CN112186321A - 加脊方同轴基片集成波导互连装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加脊方同轴基片集成波导互连装置，包括外导体、内导体，外导体与内导体之间设置有介质；所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5。本发明所述的加脊方同轴基片集成波导结构为准封闭式结构，采用TEM模式传输信号，可以用作电路板级/芯片级的互连线电路，相比于方同轴基片集成波导互连结构，本发明所述加脊方同轴基片集成波导互连装置继承了损耗小、时延串扰低、抗电磁干扰能力强的优点，且有效减小了结构尺寸并拓宽的主模带宽，适合于吉比特以上的高速数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及电路板级/芯片级的高速数据传输技术领域，具体地，涉及一种加脊方同轴基片集成波导互连装置。
背景技术
随着现代电子与通信技术的高速发展，电路间、芯片间或设备间的数据传输速率越来越快，对高速互连技术的要求也越来越高。传输线互连结构作为集成电路最基本组成单元，其良好的性能是保证良好电路性能的基本要求。然而随着传输速率的不断提高，传统互连采用微带线/带状线/共面波导等结构，基于准TEM模式实现信号的互连互通，由于其开放的物理结构和紧凑的金属面积，损耗在高频条件下随频率的上升而急剧增加，同时还将引起严重的串扰、时延、畸变、码间干扰等信号完整性及电磁干扰问题，严重影响了信号传输的距离和速率，难以满足现代高速电路的发展，也因此迫切需要研究新的高速互连结构。
基片集成波导互连结构，展现了良好的抗干扰、低损耗性能。其信道呈现高通、宽频带特性，但是由于采用TE10模式，因此无法直接传输基带信号，必须经过调制解调将基带信号搬移到矩形波导互连的传输带宽中，增加了系统的复杂性、成本、尺寸，并且其信道带宽还受到调制解调器件带宽的限制。
虽然串行链路技术的引入可降低电互连线间的串扰，但同时也降低了信号的传输密度；均衡和预加重技术虽然补偿了传统电互连在高频时的损耗，扩展了带宽，但仍无法避免电磁干扰(EMI)问题，同时还增加了额外的电路开销，导致成本的大幅上升。总之，传统电互连技术已经无法满足新一代数据传输的需求，迫切需要发展适合更高传输速率的新型电互连技术；
专利文献为CN2014103259893的发明专利公开了一种方同轴基片集成波导互连结构，包括外导体、内导体，外导体与内导体之间设置有介质；所述方同轴基片集成波导互连结构的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5。该方案所述的方同轴基片集成波导结构为准封闭式结构，采用TEM模式传输信号，可以用作电路板级/芯片级的互连线电路。该结构具备良好的抗干扰、低损耗、低色散、支持直流信号的优势。但其单模带宽受高次模(TE10模)的截止频率限制，其尺寸也有优化空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种加脊方同轴基片集成波导互连装置。
根据本发明提供的一种加脊方同轴基片集成波导互连装置，包括自上而下依次设置的五层物理结构，其中第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5；
在金属层L1与金属层L5之间设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿所述第一层至第五层，且由沿所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的长度方向呈两列排列的金属化通孔构成；
金属层L3包含两外侧金属和一中间金属，两外侧金属即所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的脊，两外侧金属被金属化通孔贯穿；
金属层L3中间金属构成内导体；
金属层L1、金属层L3两外侧金属、金属层L5、金属化通孔阵列构成外导体；
外导体与内导体之间设置有介质；
介质层L2、介质层L4构成填充于外导体与内导体之间的介质。
优选地，加脊方同轴基片集成波导互连装置仅由所述外导体、内导体、介质构成。
优选地，金属层L1、金属层L3、金属层L5的厚度均为t，介质层L2、介质层L4的厚度均为h，所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的长度为L。
优选地，金属层L3中间金属的宽度b小于金属层L1以及金属层L5，且金属层L3在所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的宽度方向上位于两列金属化通孔之间。
优选地，金属化通孔阵列中的金属化通孔的直径为d，且每列金属化通孔之间等间距排列，间距为s，两列金属化通孔之间的宽度为a，金属化通孔的轴线与L3中间金属间的距离j为
优选地，金属层L3两外侧金属到中间金属的距离小于金属化通孔到中间金属的距离，要求
优选地，所述加脊方同轴基片集成波导互连装置采用TEM模式传输信号。
优选地，金属层L3的两外侧金属设置在同一平面上。
优选地，金属层L3的两外侧金属与在金属层L1、金属层L5平行。
优选地，金属层L3的两外侧金属分别被两排金属化通孔中的一排贯穿。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的加脊方同轴基片集成波导互连为准封闭式结构，采用TEM模式传输信号，与传统微带线/带状线/共面波导等开放式互连结构采用准TEM模式传输信号相比，具有传输速率高、时延串扰低、抗电磁干扰能力强的优点。
2、与矩形基片集成波导采用TE10模式传输信号相比，加脊方同轴基片集成波导互连装置不需要调制解调器件，具有损耗小、速率高、系统简单、成本低的优点。
3、与方同轴基片集成波导互连结构相比，加脊方同轴基片集成波导互连装置具有更紧凑尺寸、更宽主模带宽优势。
4、相对于现有技术，本发明通过增加两个外侧金属引入了两个参数，使得设计自由度和精确度都有显著的提升，且有利于阻抗匹配设计和转接、拐弯等不连续结构的设计。
5、相对于现有技术，本发明通过增加两个外侧金属，大大提高了屏蔽/抗干扰性能。
6、相对于现有技术，本发明通过增加两个外侧金属，增强相邻金属过孔的电气连接，有利于降低该结构对工艺误差的灵敏度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为加脊方同轴基片集成波导互连装置的结构示意图。
图2为加脊方同轴基片集成波导互连装置垂直于传播方向的横截面图。
图3为加脊方同轴基片集成波导互连装置的S21参数示意图。
图4为加脊方同轴基片集成波导互连装置的S11参数示意图。
图5为加脊方同轴基片集成波导互连装置的相位常数示意图。
图6为与现有技术比对的S31参数示意图。
图中示出：
1为第一层，即金属层L1；
2为第二层，即介质层L2；
3为第三层，即金属层L3；
4为第四层，即介质层L4；
5为第五层，即金属层L5；
6为内导体；
7为外导体。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图6所示，为了实现加脊方同轴波导电路板级/芯片级的基片集成化，本发明提供一种适用于电路板及芯片级的高速互连的加脊方同轴基片集成波导互连装置，采用三层金属层、两列金属化通孔构成加脊方同轴基片集成波导的外导体、内导体以及采用两层介质层构成内、外导体间的介质填充，实现了适合高速数据传输的基片集成化波导互连。
图1为本发明所提供的加脊方同轴基片集成波导互连装置，包括外导体、内导体以及内外导体之间的介质，加脊方同轴基片集成波导互连装置的物理结构由三层金属层和两层介质层组成。所述加脊方同轴基片集成波导互连装置采用TEM模式传输信号。图2为本发明加脊方同轴基片集成波导互连装置垂直于传播方向的横截面图。
所述方同轴基片集成波导互连结构的物理结构自上而下分为五层，第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属层，第四层为介质层，第五层为金属层，三层金属层的厚度均为t，两层介质层的厚度均为h，波导互连的长度为L。第三层金属层包含两外侧金属和一中间金属，两外侧金属即所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的脊，两外侧金属被金属化通孔贯穿。
所述外导体由第一层金属层导体板、第五层金属层导体板、第三层两外侧金属以及第一层到第五层间的两列金属化通孔阵列所形成的金属侧壁组成。金属化通孔的直径为d，间距为s，两列金属化通孔阵列间的宽度为a。
所述内导体为第三层中间金属导体，其宽度为b。内外导体间的距离为g。
所述介质由第二层介质层与第四层介质层组成，形成内导体与外导体之间的介质填充。
如图2所示为加脊方同轴基片集成波导的横截面示意图。相比于方同轴基片集成波导，由于双脊的引入，加脊方同轴基片集成波导的内导体与双脊之间形成了额外的电容Cg，其单位长度电容C可表示为
C＝2Cg+4Cr
Cr为内导体与除双脊以外的其他外导体1/4区域之间的电容。根据特性阻抗Z0计算公式：
其中εr为介质的的相对介电常数，c为真空中的光速。为保持特性阻抗匹配，内导体的宽度b得以减小，来减小内导体与其他外导体之间的电容Cr，同时，两列金属过孔距离a可以随着b相应减小。因此在相同条件下，加脊方同轴基片集成波导具有更紧凑的内导体即外导体尺寸。
加脊方同轴基片集成波导的第一个高次模与基片集成波导的第一个高次模都为TE10模，其截止频率fc可以用以下公计算：
a为两列过孔之间的距离。在相同条件下，由于加脊方同轴基片集成波导的两列过孔之间的距离更小，因此其第一个高次模的截止频率更高即其单模带宽大于方同轴基片集成波导。
以电路板级的加脊方同轴基片集成波导互连为例，采用PCB工艺为例，材料为Rogers 5880(介电常数2.2，介质损耗角正切0.0009)，金属过孔距离a＝0.91mm，内导体宽度b＝0.2mm；金属层厚度t＝0.018mm，介质层厚度h＝0.254mm，孔直径d＝0.1mm，孔间距s＝0.3mm，内导体到两脊距离g＝0.1mm，波导长度L＝5mm，其传输特性S21参数、反射特性S11参数分别如图3、图4所示，其中，图3、图4中的横轴表示频率(Freq(GHz))，纵轴表示分贝(dB)。图5，给出了加脊方同轴基片集成波导互连与相同工艺条件下设计的方同轴基片集成波导互连的相位常数，其中方同轴基片集成波导互连两列过孔之间距离为1mm，内导体宽度为0.4mm，介质厚度为0.254mm，过孔直径和间距分别为0.1mm和0.3mm。如图5所示，加脊方同轴基片集成波导与方同轴基片集成波导的第一个高次模截止频率分别为110GHz和100GHz，即加脊方同轴基片集成波导有着更大的单模带宽。同时，加脊方同轴基片集成波导内导体、外导体宽度均小于方同轴基片集成波导。
如图6所示，基于本发明的双线模型远端串扰显著小于基于在先专利的双线模型，即本发明具备更好的屏蔽/抗干扰能力。
综上，本发明所设计的加脊方同轴基片集成波导互连装置，具有损耗小、时延串扰低、抗电磁干扰能力强、尺寸紧凑、主模带宽宽的优点，适合于电路板级/芯片级的高速数据传输。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，包括自上而下依次设置的五层物理结构，其中第一层为金属层L1，第二层为介质层L2，第三层为金属层L3，第四层为介质层L4，第五层为金属层L5；
在金属层L1与金属层L5之间设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿所述第一层至第五层，且由沿所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的长度方向呈两列排列的金属化通孔构成；
金属层L3包含两外侧金属和一中间金属，两外侧金属即所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的脊，两外侧金属被金属化通孔贯穿；
金属层L3中间金属构成内导体；
金属层L1、金属层L3两外侧金属、金属层L5、金属化通孔阵列构成外导体；
外导体与内导体之间设置有介质；
介质层L2、介质层L4构成填充于外导体与内导体之间的介质。
2.根据权利要求1所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，加脊方同轴基片集成波导互连装置仅由所述外导体、内导体、介质构成。
3.根据权利要求1或2所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属层L1、金属层L3、金属层L5的厚度均为t，介质层L2、介质层L4的厚度均为h，所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的长度为L。
4.根据权利要求3所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属层L3中间金属的宽度b小于金属层L1以及金属层L5，且金属层L3在所述加脊方同轴基片集成波导互连装置的宽度方向上位于两列金属化通孔之间。
5.根据权利要求4所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属化通孔阵列中的金属化通孔的直径为d，且每列金属化通孔之间等间距排列，间距为s，两列金属化通孔之间的宽度为a，金属化通孔的轴线与L3中间金属间的距离j为
6.根据权利要求5所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属层L3两外侧金属到中间金属的距离小于金属化通孔到中间金属的距离，要求
7.根据权利要求1或2所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，所述加脊方同轴基片集成波导互连装置采用TEM模式传输信号。
8.根据权利要求1所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属层L3的两外侧金属设置在同一平面上。
9.根据权利要求1所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属层L3的两外侧金属与在金属层L1、金属层L5平行。
10.根据权利要求1所述的加脊方同轴基片集成波导互连装置，其特征在于，金属层L3的两外侧金属分别被两排金属化通孔中的一排贯穿。
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