CN100483581C - 用于从电源线去耦高频信号的去耦模块 - Google Patents

用于从电源线去耦高频信号的去耦模块 Download PDF

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Abstract

一种用于对来自电源线的高频信号进行去耦的去耦模块，该模块包括布置在第一和第二金属层(20，22)之间的绝缘材料层(30)，其中，将第一金属层(20)连接为去耦模块的接地电极，该模块的特征在于，第二金属层(22)包括至少两个不同尺寸的表面(220，222)，在电气上，这些表面一个接一个地连接在输入连接点与输出连接点之间，而仅用一个导电部分(224)使挨着的两个相应的表面相互连接。

Description

用于从电源线去耦高频信号的去耦模块
技术领域
本发明涉及一种用于对采自电源线的高频信号进行去耦的去耦模块，该模块包括位于第一和第二金属层之间的绝缘材料层，将第一金属层连接为去耦模块的接地电极。
背景技术
现在，设计在移动通信中使用的高频电路是一个非常复杂和费时的过程。除了高频性能以外，还要对有源元件的直流电压源进行最优化。在电气元件与线路之间经常出现不希望的耦合，这种不希望的耦合在设计过程中没能被重视，在高频模块的开发结束之前没有被认识到。
为了能够放大高频信号，有源元件还与中央电池组电压连接，从中吸收需要的能量。在设计过程结束时的已知问题是在电池电压源的线路上的高频信号的串话，这种耦合作用在有源元件之间产生了反馈环。这种作用对他们的性能影响很大，在产生不希望的谐振时，整个高频电路可能瘫痪。
在电压源线路中发射高频信号通常是难以避免的。不过为了避免从一个有源元件向另一个有源元件的信号串话，通过去耦模块将来自这些线路的高频信号泄漏到地线。这种去耦模块允许所有高频信号通过到地线，但不影响直流电压。在原理上，用电容器来完成这个任务，这是由于直流电流不能通过电容器，因而不影响电池的直流电压。对于高频信号，电容器产生随频率减小的阻抗Z：
Z = 1 jωC ,                   (1)
其中：ω＝2πf，f为高频信号的频率；
C为电容器的电容量；并且
j = - 1 . 信号的频率越高，通过电容器将该信号引入地线越简单。
在许多高频电路中，大量使用分立的陶瓷多层电容器对来自直流电压线路的不希望的高频信号进行去耦，这些电容器被焊接到高频模块上。电容器的一个接点与电源线连接，另一个接点与地线连接。这些电容器的缺点在于由其内部结构感应的自感L。电容量C与电感量L结合导致这样的事实，即有效去耦电容量随频率减小，在下面的频率时有效去耦电容量为零：
f C = 0 = 1 2 π L · C - - - ( 2 )
频率超过fc＝0时，这些电容器起线圈的作用并且此时不再保证去耦作用。如果使用这些电容器，则在第一设计中通常达不到满意的去耦，需要另外进行长时间的设计，直到该模块起作用为止。
为了减小自感，已经开发了单层电容器。为了达到足够高的电容量，或者使层的厚度保持非常小(减小到约20nm)，或者选择高介电常数的材料。由于自感非常小，使频率fc＝0提高很多，对来自电源线的高频信号的去耦达到很高频率。缺点在于在许多应用中，将单层电容器按照分立元件安装。此外，只有在非常特殊并且成本很高的处理中才能对薄膜进行制造和焊接。所用的材料具有比较高的击穿场强，典型的薄膜陶瓷约为200V/μm，而氮化硅则达到1000V/μm。这意味着对于非常薄的约20nm的氮化硅层来说，在约20V时达到击穿场强。对于典型的层的厚度约为0.5μm的薄膜陶瓷电容器来说，在约100V时发现击穿电压。因此，在高压范围中不能使用这些电容器。
在多数高频电路中，主要使用电容器来保证不出现谐振。
序列号为6038122的美国专利提出了一种电容量从一个连接点到另一个连接点累加的去耦电容器。它实现了能够用单个去耦电容器对很大范围的高频分量进行去耦。但是，当利用仿真进行测试时，在其中描述的电容器电极的三角形区域中，仍然存在谐振。此外，需要用非常薄的层来制造所描述的电容器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种去耦模块，利用该模块能够在没有明显谐振的情况下对高频信号进行去耦，并且该模块不需要用薄膜工艺制造。
这个目的是利用在开始段落中定义的那种类型的去耦模块实现的，其中，第二金属层包括至少两个不同尺寸的表面，在电气上，这些表面一个接一个地连接在输入连接点与输出连接点之间，而仅用一个导电部分将挨着的两个相应的表面相互连接.在本发明中，将总的电容器表面分为多个平行布置的小电容器，这样就导致了对去耦功能的显著改进，同时对比总电容量与各个电容量之和相同的单个电容器，消除了干扰谐振.
按照优选实施例，表面为矩形表面，因此用矩形或正方形电极来构成电容器.按照本发明的一个实施例已经显示出，在不明显改变传输特性的情况下，与高频信号的传播方向相垂直的表面尺寸可以达到沿着高频信号的传播方向的表面尺寸的两倍.
如果表面是正方形或矩形的，则如果对于两个表面中的每一个，第一表面的边长为第二表面的边长的无理数倍是有利的，即：
a b ≠ m n - - - ( 3 )
式中：
a为第一表面的边长；
b为第二表面的边长；并且
m和n为自然数.这样就保证了不会有两个电容器在同一个频率下同时谐振.此外，对电极表面的边长进行选择，使几何定义的谐振的间隔尽可能大。
通常，在绝缘层的可安装表面上布置多个表面，按照有利的方式对这些表面进行布置，使得第二金属表面的尺寸最大，从而可以利用最大可能的电容器表面和最大可能的电容量.具体地说，例如，这意味着被形成电容器电极的表面覆盖的输入连接点和输出连接点之间的距离最短，而且可以对表面进行曲折布置.由于这样最大可能地利用可用的覆盖表面，因此对于电容器电极来说，优先选用矩形表面，尽管一般来说，本发明也可以选用圆形、椭圆形或多边形等.
此外，对于应用来说，在不需要去耦的频率范围中，通过适当地选择连接线的长度和宽度，可以消除从电容器与电容器本身之间的连接线产生的低频谐振(LC谐振).导电部分的电感越高，谐振频率越低.
对于许多应用，可以利用可以在厚膜工艺中由绝缘材料制造的层的优点。在厚膜工艺中，层的厚度至少约为5μm.然而为了实现大电容量的电容器，绝缘材料应该具有很高的介电常数，此外，尽可能大地选择电容器表面.由于需要的较大尺寸的电容器已经在较低频率时产生谐振，因此高介电常数导致了材料中的波长较小。按照本发明，也可以在厚膜工艺中制造去耦电容器，因此可以利用便于制造去耦电容器的优点和在多层结构中可集成化的优点。在介电常数为1000及以上时，使层的厚度有利地位于约5μm到约20μm的范围中。
按照本发明的其他有利实施例，在第二金属层上布置另一个绝缘材料层和用作去耦模块的另一个接地电极的第三金属层。这样就在需要的表面相同的情况下提供了双倍的可用电容量。
本发明应用于包括多个可以按照LTCC技术(Low Temperature CofireCeramics，低温共烧陶瓷)制造的陶瓷层的多层结构中，其中的至少一层为绝缘材料层，在该绝缘材料层的一侧上沉积用作接地电极的全部或部分覆盖该绝缘层的第一金属层，在该绝缘材料层的另一侧上沉积第二金属层，第二金属层包括至少两个尺寸不同的表面，在电气上，这些表面一个接一个地连接在输入连接点与输出连接点之间，而仅用一个导电部分使挨着的两个相应的表面相互连接。
参照以下描述的实施例，对本发明的这些和其他方面进行阐述，并且本发明的这些和其他方面将变得更加清楚。
附图说明
在附图中：
图1的分图(a)示出了按照单个电容器设计的去耦模块，分图(b)表示按照几何定义的谐振的功率传输，分图(c)示出了在谐振频率为1.8GHz时的功率分布，分图(d)示出了在谐振频率为3.6GHz时的功率分布；
图2示出了按照本发明的，构成电容器电极的表面的第一实施例；
图3示出了按照本发明的，构成电容器电极的表面的第二实施例；
图4示出了用于在图2和3中示出的实施例的等效电路图；
图5的分图(a)示出了用于在图3中示出的去耦模块的实施例的，在谐振频率为2.4GHz时的功率分布，而分图(b)示出了在谐振频率为4.8GHz时的功率分布；
图6表示在按照图3所示的实施例的去耦模块的情况下的功率传输；
图7给出了按照本发明的另一种去耦模块的布置的图形表示；并且
图8给出了在多层结构中，按照本发明的去耦模块的布置的图形表示。
具体实施方式
图1在分图(a)中示出了用按照厚膜工艺制造的单个电容器生产的去耦模块的平面图。电容器表面为4mm2，绝缘材料层的厚度为17μm，介电常数ε为1000。如在示出了功率传输的分图(b)中所见，在出现的谐振中，第一谐振对应于分图(c)中的功率分布，第二谐振对应于在分图(d)中示出的功率分布。对于已经在低于GHz范围中的谐振频率，多个高频信号的半波长覆盖了正方形电容器电极的边长。这意味着：
a = λ 2 m = λ 0 2 m ϵ eff = c 0 2 mf · 1 ϵ eff - - - ( 4 )
式中：
λ为在多层结构中的波长；
λ0为在空气中的波长；
εeff为在多层结构中的平均/有效介电常数
c0为空气中的光速；
f为高频信号的频率；
m为谐振分布(1，2，3...)
在厚膜去耦模块中，这些谐振是非常重要的，这是由于对于相同的电容量，要选择比薄膜去耦模块更大的电容器表面以补偿由工艺限定的较大的层厚度。此外，尽管层的厚度较大，还要选择较高的介电常数来实现足够的电容量。如已经见到的，这个介电常数使材料中的波长较小，这导致了不希望的谐振。
图2和3示出了按照本发明的电容器表面的细分的例子，它使去耦功能明显改进。按照图2，在不明显改变传输特性的情况下，在可以将电容器的与高频信号的传播方向垂直的长度选择为沿着传播方向的长度的两倍时，在电气上将矩形电容器，例如220、222，连续连接。因此，可以达到大电容值的两倍。尽可能保持连接线，例如224，最短。图3示出了在连接线，例如324，具有适合于它们希望的谐振频率的电感时，具有正方形的电容器电极表面，例如320、322，的电极结构。不强求电容器表面从输入连接点到输出连接点逐渐变小，相反，可以对表面的布置和尺寸进行最优化，从而最大程度地利用可用安装表面。
图2和3的结构规定了平行地对多个电容器进行连续布置.在图4中示出了等效电路图.
对于在图3中示出的去耦模块，图5在分图(a)和(b)中分别示出了在谐振频率为2.4GHz和4.8GHz时的功率分布.很明显，在第一电容器谐振时，下一个电容器还没有谐振，并且可以继续起去耦电容器的作用.
图6示出了在1GHz到10GHz的频率范围内，不再出现分布谐振的功率传输的图形表示.
图7示出了按照本发明的去耦模块的另一个实施例.在层结构中，第一金属层20用作衬底10上的接地电极，在该金属层的上面是第一绝缘材料层30和第二绝缘材料层32.在层30与32之间的是按照电容器电极进行表面布置的第二金属层22，因此，电容器不仅与第一绝缘材料层30和第一金属层20连接，而且与第二绝缘材料层32和按照接地电极连接的外壳第三金属层24连接.在示出的实施例中，层结构终止于另一个衬底12.
图8示出了多层结构，包括多个陶瓷层14、16、18，而将具有高介电常数的绝缘材料层30布置在层14和层16之间。作为接地电极的第一金属层20覆盖绝缘材料层30的全部下表面.第二金属层22仅覆盖层30的一部分，因此，由这个第二金属层22限定了去耦模块.可以将绝缘层30的剩余部分用于其他功能结构.
由于可以将按照本发明的去耦模块集成在多层结构中，因此，电路上不再需要安装分立元件.这样既减少了装配成本，又降低了失误的风险。
本发明提供了按照厚膜工艺制造去耦模块的可能性.层的厚度越大，则可以在越高的电压下利用这种类型的去耦模块.在几百伏时才达到介质场强.例如，在层厚度约为15μm，介质场强约为30V/μm的情况下，击穿电压为450伏.
基本上，本发明假设复杂的薄膜工艺不能实现去耦功能.然而，将全部去耦电容量细分为多个单独的电容量也可以是用于高频或高电容值的薄膜去耦电容器的一种选择.此外，还可以在更大的尺寸下补偿几何限定的谐振.

Claims (10)

1.一种去耦模块，用于从电源线上去耦高频信号，该模块包括一个绝缘材料层(30)，布置在第一和第二金属层(20，22)之间，所述第一金属层(20)连接为所述去耦模块的接地电极，特征在于，所述第二金属层(22)包括至少两个不同尺寸的表面(220，222；320，322)，在电气上，这些表面一个接一个地连接在输入连接点与输出连接点之间，而仅用一个导电部分(224；324)使挨着的两个相应的表面相互连接。
2.如权利要求1所述的去耦模块，特征在于所述表面为矩形表面。
3.如权利要求1所述的去耦模块，特征在于表面(220)的与高频信号的传播方向垂直的尺寸达到该表面的沿着高频信号的传播方向的尺寸两倍。
4.如权利要求1所述的去耦模块，特征在于所述表面为正方形表面(320，322)，而对于每两个表面，第一表面的边长为第二表面的边长的无理数倍。
5.如权利要求1到4中的任何一个所述的去耦模块，特征在于在预先限定绝缘材料层(30)的安装表面的情况下对所述表面进行布置，使得所述第二金属层(22)的尺寸最大。
6.如权利要求1到4中的任何一个所述的去耦模块，特征在于对连接所述表面(220，222；320，322)的所述导电部分(224；324)的电感进行选择，使它们的谐振频率低于高频信号的载波频率。
7.如权利要求1到4中的任何一个所述的去耦模块，特征在于按照厚膜工艺制造绝缘层(30)。
8.如权利要求1到4中的任何一个所述的去耦模块，特征在于绝缘材料层(30)的厚度为约5μm到约20μm。
9.如权利要求1到4中的任何一个所述的去耦模块，特征在于在所述第二金属层(22)上提供另一个绝缘层(32)和连接为所述去耦模块的另一个接地电极的第三金属层(24)。
10.一种多层结构，包括多个陶瓷层(14，16，18，30)，其中的至少一层为绝缘材料层(30)，在所述绝缘材料层(30)的一侧上，加上作为接地电极的全部或部分覆盖所述绝缘材料层(30)的第一金属层(20)，特征在于，在所述层(30)的另一侧上提供具有至少两个不同尺寸的表面的第二金属层(22)，在电气上，这些表面一个接一个地连接在输入连接点与输出连接点之间，而仅用一个导电部分(224；234)使挨着的两个相应的表面(220，222；320，322)相互连接。
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Owner name: CALLAHA XILE CO., LTD.

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Effective date: 20120121

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Effective date of registration: 20120121

Address after: American Delaware

Patentee after: Callehan Tiele Co.,Ltd.

Address before: Holland Ian Deho Finn

Patentee before: NXP B.V.

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Granted publication date: 20090429

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