电磁耦合器的制作方法

专利名称：电磁耦合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于总线通信的电磁耦合装置领域。
背景技术：
电磁耦合装置使能量能够通过交互作用的电场和磁场而在系统 的组件之间传递。利用耦合系数来量化这些交互作用。电容耦合系数 是每单位长度耦合电容Cm与两条耦合传输线每单位长度电容几何平 均值C1之比。同样地，电感耦合系数是每单位长度互感Lm与两条耦 合传输线每单位长度电感几何平均Ll之比。
图l显示传统的宽边耦合器，其中两条相邻印刷电路板导体传输 线的两个最宽面以电磁方式耦合。图2显示边缘耦合器，其中在相同 层上的两个导体的窄面^皮耦合。
传统耦合装置有几个方面的缺点。由于传输线几何结构和两条耦 合传输线的相对位置的制造公差("x,y, z变化")的缘故，耦合器呈 现电容耦合系数方面的相当大变化。另外，在一般制造实践中，导体 的宽度容易有+/_0. 5和+/-1. 0密耳之间的变化，在印刷电路板(PCB) 内导体层的相对对准容易有+/-5密耳(x， y轴)的变化，各导体层之间 的距离会有+/- 2密耳(z轴)的变化，而用于导引插销的孔的位置容 易有+/-4密耳(x,y轴)的变化。
因此，传统的耦合器由于对制造偏差太敏感而不能用于计算机系统中。

发明内容
本发明针对传统耦合器的这些及其他缺点。


下面通过附图中的实例(但本发明不限于这些实例)来说明本发
明，附图中相同的参考符号表示相同的元件，并且附图中 图1显示先有技术的宽边耦合器。 图2显示先有技术的边缘耦合器。
图3、 4和5显示包括两个导体的耦合器的一部分的实施例。 图6A、 6B和7显示多个交叉耦合器段的实施例。 图8和9显示电容耦合系数的变化。 图IOA和IOB显示耦合器实施例。
图IIA和IIB显示具有多个耦合器的数字总线通信系统。
图12A、 12B、 12C和12D显示耦合器截面的实施例。
图13显示耦合器截面的另一个实施例。
图14显示图13所示截面的正交视图。
图15显示母板上耦合器的实施例及折曲电路。
具体实施例方式
公开一种电/f兹(EM)耦合器。在一个实施例中，电磁耦合器包括具 有笫一几何结构的第一传输结构和具有第二几何结构的第二传输结 构，第二几何结构可以不同于笫一几何结构。在第一和第二传输结构 之间形成电磁耦合。在一个实施例中，选择第一和第二几何结构以便 降低电磁耦合对第一和笫二传输结构的相对位置的敏感性。电磁耦合 器结构可以物理地分离为两半部分，以便用于互连应用场合。
在一个实施例中，电磁耦合器提供一种可拆式双向宽带耦合装 置，并提供健壮的性能而不管传输结构的偏差。所述耦合器还可以具有这样的阻抗它被可以在宽的频率范围内对它进行控制以避免反射 损耗。这样，所述耦合器可以用来发送和接收数字信号。
在一个实施例中，电磁耦合器还提供双向信号传输，也就是说， 耦合器的传输特性在正向和反向信号传输方向上基本是相同的。在一 个实施例中，电磁耦合器的传输线阻抗与计算机系统的电路相适应。
图3显示包括两个导体部分A和B的配置的耦合器，这两部分被 诸如空气的电介质隔开。图4显示这些导体部分的顶视图。如图4中 所示，导体A被从公共纵轴旋转了角410,而导体B被从相同的公共 纵轴旋转了相等而相反的角410。
图5显示具有包括平行板电容和边缘电容的总电容的耦合器。在 重叠区域510，来自重叠的导体部分的电容贡献一般类似于具有平行 四边形板的平行板电容器的电容。在区域520中导体A和B之间的电 容是边缘电容。外边界边缘525显示这样的点在这些点上，两个导 体A和B之间增加的边缘电容可以忽略、例如小于耦合器总电容的 0. 1%。
平行板电容和边缘电容的组合提供了不顾相对于标称位置的偏 差的几乎恒定的耦合电容。恒定的耦合电容提供了健壮的耦合，即使 各导体没有被对准。因此，两个导体可以在其互电容耦合系数没有明 显变化的情况下在x和y方向上彼此相对移动。
只要两个导体具有这样的长度、使得没有千扰特征、例如任一导 体的末端或任一导体的弯曲部分落在导体的重叠区域510或边缘区域 520中、从而极大地扰乱了平行板和边缘电容，则在x、 y平移的条件 下这种恒定的耦合系数特性就能保持。但若存在干扰特征，耦合器可 以仍旧起作用，但耦合系数可能明显地变化，性能可能下降。
若两个导体之间的垂直分隔距离d增加，则图5中区域510的平
行板部分的贡献将随l/d而减小。但是，图5的区域520的边缘电容 可以贡献所述各导体之间总耦合电容的25%。边缘电容区域中导体的 表面元件之间的距离既决定于导体分隔距离d又决定于选择的角410。边缘电容贡献按照明显地小于1/d的比率改变。因此，图5中所示的 间隔距离d并相对地旋转所选的角410的导体A和B之间的耦合系数 的变化率明显地小于图1和2中所示的具有宽边或边缘配置的耦合器 之间的变化率，在图1和2中所示的耦合器中几乎所有的耦合电容都 呈现1/d的相关性。
可以通过在耦合器区域的固定长度内使用多个交叉耦合器段来 增加耦合系数，如图6A所示。参照图6A，导体A由平面上多个连接
移。第二个以类似的方式分段的导体B通过电介质与导体A隔开预 定的距离，其各段位于与导体A平行的平面上并被这样排列、使得其 各段的角位移处在相对于导体A的对应段的相反的指向、以形成图6A 中所示的锯齿形结构。导体A和导体B的结构处在其标称位置时其 纵轴在同一直线上，如图6A所示。(或者， 一个导体可以具有锯齿形 的几何形状，而另一个导体可以具有直线形的几何形状。此替代的实 施例显示于图6B中，图6B示出具有一个直导体A并具有另一个以锯 齿形几何形状分段的导体B的耦合器。)
通过在每单位长度上提供若干平行板电容区域61Q和边缘电容区 域620,图6A中所示的几何结构增加了耦合导体A和B之间可用的电 容耦合系数，同时保留了图5中所示耦合器的对齐不敏感特性。
除了电容耦合系数外，所述耦合器还具有电感耦合系数，后者是 从导体和每个导体的自感之间的互感推出的。互感描述从一个导体到 另一个导体以磁的方式传递的能量。例如，流经一个导体的时变电流 将产生时变磁场，所述时变磁场导致电流流经另一个导体。自感描述 当电流流经一个导体并产生磁场时所存储的能量。
电感耦合系数是导体之间的互感与每一单独导体的自感的几何 平均值的比值，它也与导体之间的几何平均距离成比例。互感与耦合 器导体的长度成比例。具有给定的几何形状的结构的电容和电感参数 由所述结构的材料性质所决定。因此， 一旦设计了具有适合几何形状的结构以获得所需的 一组电 容参数后，电感参数也^皮确定了。
电容和电感耦合特性的交互作用有特殊的意义，特别是在较高的 频率下。所述交互作用产生耦合器的方向性。通过将耦合器的长度控 制为所需低频端波长的最佳的几分之几，来确定最佳频率范围内耦合 器接收导体上前向和反向的能流的相对值(方向性)。例如，1厘米的
长度将在400兆赫(MHz)到3吉赫(GHz)的范围内产生大约3dB方向性。
只要两个导体的相邻边缘之间的距离大于给定距离，图6A中所 示耦合器的耦合系数大小将在导体A和B的相对x和y位移的大范围 内保留基本上不变。在图7中所示的限制情况下，当x、 y位移足够 大、使得导体A和B的相邻边缘710和720互相很接近时，耦合系数 将开始增大。因此，让耦合系数保持基本上保持不变的x、 y位移的 范围受控于合理选择段长度(例如0.125厘米)及位移角度(例如35 度)。此外，通过选择适当的导体宽度、导体间隔和段数目的值，可 以获得一系列耦合系数。
例如，图8显示包括5密耳宽的导体的耦合器的电容耦合系数的 计算的变化值。图8中x和y尺寸偏移最大达8密耳。在此范围内， 电容耦合系数的变化小于平均值的+/-2%。
图9显示在z轴方向上耦合器导体之间的间隔距离的变化的情况 下电容耦合系数的计算的变化值。它表明对于导体之间间隔的 +/-30°/。的改变，电容耦合系数的变化小于+/-15%。这与基于图1和2 中显示的几何形状的平朽-板的形成对比，基于图1和2中显示的几何 形状的平行板显示在相同的导体间隔范围内，有+40/-30%的变化。
除了图6A中所示几何结构耦合系数的稳定性外，在耦合器结构 中还可利用几种替代几^f可结构。这些替代的几何结构可以咸少远场电 磁辐射、提高耦合器宽带特性，减少阻抗不连续性并允许使用替代材 料以改善性能和灵活性。电磁耦合器的替代几何结构的一个实施例示于图IOA。参照图
IOA，所述电磁耦合器包括差分导体对1010和1012。导体1010耦合 到第二导体1014,而导体1012耦合到第二导体1016。笫一基准面1019 置于第一组导体1010、 1012的下面，作为这些传输线的返回导体。 第二基准面1020置于第二组导体1014和1016的上面，作为传输线 1014和1016的返回导体。第一导体1010和1012的末端1010B和1012B 以匹配的终端电阻器1024和1026终止。所述第二组导体的末端1014B 和1016B也用匹配的电阻器1028和1030终止。
差分数字信号加到第一导体的末端1010A和1012A，然后在导体 末端组1014A和1016A上观察作为结果的差分耦合信号。相反地，差 分数字信号加到第二导体的末端1014A和1016A,然后在导体末端组 1010A和1012A上观察作为结果的差分耦合信号。这样，所述第一和 第二组导体通过其电磁场互易地耦合。耦合器的对准不敏感性通过减 小了由导体1010和1014构成的耦合器和由导体1012和1016构成的 耦合器之间的失配而有助于差分信令。
图10A中所示的差分耦合器减小了辐射效应。利用差分信令，在 反相电流在差分导体对中流动的情况下，使辐射随着离开差分对的距 离的增加而迅速地下降到零。因此，与单端实现方案相比，耦合器的 差分信令方案提供较低电平的远场电磁辐射。除了所述差分实施例 外，耦合器还可用于单端实现方案中，其中单一的导体电磁耦合到单 一的导体，如图6A所示。
此外，通过为耦合器选择偶数个导体段(例如八个段)，可以进一 步减小远场辐射效应。与利用奇数个导体段的实现方案相比，这提供 潜在的较低的远场电磁辐射电平。
图10A的耦合差分信号的结构具有差分导体对，所述差分导体对 交替地互相靠近、然后分开。因为第二传输结构的导体1014和1016 的各段具有与导体1010和1012分别相同并且相反的角位移，所以，这种结构减小了由来自导体X、 Y变化的不对准引起的导体1010和 1016以及导体1012和1014之间的电容性串扰效应。
图IOB显示图10A实施例的替代的几何结构。在图10B中，差分 导体对1010和1012具有分段的、角旋转的结构。所述导体对的一个 导体的每个段具有这样的角位移、使得所述段平行于所述导体对的另 一导体的对应段。这产生这样的差分导体对这些导体在整个耦合器 长度范围内保持互相平行的位置。在这种配置中，第二传输结构的导 体1014和1016的各段具有分别与导体1010和1012的相同而相反的 角位移，同时也保持导体1014和1016的对应的段互相平行。但是， 图IOB的所述替代的实施例比图10A的实施例对于电容性串扰有较高 的敏感度。
在一个实施例中，耦合器^皮设计成避免阻抗不连续性或电磁场结 构的改变，其方法是不使用多个印刷电路板(PCB)层之间的连接并 且避免急转(直角)的弯曲。(但在一替代实施例中，可以将耦合器设 计为具有不连续性或场结构的改变。)通过将弯曲处的外边缘轻微倒 角以保持导体宽度在整个弯曲部位都近乎不变，来进一步减小耦合器 段之间小角弯曲的不连续性效应。
图11A表示数字总线通信系统中包括多个耦合器的系统实施例的 电特性。导体1112(例如，它可能在计算机的母板上)包括沿其长度方 向的两个或两个以上的耦合器1140、 1141。母板上导体1112的末端 1112A连接到收发信器1110,以允许按双向方式传送或接收数字信号。 母板上导体1112的末端1112B的终端是等于该导体阻抗的电阻器 1136。
每个耦合的导体的末端1114B和1134B的终端是用于高频操作的 匹配的电阻器1130、 1132,因为信号的方向性的缘古丈，选择末端1114B 和1134B为离母板收发信器1110最远的末端。每个子卡具有分别连 接到耦合导体1114A、 1134A末端的收发信器1120、 1122。收发信器 1110发送数字数据，该数字数据通过耦合器1140、 1141被子卡收发信器1120、 1122接收。相反地，收发信器1120、 1122可以单独地通 过耦合器1140、 1141发送数据，用于在收发信器1110处接收和解码。 图IIB显示用于总线通信系统的差分方式的多个耦合器。
所述实施例包括诸如总线1112的数据通道，所述数据通道具有 大体上均匀的电气特性，用以在通过该数据通道耦合的各装置之间传 送信号。所述均匀的电气特性由一电磁耦合方案支持，所述方案使得 可以在不显著增加可归因于传输线影响的噪声的情况下使用高频信 令。这是通过确保只有少量能量(例如少于1%)在总线和耦合的子卡之 间传送来达到的。所述系统的一个优选实施例以这样的方式构成、即、 包括装置1120和1122的子卡可以在对总线通信带宽几乎影响的情况 下/人系统拆下或插入系统中。
图12A显示图IOA耦合器的截面实施例，显示的是导体相交处的 点。差分导电信号迹线对1230A和1230B与另一差分导电信号迹线对 1236A和1236B耦合。电介质1212将导电信号迹线1230A和1230B分 开。电介质1220将导电信号迹线1236A和1236B分开。电介质1216 将所述各差分对分开。导电基准面1210和1222为导电信号迹线提供 返回路径。可以以计算机母板的整体的一部分的形式来构造所述耦合 器。可以使用传统的刻蚀技术在电介质片1216的表面上构造具有所 选宽度(例如5密耳)和厚度(例如1. 4密耳)的耦合器传导组件1230A、 1230B、 1236A、 1236B。介质片1216可以具有优选的厚度(例如3. 5 密耳)和介电常数(例如4. 5)。增加具有优选的厚度(例如12密耳)和 介电常数的附加电介质层1212和1220，以便在耦合器元件1U0A、 1230B、 1236A、 1236B和外导电基准面1210、 1222之间提供所需的间 隔。然后，可以使用传统的阻抗控制电连接器来将母板耦合导体的末 端连接线连接到子卡，这是目前的一贯做法。
通过在上导电基准面和下导电基准面1210和1222之间设置耦合 器的交叉耦合导体(如图12A所示)，就形成了双带状线结构。带状线 结构具有与奇模式传播速度(在耦合器的各个导体之间波传播模式的速度)相同的偶模式传播速度(在各导体和基准面之间的波传播模式 的速度)。这导致了宽带特性，允许耦合器工作在达到微波区的频率。 或者，耦合器可以包括微带基准面、共面基准面，或完全没有基
准面。 一个替代实施例示于图12B中，它显示在电介质々某介中分隔的 两对导体1230和1236，没有基准面。这种结构将形成电磁耦合器, 但它特别不适合于阻抗控制或宽带特性。
图12C示出一种耦合器的微带配置，它具有以单一基准面1222 为基准的两对导体1230A、 1230B和1236A、 1236B。此微带实施例比 图12B的实施例改善了阻抗和带宽特性。或者，可以构造图12D的共 面波导结构，它具有在与对应的导电信号传输线1230A、 1230B及 1236A、 12 36B相同的平面中的基准导体1210和1222。
图12A至12D中的电介质可以是任何电介质材料，如空气或FR4。 通过选择具有相似介电常数的电介质材料，可以改善带宽。在图 至12D中，导体1230A和1230B可以具有不同于导体1236A和1"6B 的宽度。并且，电介质1212可以具有与电介质1220不同的厚度。
图IOA耦合器的可分离实施例示范于图13的截面图中。在此实 施例中，在印刷电路板的外层1360构成具有例如8密耳的宽度和例 如2.1密耳的厚度的母板导体1336A和1336B。子板导体1330A和 1330B被包含在柔性线路1350中，所述柔性线路被压在母板表面上。 导体1330A和1330B可以具有(例如)IO密耳宽和0.7密耳厚。在图 13中，导电基准面1322是内部电源或地电位平面，如在印刷电路母 板中常用的那样。具有优选的厚度和介电常数(例如分别为5密耳和 4. 5)的电介质层1320被用来在母板导电信号迹线1336A、 1336B和导 电基准面1322之间提供正确的间隔。
印刷电路板的外表面可以涂以薄的电介质涂层或焊料掩膜1^8, 虽然这对于耦合器的工作不是必不可少的。耦合器的子卡部分配备有 导电基准面1310,所迷导电基准面附加在柔性电介质1312的顶面， 具有优选的厚度(例如2密耳)和介电常数(例如4. 5)。在柔性电介质1312的下表面构成子卡导电信号迹线1 330A、 1330B。电介质粘合剂 1314用来粘附具有优选的厚度(例如0. 5密耳)和介电常数(例如3. 8) 的电介质或覆盖层薄膜1316。通过在计入电介质涂层1318和空隙 1340的预期的制造偏差以及耦合器几何形状和材料方面的其他变化 的同时选择电介质1316的最佳厚度和介电常数来获得所需的耦合系 数。
如上所述，虽然图13显示的是双带状线实施例，但也可使用微 带实施例、共面实施例或没有基准面的实施例的替代实施例。另外， 导体1330A和1330B的宽度可以不同于导体1336A和13MB的宽度。 并且，电介质1312可以具有与电介质1 320不同的厚度。 图14显示与图13的截面正交的平面中的一见图。子卡1355的柔 性线路1350被折成圓环，信号导体1330A和1330B的纵轴沿所述环 的圆周。导电信号迹线1330A和1330B的末端连^t矣到子卡1355两个 外面上的导电的刻蚀部分(etches),以便连接到安装在子卡1"5上
的收发信器和终端电阻器。
然后，所述环路被这样压在母板1365的顶面上、使得每个母板 导体1336A和1 336B的纵轴平行于对应的耦合弯曲电路导体并以所需 的靠近程度靠近所述对应的耦合弯曲电路导体。借助于机械装置来调 整柔性印刷电路的长度和子卡的垂直位置、使得对于为确保电容和电 感耦合系数落于所需的值范围之内而选择的长度L、母板导体以所需 的靠近程度靠近所述弯曲电路导体。长度L可以是(例如)l厘米。
若弯曲带用聚酰亚胺(介电常数=3. 8)制造。而母板用FR4玻璃 环氧树脂(介电常数=4. 5)制造，则在图14的弯曲带实现方案中可 能出现某些带宽减小。这些材料可以从著名的商家如3M或杜邦购到。 若将用介电常数等于或接近聚酰亚胺介电常数的材料(如Rogers R04003或类似的较低介电常数的材料)代替FR4，则可以将所述带宽 减小消除。Rogers R04003可以/人Rogers 7>司获得。在耦合器#1埋在 母板中的实施例中，带宽可能受限于低成本PCB组件中使用的FR4材料的介质损耗。使用具有较低介质损耗的材料(例如Rogers R04003) 再次緩解了这些限制。
图15显示母板柔性印刷线路和顶面之间接触区的细节，它们对 应于图13和14中所描绘的实施例。使母板导体1 336A、 1336B按照 所选的接近距离4矣近弯曲电路导体1330A、 1330B处，建立所述耦合 器。与母板连接的各段位于这样的平面中相邻的各段被以相对于导 体纵轴的交替变化的角位移设置在该平面中。这样设置被以类似的方 式分段的弯曲电路导体、使得其各段的角位移处在与母板中对应段的 相反的方向。因此，合成结构具有如图6A所示的锯齿形的几何形状。
可以按照这些论述来实现本发明的这些和其他实施例，显然，在 不背离本发明广义的精神和范围的前提下，可以对这些论述做出各种
修改和。因此，说明书和附图应被看作是说明性的而不是限制性的， 本发明仅根据权利要求书来估量。
权利要求
1. 一种装置，它包括具有第一几何结构的第一传输结构；以及具有第二几何结构并且与所述第一传输结构形成电磁(EM)耦合器的第二传输结构，所述电磁耦合器具有耦合系数，这样选择所述第一和第二几何结构、使得所述耦合系数在所述第一和第二传输结构的相对位置范围内保持相对地恒定。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于所述相对位置范围在 沿与所述第一和第二传输结构平行的轴上的0和10密耳之间。
3. 如权利要求l所述的装置，其特征在于每个传输结构包括单 一导体。
4. 如权利要求l所述的装置，其特征在于每个传输结构包括至 少一个差分导体对。
5. —种装置，它包括 电路板；在所述电路板上具有第一几何结构的第一导电迹线； 柔性材料.；在所述柔性材料上具有笫二几何结构并且与所述第一导电迹线 构成电磁(EM)耦合器的第二导电迹线；其中这样选择所述第一和第二几何结构、以便降低电磁耦合对所 述笫一和第二导电迹线的相对位置变化的敏感性。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于包括系统模块，所述系 统模块这样连接到所述第 一导电迹线、使得所述系统模块可以通过所 述电磁耦合器向所述第二导电迹线发送信号。
7. 如权利要求5所述的装置，其特征在于包括存储装置，所述存 储装置这样连接到所述第二导电迹线、使得所述存储装置可以通过所 述电磁耦合器向所述第 一导电迹线发送信号。
8. —种装置，它包括 用于发送信号的装置；用于与所述发送装置构成电磁(EM)耦合器的装置； 所述电磁耦合器具有耦合系数，所述系数具有抵抗所述发送装置 和所述构成装置的位置变化的健壮性。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于所述位置变化在沿与所述发送装置和所述构成装置平行的轴上的0和10密耳之间。
10. 如权利要求8所述的装置，其特征在于所述位置变化在沿 与所述发送装置和所述构成装置垂直的轴上的0和2密耳之间。
全文摘要
本发明公开一种电磁(EM)耦合器，它包括具有第一几何结构的第一传输结构和具有第二几何结构并且与第一传输结构形成电磁耦合器的第二传输结构，这样选择所述第一和第二几何结构、以便降低电磁耦合对所述第一和第二传输结构的相对位置的敏感性。
文档编号H05K1/02GK101533943SQ200810190310
公开日2009年9月16日 申请日期2001年10月29日 优先权日2000年11月15日
发明者J·本哈姆, N·马克特卡, R·阿米尔塔拉亚 申请人:英特尔公司