CN111937229B - 用于传输电磁波信号的波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于传输电磁波信号的波导，该波导被配置为使得电介质与导体之间的边界条件以及电介质之间的边界条件两者都作为可施加到通过波导传输的信号的边界条件而存在，该波导包括：第一电介质部，其包括电介质；导体部，其覆盖第一电介质部的一部分；和第二电介质部，其围绕第一电介质部和导体部。

Description

用于传输电磁波信号的波导
技术领域
本发明涉及一种用于传输电磁波信号的波导(waveguide)。
背景
随着数据通信量的迅速增加，连接集成电路(IC)的I/O总线的数据发送/接收速度也迅速提高。在过去的几十年中，具有高成本效率和功率效率的基于导体的互连(interconnect)(例如，铜线)已被广泛应用于有线通信系统。然而，由于由电磁感应引起的集肤效应(skin effect)，这种基于导体的互连在信道带宽上具有固有的局限性。
同时，具有高数据发送/接收速度的基于光学部件的互连已经被介绍并被广泛用作基于导体的互连的替代物。然而，基于光学部件的互连具有以下局限性：因为它们的安装和维护成本非常高，因此不能完全替代基于导体的互连。
近来，一种包括由电介质构成的波导的新型互连已经被介绍。由于新型互连(所谓的电子管(e-tube))兼具金属和电介质的优点，因此它具有高成本效率和功率效率，并且能够在短程内进行高速数据通信。因此，作为可用于芯片对芯片(chip-to-chip)通信的互连已受到瞩目。
然而，即使当使用常规的电介质波导时，也存在以下问题：由于非线性相位响应而导致群延迟(group delay)的巨大变化或改变，或者由于增加数据传输速率(或带宽)而导致误码(bit error)。
就这一点而言，发明人提出了一种用于新颖的且有创造性的波导的技术，该技术可以减轻相位响应的非线性并防止在高速数据通信环境中发生误码。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是解决全部上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种波导，该波导包括第一电介质部、导体部和第二电介质部的，其中导体部覆盖第一电介质部的一部分并且第二电介质部围绕第一电介质部和导体部的全部，从而电介质-导体边界条件(boundary condition)和电介质-电介质边界条件两者都作为施加到通过波导传输的信号的边界条件而存在。
问题的解决方案
下面描述实现上述目的的本发明的代表性构造。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于传输电磁波信号的波导，该波导包括：第一电介质部，其包括电介质；导体部，其覆盖第一电介质部的一部分；和第二电介质部，其围绕第一电介质部和导体部。
另外，还提供了其他波导来实现本发明。
发明效果
根据本发明，电介质-导体边界条件和电介质-电介质边界条件两者都可以作为施加到通过波导传输的信号的边界条件而存在，从而可以增加在通过波导传输的信号中出现的相位响应的线性。
根据本发明，可以减轻在使用波导的通信中的相位响应的非线性，从而可以降低根据频率变化的群延迟的变化程度。
根据本发明，可以经由波导进行非分散的(non-dispersive)信号传输信道，从而可以降低码间干扰(intersymbol interference，ISI)，并且可以显著降低随着数据传输速率的增加而发生误码的频率。
附图说明
图1示意性地示出了根据现有技术的波导的构造。
图2示意性地示出了根据本发明的一个实施方案的波导的构造。
图3示意性地示出了根据本发明的另一个实施方案的波导的构造。
图4和图5示出了根据现有技术如何估算可能在波导中发生的群延迟，以及根据本发明的一个实施方案如何估算在波导中可能发生的群延迟。
图6示出了对于使用根据本发明的波导和使用根据现有技术的波导来发送/接收信号的每种情况测量群延迟的测试结果。
图7示意性地示出了根据本发明的又一个实施方案的波导的构造。
附图标记说明
10：根据现有技术的波导
11：根据现有技术的电介质芯
12：根据现有技术的导体包层(cladding，或称为覆层)
100：根据本发明的一个实施方案的波导
110：第一电介质部
120：导体部
130：第二电介质部
具体实施方式
在本发明的以下详细描述中，参照附图，其以示意的方式示出了可以实施本发明的特定实施方案。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实施本发明。应当理解，本发明的各个实施方案尽管彼此不同，但是不必相互排斥。例如，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以将本文描述的特定形状、结构和特性实现为从一个实施方案修改为另一个实施方案。此外，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以修改每个所公开的实施方案中的各个元件的位置或布置。因此，以下的详细描述不应被视为限制性的，并且，如果适当地描述了本发明的范围，则本发明的范围仅由所附权利要求及其全部等同方案来限制。在附图中，贯穿几个视图，相似的附图标记指代相同或相似的元件。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施方案，以使本领域技术人员能够容易地实施本发明。
波导的构造
在下文中，将讨论对于实现本发明至关重要的波导100的内部构造及其各个部件的功能。
图1示意性地示出了根据现有技术的波导的构造。
参照图1，根据现有技术的波导10可以包括电介质芯11和围绕电介质芯11的导体包层12。
当使用根据现有技术的波导来发送信号时，可能出现以下问题：由于非线性相位响应而导致群延迟的巨大变化或改变，并且在实际的通信环境中，随着数据传输速率的增加，发生误码的频率也会增加。
图2示意性地示出了根据本发明的一个实施方案的波导的构造。
参照图2，根据本发明的一个实施方案的波导100可以包括第一电介质部110，其包括电介质；导体部120，其覆盖第一电介质部110的一部分；和第二电介质部130，其围绕第一电介质部110和导体部120。此处，根据本发明的一个实施方案，包括在第一电介质部110和第二电介质部130中的电介质可以具有不同的介电常数。
具体地，根据本发明的一个实施方案，导体部120可以形成为覆盖第一电介质部110的多个外表面中的一些外表面。
更具体地，根据本发明的一个实施方案，第一电介质部110、导体部120和第二电介质部130的中心轴线可以彼此重合。
例如，如图2所示，当从沿着与根据本发明的一个实施方案的波导100的长度垂直的方向截取的横截面观看时，第一电介质部110可以处于矩形芯的形式，并且导体部120可以包层的形式覆盖矩形芯形式的第一电介质部110的四个表面中的两个表面(即，上表面和下表面)，而第二电介质部130可以矩形夹套(jacket)的形式围绕第一电介质部110和导体部120的全部。
然而，需要注意，根据本发明的波导100的内部构造或形状不必限于以上描述，并且只要可以实现本发明的目的可以不受限制地改变。
图3示意性地示出了根据本发明的另一个实施方案的波导的构造。
首先，参照图3(a)，在根据本发明的另一个实施方案的波导200的情况下，第一电介质部210可以处于矩形芯的形式，并且导体部220可以包层的形式覆盖矩形芯形式的第一电介质部210的四个表面中的三个表面(即，上表面、下表面和左表面)，而第二电介质部230可以矩形夹套的形式围绕第一电介质部210和导体部220的全部。
接下来，参照图3(b)，在根据本发明的另一个实施方案的波导300的情况下，第一电介质部310可以处于圆形芯的形式，并且导体部320可以包层的形式覆盖圆形芯形式的第一电介质部310的外表面的一部分(对应于绕中心轴线的预定角度)，而第二电介质部330可以环形夹套的形式围绕第一电介质部310和导体部320的全部。
同时，根据本发明的又一个实施方案，可以假设在单个线缆(cable)中包括多个波导。即使在这种情况下，波导也可以形成为使得电介质-电介质边界条件和电介质-导体边界条件两者都存在。
图7示意性地示出了根据本发明的又一个实施方案的波导的构造。
首先，参照图7(a)，在根据本发明的又一个实施方案的波导700的情况下，第一电介质部710可以处于矩形芯的形式，并且导体部720可以包层的形式覆盖矩形芯形式的第一电介质部710的四个表面中的三个表面(即，上表面、下表面和左表面)，而各自包括第一电介质部710和导体部720的两个波导单元可以彼此相邻设置，并且第二电介质部730可以矩形夹套的形式围绕各自包括第一电介质部710和导体部720的两个波导单元的全部波导单元。
接下来，参照图7(b)，在根据本发明的又一个实施方案的波导800的情况下，第一电介质部810可以处于矩形芯的形式，并且导体部820可以包层的形式覆盖矩形芯形式的第一电介质部810的四个表面中的三个表面(即，上表面、下表面和左表面)，而各自包括第一电介质部810和导体部820的多个波导单元可以预定布置设置，并且第二电介质部830可以矩形夹套的形式围绕各自包括第一电介质部810和导体部820的多个波导单元的全部波导单元。
即，如图7所示，在根据本发明的又一个实施方案的波导的情况下，即使在单个线缆夹套中包括多个波导单元时，电介质-电介质边界条件和电介质-导体边界条件也可以存在于多个波导单元中的每一个。
同时，根据本发明的一个实施方案，导体部120可以由具有导电性的材料组成。例如，根据本发明的一个实施方案的导体部120可以由传统上广泛使用的诸如铜(Cu)的金属材料组成，或者可以由诸如石墨烯的非金属材料组成。
同时，根据本发明的一个实施方案，第一电介质部110的介电常数可以大于或小于第二电介质部130的介电常数。例如，第一电介质部110可以由具有约2.0的介电常数的聚四氟乙烯组成，而第二电介质部130可以由具有约1.2的介电常数的聚乙烯组成。此外，作为另一个实施例，第一电介质部110可以由介电常数约为1.0的空气组成，而第二电介质部130可以由介电常数约为2.0的聚四氟乙烯组成。相反地，第一电介质部110可以由聚四氟乙烯组成，而第二电介质部130可以由空气组成。
因此，根据本发明的一个实施方案，通过波导100传输的信号(即，电磁波)不仅可以沿着第一电介质部110和导体部120之间的边界被引导，而且还可以沿着具有不同介电常数的第一介质部分110和第二电介质部130之间的边界被引导。即，由于在根据本发明的一个实施方案的波导100的情况下，电介质-导体边界条件和电介质-电介质边界条件二者都可以存在，所以可以显著增加在经由波导的信号传输信道中发生的相位响应的线性，因此，可以显著降低群延迟根据频率变化而变化(或分散)的程度。此外，由于在根据本发明的一个实施方案的波导100的情况下，可以形成非分散的信号传输信道，所以可以降低码间干扰(ISI)，并且即使增加数据传输速率，也不发生误码。群延迟将在下面详细讨论。
图4和图5示出了根据现有技术如何估算可能在波导中发生的群延迟，以及根据本发明的一个实施方案如何估算在波导中可能发生的群延迟。
首先，参照图4，在根据现有技术的波导(即，包括电介质芯11和围绕全部电介质芯11的导体包层12的波导)的情况下，可以估算群延迟受频率ω变化的影响(即群延迟随频率的变化而变化)。
接下来，参照图5，在根据本发明的一个实施例的波导(即，包括第一电介质部110、覆盖第一电介质部110的一部分的导体部120以及围绕第一电介质部110和导体部120的第二电介质部130的全部的波导)的情况下，可以假设群延迟不受频率ω的变化的影响(即，即使在频率变化时，群延迟也几乎不变)。
图6示出了对于使用根据本发明的波导和使用根据现有技术的波导来发送/接收信号的每种情况测量群延迟的测试结果。
首先，参照图6(a)所示的S21图，可以看出，在对于根据本发明一个实施例的波导(即，包括第一电介质部110、覆盖第一电介质部110的一部分的导体部120和围绕第一电介质部110和导体部120的全部的第二电介质部130的波导)(更具体地，具有如图3(a)所示的结构的波导)的测试结果610和对于根据现有技术的波导(即，包括电介质芯11和围绕所有电介质芯11的导体包层12的波导)的测试结果620中，上拐角频率(upper cornerfrequency)或上截止频率(upper cutoff frequency)基本相同。
接下来，参照图6(b)所示的群延迟图，当采用根据现有技术的波导时，可以发生非线性相位响应，这可以根据经由波导的信号传输信道中的频率变化而增加群延迟的变化程度。实际上，参照图6(b)，在对于根据现有技术的波导的测试结果620中，可以看出，随着图中的频带中的频率变化，群延迟变化的程度相对较大。
进一步参照图6(b)所示的群延迟图，当采用根据本发明的波导时，可以降低相位响应的非线性，这可以根据经由波导的信号传输信道中的频率的变化而显著降低群延迟的变化程度。实际上，参照图6(b)，在对于根据本发明的波导的测试结果610中，可以看出，随着图中的频带中的频率变化，群延迟变化的程度非常小。
因此，从以上测试结果可以看出，当采用根据本发明的波导100时，可以显著降低可能在频率变化时发生的传输信号的群延迟的变化(或改变)。
尽管上面已经详细描述了根据本发明的波导中所包括的部件的细节或参数，但是要注意，根据本发明的波导的配置不必限于上述那些，并且可以不受限制地改变，只要可以实现本发明的目的或效果。
尽管已经根据诸如详细元件的特定项以及有限的实施方案和附图描述了本发明，但是它们的提供仅是为了帮助更全面地理解本发明，并且本发明不限于上述实施方案。本发明所属领域的技术人员将理解，可以根据以上描述进行各种修改和改变。
因此，本发明的精神将不限于上述实施方案，并且所附权利要求及其等同方案的整个范围将落入本发明的范围和精神内。

Claims (5)

1.一种用于传输电磁波信号的波导，包括：
第一电介质部，其包括电介质；
导体部，其覆盖所述第一电介质部的一部分；和
第二电介质部，其围绕所述第一电介质部和所述导体部，
其中包括在所述第一电介质部和所述第二电介质部中的电介质具有不同的介电常数，且
所述第一电介质部和所述导体部之间形成有边界，并且所述第一电介质部和所述第二电介质部之间形成有边界。
2.根据权利要求1所述的波导，其中所述导体部覆盖所述第一电介质部的多个外表面中的一些外表面。
3.根据权利要求2所述的波导，其中所述第一电介质部、所述导体部和所述第二电介质部的中心轴线彼此重合。
4.根据权利要求1所述的波导，其中通过所述波导传输的信号沿着所述第一电介质部和所述导体部之间的边界以及所述第一电介质部和所述第二电介质部之间的边界被引导。
5.根据权利要求1所述的波导，其中根据经由所述波导的信号传输信道中的频率变化而发生的群延迟的变化不超过预定水平。
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