CN109314297B - 用于传输电磁波信号的波导管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于传输电磁波信号的波导管。根据本发明的一方式，提供一种用于传输电磁波信号的波导管(waveguide)，其包括：电介质部，其包括电容率彼此不同的两个以上电介质；以及导体部，其包围所述电介质部的至少一部分。

Description

用于传输电磁波信号的波导管
技术领域
本发明涉及一种用于传输电磁波信号的波导管。
背景技术
随着数据通信量快速增长，连接集成电路(IC)的输入/输出总线(I/O bus)的数据收发速度亦正快速增长。过去几十年来，基于成本有效性及功率有效性优良的导体的互连件(interconnect)(例如，铜线等)已广泛地应用于有线通信系统。然而，针对基于导体的互连件而言，因电磁感应所引起的集肤效应(skin effect)，在信道带宽上有根本的局限。
另外，具有高数据收发速度的基于光学的互连件已被介绍且广泛地用作基于导体的互连件的替代物。然而，基于光学的互连件具有如下的局限：基于光学的互连件的安装及维护成本非常高，因此无法完全替代基于导体的互连件。
近来，已介绍过包括由电介质构成的波导管的新型互连件。该新型互连件(所谓的e管(e-tube))作为具有金属及电介质两者的优点的互连件，因此在成本及功率方面上有效性较高，并且实现短程内的高速数据通信。因此，作为可在芯片间(chip-to-chip)通信中采用的互连件，受到瞩目。
然而，当使用已知的电介质波导管时，亦存在以下问题：因非线性相位响应(non-linear phase response)导致时域上产生的群延迟(group delay)的改变或偏差(variation)较大，或因实际通信环境中的波导管的长度(length)或弯曲(bending)导致较大信号损耗(loss)。
就此而言，本发明者提出具有改善相位响应的非线性且减少实际通信环境中的信号损耗的新型结构的电介质波导管的技术。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于解决上述所有问题。
本发明的另一目的在于，提供一种波导管，其包括：电介质部，其包括电容率彼此不同的两个以上电介质；以及导体部，其包围所述电介质部的至少一部分，由此改善芯片间通信中的相位响应的非线性，减少实际通信环境中的信号损耗。
问题解决方案
为了达到上述目的的本发明的典型结构如下。
根据本发明的一方式，提供一种用于传输电磁波信号的波导管，所述波导管包括：电介质部，其包括电容率彼此不同的两个以上电介质；以及导体部，其包围所述电介质部的至少一部分。
此外，还提供用以实施本发明的其他波导管。
发明效果
根据本发明，在芯片间通信中改善相位响应的非线性，降低根据频率改变而在时域上会产生的群延迟的改变程度。
此外，根据本发明，波导管包括由电容率彼此不同的两个以上电介质构成的电介质部，藉此能够降低经由该波导管传输的信号的载波频率(carrier frequency)，因此有效地使用信号传输信道的带宽。
根据本发明，可在一波导管变长或弯曲的实际通信环境中减少信号传输信道中的损耗。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的与两端口网络互连的芯片间接口装置的结构的概念图。
图2是示出根据现有技术的波导管的结构的示意图。
图3是示出根据本发明的一个实施例的波导管的结构的示意图。
图4是示出当使用根据现有技术的波导管来收发信号的情况和当使用根据本发明的一个实施例的波导管来收发信号的情况下，针对各个情况测量群延迟的实验的结果的图。
图5是示出当使用根据本发明的一个实施例的波导管来收发信号的情况下能够应用的带宽的示意图。
图6是示出当使用根据现有技术的波导管来收发信号的情况和当使用根据本发明的一个实施例的波导管来收发信号的情况下，针对各个情况测量信号损耗的实验的结果的图。
图7及图8是示出模拟了根据本发明的一个实施例的信号传输信道之间的干涉的结果的示意图。
图9是示出根据本发明的另一实施例的波导管的结构的示意图。
附图标记说明
10、20：根据现有技术的波导管
11：根据现有技术的电介质核心
12：根据现有技术的金属包覆物
100：波导管
110：第一电介质
120：第二电介质
130：导体部
200a、200b：第一微带电路以及第二微带电路
具体实施方式
在本发明的以下实施方式中，本发明中可实施的特定实施例作为示例，参照所附的附图。这些实施例，以使本领域技术人员能够足以实施的方式，进行详细的说明。应理解，本发明的各种实施例尽管彼此不同，但未必是相互排他性的。举例而言，本文中所记载的特定形状、结构以及特性可与一个实施例关联地，在不会背离本发明的精神及范畴的同时以另一实施例实现。此外，应理解，在不背离本发明的精神及范畴的情况下，亦可变更所揭示实施例中的每一者内的个别组件的位置或配置。因此，以下实施方式不应被视为限制性意义，并且本发明的范畴在加以适当描述的情况下仅受所附权利要求书连同其所有等效物限制。在图式中，相同参考数字贯穿若干视图指相同或类似功能。
在下文中，将参照附图来详细说明本发明的较佳实施例，以使具备本领域所属技术领域的通常知识的人能够易于实施本发明。
芯片间接口装置的结构
图1是示出根据本发明的一个实施例的与两端口网络互连的芯片间接口(chip-to-chip interface)装置的结构的概念图。
参照图1，根据本发明的一个实施例的芯片间接口装置可包括：波导管100，其作为在两个芯片(未示出)之间传输电磁波信号(例如，数据通信等)的互连单元，两个芯片各自存在于两个物理上分离的板(未示出)中或存在于单个板(未示出)中；及微带电路200a、200b，其作为将信号自两个芯片传递至波导管100或将自导波管100的信号传递到两个芯片的单元。本发明中所描述的芯片不仅表示由多个如晶体管半导体构成的传统意义上的电子电路组件，还应理解为，涵盖其最广泛意义上的可彼此交换电磁波信号的所有类型的构成要件或元件(element)的概念。
根据本发明的一个实施例，自第一芯片产生的信号可沿着第一微带电路200a的馈入线(feeding line)及探针(probe)传播(propagate)，并且可在第一微带电路200a与波导管100之间的阻抗不连续性表面处转移(transition)时经由波导管100传输至第二芯片。
此外，根据本发明的一个实施例，经由波导管100传输的信号，可在波导管100与第二微带电路200b之间的阻抗不连续性表面处转移时经由第二微带电路200b传输至第二芯片。
波导管的结构
在下文中，将查看对于实施本发明而执行重要功能的波导管100的内部结构以及各个构成要素的功能。
图2是示出根据现有技术的波导管的结构的示意图。
参照图2，根据现有技术的波导管可包括电介质核心(dielectric core)11及包围电介质核心11的金属包覆物(metal cladding)12。
当信号是使用根据现有技术的波导管来传输时，可能出现以下问题：因非线性相位响应(non-linear phase response)导致的时域上产生的群延迟(group delay)的改变或偏差(variation)较大，并且因实际通信环境中的波导管的长度(length)或弯曲(bending)导致较大信号损耗(loss)。
图3是示出根据本发明的一个实施例的波导管的结构的示意图。
参照图3，根据本发明的一个实施例的波导管100可包括：电介质部，其包括电容率彼此不同的两个以上电介质；以及导体部130，其包围上述电介质部的至少一部分。
具体而言，根据本发明的一个实施例，在电介质部所包括的两个以上电介质中，可包括第一电介质110及第二电介质120，第二电介质120可具有包围第一电介质110的至少一部分的形状。举例而言，第二电介质120可包围第一电介质110的全部或第一电介质110的一部分。
更具体而言，根据本发明的一个实施例，如图3中所示，当自沿着垂直于波导管100的长度的方向切割波导管100的截面查看时，第一电介质110可具有圆形的核心(core)的形状，且第二电介质120及导体部130可具有环形包覆物(cladding)的形状。此外，根据本发明的一个实施例，电介质部的中心轴(更具体而言，第一电介质110的中心轴及第二电介质120的中心轴)可与导体部130的中心轴相互重合。
然而，应注意，根据本发明的波导管100的内部结构或形状未必限于上文所举的示例，在可达成本发明的目的的范围内可随意改变。
另外，根据本发明的一个实施例，导体部130可由具有导电性的物质组成。举例而言，根据本发明的一个实施例的导体部130可由传统上广泛使用的如铜(Cu)的金属物质组成，或者可由如石墨烯(graphene)非金属物质组成。
图9是示出根据本发明的另一实施例的波导管的结构的示意图。
参照图9的(a)，包括于根据本发明的另一实施例的波导管100中的第一电介质110可由彼此分离的两个以上部分电介质110a、110b组成，第二电介质120可具有包围上述两个以上部分电介质的至少一部分的形状。在图9的(a)的实施例中，第一电介质110可由空气组成。
参照图9的(b)，根据本发明的另一实施例的波导管100还可包括支撑部140，其配置于第一电介质110与导体部130之间，并且执行维持在第一电介质110与导体部130之间使第二电介质120存在的空间的功能。在图9的(b)的实施例中，第二电介质120可由空气组成。
另外，根据本发明的一个实施例，第一电介质110的电容率可大于或小于第二电介质120的电容率。更具体而言，根据本发明的一个实施例，使用电容率彼此不同的第一电介质110及第二电介质120，可大幅度地降低根据经由波导管100的信号传输信道的频率改变而出现的群延迟的改变程度。尤其，在图3的实施例中，第一电介质110的电容率越比第二电介质120的电容率大，群延迟的改变程度可减少。将在下文详细地论述群延迟。
举例而言，第一电介质110可由约2.0的介电常数(dielectric constant)的铁氟龙(teflon)组成，且第二电介质120可由约1.2的介电常数的聚乙烯(polyethylene)组成。此外，作为另一实例，第一电介质110可由约1.0的介电常数的空气组成，第二电介质120可由约2.0的介电常数的铁氟龙组成。相反地，还可以是，第一电介质110由铁氟龙组成，第二电介质120由空气组成。
因此，根据本发明的一个实施例，经由波导管100传输的信号(即，电磁波)可沿着具有电容率彼此不同的第一电介质110与第二电介质120之间的边界(boundary)引导，或沿着第一电介质110或第二电介质120与导体部130之间的边界引导(guided)。
另外，在附图中未示出，但是根据本发明的一个实施例，针对两个以上波导管100(即，两个以上波导管100分别包括第一电介质110、第二电介质120及导体部130)而言，两个以上波导管100能够以形成预定排列的状态结合以形成集束，这种包括于集束中的两个以上波导管100可分别执行经由相互不同信号传输信道来传输信号的功能。
图4是示出当使用根据现有技术的波导管来收发信号的情况和当使用根据本发明的一个实施例的波导管来收发信号的情况下，针对各个情况测量群延迟的实验的结果的图。
首先，参照图4的(a)，当使用根据现有技术的波导管(即，由电介质核心11及金属包覆物12构成的波导管)时，可大量地产生非线性相位响应(non-linear phaseresponses)，因此增大根据经由波导管的信号传输信道的频率改变的群延迟的改变程度。实际上，参照图4的(a)的图表可知，在50GHz频率下的群延迟接近无穷大，相反地在73GHz频率下的群延迟是约20ns。可知，随着频带改变时所出现的传输信号在时域上的群延迟的偏差(或改变)是非常大的。
参照图4的(b)，当使用根据现有技术的波导管(即，由第一电介质110、第二电介质120以及导体部130构成的波导管)时，可减少非线性相位响应，藉此显著地减少可在经由波导管的信号传输信道中所出现的根据频率改变的群延迟的改变程度。实际上，参照图4的(b)的图表示出了遍及自50GHz至73GHz的频带下群延迟维持在一定的7ns至8ns水平。自实验结果可见，当使用根据本发明的一个实施例的波导管100时，可大幅度地减少在频带改变时出现的传输信号在时域上的群延迟的偏差(或改变)。
图5是示出当使用根据本发明的一个实施例的波导管来收发信号的情况下能够应用的带宽的示意图。
参照图5，根据本发明的一个实施例的波导管100可包括电容率彼此不同的第一电介质110及第二电介质120，藉此大幅度地减少可根据经由波导管100的信号传输信道中的频率改变而出现的群延迟改变，以使得使用者(或设计者)可将经由波导管100传输的信号的载波频率(carrier frequency)自上拐角频率(upper corner frequency)(图5A中的fc1)降低至下拐角频率(lower corner frequency)(图5A中的fc2)。
因此，根据本发明的一个实施例的波导管100，启用单侧频带传输(single sideband transmission)，以使得可有效地使用信号传输信道的带宽，可降低载波频率，从而使得能够可靠地操作包括波导管100的芯片间接口(尤其，信号收发器)，并且达到芯片间接口的低功率设计的效果。
与此相反地，当使用不包括第二电介质120的根据现有技术的波导管(参照图4的(a))时，在下拐角频率附近已产生显著的非线性相位响应，因此若载波频率降至下拐角频率，则传输信号不可避免地严重失真(distortion)。
图6是示出当使用根据现有技术的波导管来收发信号的情况和当使用根据本发明的一个实施例的波导管来收发信号的情况下，针对各个情况测量信号损耗的实验的结果的图。在图6的实施例中，根据本发明的一个实施例及根据现有技术的波导管长度均为15cm，并且两个波导管以相同程度弯曲的状态下传输信号。
参照图6的(c)，可以分别确认：根据本发明的一个实施例的包括第一电介质、第二电介质以及导体部全部的波导管(参照图6的(a))的信号传输信道特性；以及根据现有技术的仅包括第一电介质及第二电介质(即，不包括导体部)的波导管(参照图6的(b))的信号传输信道特性。具体而言，参照图6的(c)，根据本发明的一个实施例的波导管比根据现有技术的波导管，更能够将信号限制于波导管内的性能更佳((high confinement)，因此可见，相比于根据现有技术的波导管，在宽频带(例如，自70GHz至100GHz)上的信号损耗更少(即，信号强度更大)。
更具体而言，在根据现有技术的仅包括第一及第二电介质而不包括导体部的波导管中，信号可藉由在第一电介质与第二电介质之间的边界进行的全反射来被引导。若波导管严重弯曲至全反射不发生的程度，则信号可能在波导管中无法适当地被引导从而可自波导管逃逸，从而引起信号损耗。与此相反地，在根据本发明的包括第一电介质、第二电介质以及导体部全部的波导管中，即使波导管严重弯曲至全反射在第一电介质与第二电介质之间的边界无法发生的程度，在第一电介质与第二电介质之间的边界无法全反射而朝外逃逸的信号，可沿着第二电介质与导体部之间的边界被引导，藉此能够防止信号漏出到波导管外，减少了信号损耗。此外，频率越低则信号的波长越长，因此根据现有技术的波导管与根据本发明的波导管之间的性能(即，防止由波导管弯曲引起的信号损耗的能力)在所传输信号的频率较低时可能更明显。
因此，根据本发明的一个实施例的波导管，在波导管变长或弯曲的实际通信环境中，达到减少信号传输信道中的损耗的效果。
图7及图8是示出模拟了根据本发明的一个实施例的信号传输信道之间的干涉的结果的示意图。
在图7的实施例中，可假定电磁波信号是经由两个波导管711、721中的每一个波导管传输，所述两个波导管711、721是以0.5mm的间隔彼此接近地配置的。
在此状况下，参照图8，过渡件714(在第1-1微带电路712与第一波导管711之间)与过渡件724(在第2-1微带电路722与第二波导管721之间)之间的信号传输系数(即，图8中的S31及810)为-30dB以下的非常小的至，因此可见，两个过渡件714、715之间的干涉(亦即，图7中的731)小至可以忽视。
接着参照图8，过渡件714(在第1-1微带电路712与第一波导管711之间)与过渡件725(在第2-2微带电路723与第二波导管721之间)之间的信号传输系数(即，图8中的S41及820)为-30dB以下的非常小的值，因此可见，两个波导管711、721之间的干涉(亦即，图7中的732)亦小至可以忽视。
因此，根据本发明的一个实施例，如自图7及图8的实施例可见，包括于两个相邻的波导管711、721中的导体部可达到防止两个相邻的波导管711、721之间的信号干涉的显著效果。
尽管在上文主要说明了包括于根据本发明的波导管中的电介质部由电容率彼此不同的两种电介质(即，第一电介质110及第二电介质)构成的情况，但应注意，根据本发明的波导管的电介质部的结构未必限于上文描述，在可达成本发明的目的或效果的范围内，可随意改变。举例而言，根据本发明的另一实施例的波导管的电介质部可包括电容率彼此不同的三个以上电介质。
尽管在上文已具体地描述了包括于根据本发明的波导管中的组件的构成要素或参数，但应注意，根据本发明的微带电路的结构未必限于上文所提及的结构，在可达成本发明的目的或者效果的范围内，可随意改变。
尽管已根据如具体的构成要素等的特定项目、限定实施例以及图式说明了本发明，但是这仅是有助于对本发明的整体理解，本发明并不限于以上实施例。具备本发明所属的技术领域的通常知识的人员应该了解，可自以上记载进行各种修改及变更。
因此，本发明的思想不限于上述实施例，并且所附权利要求及与权利要求等同或者均的所有变形示例均属于本发明的范围。

Claims (3)

1.一种用于传输电磁波信号的波导管，包括：
电介质部，其包括电容率彼此不同的两个以上电介质；以及
导体部，其包围所述电介质部的至少一部分；
其中，所述两个以上电介质包括第一电介质及第二电介质，以及所述第二电介质包围所述第一电介质的全部；
其中，所述第一电介质由彼此分离的两个以上部分电介质组成，以及所述第二电介质包围所述两个以上部分电介质的全部纵向表面；
其中，所述两个以上部分电介质包括呈所述第一电介质的圆形核心形式的第一部分电介质以及围绕所述第一部分电介质的一个或多个第二部分电介质；
其中，所述两个以上部分电介质由空气组成；以及
其中，所述第二电介质的电容率大于所述第一电介质的电容率。
2.根据权利要求1所述的波导管，其中，
经由所述波导管传输的信号，沿着所述第一电介质与所述第二电介质之间的边界被引导，或者沿着所述第一电介质或所述第二电介质与所述导体部之间的边界被引导。
3.根据权利要求1所述的波导管，其中，
群延迟的改变程度不超出预定水平，所述群延迟的改变为根据经由所述波导管的信号传输信道中的频率改变而出现。
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