CN104937768B - 使用介质波导的低功率、高速多通道芯片到芯片接口 - Google Patents
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Abstract
本发明的示例性实施例提供了一种称为电纤维的改进介质波导。具有金属包覆的电纤维可隔离代表性引起带宽限制问题的其他无线通路和相邻电纤维间信号的干扰，为了更小的发射损耗和更好的信号引导在传输距离增加时能降低整体收发器功率损耗。并且，该电纤维具有频率独立衰减特性，鉴于电纤维和互连装置的垂直耦合，用很少或即使不用任何额外的接收器侧补偿就能实现高数据率传输。
Description
技术领域
本发明的具体实施例涉及一种在印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)上传播信号的波导(waveguide)。
背景技术
有线通信中对于带宽(bandwidth)持续增加的需求使得高速、低功率、低成本的输入输出端口(I/O)成为必要。因高频率中趋肤效应(skin effect)而引起的现有铜导线互连(interconnect)中的大幅衰减(attenuation)限制了这种系统性能。接收器功率中的代价(penalty)、成本和区域发生以用于补偿互连中的损失，且随数据率或传输距离增加而呈现指数增长。使用介质作为传输通道的新芯片到芯片(chip to chip)接口被提出以用于解决上述问题。
发明内容
本发明的示例性实施例公开了一种电纤维，用于收发器输入输出间板到板互连，所述电纤维包括：介质波导，从发射器侧板向接收器侧板传播信号；以及金属包覆，包裹所述介质波导。
为了所述介质波导和微带电路间阻抗匹配，所述介质波导的两端中的至少一端逐渐变细。
所述介质波导两端中的至少一端被线性成型以最优化具有最大功率传输效率的所述介质波导的阻抗。
所述金属包覆包括铜包覆。
所述介质波导的两端侧与所述发射器侧板和所述接收器侧板垂直耦合。
所述金属包覆的长度与所述介质波导的长度的比例基于所述电纤维的长度而设计。
本发明的示例性实施例公开了一种具有电纤维的板到板互连装置，所述互连装置包括：电纤维，利用金属包覆从发射器侧板向接收器侧板传播信号；以及微带电路，利用微带到波导转换MWT与所述电纤维相接。
所述互连装置进一步包括：微带馈线，用于在第一层中将所述信号反馈至所述微带电路；沟槽接地面，包括沟槽，用于在第二层中最小化逆向传输波与正向传输波的比率；接地面，包括一组导通孔，用于在第三层中在所述沟槽接地面和所述接地面间形成电连接；以及贴片，用于以共振频率发射信号。
其将被理解为前述一般性说明和下述详细说明是示例性和说明性的内容，且意在提供所要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
包含于此用于提供本发明的进一步理解且结合于此并构成本说明书一部分的附图，详细说明了本发明的实施例，且与详细说明一起用于解释本发明的原理。
图1是示出根据本发明一个示例性实施例的等轴透视图。
图2是示出根据本发明一个示例性实施例的整体互连的简易模型以作为二端口网络(2-Port network)以及在每个转换中反射波和透射波间的关系。
图3是示出根据本发明构建的整体互连的S-参数的分析估计和模拟结果的图表。
图4是示出根据本发明构建的整体互连的S-参数的分析估计和模拟结果的图表。
图5是示出根据本发明构建的整体互连的群延迟(Group Delay)的分析估计和模拟结果的图表。
图6是示出根据本发明一个实施例构建的波导到微带转换的侧视图。
图7是示出根据本发明一个实施例构建的波导到微带转换的前视图。
图8是示出根据本发明一个实施例构建的波导到微带转换的分解视图。
图9是示出根据本发明一个实施例构建的具有金属包覆和锥形(tapered)波导的不同长度的电纤维的等轴视图。
图10是示出根据本发明构建的板到波导连接器的等轴视图。
图11是示出根据本发明构建的整体互连的S-参数的模拟结果的图表。
图12是示出针对65GHz通道的PAM4 28Gbps PRBS 214-1的眼图的模拟结果的图表。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明进行更加详细的说明，其示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明也可用多种不同的形式来实现且并不局限于在此所列举的实施例。更进一步来讲，这些示例性实施例被提供以使本公开充分，且对于本发明技术领域的技术人员而言能完全理解本发明的范围。在附图中，层和区域的尺寸和相对尺寸可被放大以更清楚地进行显示。本附图中的相似参考符号表示相似的要素。
本发明的示例性实施例可提供一种改进的互连来代替电线线路。可提供一种例如名为电纤维的新型介质波导(dielectric waveguide)来代替传统的铜线路。电纤维可被定义为具有金属包覆(metal cladding)的介质波导。
具有频率独立衰减(attenuation)特性的介质用很少或即使不用任何额外的接收器侧补偿(receiver-side compensation)就能实现高数据率传递。并联通道数据传递因电纤维和PCB的垂直耦合(vertical coupling)可被实现。在收发器I/O中用于板到板互连的具有电纤维的PCB可被定义为板到板互连装置。例如，该互连装置可包括电纤维(electrical fiber)、发射器侧板(transmitter side board)、接收器侧板(receiverside board)、板到纤维连接器(board-to-fiber connector)、微带馈线(microstripfeeding line)、沟槽接地面(slotted ground plane)、接地面(ground plane)和贴片(patch)。
提供了一种新型板到纤维连接器用以安全地将多个电纤维互相紧密地安装到PCB以最大化区域效率。电纤维的物理柔性(flexible)特性可支持在任何位置自由地与任意终端相连接。电纤维的金属包覆与电纤维的长度无关可维持总收发器功率消耗。包覆可隔离代表性引起带宽限制问题的其他无线通路和相邻电纤维间信号的干扰。
可采用槽隙耦合贴片型微带到波导转换来最小化微带和波导间的反射。微带到波导转换可将微带信号转换为波导信号，且由于其能用一般PCB生产工艺中来获取因此具有低成本的优势。
图1是示出根据本发明一个示例性实施例的等轴透视图。
参考图1，本发明示例性实施例的整体互连可用等轴透视图来示出。图1示出用作为板到板互连的电纤维101。入射信号来自发射器裸片(die)102的50-Ohm相配的输出以沿传输线103传播且然后在发射器侧板上的微带到波导转换104(例如，MWT，Microstrip-to-Waveguide Transition)可将微带信号转换为波导信号。波例如波导信号，沿电纤维101传递且然后在接收器侧板的MWT105中被转换为微带信号。同样地，信号可沿传输线106传播且然后进入50-Ohm相配的接收器输入107。在此，介质波导可从发射器侧板向接收器侧板传播信号。
图2是示出根据本发明一个示例性实施例的整体互连的简易模型以作为二端口网络以及在每个转换中反射波和透射波间的关系。
在电纤维的每个端侧，阻抗不连续(impedance discontinuity)可导致从传输线到波导和从波导到传输线中能量的低效率传输。为了分析这种不连续的影响，如图2，按方程式1、2和3所示，整体互连可被考虑作为简易二端口网络。
[方程式1]
[方程式2]
[方程式3]
在从传输线向波导的转换中，传输线侧和波导侧的入射波可分别表示为和w-且反射波可表示为w+和同样地，在从波导向传输线的转换中，波导侧和传输线侧的入射波可表示为和且反射波可表示为和从这个简易模型中，假设在从传输线向波导的转换中复数反射系数是且复数透射系数是在从波导向传输线的转换中复数反射系数是且复数透射系数是反射波和透射波之间关系的方程式可被做出。
下述方程式表示出整体互连的散射矩阵(例如，S-参数)。
[方程式4]
[方程式5]
[方程式6]
[方程式7]
[方程式8]
图3是示出根据本发明构建的整体互连的S-参数的分析估计和模拟结果的图表。图4是示出根据本发明构建的整体互连的S-参数的分析估计和模拟结果的图表。图5是示出根据本发明构建的整体互连的群延迟(Group Delay)的分析估计和模拟结果的图表。
图3、图4和图5可示出根据本发明示例性实施例构建的整体互连的S-参数的分析估计结果的图表。例如，图3、图4和图5可图表示出上述方程式5、方程式6、方程式7和方程式8且从不同情形的波导长度(例如5厘米和10厘米)中表明这种结果。上述每个结果可与来自3D电磁场模拟工具(Ansys.HFSS)的模拟结果进行比较。
图3、图4和图5可表明在整体互连的S-参数和群延迟的结果中存在依赖于波导长度的振荡(oscillation)。波导越长，显示的振荡的影响越严重。如果眼图被用作为评价该传输系统的标准，振荡会在眼开和零交叉中产生严重的问题，甚至可是比特误差率(biterror rate)增加的主要原因。
S-参数和群延迟结果中的振荡可由在阻抗不连续中发生的反射波沿传播而经受微小衰减这一事实而引起且其可产生与发生在空腔谐振器(cavity resonator)类似的现象。波在电纤维中可来回反弹且强化驻波(standing wave)。
用于解决这种问题的策略如下：第一，使反射系数r2尽可能低；第二，在确保相对小的通道损失的同时沿电纤维产生适当的衰减；第三，使用低介电常数材料作为波导。这些策略可通过上述方程式5、6、7和8而被证明。因此，MWT可是本发明示例性实施例的客体以用于提供较低反射r2。
图6是示出根据本发明一个实施例构建的波导到微带转换的侧视图。图7是示出根据本发明一个实施例构建的波导到微带转换的前视图。
图6示出根据本发明示例性实施例构建的MWT的侧视图且图7示出根据本发明示例性实施例构建的MWT的前视图。具有金属包覆601、701的电纤维604、704与微带电路相接，尤其是与安置在板上的贴片元件603、703相接。在此，金属包覆601、显示屏701可包裹介质波导602、702。例如，金属包覆601、701可包括铜包覆，且贴片元件603、703可包括微带线。贴片元件603、703可以共振频率(resonance frequency)发射信号。
根据本发明的一个示例，金属包覆601、701可以预定的形式包裹介质波导602、702。例如，金属包覆601、701的预定形式可暴露出介质波导602、702的中间，且金属包覆601、701的预定形式可被穿孔以暴露出介质波导602、702的特定部分。并且金属包覆601、701的预定形式可是各种形式。
图8是示出根据本发明一个实施例构建的波导到微带转换的分解视图。
图8示出板各层的详细结构。三层结构可被用于板的制造。微带馈线801可位于第一层，被孔(aperture)穿透的沟槽接地面802可位于第二层。贴片元件803和接地面804可位于第三层。例如，在第一层微带馈线801可将信号反馈至微带电路，在第二层沟槽接地面802包括沟槽(slot)以最小化逆向传输波与正向传输波的比率，且在第三层接地面可包括导通孔(via)807以在沟槽接地面802和接地面804间形成电连接。在此，导通孔807可按阵列配置。
位于第一层和第二层间的芯基板(core substrate)805可由具有12mm x5.68mm面积以及0.28mm厚度的Taconic.CER-10而制成。位于第二层和第三层的另一个芯基板806可由具有12mm x 5.68mm面积以及0.287mm厚度的Rogers.RO3010 Prepreg而制成。
导通孔807可起到使第二接地面和第三接地面间电连接的作用。微带宽度、基板厚度、沟槽尺寸、贴片尺寸、导通孔直径、导通孔间距、波导尺寸以及波导材料可根据微带电路的特定共振频率以及沿电纤维的传播波的模式而改变，其对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
尤其是，沟槽和孔的大小在信号的传输和反射中是非常重要的因素。通过反复的模拟可最优化那些大小以最小化逆向传输波与正向传输波的比率。波导的截止频率(cutoff frequency)和阻抗可由交叉处的面积和使用的材料种类而决定。对于本发明，可使用2.9mm x 2.7mm的面积和ECCOSTOCK PP(Laird TECHNOLOGIES)以在MWT中传送具有最小反射的60GHz带信号。波导的交叉处的尺寸越大，越多数量的TE/TM模式能够传播。且其能改善转换中的插入损耗(insertion loss)。
图9是示出根据本发明一个实施例构建的具有金属包覆和锥形波导的不同长度的电纤维的等轴视图。
为了降低S-参数结果中振荡的影响，不仅可最小化在MWT中发生的反射，而且可沿电纤维901、902和903进行最优化的衰减。这种策略可通过在各端缩短包裹电纤维901、902和903的介质波导的金属包覆的长度而实现。这种金属包覆可完全限制电磁场波以防止能量的发射损失。鉴于这种原因，使用短的金属包覆会导致大的发射损失。这种能量损失可被认为是沿电纤维901、902和903的衰减且其会很大程度上影响S-参数结果中的振荡。
并且，介质损失可被认为是沿电纤维901、902和903的衰减。其因介质波导的正切损耗(tangent loss)而引起且与波导的长度有关。沿长波导耗散的介质损失可降低振荡的影响。
因此，在产生相同量的通道损耗时，长电纤维903相比短电纤维901具有更大比例的金属包覆。电纤维904的一端可表示锥形波导的正等轴侧图。其可用于作为介质波导使用的介质和板上微带电路间的阻抗匹配。例如，金属包覆的长度与介质波导的长度的比例可根据电纤维901、902和903的长度而设计。
并且，基于波导面积决定其阻抗这一公知的事实，对介质波导两端中的至少一个进行直线成型可有效地用于发现最优的阻抗。尤其是，为了介质波导和微带电路间的阻抗匹配可使介质波导两端中的至少一个逐渐变细(tapered)。例如，介质波导两端中的至少一个可被线性成型以最优化具有最大功率传输效率的介质波导的阻抗。
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种在收发器I/O中具有用于板到板互连的电纤维901、902和903的互连装置，该互连装置包括：利用金属包覆从发射器侧板到接收器侧板传播信号的电纤维901、902和903，以及利用MWT与电纤维901、902和903相接的微带电路。
图10是示出根据本发明构建的板到波导连接器的等轴视图。
图10示出板到纤维连接器1001的等轴视图。电纤维利用板到纤维连接器1001可坚固地固定到板上。连接桥1002和1003可插入至经由板开通的孔而将其固定在板上。例如，板到纤维连接器1001可将电纤维与发射器侧板和接收器侧板中的至少一个垂直连接。
并且，为了电纤维的物理固定，在连接器中可存有转换装置1004、1005和1006的阵列。利用这些连接器，电纤维可与板上的微带电路相接。如图10所示，将介质波导的两端侧与发射器侧板和接收器侧板垂直耦合是一种用于节省区域之非常有效的方法。由于这种配置，针对具有宽带宽的并联系统，可使用多个电纤维同时与多个通道相连接。例如，介质波导可与发射器侧板和接收器侧板中的至少一个垂直耦合。
图11是示出根据本发明一个实施例构建的整体互连的S-参数的模拟结果的图表。
参考图11，根据本发明一个示例性实施例构建的总体互连的S-参数的模拟结果可在图表中显示。例如，该结果可使用50cm电纤维而获取。对于10dB的回波损耗(returnloss)，15GHz带宽，从54GHz到79GHz，可被获取。通带(passband)中的插入损耗可被发现为少于15dB且沿宽带恒定。
图12是示出针对65GHz通道的PAM4 28Gbps PRBS 214-1的眼图的模拟结果的图表。
为了评价整体互连的性能，图12示出PAM4 28Gbps PRBS 214-1的眼图。眼图可表示出在65GHz载波中调制的且通过根据本发明一个示例性实施例构建的互连通道的解调数据图形。
电纤维可提出一种新方法以使高速数据通信变为可能。在最小化不连续反射的同时，MWT结构可转换宽带信号。包裹介电波导的金属包覆可降低发射损耗且能有效降低通道损耗。
进一步，如果中心频率可移至较高的频率带，在没有任何额外复杂性或成本的情况下可实现较宽的带宽。因此，电纤维对于具有需要以非常高的速度转换数据的I/O通道是一种非常有前景的解决方案。尤其是，电纤维基于IEEE 802.3bj KR标准在100Gbps底板接口中能代替所有的铜导线。且其能以加长的传输距离适用于IEEE 802.3bj SR标准。板到板接口在数据中心市场中可使用电纤维作为非常有前景的解决方案。
在不超出本发明的技术思想或范围内所能进行的各种修改和变形对所属技术领域的技术人员来说是显而易见的。因此，其目的是本发明覆盖在随附的权利要求及其等同项的范围内所提供的发明的修改和变形。
Claims (6)
1.一种具有电纤维的板到板互连装置，所述互连装置包括：
电纤维，利用金属包覆从发射器侧板向接收器侧板传播信号；
微带电路，利用微带到波导转换MWT与所述电纤维相接；其中，为了所述互连装置中所述电纤维和所述微带电路间阻抗匹配，所述电纤维的两端中的至少一端逐渐变细；以及
板到纤维连接器，将多个电纤维与发射器侧板和接收器侧板中的至少一个垂直连接，其中，所述板到纤维连接器包括：
连接桥，插入至经由所述发射器侧板和所述接收器侧板中的至少一个开通的孔；以及
多个转换装置，分别用于所述多个电纤维的物理固定到所述发射器侧板和所述接收器侧板中的至少一个。
2.如权利要求1所述的互连装置，其特征在于，所述电纤维两端中的至少一端被线性成型以最优化具有最大功率传输效率的所述电纤维的阻抗。
3.如权利要求1所述的互连装置，其特征在于，所述金属包覆包括铜包覆。
4.如权利要求1所述的互连装置，其特征在于，所述金属包覆的长度与所述电纤维的长度的比例基于所述电纤维的长度而设计。
5.如权利要求1所述的互连装置，其中，所述互连装置进一步包括：微带馈线，用于在第一层中将所述信号反馈至所述微带电路；
沟槽接地面，包括沟槽，用于在第二层中最小化逆向传输波与正向传输波的比率；
接地面，包括一组导通孔，用于在第三层中在所述沟槽接地面和所述接地面间形成电连接；以及
贴片，用于以共振频率发射信号。
6.如权利要求1所述的互连装置，其特征在于，所述金属包覆以预定形式包裹所述电纤维。
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