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3-5 雙絞線結構之多層共模濾波器

調整過後的平移結構,有低的差模訊號的插入損耗及不錯的差模

阻抗匹配,且有高的共模訊號的衰減量,並只有少量的模態轉換現 象,這些都維持了原先設計該有的表現,且縮小了元件體積,但卻增 加了高頻電磁輻射干擾的問題,另外當有外來的雜訊直接耦合到元件 本身時,此差模傳輸對的結構是無法自己消除感應電流的發生的,因 此為了減低電磁輻射干擾、增加元件本身抵抗雜訊的能力和改良上下 層結構對地的對稱性問題,將常使用在普通傳輸線上的雙絞線結構作 為取代原本繞線方式的新構想。

在文獻[45]中可以看到一種稱為 TDL(Twisted Differential Lines) 的雙絞線結構,如圖3.18(a),是在多層印刷電路板上建構出來的,由 不同層的兩金屬線交錯組合而成,並透過導孔來改變所在的層數,

3.18(b)是其尺規的上視圖。從截面電磁場型的分析可以說明此結構就 像螺旋管一樣能將磁場有效的侷限在二線中間,而不易產生對外的耦 合與輻射,因此能擁有對抗串音雜訊和減低輻射干擾的能力。圖3.19(a) 是另一種垂直並排的結構V-TDL(Vertical Twisted Differential Line),此 結構在同樣的面積下,佈線數目比TDL 多 1.5 倍,從圖 3.19(b)中可 以清楚的看到,V-TDL 能佈上三對訊號線,而 TDL 卻只能佈上兩對,

且由於V-TDL 增加了不同訊號對之間的距離,因此可以有效減少不 同傳輸對間串音的現象[45]。

接下來即是將多層板的雙絞線結構在 LTCC 中加以實現,雖然 V-TDL 可以減少佈線的面積,不過差模阻抗的匹配仍是本設計最先考 量的因素,根據之前平移結構的經驗,要將差模傳輸對的兩訊號線移 遠才能得到較好的阻抗匹配,因此原先的TDL 才是適合本設計的結 構,圖3.20 即是依據 TDL 雙絞線結構完成的共模濾波器,圖 3.20(a) 是第一組傳輸對的俯視圖,(b)是四組傳輸對整體的構造圖,結構各 參數為線寬W=50µm、間距 S=100µm、金屬厚度 12µm、每層介質厚 度D=H=90µm 及平移量 T=75µm,由於多層板的雙絞線需要使用到大

量的導孔,這無形中增加了原本繞線的長度,且在兩線交錯的部份也 會使得訊號線變長,因此必須適度的調整以縮短線圈增加的長度,將 圖3.20(a)和圖 3.15 的俯視圖做比較即可發現雙絞線結構在靠近連接 埠的線圈有向內縮的趨勢,這即是用來縮小因絞線結構所增加的量 的,這對高頻元件是要相當注意的,在此將其向內縮75µm。另外在 圖3.20(b)中負端訊號線中間導孔的部分是為了配合正端訊號線導孔 的長度所作的補償動作,以減少因長度不對稱性所產生的模態轉換。

圖 3.21 是雙絞線結構的模擬結果,除了因繞線總長度增加而使 共模共振的頻率和整體輻射的頻率略微變小外,差模訊號Sdd21仍維 持很小的插入損耗,Sdd11也有小於 -17dB 不錯的阻抗匹配,共模訊 號Sdd21同樣擁有相當好的共模衰減量,最值得注意的地方就是輻射 的問題,和之前的平移結構相比,可以明顯得看到輻射的量已被大幅 的縮小,大大地減低了電磁干擾的效應,而圖3.22 和圖 3.23 則比較 了三種結構模態的轉換,因雙絞線的交錯方式讓正負訊號線對接地面 的耦合量更為的一致,所以擁有了優於前面結構的Scd21及 Sdc21,且 能在頻率1GHz 以下維持相當低 -40dB 的模態轉換,這些都證明了 雙絞線結構既不易對外產生干擾也不會產生額外的雜訊影響原本訊 號的品質,雖然在這邊沒有參數可以直接說明雙絞線結構抵抗雜訊的 能力,但在第二章的說明圖中應可以清楚的解釋之,因此雙絞線的螺

旋繞線方式是相當適合用來實現共模濾波器的。

圖3.18 TDL 的結構圖 (a)3-D 側視圖 (b)上視圖

(a) (b)

圖3.19 (a)V-TDL 3-D 結構圖 (b)同面積下 V-TDL 和 TDL 的比較

圖 3.20(a) 雙絞線結構共模濾波器第一組傳輸對俯視圖

圖3.20(b) 雙絞線結構共模濾波器 3-D 結構圖

0 0.5 1 1.5 2

Frequency (GHz)

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

dB

twist W=50um Sdd21 Sdd11 Scc21

3.21

雙絞線結構之共模濾波器模擬結果

0 0.5 1 1.5 2

Frequency (GHz)

-60 90um offset 90um twist

圖3.22 三種結構模態轉換 Scd21比較圖

0 0.5 1 1.5 2

Frequency (GHz)

-60 90um offset 90um twist

3.23

三種結構模態轉換

S

dc21比較圖

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