CN110731029A - 用于波导的复合基底以及制造复合基底的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底，其中所述复合基底包括至少介电材料的第一层和介电材料的第二层、以及被布置在所述第一层与所述第二层之间的导电材料的至少一个导体层，其中所述至少一个导体层的层厚度小于在所述导体层的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于射频(RF)信号的波导的复合基底。本公开还涉及一种制造用于RF信号的波导的复合基底的方法。
背景技术
用于RF波导的传统单层基底材料(诸如微带线等)通常由它们的制造方以介电性能的标准集合来提供，例如，相对介电常数(εr)的值从2到10。该限制由与具有其介电和电特性的定制值的基底的开发相关的成本决定。不利的是，这迫使RF设计人员不基于“最适合的基底”为自己的设计选择合适的基底，而是基于特定设计的“最差的基底”。
通过使用多层RF介电基底可以稍微改善此问题，其中将不同厚度的组成基底(constituent substrates)、或层堆叠在一起，以获得适合于特定设计/项目的多层基底的“有效”介电性能。即使这种方法在一定范围的可用介电基底的开发中可能是有效的，但它对本构基底(constitutive substrates)的可用性提出了严格的限制，这增加了生产成本。此外，以这种方式获得的传统多层基底受到介电常数的可获得值的限制，介电常数的可获得值由层状叠层的最小介电常数和最大介电常数及其相应高度决定。
因此，强烈需要具有可精确控制的介电性能、特别是其相对介电常数的特定值的RF波导的基底，这些基底不具有上述缺点。
发明内容
各种实施例提供了一种用于具有信号频率的射频RF信号的波导的复合基底，其中所述复合基底包括至少介电材料的第一层和介电材料的第二层、以及被布置在所述第一层与所述第二层之间的导电材料的至少一个导体层，其中所述至少一个导体层的层厚度小于在所述导体层的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。
根据申请人的分析，这种配置可以提供新的一系列新型介电基底，其介电特性可以是定制的，而不受传统多层介电基底的限制。有利地，与传统多层介电基底的情况一样，根据实施例的复合基底介质的有效介电常数(即，“宏观”，总介电常数)的最大值例如不受组成介电基底(例如，二氧化硅)的单个介电常数的限制。因此，通过控制导体层的层厚，可以获得复合基底的期望的有效相对介电常数(εr)。
根据一个实施例，RF信号的信号频率是复合基底可以被使用或符合基底将与之一起被使用的目标系统的操作频率。作为示例，根据实施例的复合基底可以在微带传输线中用作目标系统，并且所述微带传输可以被提供为以一定的操作频率(例如，20GHz)传输RF信号。在这种情况下，作为示例，可以根据基于实施例的原理来设计根据实施例的复合基底，考虑将20GHz的所述操作频率作为“RF信号的频率”，以确定相应的趋肤深度。
根据另外的实施例，如果考虑用于复合基底的目标系统的特定操作频率范围，则可以将所述特定操作频率范围的中心频率或所述特定操作频率范围内的频率值用作所述“RF信号的频率”以确定相应的趋肤深度。
众所周知，趋肤深度(skin depth)被定义为与电导体表面处的电流密度相比，电流密度已经下降到1/e的电导体表面下方的深度。同样众所周知，趋肤深度可以使用以下等式来确定：
其中ρ表示电导体的电阻率，其中ω分别表示信号或电流的角频率(其中ω＝2πf，其中f是信号频率)，其中μμ0μr其中μ0是自由空间的磁导率，其中μr是导体的相对磁导率，其中ε＝ε0εr，其中ε0是自由空间的介电常数，并且其中εr是导体的相对介电常数。
在某些情况下，尤其是对于明显小于
的角频率，等式a1也可以简化为：
作为示例，使用根据实施例的复合基底，可以提供用于RF信号的波导以用于传输在约100MHz至约200GHz或更高之间的范围内的RF信号。
根据一个实施例，所述至少一个导体层的所述层厚度小于在所述导体层的所述导电材料内的所述RF信号的所述趋肤深度的约50％。
根据另一实施例，所述至少一个导体层的所述层厚度在所述导体层的所述导电材料内的所述RF信号的所述趋肤深度的约2％至约40％之间的范围内。
另外的实施例的特征在于一种用于RF信号的波导的复合基底，其中所述复合基底包括至少介电材料的第一层和介电材料的第二层、以及被布置在所述第一层与所述第二层之间的导电材料的至少一个导体层，其中所述至少一个导体层的层厚度小于约7.8μm(微米)。根据申请人的分析，令人惊讶地，这种配置使得能够提供一种用于RF信号波导的新型复合基底，其中特别地，可以精确地控制基底的有效相对介电常数。进一步令人惊讶地，具有层厚度小于约7.8μm的所述至少一个导体层的集成使得能够提供用于波导的基底，该基底包括相对大的相对介电常数，该相对介电常数特别不受传统基底的介电材料的第一层和介电材料的第二层的相对介电常数的限制。
另外的实施例的特征在于一种复合基底，其中所述至少一个导体层的所述层厚度小于约100nm。
另外的实施例的特征在于一种复合基底，其中所述至少一个导体层的所述层厚度大于所述至少介电材料的第一层和介电材料的第二层的聚合层厚度的约2％。根据申请人的分析，与若干电层(即，没有导体层)的传统多层配置相比，采用这种配置，复合基底的有效相对介电常数可以提高，甚至显著提高。
根据另外的实施例，如果多于一个导体层被提供，提出所述导体层的聚合导体层厚度大于所述至少介电材料的第一层和介电材料的第二层的所述聚合层厚度的约2％。在本实施例中，聚合层厚度表示作为相同类型的材料(即，导电或电介质)的各个层的厚度之和而获得的所得到的厚度。例如，如果在所提出的复合基底中存在两个导体层，则聚合导体层厚度对应于所述导体层的各个厚度的总和。类似地，如果在所提出的复合基底中存在3个介电层，则电材料的聚合层厚度对应于所述介电材料层的各个厚度的总和。
另外的实施例的特征在于一种复合基底，其中所述至少一个导体层包括以下材料中的至少一种：铜、银、铝、金、镍。应当注意，这些导体材料涉及示例性实施例。根据另外的实施例，其他导体材料也可以用于形成所述至少一个导体层。
另外的实施例的特征在于一种复合基底，其中介电材料的所述第一层和/或介电材料的所述第二层的层厚度在约5nm至约1000nm之间的范围内。根据另外的实施例，介电材料的所述第一层和/或介电材料的所述第二层的所述层厚度不限于上述范围，而是可以包括其他值。根据一些实施例，二氧化硅可以用作介电材料。根据另外的实施例，例如氧化铝可以用作介电材料。根据另外的实施例，陶瓷材料可以用作介电材料。应当注意，本公开不限于这些示例性列出的介电材料。根据另外的实施例，其他介电材料也可以用于形成介电层。
根据另外的实施例，介电材料的所述第一层和/或介电材料的所述第二层(或可选地提供的介电材料的另外的一个或多个层)的层厚度小于在所述导体层的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。作为示例，为了确定在所述RF信号的相应信号频率下的趋肤深度，以确定如上定义的介电层厚度，可以使用以上进一步涉及目标系统的操作频率范围的注释。
另外的实施例的特征在于一种用于RF信号的波导，其包括根据实施例的复合基底、被布置在所述复合基底的第一表面上的第一导体，以及被布置在所述复合基底的第二表面上的第二导体。作为示例，所述波导可以被配置为微带传输线，其中所述第一导体是信号导体，并且其中所述第二导体表示所述微带传输线的接地平面。
有利地，根据实施例的复合基底的应用领域不限于在微带或其他RF传输线配置内使用。相反，根据实施例的复合基底可以用于任何目标系统，其中需要介电基底，该介电基底的相对介电常数可以在实施例的意义上进行调节或控制。
另外的实施例的特征在于一种制造用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供介电材料的第一层，提供介电材料的第二层，以及提供被布置在所述第一层与所述第二层之间的导电材料的至少一个导体层，其中所述至少一个导体层的层厚度小于在所述导体层的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。应当注意，方法步骤的顺序不一定与上述顺序相对应。作为示例，首先，可以提供第一介电层，随后，可以在所述第一介电层之上提供所述导体层，随后，可以在所述导体层之上提供第二介电层。根据另外的实施例，其他顺序也是可能的。
根据一些实施例，优选地，在提供这些层之前，可以根据复合基底将被用于的RF信号的频率来确定频率范围或中心频率，并且分别根据所述频率范围或所述中心频率，可以选择至少一个所述介电层的层厚度。考虑所述频率范围或中心频率以确定所述至少一个导体层的层厚度也是有益的，因为所述导体材料内的趋肤深度取决于信号频率。
换言之，根据优选实施例，在第一步骤中，可以确定根据实施例的复合基底将要集成到其中的目标系统(例如，微带线)的频率范围或中心频率。可选地，还可以选择用于至少一个导体层的特定材料(并且还可选地用于介电层)，例如铜。取决于此，可以确定例如在所述导体材料内的所述频率范围内或所述中心频率处的RF信号的趋肤深度，例如，通过使用如上所述的等式a1或等式a2。此后，可以根据一些实施例确定导体层的层厚度，并且可以通过提供介电材料的所述第一层、介电材料的所述第二层和具有上面所确定的指定厚度的所述至少一个导体层来形成根据实施例的复合基底。
根据一个示例，可以使用以下制造方法和技术来提供复合基底：可以使用标准的半导体处理技术来沉积和图案化介电层和/或金属层。沉积可以使用但不限于以下技术来执行：化学气相沉积、电子束蒸发、溅射沉积、电镀等。可以使用光刻技术对层进行图案化，然后进行等离子或湿法蚀刻，或者沉积和剥离，等等。
另外的实施例的特征在于一种制造用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供具有预定的第一层厚度的介电材料的第一层，提供具有预定的第二层厚度的介电材料的第二层，以及提供被布置在所述第一层与所述第二层之间的导电材料的至少一个导体层，其中所述至少一个导体层的层厚度根据以下等式被确定：h_2＝(h_11+h_12)*(re(epsilon_eff)/re(epsilon_1))，其中h_2是所述至少一个导体层的所述层厚度，其中h_11是所述第一层厚度，其中h_12是所述第二层厚度，其中re(epsilon_eff)是所述复合基底的期望的有效介电常数的实部，其中re(epsilon_1)是所述介电材料的所述第一层和所述介电材料的所述第二层的介电常数的实部。
另外的实施例的特征在于一种制造用于RF信号的波导的复合基底的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供介电材料的第一层，提供介电材料的第二层，以及提供被布置在所述第一层与所述第二层之间的导电材料的至少一个导体层，其中所述至少一个导体层的层厚度小于约7.8μm。
从属权利要求提供了另外的有利实施例。
附图说明
在下面的详细描述中参考附图给出了说明性实施例的其他特征、方面和优点，在附图中：
图1示意性地示出了根据一个实施例的复合基底的正视图，
图2示意性地示出了根据一个实施例的用于射频信号的波导的正视图，
图3示意性地示出了根据图1的复合基底的侧视图，
图4示意性地示出了根据一个实施例的方法的简化流程图，
图5A示意性地示出了根据一个实施例的随频率的相对介电常数，
图5B示意性地示出了根据一个实施例的随频率的损耗角正切，
图6示意性地示出了根据另一实施例的复合基底的正视图，
图7示意性地示出了传统的多层基底的正视图，以及
图8示出了根据一个实施例的包括介电常数的表。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于射频RF信号的波导的复合基底100的正视图。复合基底100包括介电材料的第一层110、介电材料的第二层120、以及被布置在所述第一层110与所述第二层120之间的导电材料的至少一个导体层130。所述至少一个导体层130的层厚度h2小于在所述导体层的所述导电材料130内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。与包括多个介电层的传统多层基底相反，这有利地使得能够提供具有有效相对介电常数的复合基底100，该相对介电常数可以被控制在相对大的值范围内。而且，有利地，与传统基底一样，所述复合基底100的有效相对介电常数的最大值不受介电材料层的性能的限制，而是可能受到改变导体层130的性能的影响。
图2示意性地示出了根据一个实施例的用于RF信号的波导MS1的正视图。当前，波导MS1被配置为微带传输线，其包括被布置在所述复合基底100的第一表面102(例如，图2中的顶表面)上的第一导体20、以及被布置在相对的第二表面104(例如，图2中的中的底表面)上的第二导体21。如本领域中公知的，第一导体20可以形成信号导体，并且如本领域中公知的，第二导体21可以形成接地平面。由于根据实施例的复合基底100的介电性能、特别是相对介电常数可以在宽范围的值中灵活且精确地配置，因此微带波导MS1可以灵活地适应于期望的应用领域。特别地，通过控制在根据图2的波导MS1内采用的复合基底100的相对介电常数，还可以根据实施例的原理灵活地配置所述波导MS1的特性阻抗。
返回图1，根据优选实施例，导体层130的层厚度h2可以小于在所述导体层130的所述导电材料内的RF信号的趋肤深度的约50％。根据另外的实施例，所述层厚度h2甚至可以在所述导体层130的所述导电材料内的RF信号的趋肤深度的约2％至约40％的范围内。
作为示例，如果根据图1的复合基底100将被提供给如图2示例性地示出的微带传输线MS1，并且如果所述微带传输线MS1将用于以1GHz(千兆赫兹)的频率传输的RF信号的传输，则进一步假设铜被用作导体层130(图1)的导电材料，所述铜材料内的所述1GHz RF信号的趋肤深度可以被确定为约2.06μm。因此，根据示例性实施例，层厚度h2被选择为120％*2.06μm＝2.472μm。根据另一示例性实施例，层厚度h2可以被选择为10％×2.06μm＝0.206μm＝206nm(纳米)。当然，根据另外的实施例，可以提供层厚度的其他值。
根据另外的示例性实施例，导体层130的层厚度h2可以被选择为相应趋肤深度的约10％。
图3示意性地示出了根据图2的微带传输线MS1的侧视图。从该侧视图中，可以标识出第一导体20和接地平面导体21、以及被布置在其间的根据实施例的复合基底100。在图3中还以方框箭头的形式指示的是射频信号RFS，其可以例如包括约2GHz的信号频率。
通常，通过采用根据实施例的原理，可以提供适合于在约100MHz(兆赫兹)至约200GHz或更高的频率范围内的RF信号的复合基底100。
根据另一实施例，导体层130(图1)的层厚度h2可以小于约7.8μm，这针对在RF信号的宽频率范围内的有效相对介电常数产生合适的结果。
另外的特别优选的实施例提出提供小于约100nm的所述至少一个导体层130的层厚度h2。
根据另外的实施例，介电材料的所述第一层110(图1)的层厚度h11在约5nm至约1000nm之间的范围内。根据另外的实施例，介电材料的所述第二层120(图1)的层厚度h12在约5nm至约1000nm之间的范围内。
根据一些实施例，所述复合基底100的介电材料的至少两个层110、120可以包括相同或至少相似的厚度值，即，h11＝h12。
根据另外的实施例，所述复合基底100的介电材料的至少两个层110、120可以包括不同的厚度值h11、h12。
另外的实施例提出，所述至少一个导体层130的层厚度h2(图1)大于介电材料的所述至少第一层110和介电材料的第二层120的聚合层厚度的约2％。根据申请人的分析，对于导体层130的该厚度范围，可以实现复合基底100的有效相对介电常数的显著改变。例如，如果所述导体层130的厚度大于所述介电层110、120的聚合层厚度的约30％，则甚至还可以提高由此获得的复合基底100的有效相对介电常数。然而，根据其他实施例，如上所述，对于所考虑的RF信号频率和特定的导体材料，导体层130的层厚度h2可以优选地不超过趋肤深度的120％。
然而，根据另外的实施例，对于所考虑的RF信号频率和特定的导体材料，导体层130的层厚度h2可以超过趋肤深度的120％。
作为示例，如果所述介电层110、120均包括20nm的层厚度，则所述介电层110、120的聚合层厚度总计为40nm。根据本实施例，提出层厚度h2大于40nm的约2％，即，h2＞0.8nm。
根据另外的实施例，多于一个导体层可以被提供给复合基底。这由根据图6的另一实施例100a示例性地示出。
复合基底100a包括介电材料的第一(即，顶)层110和介电材料的第二(即，底)层120，类似于图1的配置100。然而，与图1相反，根据图6的复合基底100a包括至少两个导体层131、132，其中至少一个另外的介电层140被提供在所述至少两个导体层131、132之间。
括号150指示根据另外的实施例，另外的导体层和/或另外的介电层也可以被提供在复合基底100a内。
根据优选实施例，当提供具有多于三层的复合基底时，如图6所示，优选地添加附加层，使得对于每个附加的导体层132，提供邻近所述另外的导体层132布置的另外的介电层140。然而，根据另外的实施例，不一定是这种情况。换言之，根据另外的实施例，两个或更多个导体层也可以彼此直接相邻地布置在复合基底内。类似地，根据另外的实施例，两个或更多个介电层也可以彼此直接相邻地布置在复合基底内。这也适用于顶层和底层。换言之，邻近介电层110和/或底部介电层120，可以提供另外的介电层，而不是将导体层直接放置为与所述第一层110和/或所述第二层120相邻。
根据另一优选实施例，如果提供多于一个的导体层131、132，参见例如图6，则提出所述导体层131、132的聚合导体层厚度h21+h22大于介电材料的所述至少第一层110和介电材料的第二层120的所述聚合层厚度h11+h12+h13的约2％(当前，存在三个介电层110、120、140，因此，所述介电层的聚合层厚度总计为h11+h12+h13)。
根据另外实施例，所述至少一个导体层包括以下材料中的至少一种：铜、银、铝、金、镍等(根据另外的实施例，其他导体材料或金属材料也是可能的)。根据一些实施例，也可以使用不同的所述或甚至其他导电材料来提供相应的导体层131、132。
当提供考虑了导电层130、131、132内的RF信号的趋肤深度的根据这样的实施例的复合基底时，可以考虑所使用的导电材料的相应的电阻率或电导率以确定趋肤深度以及所述RF信号的频率(或中心频率)。
图4示意性地示出了根据一个实施例的方法的简化流程图。所述方法包括以下步骤：提供200介电材料的第一层110(图1)，提供210介电材料的第二层120，以及提供220被布置在所述第一层110与所述第二层120之间的导电材料的至少一个导体层130，其中所述至少一个导体层130的层厚度小于在所述导体层130的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。如上所述，也可以考虑提供步骤200、210、220的另一顺序，例如首先提供所述第二介电层120作为复合基底的底层，然后在所述第二介电层120的顶表面上提供所述至少一个导体层130，然后在所述导体层130的顶表面上提供所述第一介电层110。根据另外的实施例，提供步骤的其他顺序也是可能的。
根据优选实施例，优选地，在提供步骤200、210、220中的任何一个之前，可以执行另外的可选步骤198，该步骤198包括：根据要制造的复合基底100、100a将用于的RF信号的频率来确定频率范围或中心频率，并且可选地，分别根据所述频率范围或所述中心频率，可以选择至少一个所述介电层的层厚度。同样可选地，在上述步骤198中，可以考虑所述频率范围或中心频率以确定所述至少一个导体层的层厚度，因为所述导体材料内的趋肤深度取决于信号频率。
换言之，根据优选实施例，在所述可选步骤198中，可以确定根据实施例的复合基底100将要集成到其中的目标系统(例如，微带线MS1)的频率范围或中心频率。可选地，还可以选择用于至少一个导体层130的特定材料，例如铜。取决于此，可以确定例如在所述导体材料内的在所述频率范围内或所述中心频率处的RF信号RFS的趋肤深度，例如，通过使用如上所述的等式a1或等式a2。此后，可以根据实施例确定导体层的层厚度，并且可以通过提供介电材料的所述第一层、介电材料的所述第二层和具有如上所确定的指定厚度的所述至少一个导体层来形成根据实施例的复合基底。
根据另外的实施例，导体层130的层厚度的确定也可以在提供所述导体层的相关联的步骤220内执行。作为示例，在所述步骤220之前，可以提供所述介电层110、120，并且在该阶段，不必已经提供或确定导体层130的层厚度。
根据另一特别优选的实施例，当确定所述导体层130的层厚度时，考虑所述复合基底100的至少一个介电层110、120的层厚度或一些或全部介电层110、120、140的聚合层厚度。
一些实施例的特征在于一种制造用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供200具有预定的第一层厚度h11的介电材料的第一层110，提供210具有预定的第二层厚度h12的介电材料的第二层120，以及提供220被布置在所述第一层110与所述第二层120之间的导电材料的至少一个导体层130，其中所述至少一个导体层130(图1)的层厚度h2根据以下等式被确定：h_2＝(h_11+h_12)*(re(epsilon_eff)/re(epsilon_1))，其中h_2是所述至少一个导体层130的所述层厚度(h2)，其中h_11是所述第一层的厚度h11，其中h_12是所述第二层的厚度h12，其中re(epsilon_eff)是所述复合基底100的期望的有效介电常数的实部，其中re(epsilon_1)是所述介电材料的所述第一层110和所述介电材料的所述第二层120的介电常数的实部。
另外的实施例的特征在于一种制造用于RF信号的波导的复合基底100的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供200介电材料的第一层110，提供210介电材料的第二层120，以及提供220被布置在所述第一层110与所述第二层120之间的导电材料的至少一个导体层130，其中所述至少一个导体层130的层厚度小于约7.8μm。
另外的实施例提出，所述至少一个导体层130、131、132的所述层厚度h2、h21、h22小于约100nm。
另外的实施例提出，介电材料的所述第一层110和/或介电材料的所述第二层120的层厚度h11、h12在约5nm至约1000nm之间的范围内。根据又一实施例，介电材料的所述第一层110和/或介电材料的所述第二层120的层厚度h11、h12的其他值范围(在上述范围内和/或其外部，和/或/与上述范围重叠)也是可能的。
另外的实施例提出，在所述第一层110与所述第二层之间提供多个导体层131、132和至少一个介电材料的附加层140。
如上所述，可以关于彼此改变根据实施例的制造复合基底的方法的方法步骤的顺序，其中可能优选的是，从底层到顶层构成包括多个层的复合基底100、100a，反之亦然，这取决于用于制造的特定技术。
在下文中，讨论了介电基底的理论以及与包括用于这种波导的复合材料的导体和波导MS1(图2)有关的电磁波的传播。
首先，考虑如图7的左侧所示的传统多层基底MLS1。可以看出，多达n个介电层堆叠在彼此之上，其中每一层均由其厚度hi以及其介电特性εri和tan(δi)定义，其中i＝1、……、n。
在图7的右半部，示出了基底MLS1'的正视图，其中所述基底MLS1'是单层的，即由单层介电材料组成，并且具有与多层基底MLS1相同的宏观介电特性。特别地，基底MLS1'的有效相对介电常数与多层基底MLS1的有效相对介电常数相同。
根据一个示例，可以通过应用高斯定律来找到图7的多层介电基底MLS1的有效的宏观电介质特性。从数学上讲，该分层基底的介电常数表达式为：
其中，
与复介电常数相对应的损耗角正切是
和
从(等式1)可以看出，具有不同介电特性和/或基底高度的基底层的组合可以提供定制的介电基底。但是，这种传统解决方案往往成本很高，因为它需要各种不同的组成介电材料，这限制了其可用性。此外，以这种方式获得的多层基底MLS1受到介电常数的可获得值的限制，介电常数的可获得值由叠层的最小和最大介电常数及其相应的高度决定。
因此，需要一种能够解决上述两个缺点的方法。该方法以如上所述并且如以下进一步详细描述的实施例的形式提供。
为了进一步解释实施例背后的思想的细节，首先考虑导体中的传播常数。根据一个实施例，导体中的传播常数的表达式在下面给出
其中
表示趋肤深度，也参见上面的等式a2。趋肤深度代表电流密度已经下降至其在导体表面处的值的1/e(0.37)的在导体表面下方的深度。由(等式2)所示的关系表明，在导体中传播的波在幅度和相位上都发生变化。传播特性的总变化取决于金属的厚度，即，
γt＝γm·dm (等式3)，
其中dm代表导体的厚度。作为示例，如果导体的厚度比趋肤深度大得多，则穿过该导体的电磁波不仅会大大衰减，但是根据(等式2)，它的相位常数也受到很大影响。再举一个示例，出于实用目的，导体厚度在3δ-5δ之间足以几乎完全衰减EM波。然而，这提出了一个问题：如实施例所提出的，如果导体厚度远低于趋肤深度，则EM波会发生什么？
为了对这个问题提供令人满意的答案以及根据实施例对原理的解释，考虑(等式2)的等效介电常数的实部，其可以写为：
从(等式4)可以理解，导体的介电常数不是恒定的，而是取决于各种参数。也就是说，它线性地取决于电导率σ和磁导率μ，而它逆线性地取决于角频率。在较低的频率下，标准导体的介电常数很高。如图8所示的表总结了根据一些示例性实施例的在1GHz、5GHz和20GHz的频率下对于不同的金属(银，铜和铝)使用(等式4)获得的介电常数。
从该表可以看出，所获得的介电常数的值非常高。鉴于等式(1)，根据实施例，这可能对根据实施例的多层基底的有效介电常数具有巨大影响，而不会显著影响总损耗角正切。为了证明这一点，下面考虑类似于图1的三层结构，即复合基底。
基于图1的所考虑的结构示出了两个介电层110、120“夹在”相对薄的、优选为皮下深度导体130上。该图的结构用于得出根据实施例的复合EM传播特性，从中得出以此方式形成的介质的有效介电特性。图1的复合基底100也可以被认为是平行板波导PPWG，根据一个实施例，其可以由其厚度完全确定，而出于以下考虑(并且在这方面偏离根据实施例的实际复合结构100)，假定其x和y尺寸是无限的(x尺寸对应于图1的水平方向，y尺寸对应于垂直于图1的图面的方向)。根据一个实施例，发现复合有效介电特性的最终表达式是针对TM波(
)的无源介质中的亥姆霍兹等式的解
在冗长的推导之后(为了清楚起见，这里省略了其单个步骤)，对于由两个介电层110、120和一个薄导体层130组成的根据本实施例的有效介质，可以获得以下解。
其中
(ε0是真空的介电常数)，并且k0是在自由空间中的传播常数
其中c是光速。
作为根据一些实施例的使用皮下深度导体130来调谐介电特性的可能性的示例，图5A示出了当用于层110、120的介电材料是厚度h11、h12为10nm并且
的二氧化硅，而铜层130的厚度h2在10nm至50nm之间变化时的情况下的可获得的有效介电常数特性。当然，根据另外的实施例，其他用于层110、120、140层的介电材料也可以使用。另外，根据另外的实施例，其他导体可以用于层130，例如，金、镍、铝或其他导体。
图5A的曲线C1示出了对于10nm(纳米)的导电层厚度h2的随着复合基底100(图1)的GHz的频率f的有效介电常数。曲线C2示出了对于20nm的导电层厚度h2的随着频率的有效介电常数，曲线C3用于h2＝30nm，曲线C4用于h2＝40nm，并且曲线C5用于h2＝50nm。从图5A显而易见，根据实施例的有效多层基底100的介电特性在指示的频率范围内保持大致恒定。重要的事实是，根据一个实施例，可以修改有效基底100的介电特性，例如通过改变导体层130(图1)的厚度h2，而对整个介电介质100的损耗角正切没有显著影响。
对于从10nm(参见图5B的曲线C1')到50nm(参见图5B的曲线C5')范围内的上述五个导体厚度值，示例性地示出了随着频率的损耗角正切tan_delta(与图5A中的缩放比例相同)。
此外，有利地，与传统的多层介电基底MLS1(参见图7)的情况一样，根据实施例的基底的有效介电常数的上限值不受组成介电基底(在这种情况下为二氧化硅)的介电常数的限制。相反，根据实施例，组成介电基底110、120的介电常数仅指示整个复合基底100的有效介电常数的最低可能值，而其损耗角正切可以被假定为所提出的有效介电基底的总体损耗角正切。
因此，根据实施例的原理表示新的一系列新型介电基底100、100a，其介电特性可以定制，而不受图7的传统多层介电基底MLS1施加的限制。
根据一些实施例，在组成介电层的介电损耗角正切较低(在当前情况下低于1e-4)，还可以简化等式(6)。在这种情况下，多层基底的有效介电常数变为
根据这些实施例，所获得的复合基底的损耗角正切可以基本上等于组成介电基底110、120的损耗角正切。根据一些实施例所获得的等式(7)很重要，因为它携带以下陈述：对于根据一些实施例的复合结构100的介电特性的操纵特别重要的是层130和110、120的厚度或横截面积的比率(例如，h2/2h1)，而不是导体层130的电导率。如果需要较厚的介电基底，则这可能具有重大意义，因为根据另外的实施例，参见图6，可以沉积若干或多个相对薄的介电层和导体层，例如依次彼此相继，直到获取期望的总基底厚度。在这些实施例中，复合电介质特性由电介质110、120、140和导体130所占据的总横截面表面积的比率确定。
综上所述，根据实施例的原理尤其可以实现以下方面：
1.通过使用相对薄的(例如，皮下深度或高达趋肤深度的约120％的范围)导体130来有效地操纵多层基底100、100a的介电特性。
2.根据申请人的分析，根据一些实施例的多层基底100的介电特性主要取决于电介质和导体的总横截面表面积的比率(或者，如果所有层包括相同的宽度，则为相应的层厚度)，而不是导体的电导率。
3.根据一些实施例，导体层的厚度可以优选地小于趋肤深度的120％，更优选地低于趋肤深度(即，小于趋肤深度的100％)，并且根据另外的实施例，它们的厚度(不要与电介质和导体的横截面积的比率相混淆)可能会影响直到可以使用它们的较高频率。
根据一个特别优选的示例，将与根据该示例的基底一起使用的RF信号RFS的较高频率应当是如下这样的频率，在该频率下，导体厚度h2约为该特定频率下的其趋肤深度的10％。作为另一特别优选的示例，例如，厚度h2为20nm的铜导体层130可以对应于100GHz下的200nm的趋肤深度的10％。
总而言之，根据实施例的原理允许创建具有低插入损耗(低损耗角正切)和介电常数的任意值的定制RF基底100、100a，而不受组成介电层的限制，而已有的传统多层介电解决方案在产生高介电常数值和低损耗角正切值的能力方面尤其受到限制。根据实施例的原理不具有这样的限制。例如，根据实施例获得的有效的多层基底100、100a的损耗角正切是组成电介质110、120、140的损耗角正切，而其有效介电常数可以由导电层130、131、132的厚度h2(h21，h22)控制。
而且，根据一些实施例，可以通过提供若干或多个导电层131、132以及优选地在其间提供中间介电层140来获得相对厚的基底叠层100a，其中对于所述导电层131、132的厚度，适用上述原理。
说明书和附图仅示出了本发明的原理。因此，将理解，本领域技术人员将能够设计出尽管未在本文中明确描述或示出但体现本发明的原理并且被包括在其精神和范围内的各种布置。此外，本文中列举的所有示例原则上明确地旨在仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为促进本领域所贡献的概念，并且应当被理解为没有对这些具体叙述的示例和条件的限制。此外，本文中引用本发明的原理、方面、和实施例及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其等同形式。
本领域技术人员应当理解，本文中的任何框图表示体现本发明原理的说明性电路系统的概念图。类似地，将理解的是，任何流程图表、流程图、状态转变图、伪代码等表示各种过程，这些过程可以基本上在计算机可读介质中表示，并且因此由计算机或处理器执行，无论这种计算机或处理器是否明确示出。
本领域技术人员将容易认识到，各种上述方法的步骤可以由编程的计算机执行。这里，一些实施例还旨在覆盖程序存储设备，例如，数字数据存储介质，其是机器或计算机可读的并且对指令的机器可执行或计算机可执行程序进行编码，其中所述指令执行所述上述方法的一些或全部步骤。程序存储设备可以是例如数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器、或光学可读数字数据存储介质。实施例还旨在覆盖被编程为执行上述方法的所述步骤的计算机。
本领域技术人员应当理解，本文中的任何框图表示体现本发明原理的说明性电路系统的概念图。类似地，将理解的是，任何流程图表、流程图、状态转变图、伪代码等表示各种过程，这些过程可以基本上在计算机可读介质中表示，并且因此由计算机或处理器执行，无论这种计算机或处理器是否明确示出。
Claims (16)
1.一种用于具有信号频率的射频RF信号(RFS)的波导(MS1)的复合基底(100；100a)，其中所述复合基底(100；100a)包括至少介电材料的第一层(110)和介电材料的第二层(120)、以及被布置在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间的导电材料的至少一个导体层(130；131，132)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的层厚度(h2；h21，h22)小于在所述导体层(130；131，132)的所述导电材料内的所述RF信号(RFS)的趋肤深度的约120％。
2.根据权利要求1所述的复合基底(100；100a)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的所述层厚度(h2；h21，h22)小于在所述导体层(130；131，132)的所述导电材料内的所述RF信号(RFS)的所述趋肤深度的约50％。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的复合基底(100；100a)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的所述层厚度(h2；h21，h22)在所述导体层(130；131，132)的所述导电材料内的所述RF信号(RFS)的所述趋肤深度的约2％至约40％之间的范围内。
4.一种用于RF信号的波导的复合基底(100；100a)，其中所述复合基底(100；100a)包括至少介电材料的第一层(110)和介电材料的第二层(120)、以及被布置在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间的导电材料的至少一个导体层(130；131，132)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的层厚度(h2；h21，h22)小于约7.8μm。
5.根据权利要求4所述的复合基底(100；100a)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的所述层厚度(h2；h21，h22)小于约100nm。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的复合基底(100；100a)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的所述层厚度(h2；h21，h22)大于所述至少介电材料的第一层(110)和介电材料的第二层(120)的聚合层厚度的约2％，或者其中如果多于一个导体层(131，132)被提供，所述导体层(131，132)的聚合导体层厚度大于所述至少介电材料的第一层(110)和介电材料的第二层(120)的所述聚合层厚度的约2％。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的复合基底(100；100a)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)包括以下材料中的至少一种：铜、银、铝、金、镍。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的复合基底(100；100a)，其中介电材料的所述第一层(110)和/或介电材料的所述第二层(120)的层厚度(h11，h12)在约5nm至约1000nm之间的范围内。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的复合基底(100；100a)，其中介电材料的所述第一层(110)和/或介电材料的所述第二层(120)的层厚度小于在所述导体层(130)的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。
10.一种用于RF信号(RFS)的波导(MS1)，包括：根据前述权利要求中的任一项所述的复合基底(100；100a)，被布置在所述复合基底(100；100a)的第一表面(102)上的第一导体(20)，以及被布置在所述复合基底(100；100a)的第二表面(104)上的第二导体(21)。
11.一种制造用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底(100；100a)的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供(200)介电材料的第一层(110)，提供(210)介电材料的第二层(120)，以及提供(220)被布置在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间的导电材料的至少一个导体层(130)，其中所述至少一个导体层(130)的层厚度小于在所述导体层(130)的所述导电材料内的所述RF信号的趋肤深度的约120％。
12.一种制造用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底(100；100a)的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供(200)具有预定的第一层厚度(h11)的介电材料的第一层(110)，提供(210)具有预定的第二层厚度(h12)的介电材料的第二层(120)，以及提供(220)被布置在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间的导电材料的至少一个导体层(130)，其中所述至少一个导体层(130)的层厚度(h2)根据以下等式被确定：h_2＝(h_11+h_12)*(re(epsilon_eff)/re(epsilon_1))，其中h_2是所述至少一个导体层(130)的所述层厚度(h2)，其中h_11是所述第一层厚度(h11)，其中h_12是所述第二层厚度(h12)，其中re(epsilon_eff)是所述复合基底(100；100a)的期望的有效介电常数的实部，其中re(epsilon_1)是所述介电材料的所述第一层(110)和所述介电材料的所述第二层(120)的介电常数的实部。
13.一种制造用于具有信号频率的RF信号的波导的复合基底(100；100a)的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供(200)介电材料第一层(110)，提供(210)介电材料的第二层(120)，以及提供(220)被布置在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间的导电材料的至少一个导体层(130)，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的层厚度(h2；h21，h22)小于约7.8μm。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中所述至少一个导体层(130；131，132)的所述层厚度(h2；h21，h22)小于约100nm。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中介电材料的所述第一层(110)和/或介电材料的所述第二层(120)的层厚度(h11，h12)在约5nm至约1000nm的范围内。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的方法，其中多个导体层(131，132)和介电材料的至少一个附加层(140)被提供在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间。
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