TWI648950B - Differential filter microstrip line structure capable of suppressing common mode signals - Google Patents

Differential filter microstrip line structure capable of suppressing common mode signals Download PDF

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Abstract

一種可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構，包含第一相移器、第二相移器與共模信號抑制元件，第一相移器包含兩個饋入單元，第二相移器與第一相移器相對設置且包含兩個輸出單元，共模信號抑制元件包含四個線段與一中間區段，中間區段位於兩饋入單元及兩輸出單元之分布區域的中央，第一線段連接在一饋入單元與中間區段之間，第二線段連接在另一饋入單元與中間區段之間，第三線段連接在一輸出單元與中間區段之間，第四線段連接在另一輸出單元與中間區段之間；本創作係透過共模信號抑制元件進行共模信號的抑制。

Description

可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構
本創作係有關一種濾波器的微帶線結構，特別是指可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構。
因為差分傳輸(differential transmission)對環境雜訊具有高抗干擾特性，例如低電磁干擾(EMI)和低串擾(crosstalk)的優點，故差分傳輸技術已成為高速數位信號系統的一組成部分。
在理想的平衡結構情況下，數位信號系統應只存在差模信號。但基於電路佈局考量、設計規則限制或製造誤差等因素，導致不可避免的不平衡結構，從而引起共模信號(common-mode noise)，共模信號為一種雜訊而會引起電磁干擾或射頻干擾等問題，故有抑制共模信號的需求。
有鑒於此，本創作之主要目的是提供一種可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構，可應用於數位信號系統或無線通訊系統以提供抑制共模信號的功效。
本創作可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構形成於一基板且包含： 一第一相移器，包含沿著一第一軸向並列設置的兩個饋入單元； 一第二相移器，與該第一相移器分離設置且包含沿著該第一軸向並列設置的兩個輸出單元，其中該兩輸出單元係沿著一第二軸向分別相對於該兩饋入單元，該第一軸向垂直該第二軸向；以及 一共模信號抑制元件，包含： 一中間區段，位於該兩饋入單元及該兩輸出單元之分布區域的中央； 一第一線段，連接在其中之一饋入單元與該中間區段之間； 一第二線段，連接在另一饋入單元與該中間區段之間； 一第三線段，連接在其中之一輸出單元與該中間區段之間；及 一第四線段，連接在另一輸出單元與該中間區段之間。
根據本創作微帶線結構，對該共模信號抑制元件進行奇模激勵分析及偶模激勵分析，被建模為偶模激勵的同相信號可通過該共模信號抑制元件而前進到該第二相移器，並在該第二相移器被被轉換回差模信號後輸出；惟被建模為奇模激勵的異相信號在進入該第二相移器之前就被阻擋，故無法通過該第二相移器，藉此達到抑制共模信號的功效。
參考圖1，本創作差分濾波器微帶線結構的實施例可形成於一基板(圖中未示)的表面，所述微帶線結構為具導電性的複數金屬層(例如銅層)所形成的結構，以實施差分濾波及抑制共模信號的功能。本創作的實施例包含一第一相移器10、一第二相移器20以及一共模信號抑制元件30。
該第一相移器10包含沿著一第一軸向並列設置的兩個饋入單元11，該第二相移器20與該第一相移器10分離設置且包含沿著該第一軸向並列設置的兩個輸出單元21，其中該兩輸出單元21係沿著一第二軸向分別相對於該兩饋入單元11，以分別位在該兩饋入單元11的一側，該第一軸向垂直該第二軸向，如圖1所示，該第一軸向可為Y軸向，該第二軸向可為X軸向。該共模信號抑制元件30可略為「X」的形狀構造包含一第一線段31、一第二線段32、一第三線段33、一第四線段34與一中間區段35，該中間區段35位於該兩饋入單元11及該兩輸出單元21之分布區域的中央，該第一線段31連接在其中之一饋入單元11與該中間區段35之間，該第二線段32連接在另一饋入單元11與該中間區段35之間，該第三線段33連接在其中之一輸出單元21與該中間區段35之間，該第四線段34連接在另一輸出單元21與該中間區段35之間。
本創作實施例中，該第一相移器10可為180°相移器，如圖1所示，該第一相移器10的該兩饋入單元11可具有相同的結構，各該饋入單元11包含一第一微帶線段111、一第二微帶線段112與一開路環型共振器(Open-Loop Ring Resonator, OLRR)113。該第一微帶線段111可為一均勻的直線段，其沿著該第一軸向延伸並於端部設有一輸入接點114；該第二微帶線段112可為另一均勻的直線段，其沿著該第二軸向與該第一微帶線段111相對設置且沿著該第一軸向延伸；該開路環型共振器113位在該第一微帶線段111與該第二微帶線段112之間，包含沿著第二軸向相對設置的一C型部115與一反C型部116，且該C型部115的開口117位置相鄰於該反C型部116的開口118位置。該共模信號抑制元件30的該第一線段31連接在所述其中之一饋入單元11的第二微帶線段112與該中間區段35之間，而該第二線段32連接在所述另一饋入單元11的第二微帶線段112與該中間區段35之間。
本創作實施例中，該第二相移器20亦可為180°相移器，如圖1所示，該第二相移器20的該兩輸出單元21可具有相同的結構，各該輸出單元21包含一第一微帶線段211、一第二微帶線段212與一開路環型共振器213。該第一微帶線段211可為一均勻的直線段，其沿著該第一軸向延伸；該第二微帶線段212可為另一均勻的直線段，其沿著該第二軸向與該第一微帶線段211相對設置且沿著該第一軸向延伸，並於端部設有一輸出接點214；該開路環型共振器213位在該第一微帶線段211與該第二微帶線段212之間，包含沿著第二軸向相對設置的一C型部215與一反C型部216，且該C型部215的開口217位置相鄰於該反C型部216的開口218位置。該共模信號抑制元件30的該第三線段33連接在所述其中之一輸出單元21的第一微帶線段211與該中間區段35之間，而該第四線段34連接在所述另一輸出單元21的第一微帶線段211與該中間區段35之間。
透過調整各C型部115、215的長度、各反C型部116、216的長度及該共模信號抑制元件30之各線段31~34的長度，可用以調整諧振頻率。
當從該第一相移器10以0°饋入技術(即：信號傳輸方向是饋入單元11傳送到斜向相對的輸出單元21)和非0°饋入技術(即：信號傳輸方向是饋入單元11傳送到沿著第二軸向水平相對的輸出單元21，而為180°饋入技術)饋入信號時，對該共模信號抑制元件30進行偶模激勵(even-mode excitation)分析及奇模激勵(odd-mode excitation)分析，參考圖2，被建模為偶模激勵的同相信號40可通過該共模信號抑制元件30而前進到該第二相移器20，並在該第二相移器20的輸出接點214被被轉換回差模信號。參考圖3，然而，被建模為奇模激勵的異相信號50中止於該共模信號抑制元件30的中間區段35(相當於被接地)，故所述異相信號50在進入該第二相移器20之前被阻擋。參考圖4，揭示0°饋入技術的相位波形A和非0°饋入技術的相位波形B，從該第一相移器10的兩個第二微帶線112所輸出兩筆信號來說，在1.5GHz至3.5GHz的頻率範圍內，其相位不平衡的情況在180°±1.5°，換言之，相位差可有效保持在180°。
參考圖5所示的差模模態的傳輸係數(transmission coefficient, S21)特性曲線示意圖，虛線波形是沒有本創作之共模信號抑制元件30的曲線，實線波形是本創作的曲線，可見差模信號在1GHz、1.5GHz及2.15GHz皆能有效傳輸，換言之，差模信號的傳輸不會因設置該共模信號抑制元件30而受到影響。參考圖6所示的共模模態的傳輸係數(S21)特性曲線示意圖，虛線波形是沒有本創作之共模信號抑制元件30的曲線，實線波形是本創作的曲線，顯然的，本創作透過該共模信號抑制元件30的設置，在1GHz、1.5GHz及2.15GHz可有效抑制共模信號。
本創作實施例中，本創作微帶線結構可形成在Rogers RT/ duroid 5880基板，基板厚度可為0.8毫米，相對介電常數(ε r)可為2.2，損耗正切(loss tangent)可為0.0009。以所述饋入單元11尺寸可與所述輸出單元21的尺寸相同，參考圖7並對照圖1，以該饋入單元11為例，該第一微帶線段111的一末端至該輸入接點114之1/2處的長度θ 1可為10毫米(mm)，該第一微帶線段111的另一末端至該輸入接點114之1/2處的長度θ 2可為90毫米，該C型部115或該反C型部116的長度θ 3可為180毫米，該共模信號抑制元件30的各線段31~34長度θ 4可為45毫米。該第一微帶線段111至該C型部115的間隙g 1或該第二微帶線段112至該反C型部116的間隙可為0.2毫米，該C型部115及該反C型部116之間的間隙g 2可為0.43毫米，該C型部115或該反C型部116的開口117、118寬度g 3可為2毫米。該第一相移器10與該第二相移器20之間的間距d可為250毫米。以該輸出單元21為例，該第一微帶線段211的阻抗Z 1可為140歐姆，該C型部215於開口217處的阻抗Z 2可為73.8歐姆，該C型部215於平行第二軸向的區段的阻抗Z 3可為68歐姆，該C型部215於平行第一軸向且相鄰第一微帶線段211的區段的阻抗Z4可為68歐姆，該共模信號抑制元件30的各線段31~34阻抗Z5可為70.8歐姆。本創作元件尺寸為0.61λg×0.58λg，其中λg為導波長。
基於上述規格進行實際量測及電腦模擬，請配合參考圖8的差模模態的傳輸係數(S21)特性曲線示意圖，實線波形為實際量測的信號曲線，虛線波形為電腦模擬曲線，關於在2.15GHz之中心頻率處的性能，可見實際量測結果與電腦模擬結果大致相符，其最小插入損耗約為1.85dB，帶寬為7.53%，並在1.68GHz及2.7GHz具有傳輸零點。參考圖9的共模模態的傳輸係數(S21)特性曲線示意圖，實線波形為實際量測的信號曲線，虛線波形為電腦模擬曲線，同樣的，實際量測結果與電腦模擬結果大致相符，且共模信號在0~5GHz範圍至少被抑制30dB，而在2.15GHz附近被抑制達44.8dB，驗證本創作可有效抑制共模信號，且差模信號得以維持。
10‧‧‧第一相移器
11‧‧‧饋入單元
111‧‧‧第一微帶線段
112‧‧‧第二微帶線段
113‧‧‧開路環型共振器
114‧‧‧輸入接點
115‧‧‧C型部
116‧‧‧反C型部
117‧‧‧開口
118‧‧‧開口
20‧‧‧第二相移器
21‧‧‧輸出單元
211‧‧‧第一微帶線段
212‧‧‧第二微帶線段
213‧‧‧開路環型共振器
214‧‧‧輸出接點
215‧‧‧C型部
216‧‧‧反C型部
217‧‧‧開口
218‧‧‧開口
30‧‧‧共模信號抑制元件
31‧‧‧第一線段
32‧‧‧第二線段
33‧‧‧第三線段
34‧‧‧第四線段
35‧‧‧中間區段
40‧‧‧同相信號
50‧‧‧異相信號
A‧‧‧0°饋入技術的相位波形
B‧‧‧非0°饋入技術的相位波形
圖1：本創作微帶線結構的實施例的平面示意圖。 圖2：本創作對共模信號抑制元件進行偶模激勵分析的示意圖。 圖3：本創作對共模信號抑制元件進行奇模激勵分析的示意圖。 圖4：本創作在0°和非0°饋入技術的波形示意圖。 圖5：本創作在差模模態的傳輸係數特性曲線示意圖。 圖6：本創作在共模模態的傳輸係數特性曲線示意圖。 圖7：本創作微帶線結構的實施例的平面示意圖。 圖8：本創作在差模模態的傳輸係數特性曲線示意圖。 圖9：本創作在共模模態的傳輸係數特性曲線示意圖。

Claims (4)

  1. 一種可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構，形成於一基板且包含：一第一相移器，包含沿著一第一軸向並列設置的兩個饋入單元；一第二相移器，與該第一相移器分離設置且包含沿著該第一軸向並列設置的兩個輸出單元，其中該兩輸出單元係沿著一第二軸向分別相對於該兩饋入單元，該第一軸向垂直該第二軸向；以及一共模信號抑制元件，包含：一中間區段，位於該兩饋入單元及該兩輸出單元之分布區域的中央；一第一線段，連接在其中之一饋入單元與該中間區段之間；一第二線段，連接在另一饋入單元與該中間區段之間；一第三線段，連接在其中之一輸出單元與該中間區段之間；及一第四線段，連接在另一輸出單元與該中間區段之間；其中各該饋入單元包含：一第一微帶線段，沿著該第一軸向延伸並於端部設有一輸入接點；一第二微帶線段，沿著該第二軸向與該饋入單元的該第一微帶線段相對設置且沿著該第一軸向延伸；及一開路環型共振器，位在該饋入單元的該第一微帶線段與該第二微帶線段之間；該共模信號抑制元件的該第一線段連接在所述其中之一饋入單元的第二微帶線段與該中間區段之間，而該第二線段連接在所述另一饋入單元的第二微帶線段與該中間區段之間。
  2. 如請求項1所述之可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構，各該輸出單元包含： 一第一微帶線段，沿著該第一軸向延伸；一第二微帶線段，沿著該第二軸向與該輸出單元的該第一微帶線段相對設置且沿著該第一軸向延伸，並於端部設有一輸出接點；及一開路環型共振器，位在該輸出單元的該第一微帶線段與該第二微帶線段之間；該共模信號抑制元件的該第三線段連接在所述其中之一輸出單元的第一微帶線段與該中間區段之間，而該第四線段連接在所述另一輸出單元的第一微帶線段與該中間區段之間。
  3. 如請求項1所述之可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構，各該饋入單元的該開路環型共振器包含沿著該第二軸向相對設置的一C型部與一反C型部，該C型部的一開口位置相鄰於該反C型部的一開口位置。
  4. 如請求項2所述之可抑制共模信號之差分濾波器微帶線結構，各該輸出單元的該開路環型共振器包含沿著該第二軸向相對設置的一C型部與一反C型部，該C型部的一開口位置相鄰於該反C型部的一開口位置。
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