CN105226359A - 方同轴基片集成波导互连结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方同轴基片集成波导互连结构，包括外导体、内导体，外导体与内导体之间设置有介质；所述方同轴基片集成波导互连结构的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5。本发明所述的方同轴基片集成波导结构为准封闭式结构，采用TEM模式传输信号，可以用作电路板级/芯片级的互连线电路，与传统采用开放结构的微带线/带状线/共面波导互连线相比，本发明具有频带宽、损耗小、时延串扰低、抗电磁干扰能力强的优点，适合于吉比特以上的高速数据传输。

Description

方同轴基片集成波导互连结构

技术领域

本发明涉及电路板级/芯片级的高速数据传输技术领域，具体涉及方同轴基片集成波导互连结构。

背景技术

随着社会的发展与进步，对太比特数据传输速率的需求正变得愈发迫切。应对太比特数据传输速率的需求，高速电互连技术成为系统得以实现的关键。传统互连采用微带线/带状线/共面波导等结构，基于准TEM模式实现信号的互连互通，适合速率在吉比特以下的基带信号传输。但其开放式的物理结构在高频条件下显示出高损耗的缺点，并且损耗随频率的上升而急剧增加，严重制约信号传输的距离和速率；当传输速率超过吉比特时，还将引起严重的串扰、时延、畸变、码间干扰等信号完整性及电磁干扰问题。虽然串行链路技术的引入可降低电互连线间的串扰，但同时也降低了信号的传输密度；均衡和预加重技术虽然补偿了传统电互连在高频时的损耗，扩展了带宽，但仍无法避免电磁干扰(EMI)问题，同时还增加了额外的电路开销，导致成本的大幅上升。总之，传统电互连技术已经无法满足新一代数据传输的需求，迫切需要发展适合更高传输速率的新型电互连技术。目前正在研究基于矩形波导的基片集成波导互连，该互连结构是由上下导体板和通孔阵列构成的电子带隙结构，其信道呈现高通、宽频带特性，但是由于采用TE10模式，因此无法直接传输基带信号，必须经过调制解调将基带信号搬移到矩形波导互连的传输带宽中，增加了系统的复杂性，并且其信道带宽还受到调制解调器件带宽的限制。

方同轴波导作为分立器件，其封闭式的电路结构具有信号损耗小、信号时延低、串扰弱、抗电磁干扰能力强的优点，并且由于其采用TEM模式，因此适合传输基带信号，但是至今未见方同轴波导的集成化工艺实现，尚不能用在电路板级/芯片级的电互连。

发明内容

本发明针对传统互连线采用开放式的微带线/带状线/共面波导结构面临速率低、损耗高、抗电磁干扰能力弱的问题，将方同轴波导集成到基片上，由三层金属层、两层介质层、两列金属化通孔分别构成方同轴基片集成波导的外导体、内导体以及内外导体间的介质填充，实现了基片集成化的方同轴波导互连。

根据本发明提供的一种方同轴基片集成波导互连结构，包括外导体、内导体，外导体与内导体之间设置有介质；

所述方同轴基片集成波导互连结构的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5；

在金属层L1与金属层L5之间设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿所述第一层至第五层，且由沿所述方同轴基片集成波导互连结构的长度方向呈两列排列的金属化通孔构成；

其中：

金属层L1、金属层L5、金属化通孔阵列构成所述外导体；

金属层L3构成所述内导体；

介质层L2、介质层L4构成填充于外导体与内导体之间的介质。

优选地，仅由所述外导体、内导体、介质构成。

优选地，金属层L1、金属层L3、金属层L5的厚度均为t，介质层L2、介质层L4的厚度均为h，所述方同轴基片集成波导互连结构的长度为L。

优选地，金属层L3的宽度b小于金属层L1以及金属层L3，且金属层L3在所述方同轴基片集成波导互连结构的宽度方向上位于两列金属化通孔之间。

优选地，金属化通孔阵列中的金属化通孔的直径为d，且每列金属化通孔之间等间距排列，间距为s，两列金属化通孔之间的宽度为a。

优选地，所述方同轴基片集成波导互连结构采用TEM模式传输信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的方同轴基片集成波导互连为准封闭式结构，采用TEM模式传输信号，与传统微带线/带状线/共面波导等开放式互连结构采用准TEM模式传输信号相比，具有传输速率高、时延串扰低、抗电磁干扰能力强的优点；与矩形基片集成波导采用TE10模式传输信号相比，方同轴基片集成波导互连不需要调制解调器件，

具有损耗小、速率高、系统简单、成本低的优点。因此，方同轴基片集成波导互连适合用于电路板级/芯片级的高速数据传输。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为方同轴基片集成波导互连结构的结构示意图。

图2为方同轴基片集成波导互连结构垂直于传播方向的横截面图。

图3为方同轴基片集成波导互连的S21参数。

图4为方同轴基片集成波导互连的S11参数。

图中：

1为第一层，即金属层L1；

2为第二层，即介质层L2；

3为第三层，即金属层L3；

4为第四层，即介质层L4；

5为第五层，即金属层L5；

6为内导体；

7为外导体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了实现方同轴波导电路板级/芯片级的基片集成化，本发明提供一种适用于电路板及芯片级的高速互连的方同轴基片集成波导互连结构，采用三层金属层、两列金属化通孔构成方同轴基片集成波导的外导体、内导体以及采用两层介质层构成内、外导体间的介质填充，实现了适合高速数据传输的基片集成化波导互连。

图1为本发明所提供的方同轴基片集成波导互连结构，包括外导体、内导体以及内外导体之间的介质，方同轴基片集成波导互连结构的物理结构由三层金属层和两层介质层组成。所述方同轴基片集成波导互连结构采用TEM模式传输信号。图2为本发明方同轴基片集成波导互连结构垂直于传播方向的横截面图。

所述方同轴基片集成波导互连结构的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属层，第四层为介质层，第五层为金属层，三层金属层的厚度均为t，两层介质层的厚度均为h，波导互连的长度为L。

所述外导体由第一层金属层导体板、第五层金属层导体板、以及第一层到第五层1的两列金属化通孔阵列所形成的金属侧壁组成。金属化通孔的直径为d，间距为s，两列金属化通孔阵列间的宽度为a。

所述内导体为第三层金属层导体，其宽度为b。内外导体间的距离为

所述介质由第二层介质层与第四层介质层组成，形成内导体与外导体之间的介质填充。

方同轴波导的特性阻抗Z通常设计为50欧姆，其计算公式为：

$Z=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\·\frac{376.62}{2(\frac{t}{g}+\frac{b}{h})+4(\frac{C_{f1}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}+\frac{C_{f2}}{{\mathrm{\ϵ}}_0})}$

其中，ε_r表示相对介电常数，C_f1表示内导体到外导体侧壁间的边缘电容，C_f2表示内导体到外导体底部间的边缘电容，376,62为常数。

边缘电容的计算公式为

$C_{f1}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\π}}[\log \frac{g^2+h^2}{4h^2}+2\left(\frac{h}{g}\right)\arctan \frac{g}{h}]$

$C_{f2}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\π}}[\log \frac{g^2+h^2}{4g^2}+2\left(\frac{g}{h}\right)\arctan \frac{h}{g}]$

ε₀为自由空间介电常数。

以电路板级的方同轴基片集成波导互连为例，采用RogersRT/duroid5880材料(介电常数2.2，介质损耗角正切0.0009)，外导体宽度a＝2.6mm，内导体宽度b＝1mm；金属层厚度t＝0.035mm，介质层厚度h＝1.575mm，孔直径d＝0.4mm，孔间距s＝0.8mm，波导长度L＝40mm，其传输特性S21参数、反射特性S11参数分别如图3、图4所示，其中，图3、图4中的横轴表示频率(Freq(GHz))，纵轴表示分贝(dB)。

综上，本发明所设计的方同轴基片集成波导互连结构，具有频带宽、损耗小、时延串扰低、抗电磁干扰能力强的优点，适合于电路板级/芯片级的高速数据传输。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种方同轴基片集成波导互连结构，其特征在于，包括外导体、内导体，外导体与内导体之间设置有介质；

所述方同轴基片集成波导互连结构的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5；

在金属层L1与金属层L5之间设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿所述第一层至第五层，且由沿所述方同轴基片集成波导互连结构的长度方向呈两列排列的金属化通孔构成；

其中：

金属层L1、金属层L5、金属化通孔阵列构成所述外导体；

金属层L3构成所述内导体；

介质层L2、介质层L4构成填充于外导体与内导体之间的介质。

2.根据权利要求1所述的方同轴基片集成波导互连结构，其特征在于，仅由所述外导体、内导体、介质构成。

3.根据权利要求1或2所述的方同轴基片集成波导互连结构，其特征在于，金属层L1、金属层L3、金属层L5的厚度均为t，介质层L2、介质层L4的厚度均为h，所述方同轴基片集成波导互连结构的长度为L。

4.根据权利要求3所述的方同轴基片集成波导互连结构，其特征在于，金属层L3的宽度b小于金属层L1以及金属层L3，且金属层L3在所述方同轴基片集成波导互连结构的宽度方向上位于两列金属化通孔之间。

5.根据权利要求4所述的方同轴基片集成波导互连结构，其特征在于，金属化通孔阵列中的金属化通孔的直径为d，且每列金属化通孔之间等间距排列，间距为s，两列金属化通孔之间的宽度为a，金属化通孔的轴线与金属层L3间的距离g为

6.根据权利要求1或2所述的方同轴基片集成波导互连结构，其特征在于，所述方同轴基片集成波导互连结构采用TEM模式传输信号。