CN103460616A - 用于短距离毫米波无线互连（m2w2互连）的周期性近场导引器（pnfd） - Google Patents

Abstract

一种耦接到发射器和接收器的用于短距离毫米波无线（M2W2）互连的周期性近场导引器（Periodic near field director）（PNFD），所述短距离毫米波无线（M2W2）互连用于在毫米波频率下发射和接收射频（RF）信号用于在该发射器和接收器之间具有高数据速率能力的短距离通信。周期性近场导引器中的每一个都包括一个或多个周期性耦合结构（PSC），其中该周期性耦合结构包括这样放置的金属带，使得该金属带的纵向尺寸基本垂直于发射器和接收器之间的射频信号的传播方向。周期性耦合结构中的每一个的位置都平行于相邻的周期性耦合结构，并且每个周期性耦合结构之间的间隔距离都在射频信号的一个波长之内。周期性近场导引器可以包括彼此耦接的第一和第二周期性近场导引器，用于发射和接收该第一和第二周期性近场导引器之间的射频信号，其中在该第一和第二周期性近场导引器之间存在空气间隙。

Description

用于短距离毫米波无线互连(M2W2互连)的周期性近场导引器(PNFD)

相关申请的交叉引用

本申请35U.S.C第119（e）条要求由Mau-Chung F.Chang和Sai-Wang Tam于2010年12月17日提交的、标题为“PERIODIC NEAR FIELD DIRECTORS(PNFD)FOR SHORT-RANGE MILLI-METER-WAVE-WIRELESS-INTERCONNECT(M2W2-INTERCONNECT)”的、代理人案号为30435.220-US-P1（2010-728-1）的共同未决和共同转让的美国临时专利申请序列No.61/424,554的权益，该申请通过引用合并于此。

本申请涉及由Sai-Wang Tam和Mau-Chung F.Chang于2011年12月8日提交的、标题为“MILLI-METER-WAVE-WIRELESS-INTERCONNECT(M2W2-INTERCONNECT)METHOD FOR SHORT-RANGECOMMUNICATIONS WITH ULTRA-HIGH DATA RATE CAPABILITY”的、代理人案号为30435.209-US-WO（2009-445-2）的共同未决和共同转让的美国实用新型申请No.13/377,124，该申请根据35U.S.C第371条是由Sai-WangTam和Mau-Chung F.Chang于2010年6月9日提交的、标题为“MILLI-METER-WAVE-WIRELESS-INTERCONNECT(M2W2-INTERCONNECT)METHOD FOR SHORT-RANGE COMMUNICATIONSWITH ULTRA-HIGH DATA RATE CAPABILITY”的、代理人案号为30435.209-WO-U1（2009-445-2）的共同未决和共同转让的P.C.T国际申请No.PCT/US2010/038033的国家阶段，并根据35U.S.C第365（c）条要求该P.C.T国际申请的权益，该P.C.T国际申请根据35U.S.C第119（e）条要求由Sai-WangTam和Mau-Chung F.Chang于2009年6月10日提交的、标题为“MILLI-METER-WAVE-WIRELESS-INTERCONNECT(M2W2-INTERCONNECT)METHOD FOR SHORT-RANGE COMMUNICATIONSWITH ULTRA-HIGH DATA RATE CAPABILITY”的、代理人案号为30435.209-US-P1（2009-445-1）的共同未决和共同转让的美国临时专利申请序列No.61/185,946的权益，该临时专利申请通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及短距离毫米波无线（M2W2）互连的周期性近场导引器（PNFD）。

背景技术

在上面提出的并通过引用合并于此的交叉引用的相关申请（申请序列No.13/377,124、PCT/US2010/038033和61/185,946）中描述的工作中，片上天线被用于短距离通信中的无线数据传输。然而，由于有损的硅衬底（lossy siliconsubstrate），片上天线的辐射效率非常低，并且随后跨越5mm空气间隙的信道损耗可高达60dB。这种严重的信道损耗显著地收紧整体链路预算，并进一步增加设计高功率效率M2W2收发器架构的难度。

因此，在本领域中需要一种无线数据传输的改进方法。本发明满足了此需要。

发明内容

为了克服上述现有技术中的局限性，并克服在阅读和理解本说明书后将变得明显的其他的局限性，本发明公开一种耦接到发射器和接收器的用于短距离毫米波无线（M2W2）互连的周期性近场导引器（Periodic near fielddirector）（PNFD），所述短距离毫米波无线（M2W2）互连用于在毫米波频率下发射和接收射频（RF）信号用于在该发射器和接收器之间具有高数据速率能力的短距离通信。周期性近场导引器中的每一个都包括一个或多个周期性耦合结构（PSC），其中该周期性耦合结构包括这样放置的金属带，使得该金属带的纵向尺寸基本垂直于发射器和接收器之间的射频信号的传播方向。周期性耦合结构中的每一个的位置都平行于相邻的周期性耦合结构，并且每个周期性耦合结构之间的间隔距离都在射频信号的一个波长之内。周期性近场导引器可以包括彼此耦接的第一和第二周期性近场导引器，用于发射和接收该第一和第二周期性近场导引器之间的射频信号，其中在该第一和第二周期性近场导引器之间存在空气间隙。

附图说明

现在参考附图，其中相同的参考标号始终代表对应的部件：

图1A是毫米波无线互连（M2W2互连）的示意图。

图1B是根据本发明的一个实施例的使用周期性近场导引器（PNFD）的毫米波无线互连的示意图。

图1C是根据本发明的一个实施例的使用两个周期性近场导引器并且在两个周期性近场导引器之间存在空气间隙的毫米波无线互连的示意图。

图2A、2B和2C示出根据本发明的一个实施例的使用周期性近场导引器的毫米波无线互连的3维（3D）仿真模型。

图3是示出具有与图2A、2B和2C的3D仿真模型相同尺寸的周期性近场导引器的测量结果的频率（GHz）对信道损耗（dB）曲线图。

图4是根据本发明的一个实施例的5×5阵列的具有不同的周期性耦合结构尺寸和几何形状的周期性近场导引器的微观照片。

图5A是根据本发明的一个实施例的高速隔离器的演示板照片。

图5B是示出演示板中使用的发射器（TX）芯片、周期性近场导引器和接收器（RX）芯片的图5A的放大图。

图6A是在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板中使用的发射器（TX）芯片的微观照片。

图6B是在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板中使用的接收器（RX）芯片的微观照片。

图7示出测得的图5A和5B的高速隔离器应用的演示板的5.7Gbit/s眼图。

图8是示出测得的用于图5A和5B的高速隔离器应用的演示板的BER的数据速率（Gbps）对BER（误比特率）的曲线图。

图9示出在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板中使用的RX芯片上的5Gbit/s2⁷-1PRBS（伪随机二进制序列）波形。

图10示出在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板的RX芯片处测得的5Gbit/s2⁷-1PRBS波形的眼图。

图11是示出在BER<10^-10的情况下的最大无线连接器数据速率的间隔距离（mm）对数据速率（Gbps）的曲线图。

具体实施方式

在优选实施例的下列描述中，对形成本发明的一部分的附图进行参考，在这些附图中，通过说明的方式示出可以实现本发明的具体实施例。应该理解的是，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下对结构进行改变。

概述

本发明描述一种用于短距离毫米波无线（M2W2）互连的周期性近场导引器（PNFD），其中PNFD显著地减少用于短距离无线通信的毫米波频率的信道损耗，这使能具有高数据速率能力的高功率效率M2W2互连技术。在一个实施例中，本发明的PNFD被用于超短距离（小于10厘米）片到片或板到板的千兆位级通信。

毫米波无线互连（M2W2互连）

如在上面提出的并通过引用合并于此的交叉引用的相关申请中描述的（申请序列No.13/377,124、PCT/US2010/038033和61/185,946），并如图1A的示意图中所示一般的毫米波无线互连（M2W2互连）与传统的有损且具有较差机械性能的高速板到板连接器相比，可以在没有任何物理接触的情况下通过空气使用射频（RF）信号进行非常短距离的数据传送。通常，M2W2互连利用片上天线通过开放的空气信道（open air channel）来接收或发射RF信号。

不幸的是，由于有损的硅衬底，片上天线的辐射效率非常低，通常小于5％。根据测量结果，跨越5mm空气间隙的信道损耗可高达60dB。这种严重的信道损耗显著地收紧整体链路预算，并进一步增加设计高功率高效率M2W2收发器架构的难度。

考虑图1A的单信道无线M2W2互连100，其将包括发射器的第一芯片（芯片1）102耦接到包括接收器的第二芯片（芯片2）104，其中该第一芯片102以短距离或长度106与第二芯片104物理分离。异步调制和差分信号（differential signaling）被用于相同或不同的印刷电路板（PCB）上的集成电路（IC）芯片或裸片（die）102和104之间的通信。

第一芯片102包括用于生成射频（RF）载波信号的压控振荡器（VCO）108，以及用于使用包括输入数据流的数据输入信号（data-in signal）112调制RF载波信号的发射器（TX）110，其中然后将调制的RF载波信号馈入辐射调制的RF载波信号的片上差分偶极天线114（尽管还可以使用键合线偶极天线（bond-wire dipole antenna））。

第二芯片104包括用于接收辐射的RF载波信号的片上差分偶极天线116，然后将该RF载波信号馈入低噪放大器（LNA）118，以生成放大的RF载波信号。放大的RF载波信号通过在自混频器120处通过将放大的RF载波信号与其自身122自混频以生成基带信号的解调来进行转换。基带信号通过基带放大器124放大以生成包括作为全摆幅数字信号的输出数据流的数据输出信号（data-out signal）126。

发射器110进行ASK调制，这是一种异步调制方案，使用一对通断开关用数据输入信号112直接调制RF载波信号。然后，发射器110的输出不经过进一步放大，馈入天线114。

与例如二进制相移键控（BPSK）的其他的同步调制方案不同，异步ASK调制系统中的接收器仅检测RF载波信号的幅度改变，而不检测RF载波信号的相位改变或频率变化。因此，接收器可以在没有耗电锁相环（PLL）的情况下异步工作。

ASK调制还在不需要附加组件的情况下通过使用差分电路架构和差分互混技术（differential-mutual-mixing technique）来自动除去RF载波信号以消除在接收器处的RF载波信号再生的需要。因此，M2W2互连不会受到发射（Tx）和接收（Rx）功能之间过程引起的载波变化的影响。

差分偶极天线114能够提高输入阻抗，这可以提供发射器110的ASK调制和天线114之间更好的功率匹配。此外，这种使用片上天线114的设计消除拥有任何在毫米波频率中操作的封装和静电放电（ESD）保护电路的需要。

使用PNFD结构的M2W2互连

为了改善图1A的M2W2互连100的性能，本发明在M2W2互连中包括一个或多个PNFD，其中PNFD提供场耦接以显著地减少信道损耗。

在原理上说，有两种类型的耦接，即近场耦接的耦接和远场耦接。近场耦接的范围通常在一个波长之内。在毫米波频率中，一个波长大约是几个毫米，因此，近场耦接的范围非常有限。并且，大多数近场耦接是各向同性的，这意味着在耦接方向性和隔离方面性能较差。在许多应用中，例如M2W2，相邻收发器之间良好的隔离是实现高带宽密度的关键。

图1B示出使用PNFD结构的M2W2互连，其包括一对毫米波收发器和PNFD结构。具体地，图1B是与图1A相同但具有位于芯片1102和芯片2104之间的片外PNFD128的单信道无线M2W2互连的示意图。

PNFD128包括一个或多个周期性耦合结构（PSC）130（也被称为周期性导向结构或周期性导引器结构），其包括这样放置的金属带，使得所述金属带的纵向尺寸基本垂直于芯片1102和芯片2104之间的RF信号传播方向。此外，PSC130的位置平行于相邻的PSC130，并且每个PSC130之间的间隔距离132都在发射的RF信号的一个波长之内（即，小于或等于发射的RF信号的一个波长）。

PNFD128不但可以有效延长相邻收发器之间的耦接范围，而且它还能实现相邻收发器之间良好的隔离。PNFD128的基本构思是利用PSC130中的近场耦接。只要PNDF128中每个PSC130之间的间隔距离132在一个波长之内，两个连续的PSC132之间的耦接就保持较强，并且近场耦接可以以级联方式有效地延长。

注意图1B仅仅是说明性的，不是按比例绘制的，并不意味着任何意义上的限制。PNFD128和PSC130可以包括与示出的尺寸、结构和位置不同的尺寸、结构和位置。此外，PNFD128和PSC130可以包括各种组件（composition），并且可以使用任意数量的公知制造技术制造。

如图1C中所示，本发明的PNFD构思可以通过在两个PNFD128a、128b之间插入空气间隙134以进一步延长通信距离来进一步扩展。在这种情况下，芯片1102首先生成调制的RF信号，片上天线114将该信号通过近场耦接耦接到第一PNFD128a。只要两个PNFD128a、128b之间的空气间隙134的间隔在近场耦接的范围之内，芯片1102的PNFD128a就仍然能够有效地将调制的RF信号耦接到芯片2104的PNFD128b，该PNFD128b随后将调制的RF信号耦接到芯片2104的片上天线116。

这个构思有效地除去对有损毫米波封装的需要，并降低整体M2W2互连的复杂度。

PNFD仿真模型

图2A、2B和2C示出在被称为HFSS^TM的用于3维全波电磁（EM）场仿真的仿真工具中开发的本发明的3维（3D）仿真模型。在此模型中，PNFD200包括4.5mm×2mm Roger^TM印刷电路板（PCB）202，其中介电常数ε=4.2。PSC204放置在Roger^TMPCB202的上面，该PSC204的长度为1.2mm，并且连续的PSC204之间的间隔距离为1.125mm。此外，两个具有片上偶极天线210、212的硅衬底或芯片206、208放置在Roger板202的每一端上，其中Roger^TMPCB202的厚度或高度为0.5mm，两个硅衬底或芯片206、208的厚度或高度为0.7mm，天线210、212的长度为0.9mm。在此模型中，仿真的信道损耗约-30dB，如图3所述。

图3是示出具有与图2A、2B和2C的HFSS仿真模型相同尺寸的PNFD的测量结果的频率（GHz）对信道损耗（dB）曲线图。蓝色（粗线）曲线300代表没有PSC的PNFD，测得的跨越5mm间隔的信道损耗约为-50dB。红色（细线）曲线302代表具有PSC的PNFD，测得的跨越5mm间隔的信道损耗约为-30dB。根据这些测量结果，PNFD能够将信道损耗改善约20dB，这显著地放宽M2W2互连的链路预算。

实验结果

已设计、制造了用于短距离通信的M2W2互连方法的PNFD，并通过测量结果得到验证。这些实现方式已经使用65纳米商业CMOS工艺和Roger^TM印刷电路板（PCB）实现。

在一个示例中，为了演示PNFD的构思，设计并在Roger^TMPCB上实现了5×5阵列的具有不同尺寸和几何形状的PSC的PNFD，其在图4的微观照片中示出。

在另一个示例中，在演示板上实现了具有PNFD的高速M2W2互连以图示本发明的高速隔离器应用。该高速M2W2互连包括具有片上天线的ASK发射器，Roger^TMPCB上的5mm PNFD以及具有片上天线的ASK接收器。图5A是高速隔离器的演示板的照片。图5B是示出演示板中使用的发射器（TX）芯片500、PNFD（中间）502和接收器（RX）芯片504的图5A的放大视图。

图6A是在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板中使用的发射器（TX）芯片的微观照片。

图6B是在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板中使用的接收器（RX）芯片的微观照片。

图7示出测得的图5A和5B的高速隔离器应用的演示板的5.7Gbit/s眼图。

图8是示出测得的用于图5A和5B的高速隔离器应用的演示板的BER的数据速率（Gbps）对BER（误比特率）的曲线图。

图9示出在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板中使用的RX芯片上的5Gbit/s2⁷-1PRBS（伪随机二进制序列）波形。

图10示出在图5A和5B的高速隔离器应用的演示板的RX芯片处测得的5Gbit/s2⁷-1PRBS波形的眼图。

图11是示出在BER<10^-10的情况下最大无线连接器数据速率的间隔距离（mm）对数据速率（Gbps）的曲线图。

本发明的优点

本发明提供以下优点：

●低信道损耗：

○PNFD将信道损耗改善约20dB，其显著地放宽M2W2互连的链路预算。

●良好的隔离：

○PNFD增加相邻信道之间的隔离度高达20dB。

●超宽带：

○PNFD的带宽非常宽（跨10GHz）。

●简单的封装：

○这个构思有效地除去有损毫米波封装问题，并降低整个系统的复杂度。

●高数据速率：

○通过多个信道同时发送，在未来数据速率可能高达数十Gbps。

●低功率：

○相比传统光隔离器，基于M2W2的隔离器能够仅消耗约三分之一的功率。

●可扩展性：

○随着CMOS技术的继续扩展（scaling），更多的信道将可用。

具有PNFD的高速M2W2互连可应用于超高速高压隔离器，如混合动力汽车、智能电表、光隔离器的代替物等。此技术也适用于高速非接触式连接器。

结论

这总结本发明的优选实施例的描述。为了说明和描述的目的，呈现了本发明的一个或多个实施例上述描述。不意图穷举或将本发明限制为公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。本发明的范围旨在不受这些详细描述的限制，而受所附于此的权利要求的限制。

Claims (16)

1.一种用于在指定频率下发射和接收信号的用于具有高数据速率能力的短距离通信的无线互连，包括：

一个或多个周期性近场导引器（PNFD），其耦接到发射器和接收器用于短距离毫米波无线（M2W2）互连，所述短距离毫米波无线（M2W2）互连用于在毫米波频率下发射和接收射频（RF）信号用于在所述发射器和接收器之间具有高数据速率能力的短距离通信。

2.如权利要求1所述的无线互连，其中所述周期性近场导引器中的每一个都包括一个或多个周期性耦合结构（PSC）。

3.如权利要求2所述的无线互连，其中所述周期性耦合结构包括这样放置金属带，使得所述金属带的纵向尺寸基本垂直于所述发射器和接收器之间的射频信号的传播方向。

4.如权利要求2所述的无线互连，其中所述周期性耦合结构中的每一个的位置都平行于相邻的周期性耦合结构，并且每个周期性耦合结构之间的间隔距离都在所述射频信号的一个波长之内。

5.如权利要求1所述的无线互连，其中所述周期性近场导引器包括彼此耦接的第一和第二周期性近场导引器，用于发射和接收所述第一和第二周期性近场导引器之间的射频信号。

6.如权利要求5所述的无线互连，其中在所述第一和第二周期性近场导引器之间存在空气间隙。

7.如权利要求1所述的无线互连，其中：

所述发射器对具有输入数据流的载波信号进行调制，其中所述调制的载波信号随后被馈入辐射所述调制的载波信号的发射器天线；

所述接收器在接收器天线处接收所述辐射的载波信号，并将所述接收到的载波信号转换成作为输出数据流的全摆幅数字信号；以及

所述发射器和接收器使用异步调制和差分信号用于在集成电路芯片或印刷电路板之间通信。

8.如权利要求7所述的无线互连，其中所述发射器或接收器天线包括片上差分偶极天线。

9.一种用于使用无线互连在指定频率下发射和接收信号用于具有高数据速率能力的短距离通信的方法，包括：

将一个或多个周期性近场导引器（PNFD）耦接到发射器和接收器用于短距离毫米波无线（M2W2）互连，所述短距离毫米波无线（M2W2）互连用于在毫米波频率下发射和接收射频（RF）信号用于在所述发射器和接收器之间具有高数据速率能力的短距离通信。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述周期性近场导引器中的每一个都包括一个或多个周期性耦合结构（PSC）。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述周期性耦合结构包括这样放置的金属带，使得所述金属带的纵向尺寸基本垂直于所述发射器和接收器之间的射频信号的传播方向。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述周期性耦合结构中的每一个的位置都平行于相邻的周期性耦合结构，并且每个周期性耦合结构之间的间隔距离都在所述射频信号的一个波长之内。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述周期性近场导引器包括彼此耦接的第一和第二周期性近场导引器，用于发射和接收所述第一和第二周期性近场导引器之间的射频信号。

14.如权利要求13所述的方法，其中在所述第一和第二周期性近场导引器之间存在空气间隙。

15.如权利要求9所述的方法，其中：

所述发射器对具有输入数据流的载波信号进行调制，其中所述调制的载波信号随后被馈入辐射所述调制的载波信号的发射天线；

所述接收器在接收器天线处接收所述辐射的载波信号，并将所述接收到的载波信号转换成作为输出数据流的全摆幅数字信号；以及

所述发射器和接收器使用异步调制和差分信号用于在集成电路芯片或印刷电路板之间通信。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述发射器或接收器天线包括片上差分偶极天线。

Images