CN106165193A - 使用电介质波导的毫米波通信的频率选择器 - Google Patents

Abstract

在所描述的示例中，电介质波导(230)上的信号被滤波以便使选择频率通过或阻塞选择频率。组合信号在该电介质波导(230)中被接收。该组合信号至少包括具有第一波长的第一频率信号以及具有第二波长的第二频率信号。该组合信号被划分(231)为第一部分(路径1)和第二部分(路径2)。该组合信号的第一部分被延迟一延迟时间量(232)以形成延迟的第一部分。该延迟的第一部分与接收的组合信号结合以形成滤波信号，使得该第一频率信号通过相长干涉被增强，而该第二频率信号通过相消干涉被减弱。该滤波信号的一部分被提供(233)给接收器。该第二频率信号的振幅在滤波信号中被衰减。

Description

使用电介质波导的毫米波通信的频率选择器

技术领域

本申请总体上涉及用于高频信号的波导，并且更具体地涉及具有电介质芯的波导。

背景技术

在电磁和通信工程中，术语波导可以指代在其端点之间传送电磁波的任何线性结构。原始且最普遍的含义是用来运送无线电波的中空金属管。这种类型的波导作为传输线被用于诸如以下目的：在诸如微波炉的设备、雷达组、卫星通信和微波无线电链路中将微波发射器和接收器连接至其天线。

电介质波导采用实体电介质芯替代中空管。电介质是可以被所施加的电场极化的电绝缘体。当电介质被放置在电场中时，电荷并不像它们在导体中那样流过材料，而只是从其平均均衡位置稍微偏移，从而导致电介质极化。由于电介质极化，正电荷朝向场移位，并且负电荷以相反方向偏移。这产生了内部电场，该内部电场降低了电介质自身内的整体场。如果电介质由弱键合分子组成，则这些分子变得被极化并且还重新取向，因此它们的对称轴与电场对齐。虽然术语“绝缘体”暗示低电传导，但是“电介质”通常用于描述具有高极化率的材料，该高极化率由被称为相对介电常数(εk)的数字来表示。术语绝缘体通常用于指示电阻塞，并且术语电介质被用于通过极化来指示材料的能量存储能力。

介电系数(permittivity)是表示由于电极化造成的材料的每单位米的能量存储的测量值的材料性质(J/V^2)/(m)。相对介电系数是通过其电荷之间的电场相对于真空被降低或增加的因数。介电系数通常由希腊字母ε表示。相对介电系数通常还称为介电常数(dielectric constant)。

导磁系数(permeability)是材料响应于所施加的磁场支持自身内的磁场形成的能力的测量值。磁导率通常由希腊字母μ表示。

金属管波导中的电磁波可以被想象为以锯齿形路径沿着波导管(guide)行进，在波导管的相对壁之间被重复反射。针对矩形波导的特定情况，准确的分析有可能基于此视图。电介质波导中的传播可以被视为以相同的方式，其中波由在其表面的全内反射限制在电介质中。

发明内容

在所描述的示例中，电介质波导上的信号被滤波以便使选择频率通过或阻塞选择频率。组合信号在该电介质波导中被接收。组合信号至少包括具有第一波长的第一频率信号和具有第二波长的第二频率信号。组合信号被划分为第一部分和第二部分。组合信号的第一部分被延迟一延迟时间量以形成延迟的第一部分。延迟的第一部分与接收的组合信号结合以便形成滤波信号，使得该第一频率信号通过相长干涉被增强，同时该第二频率信号通过相消干涉被减弱。滤波信号的一部分被提供给接收器。第二频率信号的振幅在滤波信号中被衰减。

附图说明

图1是通过具有不同介电常数的材料的波长与频率的曲线图。

图2是电介质波导频率选择器的图示说明。

图3图示说明了图2的选择器中的信号波交互的仿真。

图4是图2的频率选择器的S参数的示例曲线图。

图5和图6图示说明了波导频率选择器的可替代性示例。

图7是图示说明用于调谐电介质的可变电压场的频率选择器的一部分的横截面。

图8是其中波导频率选择器被用于不同分支上的系统的示例。

图9至图11是示例波导的图示说明。

图12图示说明了图9至图11的波导中的任一波导的另一示例。

图13和图14是使用三维打印工艺图示说明波导的各种配置的制造的过程流程图。

图15是说明共形波导的各个方面的系统的图示说明。

图16是波导系统中的频率选择的流程图。

图17和图18是波导频率选择器的其他示例的图示说明。

具体实施方式

电介质波导(DWG)作为互连是有用的，诸如连通系统中的芯片与芯片或者连通系统与系统。为了最大化传输的数据量，信息可以以不同的频率或信道来传输。如以下更详细地描述的，所描述的示例提供了通过使用DWG频率选择器装置经由电介质波导来滤波和选择被传输的处于不同的频率或通信信道的信息的方式。

随着电子部件和系统中的频率的增加，波长以相应的方式被减小。例如，许多计算机处理器在千兆赫范围中操作。随着操作频率增加至子太赫兹(sub-terahertz)，波长变得足够短以便信号线充当天线(如果这些信号线超过短距离)，并且信号辐射可能发生。图1是通过具有不同介电常数的材料的波长与频率的曲线图。如由曲线图102图示说明的(其表示具有低介电常数3(诸如印刷电路板)的材料)，100GHz信号将具有大约1.7mm的波长。因此，长度仅为1.7mm的信号线可以充当全波天线并且辐射很高比例的信号能量。实际上，甚至λ/10的线都是良好的辐射器，因此短达170um的线可以在此频率上充当良好的天线。

在开放空间中的波如球面波一样在所有方向上传播。以此方式，它们与距离的平方成比例地损失其功率。因此，在距离源的距离R处，功率是源功率除以R2。波导对于在相对长的距离上传递高频信号是有用的。波导将波限制为在一维中传播，使得在理想条件下波在传播的同时不损失功率。电磁波沿波导的轴的传播由波方程来描述，该波方程从麦克斯韦方程(Maxwell’s equations)推导，并且其中波长取决于波导的结构、其内的材料(诸如空气、塑料、真空)、以及波的频率。常用的波导仅有几类。最常见的类型的波导是具有矩形横截面的波导，该横截面通常不是正方形。通常，该横截面的长边是其短边长度的两倍。这些对传送水平极化或垂直极化的电磁波是有用的。

波导配置可以具有芯构件(core member)，该芯构件由具有高介电常数的电介质材料制成，并且被由具有较低的介电常数的电介质材料制成的覆层围绕。理论上，空气可以被用来代替覆层，因为空气具有大约1.0的介电常数，但是由人类或其他对象进行的任何接触可能引入可能导致信号丢失或恶化的严重的阻抗失配效应。因此，自由空气通常不提供合适的覆层。

对于子THz射频(RF)信号遇到的极其小的波长，电介质波导表现良好并且在制造上远没有中空金属波导那么昂贵。而且，金属波导具有由波导的尺寸确定的频率截止。在截止频率以下，不会发生电磁场的传播。在没有固定的截止点的情况下，电介质波导可以具有更宽的操作范围。然而，纯电介质波导可能遭受由手指或手的触摸、或由其他导电物体造成的干扰。金属波导限制所有场并且因此不遭受EMI(电磁干扰)和串扰问题；因此，具有金属覆层的电介质波导可以提供与干扰的外部源的显著隔离。

在2013年4月1日提交的题为“Dielectric Waveguide Manufactured UsingPrinted Circuit Board Technology(使用印刷电路板技术制造的电介质波导)”的美国专利公开号2014-0285277中对电介质波导(DWG)的各种配置和互连方案进行了描述，并且其通过引用合并于此。其中也对用于发射射频信号到DWG/接收来自DWG的射频信号的各种天线配置进行了描述，并且其通过引用合并于此。

图2是电介质波导频率选择器装置200的等距图示。在此示例中，集成电路(IC)(未示出)可以包括产生连接至发射机构(诸如偶极子天线)的信号的高频电路，该发射机构被配置为将电磁信号发射到耦合到频率选择器装置200的相邻的DWG中。在此示例中，频率选择器装置200可以形成在衬底220上。例如，衬底220可以是IC的一部分，或者IC可以安装在衬底220上。

DWG频率选择器200具有被配置以接收被发射到端口1中的高频信号的输入DWG部分230。输入DWG 230在区域231中分叉以形成圆形DWG部分232和输出DWG部分233。在此示例中，通向圆形DWG部分232的路径1的曲率半径和通向输出DWG部分233的路径2的曲率半径近似相等。

具有不同频率信号的组合高频信号可以从被耦合到频率选择器装置200的IC的高频电路中被发射到频率选择器200的端口1中。在分叉区域231处，信号划分为具有相等或相似强度的两条不同的路径。针对具有相似强度的这两个信号，路径1和路径2的DWG的曲率半径可以近似相同。例如，如果路径2相对于端口1继续直行而没有弯曲，则大部分信号将继续通过路径2并且将几乎没有信号通过路径1行进。然而，在另一示例中，不同的半径可以用于路径1且用于路径2以使信号以不均等的方式进行分叉。

另一设计考虑是DWG芯的介电常数需要基本上高于围绕该芯的覆层的介电常数。如果情况并非如此，则从端口1行进的电磁波将具有以直线方式保持移动离开DWG的趋势。在此示例中，芯的介电常数大约为5，而覆层的介电常数小于约2。

图3图示说明了电磁(EM)波通过图2的DWG频率选择器的传播的有限元仿真。当路径1的电磁波绕圆形路径232前进并且在输入DWG部分230上重新结合来自端口1的电磁波时，发生滤波效应。根据电磁波的频率(或波长)以及圆形路径232的长度，该信号将与来自端口1的信号相长或相消地干涉。

相长干涉的条件由方程(1)给出，并且相消干涉的条件由方程(2)给出。

圆形路径长度＝n*EM1波长，其中，n＝1，2，3，4...... (1)

圆形路径长度＝(n+1/2)*EM2波长，其中，n＝1，2，3，4...... (2)

针对给定的圆形路径长度，可以对方程(1)和(2)进行组合以形成方程(3)，从而确定经历相长干涉和相消干涉的EM波长之间的关系。

n*EM1波长＝(n+1/2)*EM2波长

EM1波长＝((n+1/2)/n)*EM2波长 (3)

图4是图2的频率选择器的S参数的示例曲线图，示出了图3中图示说明的仿真的S12插入损耗。在此示例中，基于方程(3)，圆形路径长度被选择使得n＝32。因此，当EM1等于160GHz时，根据方程(3)，EM2等于162.5GHz。在此示例中，对具有大约5GHz频率的调制进行图示说明，该调制对应于不同频率处的相长干涉和相消干涉。在S12参数中，诸如160GHz、165GHz、170GHz等的频率显示骤降(dip)，表明(在这些频率处)由滤波器装置200产生的相消干涉。诸如162.5GHz、167.5GHz、172.5GHz等的频率显示更低的插入损耗，表明该装置正在产生相长干涉。

在此示例中，当圆形路径的长度被选择使得n＝32时，装置200将充当梳状滤波器并且滤波出大约160GHz、165GHz、170GHz等的频率。例如，根据方程(3)，圆形路径的长度因数“n”可以被选择以便确定该梳状滤波器中的齿的间隔。

虽然方程(1)至方程(3)是基于圆形路径长度和信号的波长，但是可以基于信号的周期推导用于施加在信号上的时延的一组相似的方程。每一个波长具有用于一个波长被传输通过DWG的持续时间的对应的时间周期。另一示例可以使用其他已知的或以后开发的装置(诸如延迟线)来将信号的一部分延迟指定的时间量。

在此示例中，S12插入损耗的曲线图表明相长干涉信号的大约2.5db的损耗。2.5dB的损耗包括弯曲损耗和来自整个装置的其他损耗。这些损耗是由于出自DWG的信号和来自材料的固有损耗(由于芯和覆层的聚合物的损耗角正切(loss tangent)造成的衰减)造成的。延迟环路232的最小直径取决于芯和覆层的特性。随着芯和覆层的介电常数之间的对比变得更大，弯曲损耗将更小。在一些示例中，金属或其他方式的导电覆层可以被添加至可以降低弯曲损耗的弯曲DWG的外部。

图5图示说明了波导频率选择器装置500的可替代性示例。DWG滤波器500具有被配置成用于接收被发射到端口1中的高频信号的输入DWG部分530。输入DWG 530在区域531中分叉以形成圆形DWG部分532和输出DWG部分533。在此示例中，输出DWG部分533可以近似是直的，而非弯曲的。为了使得显著量的信号分叉以通过滤波器500的弯曲部分和反馈圆形DWG部分532，信号滤波器可以针对芯使用两种不同的材料。在此示例中，路径1和路径2中的电磁场的幅值通过针对芯选择两种不同的介电常数材料来控制。如以下更详细解释的，这种装置具有由不同聚合物制成的芯和覆层。另外，在此情况下，该装置由两种不同的芯材料以及仅一种覆层聚合物制成。通过具有介电常数ε1的芯材料来实现芯部分530、533，而通过具有介电常数ε2的聚合物来实现芯部分541。通常，为了在路径1上产生显著的信号强度，分割器(divider)被设计为ε2＞ε1以克服电磁波保持从端口1直线移动到端口2的趋势。在2014年9月26日提交的题为“Dielectric Waveguide Signal Divider(电介质波导信号分割器)”的美国专利申请号14/498,512(代理人案号TI-74460)中更详细地描述了电介质波导信号分割器方案的各种配置，该申请通过引用合并于此。

为了最小化不同的电介质芯材料之间的阻抗失配，在具有介电常数ε1和ε2的材料之间提供锥形或平滑过渡区域543。在此示例中，该锥形是线性的；然而，在另一示例中，该锥形可以是非线性的。该锥形的总长度应当是若干信号波长以提供平滑的阻抗过渡。

在具有介电常数ε1的芯区域533与具有介电常数ε2的芯区域541之间的弯曲接口(curved interface)542使得在端口1上接收的电磁信号的一部分被转移至路径1，同时该信号的另一部分前进通过弯曲接口542到达端口2。信号转移量取决于介电常数ε1与介电常数ε2之间的差。路径1从路径2分叉的半径或角度也对多少信号被转移至路径1产生影响。

如以上描述，当路径1的电磁波绕圆形路径532前进并且在输入DWG部分530上重新结合来自端口1的电磁波时，发生滤波效应。根据电磁波的频率(或波长)以及圆形路径532的长度，该信号将与来自端口1的信号相长或相消地干涉。

图6图示说明了波导频率选择器装置600的可替代性示例。DWG滤波器600具有被配置成用于接收被发射到端口1的高频信号的输入DWG部分630。输入DWG 630在区域631中分叉以形成圆形DWG部分632和输出DWG部分633。为了使得显著量的信号分叉通过滤波器600的弯曲部分和反馈圆形DWG部分632，信号滤波器可以针对芯使用两种不同的材料。在此示例中，路径1和路径2中的电磁场的幅值通过选择用于芯的两种不同的介电常数材料来控制。通过具有介电常数ε1的芯材料来实现芯部分630、633，而通过具有介电常数ε2的聚合物来实现芯部分641。通常，为了在路径1上产生显著的信号强度，类似于装置500，分割器被设计为ε2＞ε1以克服电磁波保持从端口1直线移动到端口2的趋势。

为了最小化不同的电介质芯材料之间的阻抗失配，在具有介电常数ε1和ε2的材料之间提供锥形或平滑过渡区域643。在该示例中，该锥形是曲线型的；然而，在另一示例中，该锥形可以是非线性的。该锥形的总长度应当是若干信号波长以提供平滑的阻抗过渡。

图7是图示说明了用于调谐由覆层材料710围绕的芯材料712的电介质的可变电压场的频率选择器装置700的一部分的横截面。滤波器装置700可以类似于以上描述的滤波器装置中的任一种滤波器装置。

通过材料的EM信号的传播速度部分地由材料的介电常数来确定。因此，EM信号的波长可以通过改变传输介质的介电常数来改变。如方程(1)和方程(2)所示，滤波器装置700的滤波器特性由穿过圆形DWG部分732的信号的波长来确定。

若干高介电常数材料的介电常数可以在存在DC电场的情况下发生改变。可调谐电介质材料是如下材料：该材料的介电系数(更常见地称为介电常数)可以通过改变材料所受到的电场的强度而变化。尽管这些材料在居里温度(Curie temperature)之上以其顺电相(paraelectric phase)工作，但它们方便地被称为“铁电”，因为它们在低于居里温度的温度展现自然极化。已经报道的可调谐铁电材料包括钛酸锶钡(BST)或BST复合材料。钛酸锶可以在低温下使用。

这种技术可以应用于以上描述的反馈路径232、532、632中的任意一个反馈路径。在此示例中，装置700被制造在衬底720上，该衬底在不同的示例中可以是柔性的或刚性的。电极750可以形成在衬底720的表面722上。匹配电极751可以形成在弯曲DWG部分732的顶部上。电极750、751可以覆盖圆形反馈DWG部分732的一部分或大部分。在另一示例中，匹配电极可以形成在圆形DWG部分732的侧部上，而非在顶部和底部上。

电介质芯材料712是可调谐的高电介质材料，诸如BST或氧化锌(ZnO)。可替代地，电介质芯材料712可以是掺杂有高电介质颗粒(诸如BST或ZnO)的聚合物。例如，这些颗粒的尺寸可以是nm或um。可变电压源752可以跨电极750、751连接并且用于调谐芯材料712的介电常数值，并且由此用于调谐滤波器700的滤波器特性。控制逻辑可以耦合至可变电压源以控制装置700的调谐。

图8是具有至少三个节点801、802和803的系统800的图示说明，该至少三个节点使用信号分割器870与全部形成在衬底820上的DWG 861、862、863互连。在2014年9月26日提交的题为“Dielectric Waveguide Signal Divider(电介质波导信号分割器)”的美国专利申请号14/498,512(代理人案号TI-74460)中更详细地描述了示例信号分割器，该申请通过引用合并于此。例如，该三个节点可以是计算装置和两个外围装置，或者三个计算装置。该节点可以是任何形式的计算装置，诸如但不限于：片上系统(SOC)、机架安装件、桌式安装件，或便携式计算机，或诸如笔记本计算机的移动用户装置、台式计算机或智能电话。该节点可以是任何类型的外围装置，诸如：媒体存储装置(诸如旋转或固态磁盘驱动器)、调制解调器或到高速网络的其他接口。每一个节点可以是集成电路。例如，全部节点可以安装在共用电路板衬底820上。可替代地，该节点中的一个或多个节点可以在单独的衬底上。

如以上更详细描述的，DWG频率选择装置871对于选择特定的信号频率以提供给节点802是有用的。类似地，如以上更详细描述的，DWG信号选择装置872对于选择特定的信号频率以提供给节点803是有用的。在此示例中，滤波器装置871可以类似于装置500或600。滤波器装置872可以类似于装置200。然而，不同的配置可以用于各种实现方式中。例如，附加分割器870和滤波器871、872可以用于连接至附加节点。

每一个节点801、802、803可以是SOC或者可以包含PWB(印刷线路板)或其他类型的衬底，在该PWB或其他类型的衬底上安装有使用收发器851、852、853产生或接收被耦合至DWG的子太赫兹信号的一个或多个集成电路。IC与DWG之间的耦合方式可以使用在美国专利公开号2014-0285277中更详细描述的技术中的任一种技术或以后开发的技术来实现。

波导861、862、和863可以是任何形式的柔性或刚性DWG，诸如以下更详细描述的。例如，各个系统实施例可以具有与形成在衬底上的波导互连的更多或更少的节点。

在一些示例中，分段861至863中的一个或多个分段可以具有金属的或其他的导电侧壁，同时分段861至863中的一个或多个分段可以是电介质波导，在该电介质波导中，侧壁覆层也是具有比芯区域更低的介电常数值的电介质材料。

DWG 861、862、863、信号分割器870、以及滤波器871、872都可以使用喷墨或另一三维打印工艺被形成在单个衬底820上。在另一示例中，DWG 861、862、863、信号分割器870以及滤波器871、872都可以使用PWB制造技术通过电镀和蚀刻被形成在单个衬底上。在另一示例中，DWG 861、862、863、信号分割器870以及滤波器871、872可以使用扩散技术形成以在聚合物材料中产生不同的介电常数值。

在一些示例中，衬底820可以是硅或其他半导体或绝缘体材料，或包括多个功能节点的单个集成电路(通常被称为片上系统(SoC))。在那种情况下，SoC可以在诸如节点801的节点中包括天线或其他耦合结构，在诸如节点802的第二节点中包括天线或其他耦合结构，其中耦合在两个节点之间的DWG直接形成在SoC衬底上。

如以下更详细解释的，逐层增材制造技术(诸如喷墨打印)可以用于通过将DWG直接打印到衬底上来制造不同介电常数聚合物的这些步骤。

现在将更详细地描述电介质波导的若干配置及其制造方法。在每一个示例中，如以上描述的，频率选择器装置可以形成为波导的一部分。

图9图示说明了被配置为由电介质覆层材料围绕的薄带状芯电介质材料的DWG900。该芯电介质材料具有介电常数值ε1，而覆层具有介电常数值ε2，其中ε1大于ε2。在此示例中，薄矩形带状芯材料912由覆层材料910围绕。针对子太赫兹信号(诸如在130-150千兆赫的范围内)，大约0.5mmx1.0mm的芯尺寸工作良好。DWG 900可以使用以下更详细描述的喷墨打印工艺或其他3D打印工艺来共形地制作在衬底920的表面922上。

在此示例中，如以下更详细解释的，电介质覆层DWG 900被制作在衬底920的表面922上。该衬底的范围可以涵盖集成电路(IC)管芯、多芯片封装件中的衬底，或在其上安装有若干IC的印刷电路板(PCB)。该衬底可以是用于电子系统和封装件的任何常用的或以后开发的材料，诸如硅、陶瓷、树脂玻璃、纤维玻璃、塑料、金属。衬底可以像纸一样简单。

图10图示说明了被配置为由金属覆层材料1010围绕的薄带状芯材料1012的金属或其他导电材料覆层DWG 1000。针对子太赫兹信号(诸如在130-150千兆赫的范围内)，大约0.5mmx1.0mm的芯尺寸工作良好。

在此示例中，金属覆层DWG 1000制造在衬底1020的表面1022上。该衬底的范围可以涵盖集成电路(IC)管芯、多芯片封装件中的衬底，或在其上安装有若干IC的印刷电路板(PCB)。该衬底可以是用于电子系统和封装件的任何常用的或以后开发的材料，诸如硅、陶瓷、树脂玻璃、纤维玻璃、塑料、或金属。该衬底可以像纸一样简单。

图11图示说明了金属或其他导电材料覆层DWG 1100，其被配置为由金属覆层材料1110围绕的薄带状的芯1112。在此示例中，芯1112包括由第二层芯材料1114围绕以形成分级芯1112的薄矩形带状芯材料1113。芯区域1113具有介电常数值εk1，而芯区域1114具有介电常数值εk2，其中εk1＞εk2。在另一示例中，分级芯1112可以包括多于两层的芯材料，其中每一层具有范围从相对介电常数εr1到εrn的不同的相对介电常数值。在另一示例中，分级芯可以按照如下方式被实现：介电常数值从中心中的更高值到外部边缘的更低值逐渐变化。以此方式，可以提供趋向于将子THz频率信号限制在芯材料内的分级芯，并且由此降低可能由金属覆层产生的截止效应。

在此示例中，金属覆层DWG 1100被制造在衬底1120的表面1122上。此衬底的范围可以涵盖集成电路(IC)管芯、多芯片封装件中的衬底，或在其上安装有若干IC的印刷电路板(PCB)。该衬底可以是用于电子系统和封装件的任何常用的或以后开发的材料，诸如硅、陶瓷、树脂玻璃、纤维玻璃、塑料或金属。该衬底可以像纸一样简单。

图12图示说明了图9至图11的波导中的任一波导的另一示例波导1200。在此示例中，波导1200被制造在衬底1220的表面1222上。该衬底的范围可以涵盖集成电路(IC)管芯、多芯片封装件中的衬底或在其上安装有若干IC的印刷电路板(PCB)。该衬底可以是用于电子系统和封装件的任何常用的或以后开发的材料，诸如硅、陶瓷、树脂玻璃、纤维玻璃、塑料、或金属。该衬底可以像纸一样简单。

对于金属覆层波导(诸如图10至图11中所图示说明的那些波导)，波导1200的底部部分可以由导电层1230来形成，该导电层1230可以沿表面1222延伸超过波导1200的占用面积(footprint)，如在1231、1232处所指示的。对于诸如图9中所图示说明的非金属DWG，波导1200的底部部分可以由电介质层1230来形成，该电介质层1230可以沿表面1222延伸超出波导1200的占用面积，如在1231、1232处所指示的。在任一种情况下，区域1231、1232的范围可以是最小的，或者它们可以覆盖表面1222的延伸部分，或者甚至整个表面1222。导电层1230可以是金属材料或者可以是导电的非金属材料。

所描述的示例可以使用以上所描述的电介质芯波导中的任何一个来实现。在每一个示例中，一个或多个频率选择装置可以被提供以允许跨单个DWG传输的多个频率信号。

以上所描述的各种电介质芯波导配置可以使用打印工艺来制造，诸如喷墨打印机或可以“打印”各种聚合物材料的其他三维打印机构。例如，参见2014年9月4日的维基百科“3D printing”。打印允许厚(诸如0.1um-1000um厚)的电介质和金属层的快速且低成本的沉积，同时还允许精细的特征尺寸，诸如20um的特征尺寸。标准的集成电路(IC)制造工艺无法处理该厚度的层。典型地用于制造电介质波导和金属结构的标准宏观技术(诸如机加工和蚀刻)可以仅允许降至1mm的特征尺寸。在100nm-1mm量级上的这些更厚的打印电介质和金属层(其有可能通过喷墨印刷来制成)使得能够以子THz和THz频率进行波导操作。以前，光频可以使用标准半导体制造方法来处理，而更低的频率可以使用大的金属波导来处理；然而，在用于制造THz信号的波导的技术中存在差距。将波导直接打印到芯片/封装件/板上减轻了标准波导组件的对准误差并且简化了封装过程。

图13是图示说明了使用喷墨打印工艺来制造具有类似于图9和图10的电介质芯的波导的工艺流程图。在工艺步骤1301中，在1351处图示说明的喷墨打印机构使用已知的打印工艺将底层1330沉积在衬底1320的顶表面上。该底层将形成波导的底表面。底层1330可以是用于形成类似于DWG 900的电介质波导的电介质层。类似地，底层1330可以是用于形成类似于DWG 1000的导电波导的导电层。如图9至图10所图示说明的，底层1330可以被配置使得其仅跨波导的底部区域延伸，或者如图12所图示说明的，其可以被配置以延伸超过波导的壁。底层1330延伸波导的长度并且共形到衬底1320的顶表面。

在另一示例中，底层1330可以被预先制造在衬底上；例如，其可以是被层压在衬底1320的表面上的导电层。在该示例中，可以通过蚀刻或者通过用于在衬底上产生图案化特征的其他已知的制造技术来移除导电层的不需要的部分。在另一示例中，可以通过将层扩散到衬底1320上，或者通过将层溅镀到衬底1320上，或者通过用液体或胶填满衬底1320的表面来形成底层1330。在另一示例中，冲压的金属或电介质形状可以被层压或以其他方式附接至衬底1320以形成底层1330。

在工艺步骤1302中，通过打印电介质材料来形成芯构件1312，从而形成波导的芯。可能需要打印头1352的多次传递以获得芯1312的期望厚度。打印电介质可以由能够沉积在厚层中的任何电介质材料(诸如聚合物或氧化物)组成。可以使用具有不同的介电常数值的材料来执行打印头1352的附加传递以便形成诸如在图5和图6中的分叉区域531、631。

在工艺步骤1303期间，由打印头1353来应用共形的覆层涂层以覆盖波导的顶部和侧部。以此方式，芯1312通过导电覆层1310或电介质覆层包围以形成波导。能够以此方式被打印的各种导电材料对于形成涂层1310是有用的，诸如：具有金属填充物的导电油墨、由离子掺杂形成的导电聚合物、基于碳和石墨的化合物，或导电氧化物。类似地，类似于基层1330的电介质材料对于形成非导电DWG的覆层是有用的。

图14是图示说明了使用喷墨打印工艺来制造具有类似于图11的电介质芯的金属波导的工艺流程图。在该示例中，在工艺步骤1401期间，由打印头1451以类似于以上关于图13所描述的方式将底层1430形成在衬底1420的顶表面上。在工艺步骤1402期间，由打印头1452以类似于以上所描述的方式来形成第一芯层1414。

在工艺步骤1403期间，由打印头1453使用具有不同于用于层1414的材料的介电常数的电介质材料来形成芯的区域1413。然后，在步骤1404中，由打印头1454来应用电介质材料的另一层1415以完成波导的芯构件。在该示例中，三个层1414、1413、和1415用于形成芯构件1412。在该示例中，层1413具有大于层1414、1415的相对介电常数值εr2的相对介电常数值εr1。如以上讨论地，以此方式可以形成允许子THz信号被更多地限制在电介质芯的区域内的分级芯。

可能需要打印头1453的多次传递以获得芯1413的期望厚度。打印电介质可以由能够沉积在厚层中的任何电介质材料组成，诸如聚合物或氧化物。可以使用具有不同的介电常数值的材料来执行打印头1453的附加传递以形成诸如在图5和图6中的分叉区域531、631。

在另一示例中，附加层对于使用εr1到εrn的相对介电常数的范围来形成芯构件1412是有用的。

在工艺步骤1405期间，由打印头1455来应用打印的导电涂层以覆盖波导的顶部和侧部。以此方式，如以上更详细讨论的，芯1412由导电覆层1410包围以形成波导。

对于以上描述的全部波导示例，波导可以在衬底的平面上的期望的图案中被打印得任意长。然而，DWG的长度可能受到可用的“衰减预算(attenuation budget)”的限制，因为收发器必须允许TX与RX之间的信号的确定的衰减。DWG的最大长度取决于若干因素，包括：DWG的材料、其衰减、隔离性质、弯曲损耗和曲线数量。

打印波导可以共形到衬底的表面拓扑结构。如果该衬底是柔性的，如果打印波导的材料也是柔性的，则该波导也可以是柔性的。

在另一示例中，电介质芯可以按照这样的方式被形成：该电介质芯具有沿电介质芯的纵向范围随至少两个值变化的介电常数值。例如，这可以通过沿电介质芯的范围打印不同的材料来完成。这对于将波导的阻抗与另一波导进行匹配可以是有用的。

典型地，使用光刻工艺来形成电介质芯将在电介质芯上产生基本上垂直的侧壁。当电介质芯的侧部是垂直的时，对金属材料进行沉积以覆盖电介质芯可能是困难的。然而，使用喷墨工艺来形成电介质芯并且控制油墨的表面张力允许控制打印波导的侧壁的斜率或角度。因此，根据接下来的处理步骤的需要，电介质芯的侧壁可以被形成有稍微向内的斜坡或者可以被完全竖直地形成。以此方式，可以改进金属侧壁的沉积。然而，这在其他3D打印工艺中可能不是问题。

图15是说明了共形波导的各个方面的系统1500的图示说明。在此示例中，如以上更详细描述的，带有收发器1551-1554的四个节点1501-1504安装在或以其他方式形成在衬底1520的表面上。如以上更详细描述的，收发器1551通过也形成在衬底1520的表面上的波导1561耦合至收发器1552。同样地，如以上更详细描述的，收发器1553通过也形成在衬底1520的表面上的波导1562耦合至收发器1554。如以上更详细讨论的，一个或多个滤波器1571可以被包括以使特定的信号频率通过或抑制特定的信号频率。

如以上更详细描述的，可以使用喷墨工艺或其他3D打印形式将波导1561、1562直接形成在衬底1520的表面上。该工艺允许波导被形成在每一个节点的芯片管芯上并且然后跟随着每一管芯的边缘到衬底1520的表面上。以类似的方式，一个波导(诸如1562)可以在另一波导(诸如1561)的顶部上方被路由，如在1571处所指示的。

在一些示例中，衬底1520可以是在单个SoC中包括多个功能节点的单个集成电路。在那种情况下，该SoC可以在每一个节点(诸如节点1501-1504)中包括天线或其他耦合结构，其中一个或多个DWG耦合在直接形成在SoC衬底上的两个节点之间。以此方式，广泛的自由度可用于在衬底表面上路由多个波导，并且可用于跨存在于衬底的表面上的其他波导或其他物理特征件上方路由多个波导。

如由以上说明和示例所示，多个电子装置可以被容易地互连以通过使用本文中描述的技术提供电子装置之间的子太赫兹通信路径。

在芯片、封装件或板的顶部上的可打印金属波导可以被处理到几乎任何衬底(诸如硅、树脂玻璃、塑料、纸张)上。有可能通过喷墨打印被制成的在100nm-1mm量级上的打印电介质层使得能够以子THz频率进行波导操作；之前使用标准制造方法仅可以实现光频。金属或其他方式的导电壳体在标准电介质波导上方提供隔离。

因此，极其低成本和低损耗的子THz信号路由波导可以被打印到几乎任何衬底上。将波导直接打印到芯片/封装件/板上减轻了标准波导组件的对准误差并且简化了封装过程。

图16是对电介质波导上的信号进行滤波的方法的流程图。在DWG的输入端口上接收1602组合信号，其中该组合信号至少包括具有第一波长的第一频率信号和具有第二波长的第二频率信号。每一个波长具有用于一个波长被传输通过DWG的持续时间的对应的时间周期。

该组合信号被划分1604为第一部分和第二部分。这可以通过如关于分叉区域231、531、631所描述的对信号进行分叉来完成。在一个示例中，该分叉区域可以由两个DWG弯曲分段分支来形成，每个DWG弯曲分段分支具有相似的曲率半径。在另一示例中，如由531、631图示说明的，分叉区域可以由具有不同介电常数的两个区域之间的弯曲接口来形成。

该组合信号的该第一部分被延迟1606一时间量来形成延迟的第一部分。这可以通过将信号的第一部分传送通过DWG反馈环路或延迟线(诸如环路232、532、632)来完成。如以上关于方程(1)和方程(2)所讨论的，延迟时间可以被选择为近似于第一波长时间周期的整数倍或第二波长时间周期的整数加1/2倍。

该延迟的第一部分与接收信号进行组合1608以便形成滤波信号，使得第一频率信号通过相长干涉被增强，而第二频率信号通过相消干涉被减弱。如以上更详细描述的，这可以通过将圆形DWG反馈环路与DWG的输入部分进行合并来完成。

滤波信号的一部分被提供1610给接收器。如以上更详细描述的，该第二频率信号的振幅在滤波信号中被衰减。如以上描述的，滤波信号的一部分可以通过分叉区域231、531、631被划分，并且通过路径2被提供给输出端口并且由此被提供给耦合至输出端口2的接收器。

在一些示例中，延迟可以被调节1620以便调谐滤波器特性。例如，这可以通过跨圆形反馈环路的电介质芯材料强加可变DC场经由调节该圆形反馈环路的介电常数来完成。

图17是波导频率选择器装置1700的另一示例的图示说明。图17说明了为简单起见，仅对芯进行图示说明；然而，选择器装置1700以类似于以上更详细描述的方式被构建。DWG滤波器1700具有被配置为接收被发射到端口1中的高频信号的输入DWG部分1730。输入DWG 1730在区域1731中分叉以形成延迟线DWG部分1732和输出DWG部分1733。在该示例中，输出DWG部分1733可以近似是直的，而非弯曲的。为了使显著量的信号分叉通过滤波器1700的弯曲部分和反馈延迟线DWG部分1732，如关于图5和图6更详细描述的，该信号滤波器可以针对芯使用两种不同的材料。

如以上描述的，当路径1的电磁波前进通过延迟路径1732并且在结合区域1734处在输入DWG部分1730上重新结合来自端口1的电磁波时，发生滤波效应。根据电磁波的频率(或波长)、延迟路径1732的长度，以及分叉区域1731与结合区域1734之间的路径2的长度，该信号将与来自端口1的信号相长或相消地干涉。

在一些示例中，如关于图7更详细描述的，可以使用电场对路径1或路径2的电介质进行调谐。

该DWG滤波器装置是双向的，因为信号可以在端口1和/或端口2中的任一者处被接收。

图18是以与图17类似的方式进行操作的另一双向示例。

使用在本文中描述的原理可以容易地推导出其中输入DWG被分叉以产生两条不同长度的路径并且这两条路径然后被重新结合，从而基于该两条路径之间的延迟时间的差产生相长和/或相消干涉的其他示例。

所描述的示例允许跨DWG以不同的频率或信道发送信息并且在DWG互连的另一端对其进行滤波。这可以利用可以是无源或有源的装置来完成。图2、图5和图6中描述了无源装置的示例。例如，有源装置可以包括借助可变DC场的圆形DWG部分的介电常数的有源调制。

虽然在本文中描述了电介质波导，但是另一示例可以使用金属或非金属导电材料来形成该波导的顶部、底部和侧壁，诸如：通过离子掺杂形成的导电聚合物、基于碳和石墨的化合物或导电氧化物。如在本文中使用的，术语“导电波导”指代具有金属或非金属导电侧壁的波导。

虽然在本文中描述了圆形DWG反馈环路，但是该反馈环路可以是椭圆形、细长形或具有圆角的正方形。

虽然在本文中描述了具有聚合物电介质芯的波导，但是其他示例可以针对电介质芯使用其他材料，诸如陶瓷或玻璃。

在其上形成有电介质芯波导的衬底可以是刚性的或柔性的、平面的或非平面的，以及平滑的或不规则的。电介质芯波导可以形成在衬底表面上并且通过使用在本文中描述的增材工艺共形到表面的拓扑结构而不考虑衬底的拓扑结构。

虽然在本文中描述了具有矩形横截面的电介质芯，但是其他示例可以使用在本文中描述的打印工艺来容易地实现。例如，电介质芯可以具有矩形、正方形、梯形、圆柱形、椭圆形或许多其他选择的几何形状的横截面。而且，在本文中描述的工艺允许电介质芯的横截面沿波导的长度而变化以调节阻抗并产生传输模式重塑(transmission modereshaping)。

在一些示例中，在使用喷墨打印或其他3d打印工艺形成波导后，可以通过用适当的溶剂溶解衬底或融化热敏感衬底来移除衬底。以此方式，可以使用如本文中所述的易于制造和可用的可选材料变化来形成具有复杂形状的独立式波导。

例如，导电波导的电介质芯可以选自大约2.4-12的范围。这些值用于通常可用的电介质材料。当其变得可用时，可以使用具有更高或更低值的电介质材料。

虽然在本文中描述了使用逐层增材制造技术(诸如喷墨打印)通过将波导直接打印到衬底上来形成导电波导，但是也可以使用其他增材技术，诸如丝网印刷、柔性版印刷、或3D打印。

虽然在本文中描述了DWG和金属或其他方式的导电波导，但是在本文中描述的喷墨和3D打印技术对于形成共形到衬底的表面的其他形式的波导和微同轴也是有用的。

术语“耦合”及其衍生词旨在意指间接、直接、光学、和/或无线电连接。因此，如果第一装置耦合至第二装置，那种连接可以通过直接电连接、通过经由其他装置和连接的间接电连接、通过光学电连接和/或通过无线电连接。

在权利要求书的范围内，在所描述的实施例中的修改是可能的，并且其他实施例是可能的。

Claims (15)

1.一种对电介质波导上的信号进行滤波的方法，所述方法包括：

在所述电介质波导即DWG上接收组合信号，其中所述组合信号至少包括具有第一波长的第一频率信号和具有第二波长的第二频率信号；

将所述组合信号划分为第一部分和第二部分；

将所述组合信号的所述第一部分延迟一延迟时间量以形成延迟的第一部分；

将所述延迟的第一部分与接收的组合信号结合以形成滤波信号，使得所述第一频率信号通过相长干涉被增强，而所述第二频率信号通过相消干涉被减弱；以及

将所述滤波信号的一部分提供给接收器，其中所述第二频率信号的振幅在所述滤波信号中被衰减。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述延迟时间量近似等于第一波长时间周期的整数倍。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述延迟时间量近似等于第二波长时间周期的整数加1/2倍。

4.如权利要求1所述的方法，其中使用具有相似的曲率半径的两个弯曲DWG分支来执行对所述组合信号的划分。

5.如权利要求1所述的方法，其中使用所述DWG芯中的弯曲或成角度的接口来执行对所述组合信号的划分，所述DWG芯在所述弯曲或成角度的接口的每一侧上具有不同的介电常数值。

6.如权利要求1所述的方法，其中使用DWG延迟线来执行对所述组合信号的所述第一部分的延迟，并且其中所述DWG延迟线的长度近似等于所述第一频率信号的波长的整数倍。

7.如权利要求6所述的方法，其进一步包括通过调节所述DWG延迟线的介电常数的值来调节所述延迟时间量。

8.如权利要求7所述的方法，其中通过调节所述DWG延迟线的两端的电压场的幅值来执行对所述介电常数的调节。

9.一种电介质波导系统即DWG系统，其包括：

DWG频率选择器，其中所述频率选择器包括具有输入部分的电介质波导，所述输入部分在分叉区域终止以形成第一分支和第二分支，其中该分支中的第一分支形成重新结合所述第二分支的延迟线。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一分支在所述分叉区域内具备具有第一半径的弯曲部分，并且其中第二分支在所述分叉区域内具备具有近似等于所述第一半径的半径的弯曲部分。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述第一分支在所述分叉区域内具备具有第一电介质值的弯曲部分，并且其中第二分支在所述分叉区域中具有第二介电常数值，所述第二分支通过接口平面与所述第一分支隔开，使得所述第一电介质值大于所述第二电介质值。

12.如权利要求9所述的系统，其进一步包括具有表面的衬底，其中所述波导被形成在所述衬底的所述表面上，并且其中所述波导包括：

形成在所述衬底的所述表面上的共形基层；以及

连接至所述基层以形成纵向芯区域的两个间隔开的侧壁以及共形顶层。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述共形基层延伸超过所述侧壁。

14.如权利要求12所述的系统，进一步包括：

安装在所述衬底的所述表面上的发送装置，所述发送装置被耦合至所述波导并且能够操作以将射频信号即RF信号发射到所述频率选择器中；以及

安装在所述衬底的所述表面上的接收装置，所述接收装置被耦合至所述波导并且能够操作以从所述频率选择器接收所述RF信号的一部分。

15.如权利要求12所述的系统，其中所述共形基层、所述侧壁和所述共形顶层中的至少一个是金属的。