CN106558748B - 用于将信号发射到介质波导管中的系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种将信号发射至介质波导管的系统，提供一种用于使用介质波导管(DWG)传输亚太赫兹电磁射频(RF)信号的系统，该介质波导管具有由介电包层包围的介电核心部件。RF发射器耦合到位于第一基板上的天线，其中天线邻近基板的边缘。第一基板安装在第二基板上。导电反射片在第二基板的顶部表面上形成。DWG的端部安装在第二基板上反射片的上方，以便DWG的端部处的核心部件的暴露面邻近天线。DWG的端部处的核心部件与第二基板形成倾斜的角度，其中所述角度是在大约10度‑30度的范围内。

Description

用于将信号发射到介质波导管中的系统
技术领域
本发明大体涉及用于高频信号的波导管，以及特别地涉及用于将信号发射到介质波导管(dielectric waveguide)中的结构。
背景技术
在电磁和通信工程中，术语波导管可指的是在其端点之间传送电磁波的任何线性结构。原始的和最普遍的意义是用于运载无线电波的空心金属管。出于诸如将微波发射器和接收器连接到它们的天线的目的，这种类型的波导管在诸如微波炉、雷达设备、卫星通信以及微波无线电链路的设备中被用做传输线。
介质波导管采用固体介电核心，而不使用空心管。介电质是能够被施加的电场极化的电绝缘体。当介电质被放置在电场中时，电荷不像它们在导体中那样流过材料，而仅从引起介电极化的平均平衡位置轻微地移位。由于介电极化，正电荷被朝向场移动位置并且负电荷在相反的方向上移位。这创建了减小介电质自身内的整体场的内部电场。如果介电质是由弱结合的分子组成，那些分子不仅被极化，而且重定向，以便它们的对称轴与场对齐。而术语“绝缘体”意指低电传导，“介电质”一般用于描述具有高极化率的材料；其用被称为相对电容率(εk)的数表示。术语绝缘体通常用于指示电阻塞，而术语介电质用于指示凭借极化的材料的储能容量。
电容率是一种材料性质，其表示材料由于电极化(J/V^2)/(m)的每单位米储能的一种度量。相对电容率是因数，电荷之间的电场通过该因数相对于真空减小或增大。电容率一般用希腊字母ε表示。相对电容率也通常被称为介电常数。
电容率是材料响应于施加的磁场而支持自身内磁场形成的能力的一种度量。磁导率一般用希腊字母μ表示。
金属管波导管中的电磁波可被认为成以之字形路径沿导管行进，在导管相对的壁之间被反复地反射。对于矩形波导的特定情况，可以以该视图为基础精确分析。在介质波导管中的传播也可以同样的方式观察，其中，波被介电质表面的全内反射局限于介电质。
附图说明
根据本发明的特定实施例现将仅通过示例的方式并且参考附图被说明：
图1是通过多种介电常数的材料的波长对比频率的曲线图；
图2是一种示例介质波导管的图示；
图3是一种在基板上的维瓦尔第(Vivaldi)天线的三维视图；
图4是一种接合到包含天线的封装的介质波导管(DWG)的侧视图；
图5是锥形DWG另一个实施例的图示；
图6-8是发射到图4的DWG中的信号的仿真图；
图9-13是一种DWG插座和插头的图示；
图14是一种具有DWG插座的系统的图示；
图15是一种具有维瓦尔第天线的示例基板；
图16是说明一种具有信号发射结构的系统的框图；以及
图17是说明信号发射到倾斜的DWG的流程图。
从随后的附图和详细说明，本实施例的其他特征将变得明显。
具体实施方式
现在将参考附图详细说明本发明的特定实施例。为了一致，各种附图中的相同元件用相同参考数字表示。为了提供对本发明的更彻底的理解，在随后的具体实施方式中，阐述了多个特定细节。但是，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实施对本领域的一般技术人员来说是明显的。在其他情况下，众所周知的特征没有被详细说明，以避免使说明不必要的复杂化。
介质波导管(DWG)可以用作(例如，系统中芯片到芯片或系统到系统进行通信的)媒介。将DWG线缆直接接合到发射和/或接收模块可以提供低成本互连方案。本公开的实施例提供一种将DWG直接接合到系统模块的方法，如将在下面更加详细地说明地。
随着电子元件和系统中的频率增大，波长以相应的方式减小。例如，现在许多计算机处理器在千兆赫兹领域内运行。随着运行频率增加到亚太赫兹领域内，波长变得足够短，使得超过一段短距离的信号线可以充当天线，并且可以发生信号辐射。图1是通过多种介电常数的材料的波长对比频率的曲线图。如曲线102所示，其表示具有低介电常数3的材料，诸如一般的印刷电路板，100GHz的信号将具有大约1.7mm的波长。因此，仅1.7mm长的信号线可充当全波天线并且辐射显著百分比的信号能量。事实上，甚至λ/10的线也是好的辐射器，因此在印刷电路板上与170μm一样短的线可以在此频率下充当好的天线。波长一般在具有较高介电常数的材料中减小，例如，如介电常数为4的曲线104和介电常数为10的曲线106所示。
开放空间中的波在所有方向上传播，如球面波。以此方式，它们与距离的平方成比例地损失它们的功率；即，在离信源距离为R处，功率是信源功率除以R^2。低损耗波导管可用于越过相对较长的距离运输高频信号。波导管将波限制在一维中传播，以便波在理想条件下在传播时不损失功率。沿着波导管的轴的电磁波传播用波动方程描述，其由麦克斯韦方程得出，并且其中波长取决于波导管的结构以及其中的材料(空气、塑料、真空等)，也取决于波的频率。常用的波导管仅有几种类别。波导管最常用的种类一种是具有矩形横截面，一种通常不是正方形。通常这种横截面的长边的长度是其短边长度的两倍。这些对于运载被水平或垂直极化的电磁波是有用的。
波导管配置可以具有由高介电常数的介电材料制成并且被由较低介电常数的介电材料制成的包层包围的核心部件。尽管理论上，空气能够用来代替包层，但是因为空气具有大约1.0的介电常数，所以被人或其他物体接触可引入严重的不连续，其可导致信号损失或讹误。因此，一般地自由空气不提供合适的包层。
对于遭遇亚太赫兹无线电频率(RF)信号的极小的波长，介质波导管表现优异并且其建造比空心金属波导管更便宜。另外，金属波导管具有由波导管的横截面尺寸决定的频率截止。在截止频率以下，没有电磁场的传播。介质波导管可具有更宽的运行范围，而没有固定的截止点。但是，纯粹的介质波导管可受制于由手指或手，或由其他导电物体的碰触所引起的干扰。金属波导管限制所有的场，且因此不遭受EMI(电磁干扰)和串扰问题；因此，具有金属包层的介质波导管可提供与外部干扰源的有效隔离。
2013年4月1日申请的题为“针对介质波导管具有偶极子天线接口的集成电路”(“Integrated Circuit with Dipole Antenna Interface for Dielectric Waveguide”)的美国专利申请公布号US 2014-0287701A1(代理人案号TI-73115)以参考的方式被合并于此。在其中描述了介质波导管(DWG)和互连方案的多种配置。在其中也描述了用于向DWG发射和从DWG接收无线电频率信号的多种天线配置。
2013年4月1日申请的题为“具有非平面接口表面的介质波导管”(“DielectricWaveguide with Non-planar Interface Surface”)的美国专利申请公布号US 2014-0240187A1(代理人案号TI-73537)以参考的方式被合并于此。在其中描述了DWG插座和接口的多种配置。
使用3D打印制造DWG在Benjamin S.Cook等人的题为“具有介电核心的金属波导管”(“Metallic Waveguide with Dielectric Core，”)的美国专利申请14/498,837中更详细地描述，其以参考的方式被合并于此。
图2说明被配置为由介电包层材料包围的核心介电材料的薄带的DWG200。核心介电材料具有介电常数值ε1，而包层具有介电常数值ε2，其中ε1大于ε2。在此示例中，核心材料212的薄矩形带被包层材料211包围。对于亚太赫兹信号，诸如在130-150千兆赫兹的范围内，大约0.5mm×1.0mm的核心尺寸工作良好。
可使用标准制作材料和制造技术制造柔性DWG线缆。这些线缆几何结构可使用技术诸如：牵引(drawing)、挤压(extrusion)或熔融(fusing)过程构建，这些过程均为制作塑料的常用做法。
图3是一种在基板310上具有维瓦尔第天线320的系统的部分的三维视图。该基板范围可来自，例如，集成电路(IC)管芯、多芯片封装中的基板、在其上安装有若干IC的印刷电路板(PCB)等。基板310可为任意通用或后来开发的用于电子系统和封装的材料，例如，诸如：硅、陶瓷、树脂玻璃、玻璃纤维、塑料等。例如，基板可以与纸一样简单。
维瓦尔第天线本质上是具有两个导电波瓣321、322的缝隙天线。维瓦尔第天线的一般设计是众所周知的；例如，见J.S.Mandeep博士等人2008年的“设计X波段的维瓦尔第天线”(“Design an X-Band Vivaldi Antenna”)，其以参考的方式被合并于此，且因此本文将不详细描述。维瓦尔第天线是高度方向性的并且倾向于沿着缝隙的轴离开天线辐射，如在329处所示。此特点使它们对于将亚太赫兹信号发射到DWG中是有用的，并且类似地对于从DWG接收亚太赫兹信号是有用的，同样将在下面更详细地描述。
还参考图3，微分馈线323、324可用于将维瓦尔第天线的波瓣321、322耦合到可安装在基板310上的发射器或接收器(未示出)。必须注意保持每个信号线323、324的长度相同，以便亚太赫兹信号同时到达每个波瓣。否则，辐射的信号可能失真或衰减。
信号线从发射器/接收器到天线波瓣321、322的路径可需要通过基板310的一层或更多层的通孔，诸如327、328。可添加调谐短截线，例如，诸如325、326以调整信号线323、324的阻抗以与通孔的阻抗匹配。以此种方式，信号的不连续可被最小化。
为了将位于基板310上的电路系统与来自天线320的RF辐射屏蔽，导电板311被包含在这个实施例中。导电板312充当天线320的地面参考。馈通通孔313将天线320的基部耦合到接地板312。
图4是系统300的侧视图，该系统300可包括接合到包含天线320的基板310的DWG330。DWG具有介电核心332和介电包层331，如上根据DWG200所述。DWG包层331用低介电常数(εk2)材料形成，并且核心332用较高介电常数(εk1)材料形成。
基板310具有“顶部”表面311和“底部”表面312。术语“顶部”和“底部”仅为了参考方便而使用，并且不意在暗示任何特定的方向。为了更好地将辐射耦合到DWG 330中，放置天线320以便使其靠近基板310的界面边缘313。
多层基板310可包含被绝缘层分开的若干导电层。众所周知，多种导电层可被图案化成互连图案并且由通孔进行互连。通孔也被加到基板310的表面并且为集成电路(IC)提供连接焊盘。多层基板302可包含被绝缘层分开的若干导电层。众所周知，多种导电层可被图案化成互连图案并且由通孔进行互连。通孔也被加到基板310的表面并且为IC载体基板310提供连接焊盘。众所周知，焊料球304提供载体310上的引脚和基板302上的通孔焊盘之间的连接。IC 340安装在载体基板310上并且包含使用已知技术生成高频信号的电路系统。
在此示例中，天线320在导电层上实现，该导电层是多层基板310的内部层。在另一个实施例中，天线320可在不同层上形成，例如，诸如：在基板310的顶部表面311上，或在基板310的底部表面312上形成。
集成电路(IC)340可包括产生高频亚太赫兹信号的发射器电路，或高频接收器电路，或两者，集成电路(IC)340可安装在基板310上。发射器的输出端口可经由平衡信号线和通孔(诸如327处所示，以及关于图3详细描述的)耦合到天线320。类似地，如果IC 340包含接收器，接收器的输入端口可经由平衡信号线和通孔(诸如327处所示，以及关于图3详细描述的)耦合到天线320。
在此示例中，在“管芯朝下”(“die down”)配置中，IC 340安装在载体基板310的底部表面312上。在另一个实施例中，例如，在IC 340在“倒装芯片(flip-chip)”配置中，IC340可安装在顶部表面311上。
基板302可为任意通用或后来开发的用于电子系统和封装的材料，例如，诸如：硅、陶瓷、树脂玻璃、玻璃纤维、塑料等。例如，基板302可以与纸一样简单。例如，基板302和/或基板310可以是印刷电路板(PCB)。
DWG 330安装在基板302上，以便核心332的暴露面大约集中围绕天线320的中心线并且邻近基板310的界面边缘313。为了聚焦从天线320辐射进入DWG 330的能量，导电反射片350可放置在DWG 330的端部之下。反射片350导致辐射信号具有向上的矢量，如335处所示。为了更好地捕获该向上的辐射信号，例如，DWG 330可以与矢量335近似匹配的角度336安装在基板302上。
倾斜的角度可依赖于天线的类型、导电反射片的位置和尺寸、信号频率等变化。DWG应该倾斜以对准产生的发射信号的辐射波瓣。在该示例中，角度336大约是15度。例如，对于在110-150GHz范围内并且使用典型的IC载波技术的信号，可以期望的角度是在10-30度的范围内。
为了允许DWG核心元件332集中于天线320上，如333、334处所示，DWG 330的端部被锥形化。使DWG的端部锥形化也可改善天线320和DWG330之间的阻抗匹配。在此示例中，在DWG 330的端部上形成四个面元；顶部333、底部334和两个侧部(未示出)。图5说明DWG 520的另一个实施例，其中端部区域以环形的方式被锥形化，类似于削尖的铅笔。为了改善耦合和阻抗匹配，其他锥形化的配置可应用到DWG的端部。
抛光DWG 330、530的锥形部分可改善耦合和阻抗匹配。
图6和图7是从天线620发射到倾斜的DWG 630的信号的仿真图，其类似于图4的DWG330。图6提供了侧视图，图7提供了说明由天线620发射的信号的场强的俯视图。能量的个体波的场强由图6和图7中的阴影区域表示。被称为“高频仿真器结构”(HFSS)的仿真器(可向ANSYS有限公司(ANSYS，Inc)购买)用于分析本文所讨论的天线。HFSS是一种高性能的全波电磁(EM)场仿真器，用于任意的3D体积的无源器件建模。它使用有限单元法(FEM)和积分方程法将仿真、可视化、实体建模和自动化进行集成。HFSS能够提取散射矩阵参数(S、Y、Z参数)、使3D电磁场(近场和远场)形象化、并且生成链接到电路仿真的全波SPICE(集成电路通用模拟程序)模型。
DWG 630具有介电核心632和介电包层631，如上根据DWG 330所述。DWG包层631用低介电常数(εk2)材料形成，并且核心632用较高介电常数(εk1)材料形成。如633处所示，DWG 630的端部被锥形化。抛光锥形区域。在此仿真中，导电接地面650在DWG 630的整个范围之下延伸。但是，仅需要具有长度(诸如延伸经过锥形区域633的351)的反射片将信号导向倾斜的DWG 630中。天线620邻近界面边缘613放置，界面边缘613限定了容纳天线620的基板的边缘。
如图6和图7中可见，只要反射片350具有超过由天线620发射的信号的大约五个波长的长度L 351，则信号被倾斜的DWG 630捕获并且沿着DWG630的核心632传播，如矢量635所示。
图8是用dB说明跨越100-180GHz频率范围的插入损耗801、天线侧的回波损耗802和DWG侧上的回波损耗803的曲线图。如此可知，当与此中所述的DWG 330/530配合时，维瓦尔第天线320/520产生低的插入损耗。在130-135GHz的频率范围内的回波损耗峰表明天线320/620针对该频率范围被调谐。
图9-图13是允许柔性DWG线缆980与DWG短截线930容易耦合的DWG插座960和匹配插头970的图示。DWG短截线930可接合到包括具有位于邻近基板910的界面边缘的天线920的基板910的模块。基板910可以是多层基板，其上安装有一个或更多个IC。如上更详细所述，其中一个IC可具有高频电路系统，当耦合到天线920时以生成或接收亚太赫兹信号。
以插座体960的安装表面被配置为将插座体安装在基板上这样的方式，插座体被耦合到DWG短截线930，以便DWG短截线的核心部件与基板形成倾斜的角度。如上所述，例如，倾斜的角度可以是在10-30度的范围内。插座体被配置为与DWG线缆980的端部耦合，以便保持DWG线缆的端部与DWG短截线的配合端部对齐。在DWG短截线的接合端部处的核心部件的暴露面被定向为垂直于插座的安装表面。
以如上根据图4所述的相似的方式，基板910和DWG插座960可安装在另一个基板902上。如以上更详细所述，基板902可以是多层PCB，或其他类型的单个或多层基板。
如上所述，短截线930可具有锥形区域933。可抛光锥形区域933以改善短截线930和天线920之间的耦合。如上所述，锥形区域可以多种方式被锥形化，诸如：多重面元、圆锥形状等。
图12说明从插座960移除插头970。为了保持住插头970，封锁棘爪962和972可在插头970插入插座960中时啮合。这个接合可用于连接波导管以延伸短截线930的长度，例如，为了在它们中的一个可以是电子装置(诸如：计算机、服务器、智能电话、平板电脑或任何其他通信装置等)的一部分的情况下连接两个不同的波导管。例如，是IC模块的一部分的DWG段可被耦合到另一个DWG段。
尽管在图12中说明了包含两个封锁棘爪962的护圈，但是例如，在另一个实施例中，该护圈可仅具有单个棘爪，或若干个棘爪。例如，在另一个实施例中，护圈可以是环形的卡环形式。例如，在另一个实施例中，插座体960可被配置为接收RJ45插头。
图13说明形成插塞连接器的DWG插座960和插头970的内部层面。在该示例中，DWG930、DWG 980与硅胶填隙料材料1365耦合。插塞接头的一片970安装在DWG 980的端部上以形成插头。插塞接头的另一片960安装在短截线DWG 930的端部上。控制插塞接头片的安装位置，以便在配对时，可变形的填隙料材料1365被压缩以便于将大部分(如果不是全部)空气从DWG 930和DWG 980之间的间隙清除。
如US 2014-0240187中更详细所述，当两个介质波导管耦合在一起时，在两个DWG之间可能有间隙。这个间隙产生阻抗失配，由于阻抗失配生成的辐射能量，可生成显著的损耗。损耗的范围依赖于间隙的几何结构和间隙中的材料。基于仿真，方形切口对接接头看上去提供显著的阻抗失配。
仿真表明，如果锥形仅在DWG的两个侧部完成，尖头的形状(诸如1364处所示)是有效的，但当锥形在DWG的四个侧部完成以形成椎体形状时，尖头的形状更加有效。该锥形也可由四个侧部上的圆锥形状或两个侧部上的拱形形状代替，或由将从由相对侧部切口偏转的信号的能量偏转回DWG的任意其他形状代替。
尖头的、椎体的、圆锥的、拱形的或相似类型的形状提供具有极低插入损耗的接合，容易实施，机械地自动对准，并且对于微小的未对准是柔性的和稳健的。这些形状全部可使用标准制作材料和制造技术制造。
间隙中的材料
在上述示例中，填充间隙的材料可仅仅是空气，空气具有大约1.0的介电常数。如早前所述，核心材料的介电常数通常是在3-12的范围内，而包层材料的介电常数通常是在2.5-4.5的范围内。失配阻抗与DWG和间隙内部材料之间的介电常数的差成比例。这意味着即使在插座的几何结构被优化的情况下，DWG之间的空气间隙也不是最佳配置。为了使阻抗失配最小化，DWG插座可以用具有介电常数非常接近于DWG核心和包层的介电常数的橡胶材料1365设计。期望柔性材料以适应和填充间隙中的所有空间。具有介电常数2.5到3.5的橡胶材料的示例是硅胶。可利用的具有相似特性的其他材料分成两个类型：不饱和橡胶和饱和橡胶。
不饱和橡胶包括：例如，合成的聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯橡胶、丁基橡胶、卤化丁基橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶等。
饱和橡胶包括：例如，EPM(乙烯丙烯橡胶)，EPDM橡胶(三元乙丙橡胶)、氯丙橡胶(ECO)、聚丙烯酸酯橡胶(ACM、ABR)、硅橡胶(SI、Q、VMQ)、氟硅橡胶(FVMQ，氟橡胶(FKM和FEPM)氟化橡胶、苏威特种聚合物、Fluorel合成橡胶、全氟橡胶(FFKM)苏威特种聚合物PFR、全氟醚橡胶、Chemraz公司产品，Perlast公司产品，聚醚嵌段酰胺(PEBA)、氯磺化聚乙烯(CSM)，(海帕伦Hypalon)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)等。
尽管连接器的特定配置在图13中说明，其他实施例可使用任何数量现在已知的或后来设计的连接器设计以将两个DWG耦合在一起，并且保持机械对准并且提供足够的耦合力以保持填隙料材料上的形变压力。
一般地，例如，可形变的材料可贴附到DWG 980的外端部(male end)或DWG 930的内端部(female end)。可使用胶水、热熔或其他接合技术以永久的方式贴附可形变的材料。但是，可形变材料的较薄层可贴附到DWG 930的端部和DWG 980的端部两者，以便用可形变材料的两层填充间隙。在另一个实施例中，外(male)/内(female)方向可反向。
参考回到图12，插座960和短截线DWG 930可使用3D打印技术制造以生产单片结构，该单片结构可随后被安装在基板902上。可选地，3D打印技术可用于在基板902上直接形成DWG插座960以及短截线DWG 930。插座960的形状可改变以使这种制造更容易。例如，短截线DWG的包层下方的区域可用形成包层或插座960的材料填充。
图14是可包括系统模块1490的系统1400的图示，系统模块1490可包括高频电路系统和用于将信号发射到DWG中的天线，如上面更详细所述。DWG插座1460安装在基板1402上，基板1402是多层PCB。DWG插座1460包括安装基部1463，使用螺丝和螺帽可将其附加到基板1402，如1464处所示。在此示例中，在基板1402上提供反射片1450。在此示例中，反射片1450足够宽以容纳与模块1490内部的发射天线对准或与模块1490内部的接收天线对准的DWG插座。在一些实施例中，发射天线和接收天线两者都可存在，并且两个DWG短截线可被包括在双工DWG插座中。
在其他实施例中，DWG插座可用其他方式(诸如，通过胶合、借助从DWG插座延伸进入基板中的孔的一个或更多个棘爪、借助基板上的耦合到DWG插座的底部上的金属焊盘的焊接凸点等)安装到基板。
图15是一种具有维瓦尔第天线1520的示例基板1510。基板1510与基板310相似，参考图3；类似地，维瓦尔第天线1520与天线320相似。基板1510是多层基板，其被配置为支撑使用天线1520的发射器和可选地使用可放置在标记为1519的开放区域中的可选择的维瓦尔第天线的接收器。例如，作为最终制造步骤，发射器天线1520和接收器天线的其中之一或两者可被制造在基板1510的顶部导电层上。
隔离导电板1511a和1511b与隔离板311相似并且位于基板1510的内部层上。类似地，接地板1512a和1512b与接地板312相似，并可被提供在基板1510的内部层上。
1515所示的区域包括布线层以及馈通通孔，经由该馈通通孔，包含高频发射器电路系统的集成电路可被耦合到天线1520。类似地，1516所示的区域包括布线层和馈通通孔，经由该馈通通孔，包含高频接收器电路系统的集成电路可被耦合到区域1519中的接收天线。1517所示的区域包括布线层和馈通通孔，经由该馈通通孔，集成电路包含多种系统功能，例如，这些系统功能用于生成由发射器电路用于发射的数据流和/或接收由接收器电路接收的数据流。
顶部导电层已经被图案化以形成发射器天线1520和/或接收器天线之后，可使用已知的或后来开发的技术(诸如焊接凸点)附加IC。整个模块随后可被封装以形成用于将信号发射到DWG中的系统模块。
图16是说明具有信号发射结构1620a和1620b的系统模块1600的框图。高频发射器电路系统1615被耦合到发射天线1620a。高频接收器电路系统1616被耦合到接收天线1620b。例如，如上面更详细所述，发射器电路系统1615和接收器电路系统1616可被设计以在亚太赫兹区域内(诸如100-180GHz)运行。
控制逻辑1617可使用已知的或后来开发的数据处理技术提供数据处理和信号处理以产生由发射器电路系统1615用于发射的数据流。类似地，例如，控制逻辑1617可使用已知的或后来开发的数据处理技术提供数据处理和信号处理以恢复由接收器电路系统1616接收的数据流。
通过在基板上安装一个或更多个IC或裸芯片，将装置1600装配在基板上。可选地，可使用已知的或后来发展的半导体处理技术将装置1600装配在单一的集成电路(IC)上。例如，多种处理器、存储器电路、以及外围电路也可装配在IC上以形成复杂片上系统(SoC)IC。
图17是说明将信号发射到倾斜的DWG中的流程图。亚太赫兹无线电频率信号可由安装在第一多层基板上的发射器电路生成1702。如上面更详细所述，例如，DWG互连所使用的RF信号的一般范围可以是在110-180GHz范围内。
使用位于第一多层基板上的发射结构将RF信号发射1704到倾斜的DWG中。如上面更详细所述，发射结构可以是定向的维瓦尔第天线，例如，其位于邻近第一基板的界面边缘。例如，使用如图3中所示的平衡微分馈线可将天线耦合到发射器电路。
第一基板和倾斜的DWG可安装在第二基板上，以便在DWG的端部处的DWG核心的暴露表面邻近第一基板的界面边缘，而DWG的核心近似以天线为中心。例如，如以上根据图4-图8更详细所述，可在DWG的端部之下的第二基板上提供反射片(诸如反射片350、1450)以将辐射信号导入1706DWG中。
以相似的方式，可在倾斜的DWG上接收信号并使用安装在第二基板上的反射片将其导入天线结构中，如上面更详细所述。
如上面更详细所述，发射结构可以是定向的维瓦尔第天线。在其他实施例中，发射结构可以是水平的或垂直的偶极子、水平的或垂直的贴片，或能够将RF信号发射到DWG中的其他已知的或后来开发的结构。
上述多种介电核心波导管和插座配置可使用印刷方法(诸如喷墨打印机或其他三维打印机构)制造。使用喷墨打印机或能够“打印”多种聚合物材料的相似的打印机制造三维结构是众所周知的并且在此不需要进一步详细描述。在美国专利申请14/498,837中更详细地描述了使用3D打印制造DWG。打印允许用于快速和低成本的沉积厚的介电层和金属层，例如，诸如0.1μm-1000μm厚，然而也允许用于细微特征尺寸，例如，诸如20μm特征尺寸。标准集成电路(IC)制造过程不能处理这种厚度的层。例如，一般用于制作介质波导管和金属结构的标准宏观技术，诸如机械加工和蚀刻，仅可允许特征尺寸下降到1mm。可由喷墨打印完成的在大约100nm-1mm的这些较厚的打印的介电层和金属层能够使波导管在亚太赫兹和太赫兹频率下运行。能够使用标准半导体制造方法操作先前的光学频率，并且可使用大的金属波导管操作较低频率；但是，用于制造太赫兹信号的波导管的技术中存在间隙。将波导管和插座直接打印到芯片/封装/板材上减轻标准波导管组件的对准误差并且简化封装过程。
其他实施例
虽然本发明已经根据说明性的实施例被描述，该说明不意在被解释为限制性。参考本说明，本发明的多种其他实施例对本领域的技术人员来说将是明显的。例如，虽然在此描述了维瓦尔第天线，偶极子和贴片天线的多种配置，或其他已知的或后来开发的发射结构可被用于激发向倾斜的DWG中的发射。
虽然在此已经描述了介质波导管，另一实施例可使用金属的或非金属的导电材料以形成波导管的顶部、底部和侧壁，例如，诸如：由离子掺杂形成的导电聚合物、基于碳和石墨的化合物、导电氧化物等。
例如，使用喷墨打印过程或其他3D打印过程可将DWG短截线和插座组件装配在基板的表面上。
虽然在此已经描述了具有聚合物介电核心的波导管，其他实施例可使用其他材料用于介电核心，例如，诸如陶瓷、玻璃等。
虽然在此描述了具有矩形横截面的介电核心，其他实施例可使用本文所述的打印过程容易地实施。例如，介电核心可具有矩形、正方形、梯形、圆柱形、椭圆形或许多其他选择的几何结构的横截面。此外，例如，为了调整阻抗、产生发射模式改形，介电核心的横截面可随着波导管的长度变化。
例如，导电波导管的介电核心可选自大约2.4-12的范围。这些值是用于通常可用的介电材料。当它们变为可用的时，可使用具有较高或较低值的介电材料。
虽然在此讨论了在100-180GHz范围内的亚太赫兹信号，可使用本文所述的原理通过相应地调整DWG核心的物理尺寸实施用于发射较高或较低频率信号的插座和系统。
本说明和权利要求自始至终使用特定术语以指代特定系统组件。如本领域的技术人员将理解的，数字系统中的组件可用不同的名称指代和/或可以本文没有示出的方式结合，而不脱离所述的功能性。本文件不意在区分名称不同但功能相同的组件。在随后的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的模式使用，并且因此应该被解释意为“包括，但不限于…”。并且，术语“耦合”和其派生物意为间接的、直接的、光学的和/或无线的电气连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，其连接可通过直接的电气连接、经由其他装置和连接通过间接的电气连接、通过光学的电气连接、和/或通过无线的电气连接。
尽管在此以顺序的方式描述和呈现了方法步骤，所示和所述的一个或更多个步骤可被省略、重复、同时地执行、和/或以与附图中所示和/或本文所述的顺序不同的顺序执行。相应地，本发明的实施例不应该被认为限于附图中所示和/或本文所述的特定的步骤顺序。
因此，考虑随附权利要求将涵盖实施例的任何这种修改为落入本发明真正的范围和精神之内。

Claims (20)

1.一种信号发射系统，其包括：
第一基板，所述第一基板具有第一表面和相反的第二表面；
第二多层基板，所述第二多层基板具有第一表面和相反的第二表面，其中，在所述第一表面和所述第二表面之间具有近似垂直地布置的边缘表面；
发射器电路，其位于所述第二多层基板上，所述发射器电路具有射频输出端口即RF输出端口，其中所述发射器电路被配置为生成具有波长的RF信号；
天线，其在所述第二多层基板上或在所述第二多层基板内形成，并且邻近所述边缘表面且耦合到所述发射器电路的所述输出端口；
其中所述第二多层基板安装在所述第一基板的所述第一表面上；以及
导电反射片，其在所述第一基板上或在所述第一基板内形成，以便所述导电反射片大约从邻近所述天线的所述第二多层基板的边缘延伸的距离大于离开所述第二多层基板的所述边缘的所述RF信号的五个波长。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
介质波导管即DWG，其具有由介电包层包围的介电核心部件，其中所述DWG的端部安装在所述反射片上方，以便在所述DWG的端部处的所述核心部件的暴露面邻近所述天线，并且以便在DWG的端部处的所述核心部件与所述第一基板形成倾斜的角度，其中所述角度是在10-30度的范围内。
3.根据权利要求2所述的系统，其中在所述DWG的端部处的所述介电包层被锥形化以近似地匹配在所述DWG的端部处的所述核心部件的所述倾斜的角度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述包层的锥形化部分被抛光。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线是维瓦尔第天线。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括安装在所述第一基板上的介质波导管插座即DWG插座，其中所述DWG插座包括：
介质波导管短截线即DWG短截线，其具有由介电包层包围的介电核心部件，所述DWG短截线具有接合端部和相反的配合端部；
插座体，其耦合到所述DWG短截线，以便所述插座体的安装表面被配置为将所述插座体安装在所述第一基板上，以便DWG短截线的所述核心部件与所述第一基板形成倾斜的角度；以及
其中所述插座体被配置为与DWG线缆的端部耦合，以便所述DWG线缆的所述端部保持与所述DWG短截线的所述配合端部对准。
7.根据权利要求6所述的系统，其中在所述DWG短截线的所述接合端部处的介电包层的一部分被锥形化以近似地匹配所述DWG短截线的所述核心部件的倾斜的角度。
8.根据权利要求6所述的系统，进一步包括耦合到所述插座体的护圈，所述护圈被配置为当所述DWG线缆的端部插入所述插座体中时保持所述DWG线缆的所述端部。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述插座体和所述短截线的包层是单片的。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述DWG短截线的配合端部被配置成非平面形状，用于与具有匹配的非平面形状的配合端部的DWG线缆配合。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述非平面形状是尖头的形状。
12.根据权利要求10所述的系统，进一步包括可形变的材料，所述可形变的材料配置在所述DWG短截线的配合端部的表面上，以便当与所述DWG线缆配合时，所述可形变的材料填充所述DWG短截线的配合端部和所述DWG线缆的配合端部之间的间隙区域。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述可形变的材料具有介电常数值，所述介电常数值选自在所述DWG短截线的所述包层的介电常数值和所述核心部件的介电常数值之间的范围。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述可形变的材料具有介电常数值近似等于所述DWG短截线的核心部件的介电常数值的核心区域，并且所述可形变的材料具有介电常数值近似等于所述DWG短截线的包层的介电常数值的包层区域。
15.一种信号发射系统，其包括：
第一基板，其具有第一表面和相反的第二表面，并具有用于安装射频处理模块即RF处理模块的限定位置；
导电反射片，其在所述第一基板上或在所述第一基板内形成，以便所述导电反射片大约从用于安装所述RF处理模块的所述限定位置的边缘延伸的距离大于离开所述限定位置的所述边缘的RF信号的五个波长；以及
介质波导管即DWG，其具有由介电包层包围的介电核心部件，其中所述DWG的接合端部安装在所述反射片的上方，以便在所述DWG的接合端部处的所述核心部件的暴露面邻近所述限定位置的所述边缘，并且以便在DWG的所述接合端部处的所述核心部件与所述第一基板形成倾斜的角度，其中所述角度是在10度-30度的范围内。
16.根据权利要求15所述的系统，其中在所述DWG的接合端部处的所述介电包层被锥形化以近似地匹配在所述DWG的接合端部处的所述核心部件的所述倾斜的角度。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述包层的锥形化部分被抛光。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述DWG是具有所述接合端部和相反的配合端部的DWG短截线；以及
所述系统进一步包括DWG插座，所述DWG插座被安装在所述第一基板上并被耦合到所述DWG短截线，其中所述DWG插座包括：
插座体，其被耦合到所述DWG短截线，以便所述插座体的安装表面被配置为将所述插座体安装在所述第一基板上，以便DWG短截线的所述核心部件与所述第一基板形成倾斜的角度；以及
其中所述插座体被配置为与DWG线缆的端部耦合，以便所述DWG线缆的端部保持与所述DWG短截线的所述配合端部对准。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述DWG短截线的所述配合端部被配置为非平面形状，用于与具有匹配的非平面形状的配合端部的DWG线缆配合。
20.根据权利要求15所述的系统，进一步包括：
RF模块，其被安装在所述第一基板的指定位置，所述RF模块具有第二基板，所述第二基板具有第一表面和相反的第二表面，其中，在所述第一表面和所述第二表面之间具有近似垂直地布置的边缘表面；
发射器电路，其位于所述第二基板上，所述发射器电路具有RF输出端口，其中所述发射器电路被配置为生成具有波长的RF信号；以及
天线，其在所述第二基板上或在所述第二基板内形成，并且邻近所述边缘表面且耦合到所述发射器电路的所述输出端口。
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