DD239899A1 - HIGH FREQUENCY CONNECTION IN PRINTED CIRCUIT TECHNOLOGY - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzleitung mit vorbestimmtem Wellenwiderstand zum Verbinden elektrischer Baugruppen in gedruckter Schaltungstechnik auf der Basis von doppeltkaschierten Leiterplatten. Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der HF-Leitungen unter Beibehaltung der bewaehrten Fertigungstechnologie. Eine Verbesserung soll dadurch erreicht werden, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, die Uebersprechdaempfung zwischen den Signalleitern und der Wellenwiderstand erhoeht werden. Die Aufgabe wird so geloest, dass einzelne Signalleiter und dazugehoerige einzelne breitere Masseleiter eingesetzt werden, die sich gegenueberliegend angeordnet sind und dazwischen einen Isolierstoff mit einer bestimmten Dielektrizitaetskonstanten aufweisen, wobei der Masseleiterzug mindestens dreimal breiter ist als der Signalleiterzug und beide abwechselnd die Ebene wechseln. Fig. 1The invention relates to a high-frequency line with a predetermined characteristic impedance for connecting electrical assemblies in printed circuit technology based on double-laminated printed circuit boards. The aim of the invention is to improve the RF lines while maintaining the proven manufacturing technology. An improvement is to be achieved by increasing the propagation velocity of a signal, the Übersspäddaempfung between the signal conductors and the characteristic impedance. The object is achieved so that individual signal conductors and associated individual broader ground conductors are used, which are arranged opposite one another and have an insulating material with a specific dielectric constant between them, wherein the ground conductor is at least three times wider than the signal conductor train and both alternately change the plane. Fig. 1
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzleitung mit vorbestimmtem Wellenwiderstand zum Verbinden elektrischer Baugruppen in gedruckter Schaltungstechnik auf der Basis von doppeltkaschierten Leiterplatten, die streifenförmige Leiterzüge enthalten, die sich parallel in vorbestimmten Abständen auf den durch eine Isolierschichtstruktur mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante getrennten Leiterplattenoberflächen erstrecken.The invention relates to a high frequency line with a predetermined characteristic impedance for connecting electrical assemblies in printed circuit technology on the basis of double-laminated printed circuit boards, the strip-shaped conductor tracks extending in parallel at predetermined intervals on the separated by an insulating layer structure with a specific dielectric constant circuit board surfaces.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen 'Characteristic of the known technical solutions'
Für die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen den einzelnen Baugruppen werden in schnellen digitalen Funktionseinheiten üblicherweise gedruckte Leiterzüge von Zwei- und Mehrebenenleiterplatten genutzt. Sollen die dynamischen Signalpegel, die Flankensteilheit und hohe Schaltfrequenzen gesichert werden, so müssen die Leiterzüge die Anforderungen an HF-Leitungen erfüllen, die sich durch einen bestimmten Wellenwiderstand, eine bestimmte Signalausbreitungsgeschwindigkeit und eine hohe Nebensprechdämpfung auszeichnen. Bei sehr schmalen Leiterzügen kommt noch das Einhalten der minimalen Durchgangsdämpfung hinzu.For the production of electrical connections between the individual assemblies, printed circuit traces of two-level and multi-level printed circuit boards are usually used in fast digital functional units. If the dynamic signal levels, edge steepness and high switching frequencies are to be secured, the conductor tracks must meet the requirements for HF lines, which are characterized by a certain characteristic impedance, a certain signal propagation speed and high crosstalk attenuation. For very narrow conductor tracks, it is still necessary to comply with the minimum transmission loss.
Im Fall von sehr dünnen Isolierfolien zwischen der Ebene der Signalleiter und der Ebene des Massepotentials (bzw. Stromversorgungspotentials) sind mit den bekannten Anordnungen nur relativ niedrige Wellenwiderstände bei mäßiger Nebensprechdämpfung und schlechter Ausbreitungsgeschwindigkeit zu erreichen. Eine bekannte Mehrebenenleiterplatte mit dem üblichen Isolierstoff Cevausit (relative Dielektrizitätskonstante εΓ = 5) weist auf den Außenebenen einen Wellenwiderstand von Z0 ~70 Cl und auf den Innenebenen einen Wellenwiderstand von Z0 ~ 40 Ω auf. Die Signalausbreitungsgeschwindigkeit beträgt auf den Leiterzügen der Außenebenen ν = 16cm/nsundauf den Leiterzügen der Innenebenen ν = 13cm/ns. Bei einem üblichen Leiterzugmittenabstand von a = 0,625mm und Leiterzugbreiten von b = 0,2 mm ist die Übersprechdämpfung beim Einsatz von Schottky-TTL- und ECL-Schaltkreisen bereits so klein, daß mit einer gegenseitigen Beeinflussung gerechnet werden muß. Zur Beherrschung der eingekoppelten Störspannungen müssen Beschränkungen in der Parallelführung und in der Länge der Leiterzüge vorgenommen werden, was sich negativ auf die Verdrahtungsdichte auswirkt. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es außerdem von Nachteil, daß die Ebene des Massepotentials (bzw. Stromversorgungspotentials) eine geschlossene Fläche darstellt und für alle darüber befindlichen Leiterzüge wirksam ist. Mit dieser Konstruktion der Leiterplatte ist es z. B. nicht möglich, den Signalleiter und den Masseleiter als Leiterpaar auszuführen. Die aus den niedrigen Wellenwiderständen resultierenden hohen Kapazitätsbeläge C wirken sich nachteilig aus auf die Schaltgeschwindigkeit integrierter Schaltkreise, insbesondere solcher in CMOS-Technik. Aus der OS 2333383, Fig.4, ist es prinzipiell bekannt, abgeschirmte Leiterzüge herzustellen, indem der betreffende Leiterzug in den umliegenden Schichten durch breitere Schirmleiter und seitlich benachbart durch schmalere Schirmleiter in der gleichen Leiterzugebene eingegrenzt ist, wobei alle Schirmleiter galvanisch miteinander verbunden sind und an Nullpotential liegen. Mit dieser Lösung kann die zugrunde liegende Aufgabenstellung nicht erfüllt werden. Das betrifft insbesondere die Erhöhung der Leiterzugdichte, der Signalausbreitungsgeschwindigkeit, des Wellenwiderstandes und der Übersprechdämpfung und die galvanische Trennung der Schirmleiter zum Aufbau von Leiterzugpaaren.In the case of very thin insulating films between the level of the signal conductor and the level of the ground potential (or power supply potential) can be achieved with the known arrangements only relatively low impedance with moderate crosstalk attenuation and poor propagation speed. A known multi-level printed circuit board with the usual insulating material Cevausit (relative dielectric constant ε Γ = 5) has on the outer levels a characteristic impedance of Z 0 ~ 70 Cl and on the inner planes of a characteristic impedance of Z 0 ~ 40 Ω. The signal propagation velocity is on the outer circuit tracks ν = 16cm / nsund on the inner cable tracks ν = 13cm / ns. At a common conductor pitch of a = 0.625mm and Leiterzugbreiten of b = 0.2 mm, the crosstalk attenuation when using Schottky TTL and ECL circuits is already so small that must be expected with a mutual influence. In order to control the injected interference voltages, restrictions must be made in the parallel guidance and in the length of the conductor tracks, which has a negative effect on the wiring density. For certain applications, it is also disadvantageous that the plane of the ground potential (or power supply potential) represents a closed surface and is effective for all overhead conductor tracks. With this construction of the circuit board, it is z. B. not possible to run the signal conductor and the ground conductor as a pair of conductors. The resulting from the low characteristic impedance high capacity pads C adversely affect the switching speed of integrated circuits, especially those in CMOS technology. From OS 2333383, Figure 4, it is known in principle to produce shielded conductor tracks by the relevant conductor is bounded in the surrounding layers by wider shielding conductor and laterally adjacent by narrower shielding conductor in the same Leiterzugebene, all shielding conductors are electrically connected to each other and are at zero potential. With this solution, the underlying task can not be fulfilled. This applies in particular to the increase in the conductor density, the signal propagation speed, the characteristic impedance and the crosstalk attenuation and the galvanic separation of the shielding conductor for the construction of Leiterzugpaaren.
Es ist Ziel der Erfindung, unter Beibehaltung der bisherigen Fsrtigungstechnologie verbesserte HF-Leitungen in Streifenleitertechnik vorzuschlagen.It is the object of the invention to propose improved HF lines in stripline technology, while maintaining the previous embodiment technology.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Leitung anzugeben, bei der die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals sowie der Wellenwiderstand und die Übersprechdämpfung zwischen den Signalleitern erhöht ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Wechsel den Signalleitern Masseleiter auf jeder Leiterebene benachbart und auf der anderen Leiterebene gegenüberliegend angeordnet sind und der Querschnitt eines solchen Masseleiters deutlich größer als der Querschnitt der genannten Signalleiter ist, wobei die Breite des Masseleiters mindestens die dreifache Breite des Signalleiters aufweist, daß die Aufteilung einer Leiterebene in Signalleiter und Masseleiter auf der anderen Leiterebene versetzt und mit den gleichen Abmessungen erfolgt, wobei die Masseleiter untereinander weder auf einer Leiterebene noch mit den Masseleitern der anderen Leiterebene galvanisch verbunden sind, und daß die Isolierschichtstruktur aus einem aufgeschäumten Material besteht. Als Dielektrikum zum Überdecken aller Leiterzüge und zur Herstellung des Isolierstoffes zwischen den Signalleitern und den Masseleitern wird ein aufgeschäumtes Glasfaserlaminat eingesetztes eine relative Dielektrizitätskonstante von The invention has for its object to provide an RF line in which the propagation speed of a signal and the characteristic impedance and the crosstalk attenuation between the signal conductors is increased. According to the invention, the object is achieved in that adjacent to the signal conductors ground conductor adjacent to each conductor level and on the other conductor level and the cross section of such a ground conductor is significantly larger than the cross section of said signal conductor, wherein the width of the ground conductor at least three times the width the signal conductor has the fact that the distribution of a conductor level in the signal conductor and ground conductor offset on the other conductor level and with the same dimensions, wherein the ground conductors are electrically connected to each other either on a conductor level or with the ground conductors of the other conductor level, and in that the insulating layer structure of a foamed material. As a dielectric for covering all conductor tracks and for producing the insulating material between the signal conductors and the ground conductors, a foamed glass fiber laminate used is a relative dielectric constant of
1,0<εΓ<5,01.0 <ε Γ <5.0
aufweist. Je nach Aufschäumungsgrad wird eine Dielektrizitätskonstante von ε, = 2,0... 3,0 angestrebt. εΓ = 5,0 bedeutet keine Aufschäumung und entspricht dem Stand der Technik. Durch das aufgeschäumte Dielektrikum ist bei der HF-Leiteranordnung eine verringerte Dielektrizitätskonstante wirksam, die zu verbesserten elektrischen Kennwerten führt und außerdem dem Trend zur Leichtbauweise entgegenkommt.having. Depending on the degree of foaming, a dielectric constant of ε, = 2.0 to 3.0 is desired. ε Γ = 5.0 means no foaming and corresponds to the state of the art. Due to the foamed dielectric, a reduced dielectric constant is effective in the RF conductor arrangement, which leads to improved electrical characteristics and, in addition, accommodates the trend toward lightweight construction.
Die verringerte Dielektrizitätskonstante hat, bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen der HF-Leiteranordnung, einen höheren Wellenwiderstand der Signalleiter und eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit infolge des verringerten Kapazitätsbelages zwischen Signalleiter und Masseleiter zur Folge.The reduced dielectric constant has, with otherwise the same geometrical dimensions of the RF conductor arrangement, a higher characteristic impedance of the signal conductor and a higher propagation speed due to the reduced capacitance between signal conductor and ground conductor result.
Zur Realisierung des aus der ECL-Schaltungstechnik bekannten Differenzsignalübertragungsverfahrens kann es erforderlich ] sein, den Signalleiter doppelt als Paar über dem Massepotentialleiter auszubilden.For the realization of the known from the ECL circuit technology differential signal transmission process, it may be necessary] to make the signal conductor double as a pair to the ground potential conductor.
Eine weitere Verbesserung der Übersprechdämpfung ergibt sich, wenn die Massepotentialleiterzüge dicker ausgebildet sind als die Signalleiterzüge. Dickere Leiterzüge sind beispielsweise durch galvanisches Materialauftragen (partiell über Maskenabdecken) bzw. durch Schleuderverzinnen herstellbar. Die Leiterebenen können auch in einem Mehrfachverbund angeordnet sein.A further improvement of the crosstalk attenuation results when the ground potential conductor tracks are made thicker than the signal conductor tracks. Thicker conductor tracks can be produced, for example, by galvanic material application (partially via masking) or by centrifugal tin plating. The conductor levels can also be arranged in a multiple network.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the drawing show:
Fig. 1 eine erste Ausführung einer zweilagigen HF-Leitung im Querschnitt,1 shows a first embodiment of a two-layer RF line in cross section,
Fig. 2 eine zweite Ausführung gemäß Fig. 1,2 shows a second embodiment according to FIG. 1,
Fig.3 eine dritte Ausführung gemäß Fig. 1,3 shows a third embodiment according to FIG. 1,
Fig. 4 eine Weiterbildung gemäß Fig. 1 mit einer geschlossenen Schirmebene.Fig. 4 shows a development according to FIG. 1 with a closed shield plane.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung von HF-Leitungen 1,2 nach der Erfindung besteht aus Signalleiterzügen der Breite b„ und breiteren Masseleiterzügen der Breite bM; beide stehen sich im Abstand h = 0,4 bis 0,6mm gegenüber, d.h., in Fig. 1 bildender obere Masseleiter 2 und der untere Signalleiter 1 eine HF-Leitung. Die nächste HF-Leitung wird durch die benachbarten Leiterzüge, hier der obere Signalleiter 1 und der untere Masseleiter 2, gebildet, u.s.f. Die Dicke des Dielektrikums bestimmt die geometrischen Verhältnisse in der Schichtfolge. Die Feldausbreitung findet zwischen Signalleiter 1 und Masseleiter 2 statt. Von einer Hochfrequenzanordnung zur anderen findet ein Ebenwechsel der Signalleiter 1 und Masseleiter 2 in der Weise statt, daß in jeweils einer Ebene eine Abfolge von Signalleitern 1 und Masseleitern 2 auftritt. Die Materialdicke der beiden leitenden Ebenen ist gleich groß, im dargestellten Fall dL = 35μηι.The arrangement shown in Figure 1 of RF cables 1.2 according to the invention consists of signal conductor trains of width b "and wider ground traces of width b M ; both are at a distance h = 0.4 to 0.6 mm opposite, ie, in Fig. 1 forming the upper grounding conductor 2 and the lower signal conductor 1 an RF line. The next RF line is formed by the adjacent conductor tracks, here the upper signal conductor 1 and the lower ground conductor 2, etc. The thickness of the dielectric determines the geometric relationships in the layer sequence. Field propagation takes place between signal conductor 1 and ground conductor 2. From one high frequency arrangement to the other, a change of level of the signal conductor 1 and ground conductor 2 takes place in such a way that in each case a sequence of signal conductors 1 and ground conductors 2 occurs. The material thickness of the two conductive planes is the same size, in the case shown d L = 35μηι.
Alle Leiterzüge sind rundherum in das gleiche Dielektrikum (ε, = aufgeschäumt) eingebettet. Die Signalleiter 1 sind schmaler als die Masseleiter 2; ein ausreichendes Verhältnis ist bM § 3 · bs, d. h. bei 0,1 mm breiten Signalleitern 1 müssen die Masseleiter 2 mindestens 0,3 mm breit sein. Die Masseleiterzüge sind auf einer Baugruppe nicht miteinander galvanisch verkoppelt. Die verbesserten elektrischen Kennwerte treten infolge des größeren Abstandes der Signalleiterzüge in einer Ebene, der Zwischenlagerung von Masseleiterzügen zwischen zwei Signalleiterzügen, der versetzt angeordneten Signalleiterzüge in zwei Ebenen und der verringerten effekektiven Dielektrizitätskonstante auf.All conductor tracks are embedded all around in the same dielectric (ε, = foamed). The signal conductors 1 are narrower than the ground conductor 2; a sufficient ratio is b M § 3 · b s , ie for 0.1 mm wide signal conductors 1, the ground conductor 2 must be at least 0.3 mm wide. The ground conductors are not galvanically coupled together on a module. The improved electrical characteristics occur due to the greater distance of the signal conductors in a plane, the intermediate storage of ground conductors between two signal conductor trains, the staggered signal conductors in two levels and the reduced effekektive dielectric constant.
Der Lösungsvorschlag in Fig. 2 entpricht in der Leiterplattenkonstruktion der Lösung in Fig. 1. Anstelle des Einzelleiters der HF-Leitung tritt ein Signalleiterzugpaar in jeder Ebene. Dieses Leiterpaar hat als Gegenpotential wieder einen Massepotentialleiterzug in der gegenüberliegenden Leiterebene. Die Abmessungen des Einzelleiters eines Leiterpaares und der !Masseleiterzüge müssen wieder der UngleichungThe proposed solution in Fig. 2 corresponds in the circuit board construction of the solution in Fig. 1. Instead of the single conductor of the RF line enters a signal pair conductor in each plane. This pair of conductors again has a ground potential conductor in the opposite conductor plane as a counter potential. The dimensions of the single conductor of a pair of conductors and of the grounding conductors must again be inequality
bm δ 3 bs1 bzw.b m δ 3 b s1 or
bmä3bs2 ·b m ä3b s2 ·
genügen. Der Abstand der beiden Signalleiterzuge eines Paares ist auf ein Minimum zu reduzieren. Je besser ein Leiterpaar verkoppelt ist, desto besser ist seine Gleichtaktunterdrückung. Aus der Praxis bekannte Maße sind: Abstand eines Leiterpaares 0,5 mm. Diese Leiterpaaranordnung der HF-Leitung wird vorzugsweise zur Übertragung von schnellen ECL-Signalen über relativsuffice. The distance of the two Signalleiterzuge a pair is to be reduced to a minimum. The better a pair of conductors is coupled, the better is its common-mode rejection. Known from practice dimensions are: Distance of a pair of conductors 0.5 mm. This conductor pair arrangement of the RF line is preferably used for the transmission of fast ECL signals via relative
lange Leitungen eingesetzt. Dabei werden über das Leiterpaar die komplementären ECL-Signale übertragen und von einem Differenzempfänger ausgewertet. Alle HF-Leitungen sind wieder in das aufgeschäumte Dielektrikum eingebettet. Zur weiteren Erhöhung der Übersprechdämpfung zwischen den Signalleiterzügen wird in Fig.3 vorgeschlagen, die Dicke des Leitermaterials der Bezugsebene gegenüber der Dicke der Signalleiter 1 zu vergrößern. Eine meßbare Wirkung tritt bereits bei einer Verdopplung des Leitermaterials der Bezugsebene ein. Im konkreten Fall mit 35/xm dicken Signalleitern 1 bedeutet das 70/um dicke Leitermaterialien für die Masseleiterzüge. Die Art und Weise der Realisierung der dicken Leiterzüge ist beliebig. Benötigt wird ein Verfahren, das die gleiche Leitfähigkeit sichert. Somit kann ein Verfahren zum Auftragen von leitfähigen Schichten auf die Leiterzüge des Bezugspotentials ebenso eingesetzt werden, wie ein Verfahren zum Abtragen von Kupfer boi einem dickeren Ausgangsbasismaterial. Der dickere Leiterzug der Massepotentialebene führt zu einer weiteren Konzentration des Feldes im Dielektrikum im Bereich des Signalleiters 1. Die Abnahme des Streufeldes ist gleichbedeutend mit der Erhöhung der Übersprechdämpfung zwischen den Signalleiterzügen.long lines used. In this case, the complementary ECL signals are transmitted via the pair of conductors and evaluated by a differential receiver. All HF lines are embedded again in the foamed dielectric. In order to further increase the crosstalk attenuation between the signal conductor tracks, it is proposed in FIG. 3 to increase the thickness of the conductor material of the reference plane with respect to the thickness of the signal conductor 1. A measurable effect occurs even with a doubling of the conductor material of the reference plane. In the concrete case with 35 / xm thick signal conductors 1 this means 70 / um thick conductor materials for the ground conductor. The way of implementing the thick conductor tracks is arbitrary. What is needed is a process that ensures the same conductivity. Thus, a method of applying conductive layers to the traces of the reference potential can be used as well as a method of removing copper from a thicker base material. The thicker conductor of the ground potential level leads to a further concentration of the field in the dielectric in the region of the signal conductor 1. The decrease of the stray field is synonymous with the increase of the crosstalk attenuation between the signal conductor trains.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen HF-Leitungen ist es vorgesehen, die geschilderte Leiterplattenkonstruktion an den äußeren Seiten mit flächenhaften Schirmebenen 3 zu versehen, die die Aufgabe eines Gehäuseschirmes haben. In Fig.4 ist dazu nur eine Seite dargestellt. Die äußere Schirmebene 3 ist nicht mit den Masseleitern 2 der HF-Leitungen verbunden. Die äußeren Schirmebenen 3 umhüllen alle HF-Leitungen und sind über einen getrennten Anschluß mit der zentralen Gehäuseerde verbunden. Im Innern kann eine der Ausführungen der HF-Leitungen nach Fig. 1 bis Fig. 3 enthalten sein.In a development of the RF lines according to the invention, it is provided to provide the described printed circuit board construction on the outer sides with planar shielding levels 3, which have the task of a housing screen. In Figure 4 only one page is shown. The outer shield plane 3 is not connected to the ground conductors 2 of the RF lines. The outer shielding levels 3 encase all RF lines and are connected via a separate terminal to the central housing ground. Inside, one of the embodiments of the RF lines according to FIG. 1 to FIG. 3 may be included.
Claims (7)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5357050A (en) * | 1992-11-20 | 1994-10-18 | Ast Research, Inc. | Apparatus and method to reduce electromagnetic emissions in a multi-layer circuit board |
| US5686871A (en) * | 1996-07-12 | 1997-11-11 | Ast Research, Inc. | Method for minimizing radio frequency emissions from plug-in adapter cards in computer systems |
-
1985
- 1985-08-01 DD DD27923785A patent/DD239899A1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5357050A (en) * | 1992-11-20 | 1994-10-18 | Ast Research, Inc. | Apparatus and method to reduce electromagnetic emissions in a multi-layer circuit board |
| US5686871A (en) * | 1996-07-12 | 1997-11-11 | Ast Research, Inc. | Method for minimizing radio frequency emissions from plug-in adapter cards in computer systems |
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