TWI624111B - 運用於微帶線之三線式帶止結構 - Google Patents

運用於微帶線之三線式帶止結構 Download PDF

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陳震宏
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Abstract

本發明係揭露一種運用於微帶線之三線式帶止結構，其包含基板及傳輸線組。傳輸線組包含第一傳輸線、第二傳輸線及第三傳輸線。第一傳輸線一端延伸有第一延伸段。第三傳輸線延伸有第二延伸段。第二傳輸線橫跨銜接第一延伸段與第二延伸段的近中段處。第一傳輸線橫向延伸的末端與第二延伸段頂部的內側具有第一間距。第三傳輸線橫向延伸的末端與第一延伸段底部的內側具有第二間距。第一間距設置第一電路元件；第二間距設置第二電路元件；第一電路元件一端電性連接第一傳輸線之末端，其另端電性連接第二延伸段；第二電路元件一端電性連接第三傳輸線之末端，其另端電性連接第一延伸段，俾能藉由使用濾波結構方式來解決電路中之電磁干擾與電磁相容的問題。

Description

運用於微帶線之三線式帶止結構
本發明係有關一種運用於微帶線之三線式帶止結構，尤指一種可以使用濾波結構的方式來解決電磁干擾與電磁相容(EMI/EMC)問題的帶止結構技術。
由於科技日新月異，使得智慧型穿戴裝置愈來愈越普及，電機設備和電子產品在使用過程中可能產生電磁輻射，以致干擾其他設備之正常運作。再者，現代的電子產品，功能愈來愈強大，操作速度愈來愈快，電子線路也愈來愈密集與複雜，電磁干擾(EMI)和電磁相容(EMC)問題變成電路設計上的主要挑戰，目前解決電磁干擾和電磁相容(EMI/EMC)常見的方法有：在I/O端加上濾波電容、使用濾波器(Filter)、屏蔽法(Shielding)、擴展頻譜法(Spread Spectrum)等，以及透過整合接地、佈線、搭接等層面來防治，惟該等技術仍無法完全解決電磁干擾(EMI)和電磁相容(EMC)問題，因此，如何開發出一套可以有效解決電磁干擾(EMI)和電磁相容(EMC)問題之帶止結構技術，實已成為相關之產學業界所急欲解決與挑戰的技術課題。
依據目前所知，尚未有一種可以有效解決電磁干擾(EMI)和電磁相容(EMC)問題之帶止結構的專利或是論文被提出，而且基於電子產業的迫切需求下，本發明人等乃經不斷的努力研發之下，終於研發出一套有 別於上述文獻之技術概念的本發明。
本發明主要目的，在於提供一種運用於微帶線之三線式帶止結構，主要是使用濾波結構的方式來解決電磁干擾與電磁相容(EMI/EMC)的問題，僅需要兩個電感或電容再利用並聯結構即可做出類似帶拒濾波器的帶止結構，因而具有電路結構非常簡單以及成本低廉等特點。達成上述目的功效採用之技術手段，係包含基板及傳輸線組。傳輸線組包含第一傳輸線、第二傳輸線及第三傳輸線。第一傳輸線一端向外延伸有第一延伸段。第三傳輸線一端向外延伸有第二延伸段。第二傳輸線橫跨銜接第一延伸段與第二延伸段的近中段處。第一傳輸線橫向延伸的末端與第二延伸段頂部的內側具有第一間距。第三傳輸線橫向延伸的末端與第一延伸段底部的內側具有第二間距。第一間距設置第一電路元件；第二間距設置第二電路元件；第一電路元件一端電性連接第一傳輸線之末端，其另端電性連接第二延伸段；第二電路元件一端電性連接第三傳輸線之末端，其另端電性連接第一延伸段。
10‧‧‧基板
20‧‧‧傳輸線組
21‧‧‧第一傳輸線
210‧‧‧第一延伸段
22‧‧‧第二傳輸線
23‧‧‧第三傳輸線
230‧‧‧第二延伸段
30‧‧‧第一間距
40‧‧‧第二間距
50‧‧‧輸入埠
51‧‧‧輸出埠
jx1‧‧‧第一電路元件
jx2‧‧‧第二電路元件
圖1係本發明三線式帶止結構的電路結構示意圖。
圖2係本發明利用公式8計算不同長度與不同頻率所需要的jX值的示意圖。
圖3係本發明jx1與jx2皆為電感性的量測結果示意圖。
圖4係本發明jx1與jx2皆為電感性的電路成型示意圖。
圖5係本發明jx1與jx2皆為電感性的實體電路示意圖。
圖6係本發明jx1與jx2皆為電容性的量測結果示意圖。
圖7係本發明jx1與jx2皆為電容性的電路成型示意圖。
圖8係本發明jx1與jx2皆為電容性的實體電路示意圖。
為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明如后：簡言之，本發明是一種以三條傳輸線並聯的帶止結構電路設計，其中一條之第二傳輸線22直接連結輸入埠50與輸出埠51，另外二條之第一傳輸線21與第三傳輸線23則分別串聯二個電路元件(如電容或電感)以構成帶止特性。利用傳輸矩陣與散射線參數推導分析，再以高頻模擬軟體驗證電路特性的正確性，並用高頻電路分析軟體來模擬電路。為配合現有傳輸線尺寸電路結構以線寬為50歐姆為設計條件，最後以雕刻機實現電路於1.6mm厚度之FR4基板10上，再利用向量網路分析儀量測結果。電路模擬與實際量測結果，在0~4GHz量測頻率範圍內具有一致性。本發明的設計結構如圖1所示，使用電容或電感串連一條傳輸線，再並聯一條傳輸線，且在並聯一條串聯電感或電容的傳輸線，並且在電路設計上以50歐姆線的寬度來進行，使得本電路在應用上或設計上都更加實用便利，本發明只需要兩個電感或電容再利用並聯結構如參考文獻[2]，就可以做出一個類似帶拒濾波器，如參考文獻[3-7]的帶止結構，電路的結構非常的簡單。
請配合參看圖4、5、7及圖8所示，為達成本發明主要目的之基本實施例，係包含一基板10及一覆設於基板10上的傳輸線組20等技術特徵。此傳輸線組20包含一第一傳輸線21、一位於第一傳輸線21下方的第二傳輸線22及一位於第二傳輸線22下方的第三傳輸線23。第一 傳輸線21一端向外延伸有一第一延伸段210，第一延伸段210設有一輸入埠50。第三傳輸線23一端向外延伸有一第二延伸段230，第二延伸段230設有一輸出埠51。第二傳輸線22橫跨銜接第一延伸段210與第二延伸段230的近中段處。第一傳輸線21橫向延伸的末端與第二延伸段230頂部的內側具有一第一間距30；第三傳輸線23橫向延伸的末端與第一延伸段210底部的內側具有一第二間距40；第一間距30設置第一電路元件jx1；第二間距40設置第二電路元件jx2；第一電路元件jx1一端電性連接第一傳輸線21之末端，其另端電性連接該第二延伸段230；第二電路元件jx2一端電性連接第三傳輸線23之末端，其另端電性連接第一延伸段210。
具體來說，如圖4、7所示之第一傳輸線21、第二傳輸線22、第三傳輸線23、第一延伸段210及第二延伸段230皆呈長矩形。第一延伸段210頂緣分別與第一傳輸線21及第二延伸段230的頂緣切齊；第一延伸段210底緣分別與第三傳輸線23及第二延伸段230的底緣切齊。
請配合參看圖4、5所示，為本發明的第一具體實施例，第一電路元件jx1及第二電路元件jx2皆為電感，電感之電感值介於95~105nH之間，電感誤差值在±5% nH，較佳的電感值為100nH。上述第一傳輸線21與第三傳輸線23的長度皆為L1=L3=19.5mm，其各自寬度皆為W1=W2=0.7176mm；該第二傳輸線22的長度L2=20.1mm，其寬度W3=0.7176mm；第一延伸段210與第二延伸段230的長度皆為L4=L5=5.87mm，其各自的寬度皆為W=3.10807mm；第一傳輸線21與第二傳輸線22及第二傳輸線22與第三傳輸之間的距離皆為W5=W6=0.4776mm；第一延伸段210之外側與第二延伸段230之外側的距離L=31.84。第一傳輸線21的阻抗 Z1=100Ω，電氣長度θ1=100.0002°；第二傳輸線22的阻抗Z2=100Ω，電氣長度θ2=102.9845°；第三傳輸線23的阻抗Z3=100Ω，電氣長度θ3=100.0002°。
請配合參看圖7、8所示，為本發明的第二具體實施例，第一電路元件jx1及第二電路元件jx2皆為電容，二個電容之電容值介於0.08~0.12pF之間，二電容值誤差值在±0.1pF，較佳的電容值為0.1pF。第一傳輸線21與第三傳輸線23的長度皆為L1=L3=12.4mm，其寬度各自皆為W1=W2=0.7176mm；第二傳輸線22的長度L2=13.64mm，其寬度W3=0.7176mm；第一延伸段210與第二延伸段230的長度皆為L4=L5=5.87mm，其寬度各自皆為W=3.10807mm；第一傳輸線21與第二傳輸線22及第二傳輸線22與第三傳輸之間的距離皆為W5=W6=0.4776mm；第一延伸段210之外側與第二延伸段230之外側的距離L=25.38。第一傳輸線21的阻抗Z1=100Ω，電氣長度θ1=64°；第二傳輸線22的阻抗Z2=100Ω，電氣長度θ2=70°；第三傳輸線23的阻抗Z3=100Ω，電氣長度θ3=64°。
具體來說，本發明提出之並聯結構由其電氣特性來分析，發現運用電容(C)、電感(L)、傳輸線之電氣長度(θ)與傳輸線阻抗(Z)會使電路在工作頻率點上達到帶拒特性，並且改變電容(C)或電感(L)的大小，可以調整本電路的工作頻率。電路使用高頻模擬軟體進行模擬，再以高頻電路分析軟體模擬軟體設計電路，並利用雕刻機實現電路，再以向量網路分析儀量測電路特性。
本發明電路分析如下所示：傳輸線與電容或電感串接之ABCD參數矩陣如(1)式，傳輸線之ABCD參數 矩陣如(2)式，電容或電感串接的傳輸線之ABCD參數矩陣如(3)式。
將ABCD參數轉換成Y參數，Y1、Y2、Y3合併後就可以得到完整的Y參數如(4)式。
再把Y參數轉成S參數，S11=S22如(5)式、S12=S21如(6)式。
△Y如(7)式。
本發明電路設計如下所示：利用以上述分析之公式來設計帶拒濾波特性結構，帶拒濾波特性結構之條件為|S11|等於1、|S21|等於0。將(6)式等於0，整理後得到(8)式。
工作頻率f=2.45GHz，傳輸線阻抗Z1=100Ω、Z2=100Ω、Z3=100Ω，特性阻抗(Z0)為50Ω埠端，給定傳輸線長度利用θ=β l來計算θ1、θ2、θ3，求出θ1、θ2、θ3後，令θ1=θ3且jx1=jx2就可以算出jx1的值，Z1長度給定1.95cm、Z2長度給定2.01cm，由於θ1=θ3所以Z1的長度=Z3的長度，給定工作頻率和長度後就可以求出θ1=100.0002° θ2=102.9845°，由式(8)求出jx1=1689.398。jx1為正值表示使用的元件為電感，改變Z1、Z2長度為1.25cm、1.36cm，其餘的不變，就可以求出θ1=64°、θ2=70°，由式(8)可以求出jx1=-633.75。jx1若為負值則使用電容。
本發明係針對第一具體實施例所做的實驗例如下所示：圖3顯示以高頻模擬軟體進行特性模擬、以高頻電路分析軟體進行設計電路模擬和實作後實際測量的比較圖。給定的條件為工作頻率f=2.45GHz，傳輸線阻抗Z1=100Ω、Z2=100Ω、Z3=100Ω，傳輸線特性阻抗(Z0)為50Ω，Z1、Z2、Z3的長度分別為1.95cm、2.01cm、1.95cm，θ1=100.0002°、θ2=102.9845°、θ3=100.0002°，jx1=1689.398轉換成電感L=109.74nH，實際上使用100nH的電感，電感誤差值在±5% nH。圖4為電感性的電路成型圖，設計尺寸為：L1=L3=19.5mm,L2=20.1mm,L4=L5=5.87mm,L=31.84W1=W2=W3=0.7176mm,W5=W6=0.4776mm,W7=W8=0.6mm,W=3.10807mm，選用板材為FR4(1.6mm)相對介電系數4.3。再以雕刻機實現電路，如圖5所示。板材使用雙面FR4基板10，介電常數為4.3，厚度為1.6mm。電感值於計算時給定為109.74nH，實際使用100nH的電感誤差值在±5%nH。
本發明係針對第二具體實施例所做的實驗例如下所示：圖6為是jx1與jx2為電容性的量測結果，給定的條件：工作頻率f=2.45GHz，傳輸線阻抗Z1=100Ω、Z2=100Ω、Z3=100Ω，特性阻抗(Z0)為50Ω的Port，Z1、Z2、Z3的長度分別為1.24cm、1.364cm、1.24cm，θ1=64°、θ2=70°、θ3=64°，jX=-633.75轉換成電容C=0.1025pF，實際是使用0.1pF的電容，電容誤差值在±0.1pF。圖7為電容性的電路成型圖，設計尺寸為：L1=L3=12.4mm,L2=13.64mm,L4=L5=5.87mm,L=25.38，W1=W2=W3=0.7176mm,W5=W6=0.4776mm,W7=W8=1.24mm,W=3.10807mm，選用板材為FR4(1.6mm)相對介電系數4.3。以雕刻機實現電路，如圖8所示。板材使用雙面FR4基板10，介電常數為4.3，厚度為1.6mm。電感值於計算時給定為 0.1025pF，實際使用0.1pF電容誤差值在±0.1pF。
經由上述具體實施例說明，本發明確實可以實現三線式的微帶線帶止結構的功能，由本發明敘述可知推導出來的理論值確實符合實際電路的電路特性，於此，即可證明本發明推導的理論與模擬結果的正確性。實際電路經由向量網路分析儀量測後，其數值與模擬頻率響應相近，電路模擬與實際量測結果在0~4GHz量測頻率範圍內具有良好一致性。
以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
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Claims (10)

  1. 一種運用於微帶線之三線式帶止結構，其包含一基板及一覆設於該基板上的傳輸線組；該傳輸線組包含依序由上而下平行排列的一的第一傳輸線、一位於該第一傳輸線下方的第二傳輸線及一位於該第二傳輸線下方的第三傳輸線；該第一傳輸線一端向外延伸有一第一延伸段；該第三傳輸線一端向外延伸有一第二延伸段，該第二傳輸線橫跨銜接該第一延伸段與該第二延伸段的近中段處，該第一傳輸線橫向延伸的末端與該第二延伸段頂部的內側具有一第一間距；該第三傳輸線橫向延伸的末端與該第一延伸段底部的內側具有一第二間距；該第一間距設置一第一電路元件；該第二間距設置一第二電路元件；該第一電路元件一端電性連接該第一傳輸線之末端，其另端電性連接該第二延伸段；該第二電路元件一端電性連接該第三傳輸線之末端，其另端電性連接該第一延伸段。
  2. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一傳輸線、該第二傳輸線、該第三傳輸線、該第一延伸段及該第二延伸段皆呈長矩形；該第一延伸段頂緣分別與該第一傳輸線及該第二延伸段的頂緣切齊；該第一延伸段底緣分別與該第三傳輸線及該第二延伸段的底緣切齊。
  3. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一傳輸線與該第三傳輸線的長度皆為L1=L3=19.5mm，其各自寬度皆為W1=W2=0.7176mm；該第二傳輸線的長度L2=20.1mm，其寬度W3=0.7176mm；該第一延伸段與該第二延伸段的長度皆為L4=L5=5.87mm，其各自的寬度皆為W=3.10807mm；該第一傳輸線與該第二傳輸線及該第二傳輸線與該第三傳輸之間的距離皆為W5=W6=0.4776mm；該第一延伸段之外側與該第二延伸段之外側的距離L=31.84。
  4. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一電路元件及該第二電路元件皆為電感，該電感之電感值介於95~105nH之間，該電感誤差值在±5% nH。
  5. 如請求項4所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該電感值為100nH。
  6. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一傳輸線的阻抗Z1=100Ω，電氣長度θ1=100.0002°；該第二傳輸線的阻抗Z2=100Ω，電氣長度θ2=102.9845°；該第三傳輸線的阻抗Z3=100Ω，電氣長度θ3=100.0002°。
  7. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一傳輸線與該第三傳輸線的長度皆為L1=L3=12.4mm，其寬度各自皆為W1=W2=0.7176mm；該第二傳輸線的長度L2=13.64mm，其寬度W3=0.7176mm；該第一延伸段與該第二延伸段的長度皆為L4=L5=5.87mm，其寬度各自皆為W=3.10807mm；該第一傳輸線與該第二傳輸線及該第二傳輸線與該第三傳輸之間的距離皆為W5=W6=0.4776mm；該第一延伸段之外側與該第二延伸段之外側的距離L=25.38。
  8. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一電路元件及該第二電路元件皆為電容，該電容之電容值介於0.08~0.12pF之間，該電容值誤差值在±0.1pF。
  9. 如請求項8所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該電容值為0.1pF。
  10. 如請求項1所述之運用於微帶線之三線式帶止結構，其中，該第一傳輸線的阻抗Z1=100Ω，電氣長度θ1=64°；該第二傳輸線的阻抗Z2=100Ω，電氣長度θ2=70°；該第三傳輸線的阻抗Z3=100Ω，電氣長度θ3=64°。
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『Asymmetric dual-line coupling structure for multiple-notch implementation in UWB bandpass filters』Electronics Letters Year: 2010, Volume: 46, Issue: 20 Pages: 1388 - 1390 『A microstrip filter based on transversal section of parallel-coupled line with U-shaped slot for wideband and notch response』2016 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO)Year: 2016 Pages: 1 - 4 『A novel bandstop filter design using parallel coupled line resonators』2007 European Microwave Conference Year: 2007 Pages: 878 – 881 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114024107A (zh) * 2021-10-28 2022-02-08 南湖实验室 一种三线耦合双通带微带滤波器
CN114024107B (zh) * 2021-10-28 2022-10-14 南湖实验室 一种三线耦合双通带微带滤波器

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