超高频陷波滤波器.pdf

超高频陷波滤波器(100)包括电容器(102)，电容器在其主体(103)上限定导电迹线(106)，并在其端子(104)之间延伸。迹线具有电感，该电感与电容器的电容形成并联LC电路。当安装在印刷电路板(120)上以连接信号线(124)的两个分段时，陷波滤波器和印刷电路板的接地面(122)形成虚拟导电回路，它的电感和电容的乘积等于陷波滤波器的陷波的中心频率。中心频率可以通过改变迹线的宽度来调谐。

1.  一种设备，包括：
电容器，其具有主体和附连到该主体的一对端子；以及
导线，其被限定在主体上并且连接端子，该导线具有电感(L)，该电感(L)与电容器的电容(C)限定了并联LC电路。

2.  根据权利要求1的设备，其形成具有陷波中心频率的陷波滤波器，其中：
电容器具有等于或大于陷波中心频率的共振频率。

3.  根据权利要求2的设备，其连接在由印刷电路板限定的信号导线的两个离散分段之间，该印刷电路板也限定有接地面，其中：
由陷波滤波器和接地面形成的虚拟导电回路的电容和电感的乘积等于陷波中心频率。

4.  根据权利要求1的设备，还包括：
印刷电路板，
包括由印刷电路板限定的一对离散导线分段的信号导线，以及
由印刷电路板限定的接地面；其中
该对端子将电容器连接在两个分段之间，并且
导线和电容器形成信号导线的陷波滤波器，使得由陷波滤波器和接地面形成的虚拟导电回路的电容和电感的乘积等于陷波滤波器的陷波的中心频率。

5.  根据权利要求1-4中任一个的设备，其中：
电容器具有等于或大于陷波滤波器中心频率的共振频率。

6.  根据权利要求1-4中任一个的设备，其中：
导线被电镀在主体上。

7.  根据权利要求1-4中任一个的设备，其中：
导线被印制在主体上。

8.  根据权利要求1-4中任一个的设备，其中：
电容器是表面贴装电容器。

9.  根据权利要求1-4中任一个的设备，其中：
导线的宽度限定导线的电感，使得通过改变导线的宽度来调谐陷波滤波器。

超高频陷波滤波器
技术领域
本发明涉及电磁干扰(EMI)的抑制。
背景技术
使用高带宽的传输线来实现局域网(LAN)正变得日益普遍。其中一个例子是千兆比特(Gigabit)以太局域网。受这种传输线影响的高频传输使得抑制它们发出的辐射成为一个重大的挑战，因为事实上，发出的辐射以及因此引起的对其它信号线的串扰随着传输频率的增加而增加。
陷波滤波器被设计成当通过所有其它频率时抑制一个频带。尽管使用陷波滤波器滤掉电磁干扰是众所周知(例如参见美国专利6,539,253)的，然而开发陷波滤波器来抑制电磁干扰的一个技术挑战是如何有效地处理寄生电感和电容，它们能够对滤波器的期望性能造成有害影响。在超高传输频率上，即使很小的寄生效应都能引起重大问题，因此必须在陷波滤波器的设计中加以考虑。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中这样和那样的问题和缺点。依照本发明的一个方面，一种设备包括电容器和导线(conductor)，所述电容器具有主体(body)和附连到该主体的一对端子。导线被限定在主体上，并连接端子。导线具有电感，该电感和电容器的电容一起限定并联LC电路。该电路通过改变迹线(trace)的宽度来调谐。该设备在图解示例中适合作为陷波滤波器使用。依照本发明的另一方面，具有陷波中心频率的陷波滤波器包括电容器，该电容器具有主体和附连到该主体的一对端子，并且具有等于或大于陷波中心频率的共振频率，此外还包括导电迹线，它具有电感，并沿着主体延伸，与端子连接。如这里所图解说明的，当沿着接近接地面的信号线安装在印刷电路板上时，陷波滤波器和接地面形成虚拟导电回路，它的电感和电容的乘积是陷波中心频率。依照本发明的另一方面，印刷电路板包括信号导线，该信号导线包括由印刷电路板限定的一对离散导线分段；由印刷电路板限定的接地面；具有主体和该主体上的一对端子的电容器，这对端子将电容器连接在分段之间；以及限定在主体上并且连接这对端子的导线。导线具有电感，并且与电容器一起形成信号导线的陷波滤波器，使得陷波滤波器和接地面形成的虚拟导电回路的电感和电容的乘积等于陷波滤波器的陷波的中心频率。
本发明的优点在于陷波滤波器在超高频上高效，易于构建，易于调谐，将用于其构建中的零件数量减至最少，结构紧凑，使得在印刷电路板上只占很少空间，并且与表面贴装电路装配技术兼容。
本发明的这些特点和其它优点和特点通过下面结合附图对本发明的图解实施例的描述将变得更加明显，其中：
图1是安装在印刷电路板上的陷波滤波器的透视图，包含了本发明的图解实施例；
图2是电容器的负荷线的图表，其在图解示例中用于实现1千兆赫的陷波滤波器；
图3是电容器的负荷线的图表，其在图解示例中用于实现4.8千兆赫的陷波滤波器；而
图4是电容器的负荷线的图表，其在图解示例中用于实现6.25千兆赫的陷波滤波器。
图1显示的是安装在印刷电路板(PCB)120上的陷波滤波器100的图解实施例。陷波滤波器100横越印刷电路导线124的两个分段124a和124b，印刷电路导线124传送因为电磁干扰而将被滤波的信号。导线124的每个分段终结在焊垫126上，其中陷波滤波器100例如通过部件表面贴装工艺电连接到焊垫126。
陷波滤波器100包含电容器102，优选为表面贴装电容器；和导电迹线106(例如，电镀或印刷在电容器102的主体103上面)，它的宽度w和长度l由电容器102的主体103限定，并且沿电容器102的主体103的长度方向延伸。电容器102与焊垫126通过导电端子104电连接。导电端子104延伸自电容器102的主体103地相对端。迹线106与端子104电连接，充当端子之间的电感器。电容器102和迹线106一起在导线124的分段之间形成并联电感电容(LC)电路。印刷电路板120具有接地面122作为它的一个层，接地面122充当导线124传导的信号的返回路径。接地面122，电容器102，以及迹线106一起在它们所形成结构的共振频率上形成虚拟导电回路130。回路130的高度h₁是迹线106和接地面122之间的距离。h₁包含电容器103的高度h_c和接地面122埋入印刷电路板120的深度h_g。印刷电路板120的标准厚度是62密耳(mil)；因此，h_g通常在1密耳和61密耳之间。回路130的电容(C)和电感(L)的乘积限定滤波器100所实现的陷波的中心频率f_n，该陷波将被从导线124上的信号中过滤掉。
众所周知，电容器具有单独的共振频率f_c，低于这个频率，电容器表现为电容性的，高于这个频率，电容器表现为电感性的。通常，一个电容器的电容越小，它的物理封装就越小，它的共振频率f_c就越高。为便于设计，电容器102的f_c等于或超过f_n最为合适。f_c在这个范围时，回路130的电容C实际上就是电容器102的电容。因此，回路130所需的电感L＝1/(4π²f_n²C)。电感L由回路130提供。电感L与回路的高度h₁关系如下： L = 5 ( 10 - 3 ) ln ( 4 h 1 d ) l , ]]>这里L用μH计量，h₁用密耳计量，l是迹线106的长度，用英寸计量，d是等圆横截面的直径，用密耳计量，等圆横截面的圆周πd等于迹线106的宽度w和厚度t的和的二倍。假定迹线106的厚度t是标准的和不变的，大约1密耳(.～7到～1.4密耳)铜、铝或其它导体；也就是说，印刷电路迹线的标准厚度。给定常规可表面贴装电容器的尺寸，则可通过改变迹线106的宽度w而合理得到的L的值在大约.2nH和大约1.5nH之间。
在这个图解例子中，假定导线124受到千兆比特以太网的电磁干扰或串扰，也就是说，f_n＝1千兆赫。给定f_n和L的可合理达到的值，选择可得到的合适电容器102。在这个例子中，说明性的商用电容器是27pF的可表面贴装的0603型电容器(60密耳长，30密耳宽和高)。电容器102的选择决定了回路130的高度h₁(h_g由印刷电路板120固定)和迹线106的长度l。回路130的电感L因此必须被调整，以通过改变迹线106的宽度w产生所需的f_n值。
迹线106的适当宽度w由以下公式确定。
L ( h g , w , t , l ) = 5.0 ( 10 - 6 ) · l · ln { 2 ( h 1 + h g ) π ( w + t ) } , ]]>这里L＝回路130的电感(以用μH为单位)h_g＝从电容器102底面到返回参考面122的垂直距离(以密耳为单位)
h₁＝电容器的高度(以密耳为单位)
w＝迹线106的宽度(以密耳为单位))
t＝迹线106的厚(高)度(以密耳为单位))
l＝迹线106的长度(以密耳为单位))
f n ( h g , w , t , l , C ) = 1 2 π L ( h g , y , t , l ) · C , ]]>这里
f_n＝陷波滤波器的中心频率，并且
C＝回路130的电容(以法拉为单位)
针对固定t值，l值和C值确定w和h_g的过程如下：
(1)针对1≤h_g≤h_pcb(印刷电路板的总厚度，以密耳为单位)和h₁/5≤w≤h₁(以密耳为单位)绘出f_n(h_g，w，t，l，C)的曲线以作为表面目标曲线图(surface plot)，其中以h_g作为X轴，以w作为y轴。垂直z轴则是针对给定的(h_g，w)对的共振频率。
(2)在通过步骤(1)生成的、代表期望共振频率f_n的表面目标曲线图上叠加一个参考表面目标曲线图。这个表面目标曲线图有必要是平坦的表面，并且应当覆盖步骤(1)中所述的全部(h_g，w)值域。
(3)通过(1)产生的表面目标曲线图和通过(2)产生的平坦表面目标曲线图的相交部分代表了将产生期望共振频率的(h_g，w)对的全部范围。相交等高线将是一条线，称为负荷线(load line)。通过构成长度为l(以密耳为单位)和宽度为w(以密耳为单位)的电镀铜迹线106实现该解决方案。
(4)如果从步骤(3)中没有得到相交部分，则改变电容值C，直至由两个表面目标曲线图产生相交等高线。确定选择C，使得电容器在稍微超出期望共振频率时表现为电容性的。换句话说，所选的电容器必须具有超出陷波滤波器的期望共振频率f_n的共振频率f_c。
(5)如果变量h_g为先验已知的，那么选择位于通过步骤(3)确定的负荷线上的(h_g，w)对。通过构成长为l宽为w的迹线106实现该解决方案。通常h_g为先验已知的，因为印刷电路板120的层堆叠在设计陷波滤波器之前是已知的。
图2示出了负荷线204，其中针对27pF 0603型电容器，负荷线204定义了在f_n＝1千兆赫时作为h_g的函数的w的值。如上所述，负荷线204是通过叠加两个表面目标曲线图来得到的，对于给定的陷波滤波器中心频率f_n来说，它们的相交部分就是负荷线。其中一个表面目标曲线图是可达到的、作为迹线106的宽度w和参考返回路径的深度h_g的函数的共振频率的曲线图。在这个例子中，该表面目标曲线图是针对给定的27pF的固定电容的。同时，在这个例子中，h₁＝(30+h_g)密耳。接下去，一个参考平面被叠加到前面所述的第一个表面目标曲线图上。在这个例子中，该参考平面是1千兆赫的期望陷波滤波器共振频率f_n。这两个表面的相交部分是线204，其突出作为印刷电路板120中接地面122的深度h_g的函数的迹线106的所需宽度。27pF0603型电容器当前被认为是唯一能针对常规62密耳厚印刷电路板120中任意深度的接地面122提供1千兆赫陷波滤波器的电容器。也有其它能够提供1千兆赫陷波滤波器的电容器值；但是，这些其它值会阻止接地面122的深度h_g覆盖印刷电路板120的全部62密耳厚度。在这种情况下，接地面122的深度h_g必须大于某最小高度，或者只会在印刷电路板120的全部62密耳厚度的某子集中起作用。这些约束是限制性的，并且限制了使用除0603型27pF电容器之外的其它电容器的实用性。
计算机模拟表明如上所述构建的陷波滤波器100在1千兆赫电磁干扰时产生了优于7分贝的衰减。
如果不用单个电容器120和迹线106实现陷波滤波器100，多个电容器可以并联以形成电容器102，这些电容器中的一个或多个可以带有迹线，这些迹线一起并联形成迹线106。如果并联使用的其值稍有不同的电容器，结果是形成多个稍有不同的陷波滤波器--或相当于具有更宽陷波的陷波滤波器--结果导致更好的电磁干扰衰减。用这种方式构建的陷波滤波器100的一个优点是它占据印刷电路板非常小的空间。为了在用多个电容器构成一个陷波滤波器的情况下保留这一优点，电容器可以垂直堆叠，如2002年11月12日提交美国专利申请10/292,670中所描述的，该申请和本申请一样被转让给同一受让人。在这个1千兆赫陷波滤波器的例子中，23pF 0603型电容器可以和27pF电容器并联使用。针对23pF和27pF电容器的并联组合的负荷线在图2中被示出为负荷线202。
当然，本发明可以用来实现频率不为1千兆赫的陷波滤波器。说明性地，图3示出了针对可表面贴装的、用来实现4.8千兆赫陷波滤波器的1.7pF 0402型电容器(40密耳长，20密耳宽和高)的负荷线304。与图2的例子相对应地，1.7pF电容器可有利地与1.508pF 0402型电容器并联使用，以实现4.8千兆赫的陷波滤波器。针对两个电容器的并联组合的负荷线被示出为图3中的负荷线302。同样为说明性地，图4示出了针对可表面贴装的、用来实现6.1千兆赫陷波滤波器的1.023pF 0402型电容器的负荷线404。同样，该电容器可有利地与0.9pF的0402型电容器并联使用，以实现6.1千兆赫的陷波滤波器。针对两种电容器的并联组合的负荷线被示出为图4中的负荷线402。
当然，对上述说明性实施例的各种改变和修改是本领域技术人员显而易见的。在不偏离本发明的实质和范围并且不减弱其附带优点的前提下，可以进行这些改变和修改。因此，这里旨在通过以下权利要求覆盖这样的改变和修改，现有技术所限制的范围除外。