w3、w4‧‧‧寬度

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示習知射頻訊號傳輸結構的剖面示意圖；〔圖2〕係繪示習知另一射頻訊號傳輸結構的剖面示意圖；〔圖3〕係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號傳輸結構的剖面示意圖；〔圖4〕係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號傳輸結構之區段的立體結構示意圖；〔圖5A〕係繪示〔圖4〕之第一結構和外部導體的剖面示意圖；〔圖5B〕係繪示〔圖4〕之第二結構和外部導體的剖面示意圖；〔圖6A〕係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號傳輸結構之第一結構和外部導體的剖面示意圖；〔圖6B〕係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號傳輸結構之第二結構和外部導體的剖面示意圖；〔圖7A〕係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號傳輸結構之第一結構和外部導體的剖面示意圖；〔圖7B〕係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號傳輸結構之第二結構和外部導體的剖面示意圖； 〔圖8A〕為本發明實施例與比較例之頻率與插入損失(insertion loss)之關係的示意圖；〔圖8B〕為本發明實施例與比較例之頻率與實部特性阻抗之關係的示意圖；〔圖8C〕為本發明實施例與比較例之頻率與虛部特性阻抗之關係的示意圖；以及〔圖9〕為〔圖3〕之射頻訊號傳輸結構在各個第一結構與第二結構的厚度比例之下頻率與插入損失之關係的示意圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照圖3，圖3係繪示依據本發明一些實施例之射頻訊號連接裝置300的剖面示意圖。射頻訊號連接裝置300包含多個第一結構310、多個第二結構320和外部導體330。在圖3中，此些第一結構310和此些第二結構320沿射頻訊號傳輸結構300的長度方向L彼此交替排列，且外部導體330圍繞第一結構310和第二結構320。外部導體330包含導電材料，其可為例如金、銀、銅、鋁、錫、鎳、前述金屬之合金或類似者。此些第一結構310具有厚度t1，且此些第二結構320具有厚度t2。

第一結構310具有中心導體312和圍繞中心導體312的介電質314。中心導體312包含導電材料，其可為例如金、銀、銅、鋁、錫、鎳、前述金屬之合金或類似者。介電質314的介電常數小於5，且其包含介電材料，其可為例如陶瓷材料、玻璃纖維材料、碳氫化合物材料、鐵氟龍材料、鐵氟龍玻璃纖維材料、聚醚醚酮材料、鐵氟龍陶瓷材料、上述組合或類似者。中心導體312與介電質314形成第一結構310的特性阻抗，且此特性阻抗介於10歐姆與250歐姆之間。

第二結構320具有中心導體322和圍繞中心導體322的介電質324，其中心導體322鄰接於第一結構310的中心導體312，而介電質324鄰接於第一結構310的介電質314。中心導體322包含導電材料，其可為例如金、銀、銅、鋁、錫、鎳、前述金屬之合金或類似者。在一些實施例中，中心導體322的材料與中心導體312的材料相同。介電質324包含介電材料，其可為例如空氣、真空或其他具有相似介電常數的氣體或物體等材料。中心導體322與介電質324形成第二結構320的特性阻抗，且此特性阻抗介於10歐姆與250歐姆之間。在第一結構310的特性阻抗與第二結構320的特性阻抗之差距在1歐姆以內，且第一結構310的厚度t1與第二結構320的厚度t2之比例(t1/t2)小於0.2，使得射頻訊號連接裝置300具有較佳的傳輸功效。

本發明之射頻訊號傳輸結構300可依據不同的需求而具有對應的態樣。在一些實施例中，中心導體312和 中心導體322為圓形柱體結構，而外部導體330為矩形框架柱體結構。請參照圖4，圖4係繪示依據本發明一些實施例之圖3之射頻訊號傳輸結構300之區段S的立體結構示意圖。在圖4中，第一結構310A、第二結構320A和外部導體330A分別對應圖3之第一結構310、第二結構320和外部導體330。如圖4所示，在第一結構310A中，中心導體312A為圓形柱體結構，且介電質314A圍繞中心導體312A，以及在第一結構320A中，中心導體322A為圓形柱體結構，且介電質324A圍繞中心導體322A。

請一併參照圖5A，圖5A係繪示圖4之第一結構310A和外部導體330A的剖面示意圖。如圖5A所示，在第一結構310A中，中心導體312A位於介電質314A的中央處且具有直徑d1，且介電質314A具有高度h1。第一結構310A的特性阻抗Z0_310A如式(1)所示： 其中εr_312A為中心導體312A之介電常數。

請一併參照圖5B，圖5B係繪示圖4之第二結構320A和外部導體330A的剖面示意圖。如圖5A所示，在第二結構320A中，中心導體322A位於介電質324A的中央處且具有直徑d2，且介電質324A具有與介電質314A相同的高度h1。第二結構320A的特性阻抗Z0_320A如式(2)所示：

在一些實施例中，圖3之中心導體312和中心導體322為矩形柱體結構，而外部導體330為矩形框架柱體結構。請參照圖6A和圖6B，圖6A係繪示依據本發明一些實施例之第一結構310B和外部導體330B的剖面示意圖，且圖6B係繪示依據此些實施例之第二結構320B和外部導體330B的剖面示意圖。在圖6A中，第一結構310B和外部導體330B分別對應圖3之第一結構310和外部導體330，且在圖6B中，第二結構320B和外部導體330B分別對應圖3之第二結構320和外部導體330。

如圖6A所示，在第一結構310B中，中心導體312B位於介電質314B的中央處且具有寬度w1和w2，且介電質314B具有高度(2×h2+w2)。第一結構310B的特性阻抗Z0_310B如式(3)所示： 其中εr_312B為中心導體312B之介電常數，且參數D如如式(4)所示：

如圖6B所示，在第二結構320B中，中心導體322B位於介電質324B的中央處且具有寬度w3和w4，且介電質324B具有高度(2×h3+w4)。第二結構320B的特性阻抗Z0_320B如式(5)所示： 其中參數D'如如式(6)所示：

在一些實施例中，圖3之中心導體312和中心導體322為圓形柱體結構，而外部導體330為環形柱體結構。請參照圖7A和圖7B，圖7A係繪示依據本發明一些實施例之第一結構310C和外部導體330C的剖面示意圖，且圖7B係繪示依據此些實施例之第二結構320C和外部導體330C的剖面示意圖。在圖7A中，第一結構310C和外部導體330C分別對應圖3之第一結構310和外部導體330，且在圖7B中，第二結構320C和外部導體330C分別對應圖3之第二結構320和外部導體330。

如圖7A所示，在第一結構310C中，中心導體312C位於介電質314C的中央處且具有半徑ri1，且介電質314C具有內緣半徑ro1。第一結構310C的特性阻抗Z0_310C如式(7)所示： 其中εr_312C為中心導體312C之介電常數。

如圖7B所示，在第二結構320C中，中心導體322C位於介電質324C的中央處且具有半徑ri2，且介電質324C具有內緣半徑ro2。第二結構320C的特性阻抗Z0_320C如式(8)所示：

請參照圖8A至圖8C，圖8A至圖8C分別為本發明實施例與比較例之頻率與插入損失(insertion loss)、頻率與實部特性阻抗和頻率與虛部特性阻抗之關係的示意圖。在圖8A至圖8C中，本發明實施例為如圖3所示之射頻訊號傳輸結構300，比較例1為如圖1所示之射頻訊號傳輸結構100，而比較例2為如圖2所示之射頻訊號傳輸結構200。

由圖8A可知，在各頻率下，實施例與比較例1具有相近的插入損失，且實施例和比較例1的插入損失表現較比較例2為佳。

此外，由圖8B和圖8C可知，在訊號頻率為0至1GHz的範圍中，實施例的實部特性阻抗和虛部特性阻抗的全距(即最大值減去最小值)分別為大約3.2歐姆和大約3.3歐姆，比較例1的實部特性阻抗和虛部特性阻抗的全距(即最大值減去最小值)分別為大約5.2歐姆和大約4.2歐姆，而比較例2的實部特性阻抗和虛部特性阻抗的全距(即最大值減去最小值)分別為4.2歐姆和4歐姆。相較於比較例1和比較例2，實施例具有較小的實部特性阻抗和虛部特性阻抗變化，亦即實施例具有較穩定的特性阻抗。

請參照圖9，圖9為圖3之射頻訊號傳輸結構300在第一結構310的厚度t1與第二結構320的厚度t2之比例(t1/t2)為1.25、0.125、0.0588之下頻率與插入損失之關係的示意圖。由圖9可知，第一結構310的厚度t1與第二結構320的厚度t2之比例(t1/t2)為0.125和0.0588的插入損失相近且較其為1.25的插入損失為低。因此，第一結構 310的厚度t1與第二結構320的厚度t2之比例(t1/t2)小於0.2時確實具有不錯的插入損失表現。

本發明之射頻訊號傳輸結構的特點在於，藉由設計兩段不同的結構，使得射頻訊號傳輸結構的整體特性阻抗可在其操作於不同頻率時維持穩定，藉以減少射頻訊號的傳輸損失，以減少傳輸射頻訊號的功率耗損。將本發明之射頻訊號傳輸結構應用於例如通訊設備、半導體設備、光電設備和醫療設備等電子設備上，可提升此電子設備的傳輸效能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

300‧‧‧射頻訊號傳輸結構

310‧‧‧第一結構

312、322‧‧‧中心導體

314、324‧‧‧介電質

320‧‧‧第二結構

330‧‧‧外部導體

L‧‧‧長度方向

S‧‧‧區段

t1、t2‧‧‧厚度

Claims (10)

1. 一種射頻訊號傳輸結構，包含：至少一第一結構，具有一第一中心導體及一第一介電質，其中該第一中心導體與該第一介電質形成一第一特性阻抗；至少一第二結構，具有一第二中心導體及一第二介電質，其中該第二中心導體與該第二介電質形成一第二特性阻抗，且該第二中心導體鄰接於該第一中心導體；以及一外部導體，圍繞該第一結構和該第二結構；其中，該第一結構和該第二結構分別具有一第一厚度和一第二厚度，且該第一厚度與該第二厚度之比例小於0.2。
2. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該至少一第一結構為複數個第一結構，該至少一第二結構為複數個第二結構，且該些第一結構和該些第二結構沿該射頻訊號傳輸結構之一長度方向彼此交替排列。
3. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第一中心導體和該第二中心導體係圓形柱體結構或矩形柱體結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該外部導體係環形柱體結構或矩形框架柱體結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第一中心導體、該第二中心導體以及該外部導體為金、銀、銅、鋁、錫、鎳或前述金屬之合金。
6. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第一介電質為陶瓷材料、玻璃纖維材料、碳氫化合物材料、鐵氟龍材料、鐵氟龍玻璃纖維材料、聚醚醚酮材料或鐵氟龍陶瓷材料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第一介電質之介電常數小於5。
8. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第二介電質係真空或空氣。
9. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第一特性阻抗和該第二特性阻抗介於10歐姆與250歐姆之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之射頻訊號傳輸結構，其中該第一特性阻抗與該第二特性阻抗之差距在1歐姆以內。