用镍锌铁氧体衬底的新型多层共模滤波器
2004-04-29 20:36:14
来源：《国际电子变压器》2004年5月刊
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用镍锌铁氧体衬底的新型多层共模滤波器
A new multilayered common-mode filter on Ni-Zn ferrite substrate
1引言
目前，通用串行总线USB（Universal Serial Bus）和IEEE1394接口已经用于各种电子设备（诸如个人电脑，数码相机，语音识别等等）之间的信号互联。表1中总结了USB和IEEE 1394接口的数据传输率。图1画出USB和IEEE 1394接口的传输电缆横截面图。因为常模平衡信号传输到一对双绞线时，噪声辐射要小。但是，由于不平衡信号分量，共模信号使电磁噪声大大增加，为了抑制共模噪声，对抑制噪声滤波器已具有强烈的需求。
本文描述了一种新的多层共模滤波器，它可用于在USB和IEEE 1394接口中减少电磁噪声。新研究的滤波器包括镍－锌顶层和底层间的曲折形导体，聚酰亚胺绝缘层以及外层接地片。滤波器起到一个耦合式分布固定（传输）线的作用。
2器件结构和工作原理
2.1器件结构
器件结构如图2所示，其中(a)为顶视图，(b)为截面图。耦合的内部曲线形铝线由顶部和底部镍锌衬底夹住。聚酰亚胺膜作为内部的绝缘。顶部和底部的铝接地片制造在镍锌铁氧体衬底的外表面上。镍锌衬底既具有磁性质又具有绝缘性。因此，铁氧体铁心使杂散电感和杂散电容增大。此外，聚酰亚胺也使杂散电容提高。杂散参数在耦合分布固定（传输）电路的运行中起着重要作用。
2.2工作原理
图3画出器件的等效电路，表示为一个耦合分布的固定（传输）线。同时画出用于平衡模和共模信号的等效电路。图3中的符号汇总在表2中。
在上层和下层曲折导线之间的磁耦合用耦合系数来表示，由于上下都有磁衬底，它升高了。电容C11和电导G11表示了镍锌铁氧体衬底绝缘性能。另一方面，C12和G12仅仅取决于聚酰亚胺薄层和上下曲折导体之间的绝缘性能。
如果G12+jωC12>>G11+jωC11以及ωC12>>G12，则平衡模和共模特性阻抗Zcb和Zcc可近似表示如下：
因此共模特性阻抗Zcc要比平衡模特性阻抗Zcb大很多。平衡模和共模传播常数γcb和γcc给出如下：
式中，αb和αc是衰减系数，βb和βc是相位常数。共模等效串联电阻Rc包括由于磁损耗引起的分量，共模等效电路的并联电导G11包括由镍锌铁氧体衬底的绝缘面产生的分量。共模衰减常数要大于平衡模衰减系数αb。因此共模噪声的抑制是绝对有效的。对传输平衡模信号，器件起低损耗分布式固定传输线的作用。另一方面，对传输共模信号，器件起大损耗分布式固定传输线的作用。
3试验步骤
3.1器件的制造
镍锌铁氧体（由TDK公司制造的M5E型）用作顶部和底部磁衬底。聚酰亚胺膜用预制溶液来制造，曲折形铝线和接地片用真空喷镀法和照相光刻法制造。研制的滤波器的技术性能列于表3中。
3.2特性测试技术
镍锌铁氧体环型试样的复磁导率用测试磁性材料的高频阻抗测试仪(HP4291A)来测量。另一方面，镍锌铁氧体平板试样的复介电常数用相同的测试绝缘材料的测试设备来测量。
平衡模和共模特性阻抗Zcb，Zcc决定于在短路端条件下测得的输入阻抗Zs，和在开路端条件下测得的导纳Yp，Zcb和Zcc用下列公式来计算：
式中Zsc和Ypc用于共模信号测量，而Zsb和Ypb用于平衡模信号测量。
共模和平衡模信号传输特性是用散射矩阵[S]中的传输系数S21和反射系数S11来计算的。
4结果和讨论
4.1磁衬底和聚酰亚胺膜性能
镍锌铁氧体衬底的复磁导率和复介电常数示于图4。虽然磁导率的实部μ′s在300MHz时下降，而磁导率的虚部μ″s 在GHz频带内变大。介电常数的ε″s在GHz频带中增加。因此，在GHz频带中滞和绝缘损耗大，使共模信号衰减大，聚酰亚胺膜的相对介电常数大约为3.5，损耗角（tanδ）为0.01，因此ωC12>>G12。
4.2特性阻抗Zcb，Zcc
图5画出共模和平衡模特性阻抗Zcc，Zcb随频率变化的曲线，由阻抗参数Zsc，Zpc，Zsb和Ypb算出。平衡模特性阻抗Zcb为20至30Ω，而共模特性阻抗Zcc大致为100到200Ω。在平衡模信号接口中，如果驱动器信号源阻抗和接收器的输入阻抗为50Ω，Zcb也应该是50Ω，可以很好地来传输常模平衡信号。Zcb低，对传输常模平衡信号不匹配。
4.3共模和平衡模信号传输特性
图6画出研制的滤波器的传输系数S21和反射系数S11的频率关系曲线。平衡模信号在1－3GHz的范围内衰减很小；共模信号衰减大，尤其在3GHz的范围内衰减33dB。在GHz频带中共模信号衰减大，是由于镍锌铁氧体衬底的磁损耗和绝缘损耗大而引起。但是，如图6所示，平衡模信号的反射系数S11较小，因此滤波器输入端平衡模信号的反射系数可以被忽略。平衡模特性阻抗可以和信号源阻抗匹配。
5结论
已制作了一种利用聚酰亚胺绝缘层在镍锌铁氧体衬片上制造多层共模滤波器。在1GHz的范围内大的磁滞和绝缘损耗能使我们得到一个大的共模衰减。为了改进平衡模信号的传输，在未来将需要优化滤波器设计。
参考文献
IEEE Trans On Maganetics. 2001年 37卷4期200-202页
A new multilayered common-mode filter on Ni-Zn ferrite substrate
1引言
目前，通用串行总线USB（Universal Serial Bus）和IEEE1394接口已经用于各种电子设备（诸如个人电脑，数码相机，语音识别等等）之间的信号互联。表1中总结了USB和IEEE 1394接口的数据传输率。图1画出USB和IEEE 1394接口的传输电缆横截面图。因为常模平衡信号传输到一对双绞线时，噪声辐射要小。但是，由于不平衡信号分量，共模信号使电磁噪声大大增加，为了抑制共模噪声，对抑制噪声滤波器已具有强烈的需求。
本文描述了一种新的多层共模滤波器，它可用于在USB和IEEE 1394接口中减少电磁噪声。新研究的滤波器包括镍－锌顶层和底层间的曲折形导体，聚酰亚胺绝缘层以及外层接地片。滤波器起到一个耦合式分布固定（传输）线的作用。
2器件结构和工作原理
2.1器件结构
器件结构如图2所示，其中(a)为顶视图，(b)为截面图。耦合的内部曲线形铝线由顶部和底部镍锌衬底夹住。聚酰亚胺膜作为内部的绝缘。顶部和底部的铝接地片制造在镍锌铁氧体衬底的外表面上。镍锌衬底既具有磁性质又具有绝缘性。因此，铁氧体铁心使杂散电感和杂散电容增大。此外，聚酰亚胺也使杂散电容提高。杂散参数在耦合分布固定（传输）电路的运行中起着重要作用。
2.2工作原理
图3画出器件的等效电路，表示为一个耦合分布的固定（传输）线。同时画出用于平衡模和共模信号的等效电路。图3中的符号汇总在表2中。
在上层和下层曲折导线之间的磁耦合用耦合系数来表示，由于上下都有磁衬底，它升高了。电容C11和电导G11表示了镍锌铁氧体衬底绝缘性能。另一方面，C12和G12仅仅取决于聚酰亚胺薄层和上下曲折导体之间的绝缘性能。
如果G12+jωC12>>G11+jωC11以及ωC12>>G12，则平衡模和共模特性阻抗Zcb和Zcc可近似表示如下：
因此共模特性阻抗Zcc要比平衡模特性阻抗Zcb大很多。平衡模和共模传播常数γcb和γcc给出如下：
式中，αb和αc是衰减系数，βb和βc是相位常数。共模等效串联电阻Rc包括由于磁损耗引起的分量，共模等效电路的并联电导G11包括由镍锌铁氧体衬底的绝缘面产生的分量。共模衰减常数要大于平衡模衰减系数αb。因此共模噪声的抑制是绝对有效的。对传输平衡模信号，器件起低损耗分布式固定传输线的作用。另一方面，对传输共模信号，器件起大损耗分布式固定传输线的作用。
3试验步骤
3.1器件的制造
镍锌铁氧体（由TDK公司制造的M5E型）用作顶部和底部磁衬底。聚酰亚胺膜用预制溶液来制造，曲折形铝线和接地片用真空喷镀法和照相光刻法制造。研制的滤波器的技术性能列于表3中。
3.2特性测试技术
镍锌铁氧体环型试样的复磁导率用测试磁性材料的高频阻抗测试仪(HP4291A)来测量。另一方面，镍锌铁氧体平板试样的复介电常数用相同的测试绝缘材料的测试设备来测量。
平衡模和共模特性阻抗Zcb，Zcc决定于在短路端条件下测得的输入阻抗Zs，和在开路端条件下测得的导纳Yp，Zcb和Zcc用下列公式来计算：
式中Zsc和Ypc用于共模信号测量，而Zsb和Ypb用于平衡模信号测量。
共模和平衡模信号传输特性是用散射矩阵[S]中的传输系数S21和反射系数S11来计算的。
4结果和讨论
4.1磁衬底和聚酰亚胺膜性能
镍锌铁氧体衬底的复磁导率和复介电常数示于图4。虽然磁导率的实部μ′s在300MHz时下降，而磁导率的虚部μ″s 在GHz频带内变大。介电常数的ε″s在GHz频带中增加。因此，在GHz频带中滞和绝缘损耗大，使共模信号衰减大，聚酰亚胺膜的相对介电常数大约为3.5，损耗角（tanδ）为0.01，因此ωC12>>G12。
4.2特性阻抗Zcb，Zcc
图5画出共模和平衡模特性阻抗Zcc，Zcb随频率变化的曲线，由阻抗参数Zsc，Zpc，Zsb和Ypb算出。平衡模特性阻抗Zcb为20至30Ω，而共模特性阻抗Zcc大致为100到200Ω。在平衡模信号接口中，如果驱动器信号源阻抗和接收器的输入阻抗为50Ω，Zcb也应该是50Ω，可以很好地来传输常模平衡信号。Zcb低，对传输常模平衡信号不匹配。
4.3共模和平衡模信号传输特性
图6画出研制的滤波器的传输系数S21和反射系数S11的频率关系曲线。平衡模信号在1－3GHz的范围内衰减很小；共模信号衰减大，尤其在3GHz的范围内衰减33dB。在GHz频带中共模信号衰减大，是由于镍锌铁氧体衬底的磁损耗和绝缘损耗大而引起。但是，如图6所示，平衡模信号的反射系数S11较小，因此滤波器输入端平衡模信号的反射系数可以被忽略。平衡模特性阻抗可以和信号源阻抗匹配。
5结论
已制作了一种利用聚酰亚胺绝缘层在镍锌铁氧体衬片上制造多层共模滤波器。在1GHz的范围内大的磁滞和绝缘损耗能使我们得到一个大的共模衰减。为了改进平衡模信号的传输，在未来将需要优化滤波器设计。
参考文献
IEEE Trans On Maganetics. 2001年 37卷4期200-202页
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