CN114284669A - 使用微带电路和介质波导的芯片到芯片接口 - Google Patents
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Abstract
公开了一种使用微带电路和介质波导的芯片到芯片接口。根据本申请实施例的板到板互连装置包括：波导，具有金属包覆并从发射器侧板向接收器侧板传输信号；和微带电路，与波导相连接，并具有微带到波导转换(MWT)，其中微带电路将微带线和波导匹配，调整信号的频带中的第一预定频带的带宽并向接收器提供信号。
Description
本申请是申请人为韩国科学技术院、申请日为2015年6月2日、申请号为201580079576.4、发明名称为“使用微带电路和介质波导的芯片到芯片接口”的分案申请。
技术领域
本申请的实施例涉及一种使用微带电路和介质波导的芯片到芯片接口。
背景技术
有线通信中对于宽带持续增加的需求使得高速、低功率、低成本的I/O成为必要。在现有铜互连中，因趋肤效应(skin effect)等引起的衰减使得这种系统性能受到限制。关于功率和成本等应用代价以补偿现有铜互连中的损耗，且代价随着数据率或传输距离等的增加呈指数增长。
发明内容
由于根据本申请实施例的微带电路可以通过与波导的相互作用将接近单边带信号的传输信号提供给接收器，因此可以使用比双边带解调方案的带宽宽两倍的可用带宽，且由于呈现高衰减(roll-off)的截止信道特性，可以利用比RF无线技术的带宽更宽的带宽进行有效的数据传输。
此外，波导使能高速数据通信，并且包括微带到波导转换(MWT，microstrip-to-waveguide transition)的微带电路可以传输宽带信号并最小化不连续处的反射。通过利用金属包覆包裹介质，波导可以降低辐射损耗和信道损耗。
此外，虽然根据本申请实施例的微带电路被描述用于使用波导的板到板接口，但本申请不限于此，并且可用于可使用微带线传输信号的各种领域中。
例如，本申请可以应用于RF发射或接收天线系统，或用于互相连接的发射器和接收器。
根据本申请实施例的板到板互连装置包括：波导，从发射器侧板向接收器侧板传输信号，并具有金属包覆；和微带电路，与波导相连接，并具有微带到波导转换(MWT)，其中微带电路将微带线和波导匹配，并调整信号的频带中的第一预定频带的带宽以向接收器提供信号。
微带电路可以包括：微带馈线，在第一层中，用于提供信号；探针元件，用于调整第一频带的带宽；沟槽接地面，在第二层中，包括用于最小化逆向行波与正向行波的比率的沟槽；接地面，在第三层中，包括用于在沟槽接地面和接地面之间形成电连接的导通孔；以及贴片，用于以共振频率发射信号。
探针元件的特性阻抗可以大于微带馈线的特性阻抗。
探针元件可以连接到微带馈线的一端，并可以具有预定的宽度和长度。
可以基于共振频率的波长确定探针元件的长度，且探针元件的宽度可以为微带馈线的宽度的40％至80％。
探针元件可以通过调整信号的上截止频率的斜率来调整第一频带的带宽。
根据本申请实施例的微带电路包括：微带馈线，在第一层中，用于提供信号；探针元件，用于调整信号的频带中的第一预定频带的带宽；沟槽接地面，在第二层中，包括用于最小化逆向行波与正向行波的比率的沟槽；接地面，在第三层中，包括用于在沟槽接地面和接地面之间形成电连接的导通孔；以及贴片，用于以共振频率发射信号。
探针元件的特性阻抗可以大于微带馈线的特性阻抗。
探针元件可以连接到微带馈线的一端，并可以具有预定的宽度和长度。探针元件的长度可以基于所述共振频率的波长来确定。
探针元件的宽度可以为微带馈线的宽度的40％至80％。
探针元件可以通过调整信号的上截止频率的斜率来调整第一频带的带宽。
由于根据本申请实施例的微带电路可以通过与波导的相互作用，将接近单边带信号的传输信号提供给接收器，因此可以使用比双边带解调方案的带宽宽两倍的可用带宽，且由于呈现高衰减的截止信道特性，可以利用比RF无线技术的带宽更宽的带宽进行有效的数据传输。
附图说明
图1示出用于说明本申请的芯片到芯片接口的结构。
图2示意性地示出图1的接口的结构作为模型与二端口网络的互连。
图3示出用于说明在每个转换中发射波和透射波之间的关系的示意图。
图4是示出对0.5米E管信道测量的S-参数的示意图表。
图5示出对0.5米E管信道测量的群延迟(Group Delay)的示意图表。
图6示出波导的群延迟的模拟结果的图表。
图7示出用于说明通过波导的数据传输的示意图。
图8示出根据本申请实施例的微带电路的侧视图。
图9A和图9B示出如图8的方向A和B中可见的微带电路的俯视图。
图10示出图8的微带电路的分解视图。
图11示出沿图8中所示的探针元件的长度测量的S参数的示意图表。
具体实施方式
以下将参考附图对本申请的实施例进行描述。尽管下面描述了有限的实施例，但是这些实施例是本申请的示例并且本领域技术人员可以容易地改变这些实施例。
本申请的实施例可以通过调整传输信号的上截止频带的带宽来实现单边带解调。例如，可以通过将微带线和波导良好匹配的微带电路来调整上截止频带的斜率。当载波频率被带到接近上截止频率，并使得链路频率特性在上截止频率处具有急剧衰减时，抑制上边带信号，以便在发射器侧可以从微带电路输出下边带信号，并且在接收器侧可以使用下边带信号实现解调。
此外，本申请实施例可以包括相同受让人的韩国专利申请No.10-2013-0123344中公开的所有与本申请相关的内容。
例如，本申请实施例可以提供改进的互连来替代电线线路。波导可以是具有金属包覆的介质波导，并且可以代替传统的铜线路。
此外，波导利用具有频率独立衰减特性的介质，并因此可以很少或不用额外的接收器侧或接收端补偿实现高数据率。并行信道数据传输可通过波导和PCB的垂直组合是可行的。用于收发器I/O之间的板到板互连的具有波导的PCB可被定义为板到板互连装置。
例如，根据本申请实施例的互连装置可包括波导、发射器端板、接收器端板、板到纤维连接器、微带馈线、探针元件、沟槽接地面、接地面和贴片。此外，互连装置还可包括彼此连接两个接地面的导通孔。
提供板到纤维连接器，以通过安全地将多个波导彼此尽可能接近地安装到PCB以最大化空间(区域)效率。物理地，波导的柔性(flexible)特性可支持在任何位置自由地与任意端点相连接。波导的金属包覆可以维持总收发器功率消耗不变，而与波导的长度无关。此外，金属包覆可隔离其他信道和相邻波导中的信号的干扰。此处，干扰可引起带宽限制问题。
耦接到沟槽的贴片型微带到波导转换(MWT)可以最小化微带和波导间的反射。微带到波导转换将微带信号作为波导信号传输，这可以具有低成本的优势。这是因为其可以通过通用PCB制造工艺而制造。
根据本申请实施例的微带电路可以包括微带馈线，探针元件，沟槽接地面，接地面和贴片。可以在将微带线和波导良好匹配的微带电路中设置探针元件，以便调整上截止频带的斜率。当微带电路使载波频率接近上截止频率，且使得链路频率特性在上截止频率处具有急剧的衰减时，抑制上边带信号，以便在接收端可以从微带电路输出下边带信号。相应地，通过波导和微带电路输出到接收器的信号可以是下边带信号，并且可以在接收器侧使用下边带信号实现解调。
如上所述，根据本申请实施例的微带电路可将微带线和波导匹配，以仅在接收端提供单边带数据或集中在单边带的数据作为微带电路的输出，而在预定频带内无反射。
图1示出用于说明本申请的芯片到芯片接口的结构。
参考图1，芯片到芯片接口结构描述板到板互连，并且波导101可以用于板到板互连。输入信号从50欧姆相配的发射器裸片102的输出输入并沿传输线103传播。发射器侧板上的微带到波导转换(MWT)104可将微带信号转换为波导信号。
这里，MWT输出的波导信号可以沿着波导101传输，且可以在接收器侧板上的MWT105中被转换为微带信号。同样地，通过接收器侧板上的MWT接收的信号可沿传输线106传输，且可以进入50欧姆相配的接收器输入107。在此，介质波导可从发射器侧板向接收器侧板传播信号。
图2示意性地示出图1的接口的结构作为模型与二端口网络互连。图3示出用于说明在每个转换处反射波和透射波之间的关系的示意图。
参考图2和图3，在波导的每个端，阻抗不连续可能降低从传输线到波导和/或从波导到传输线的能量传输效率。为了分析这种不连续的影响，整体互连可被考虑作为如图2所示的二端口网络，并且可以如图3所示表示每个转换处的反射波和透射波。
即，如图3所示，在从传输线向波导的转换中，传输线和波导处的入射波可分别表示为u1 +和w-，且传输线和波导处的反射波可以分别表示为u1 -和w+。同样地，在从波导向传输线的转换中，波导和传输线处的入射波可分别表示为w+’和u2 -，且传输线和波导处的反射波可以分别表示为w-’和u2 +。
从这个简化模型，反射波和透射波之间的关系可以由如下的方程式(1)至(3)模型化。
其中，r1ejα1表示从传输线向波导的转换的复反射系数，t1ejβ1表示从传输线向波导的转换的复透射系数。r2ejα2表示从波导向传输线的转换的复反射系数，t2ejβ2表示从波导向传输线的转换的复透射系数。
下述方程式可以表示互连的散射矩阵(例如，S-参数)。
图4示出对0.5米E管信道测量的S-参数的示意图表，图5示出对0.5米E管信道测量的群延迟的示意图表。
其中，E管是指包括微带电路和波导的发射端板和包括微带电路的接收端板的组合。
从图4所示的指示E管信道的特性的S-参数结果可以看出，0.5mE管信道在56.4GHz到77.4GHz的频率范围内具有10dB或更低的回波损耗(S11)，在73GHz处具有13dB的插入损耗(S21)。此外，E管信道可以沿着信道长度具有4dB/m的插入损耗。
由于波导是频散介质，波导的边界条件可以根据传播常数β和频率w之间的关系表示。由图5可以看出，波导的群延迟dβ/dw与频率成反比。
图3和图4中示出的图表可以表明，关于整体互连，存在依赖于波导长度的振荡。也就是说，波导越长，振荡的影响越严重。如果眼图被用作为评价该传输系统的标准，振荡会在眼开和零交叉中产生严重的问题，甚至可能是比特误差率(BER)增加的主要原因。
S-参数和群延迟结果中存在的振荡可由以下事实引起。在阻抗不连续中发生的反射波随着其被传播而经受一些衰减，这可产生与发生在空腔谐振器种类似的现象。这些波在波导中可被(前后)来回地散射以稳定驻波。
这些问题可以通过以下方法或策略来解决：1)使反射系数r2尽可能低，2)在确保相对小的信道损耗的同时沿波导产生适当的衰减，3)使用低介电常数材料构造波导。
这些策略可以通过上述方程式(5)到(7)来验证。因此，本申请的MWT可以用于提供较低的反射系数(r2)。
此外，如从图6所示的波导的群延迟的模拟结果的图表可见，载波频率应远离群延迟快速变化的部分，以便减轻由于非线性相位变化引起的失真效应。
图7示出用于说明根据本申请实施例的板到板互连装置的数据传输的示意图，其中示出在发射器侧发射的传输信号，通过MWT传输到波导的信号，以及在接收器侧接收的接收信号。
如图7所示，根据本申请实施例的板到板互连装置可以使用包括MWT的微带电路来抑制传输信号的上边带信号，并将该上边带信号被抑制的传输信号输出到接收器，使得集中在下边带信号的传输信号可以在接收器侧被接收，从而可以在接收器侧使用下边带信号实现解调。
也就是说，根据本申请实施例的微带电路可以很好地匹配微带线和波导，以调整上截止频带的斜率，并且可以使载波频率接近上截止频率，同时使链路频率特性在上截止频率处具有急剧的衰减，从而为接收器提供集中在下边带信号的具有较小延迟变化的传输信号。
本申请实施例可以向接收器提供集中在下边带信号的传输信号，从而可以使用比双边带解调方案的带宽宽两倍的可用带宽。
此外，由于呈现高衰减的截止信道特性，本申请实施例可以利用比RF无线技术更宽的带宽进行有效的数据传输。
高衰减可以通过发射端的包括MWT的微带电路，波导和接收端的包括MWT的微带电路的相互作用来实现。
图8示出根据本申请实施例的微带电路的侧视图。图9A和图9B示出如图8的方向A和B中可见的微带电路的俯视图。图10示出图8的微带电路的分解视图。
参考图8至图10，根据本申请实施例的微带电路800与波导700相连接。当然，微带电路800也可以连接到RF电路，而不连接到波导。
波导700包括金属包覆710，并可以被连接到微带电路800。特别地，波导700可以连接到微带电路800的贴片元件803，且波导700可以是具有金属包覆710的介质波导。
在此，金属包覆710可以包裹波导700。例如，金属包覆710可以包括铜包覆，并且贴片元件803可以包括微带线。贴片元件803可以以共振频率发射信号到波导700，或者当其连接到RF电路时，可以以共振频率发射信号到RF电路。
金属包覆710可以以预定形式包裹波导700。例如，金属包覆710可被形成为暴露波导700的中间部分，或者可被形成为被穿孔以暴露波导700的特定部分。金属包覆的形式不限于此，并可以包括各种形式。
波导700的一端可表示锥形波导的等轴投影，其可使能用于波导700的介质和板上的微带电路800间的阻抗匹配。例如，金属包覆710的长度与波导700的长度的比例可以根据波导700的长度来设计。
此外，由于波导700的面积决定波导700的阻抗，通过对波导700的两端中的至少一端进行线性成型可有效地发现最优阻抗。也就是说，为了介质波导和微带电路的阻抗匹配，可使波导700的两端中的至少一端逐渐变尖细(tapered)。例如，波导的两端中的至少一端可被线性成型以最优化具有最大功率传输效率的介质波导的阻抗。
此外，可以使用板到纤维连接器将波导700坚固地固定到板上。例如，波导700可以通过板到纤维连接器垂直连接到发射器侧板和接收器侧板中的至少一个。
微带电路可以形成在三层结构的板上。
通过匹配微带线和波导700，微带电路800可以仅传输单边带数据，例如，传输信号的下边带信号，而没有预定频带内的反射。也就是说，使用微带电路匹配微带线和波导，发射端的微带电路、波导和接收端的微带电路可以彼此相互作用，使得输入到发射端的微带电路的传输信号的仅仅下边带信号被通过接收端的微带电路提供给接收器。
微带馈线801和探针元件808可位于第一层，被孔穿透的沟槽接地面802可位于第二层。
贴片元件803和接地面804可位于第三层。
在此，贴片元件803通过微带馈线801上的电流流动方向(例如，与X方向相同的方向)上的感应电流耦合到微带馈线801。通过耦合，第一层的信号可以被传输到第三层。
微带馈线801可以将传输信号提供或馈入至微带电路800，并且探针元件808可以调整传输信号的频带中的第一预定频带的带宽。
在此，第一频带的带宽可以指传输信号的频带中对应于上边带信号的频带的带宽，并且可以通过探针元件808的宽度和长度来调整对应于上边带信号的频带的带宽。
在良好地匹配微带线和波导的微带电路中设置探针元件808，以便调整上截止频带的斜率。微带电路使载波频率接近上截止频率，并使得链路频率特性在上截止频率处具有急剧的衰减，从而抑制传输信号的上边带信号。在此，探针元件808可以关于传输信号的上边带信号调整上截止频带的斜率，使得在上截止频率处出现高衰减，从而为接收器仅提供单边带信号。
也就是说，探针元件808可以对E管特性的上截止频带的斜率导致高衰减，使得仅传输信号的特定频带信号(例如，下边带信号)可以被传输到接收器。
探针元件808的特性阻抗可以大于微带馈线801的特性阻抗，并且探针元件808可以连接到微带馈线801的一端并具有预定的宽度和长度。
探针元件808的长度L(平行于E平面的长度)可以基于共振频率的波长来确定。例如，探针元件808的长度L可以对应于共振频率的波长的10％。
此外，探针元件808的宽度(平行于H平面的长度)可以是微带馈线808的宽度的40％至80％。
如上所述，使用包括探针元件的微带电路匹配微带线和波导，并且发射端的微带电路、波导和接收端的微带电路可以彼此相互作用，以关于输入到发射端的微带电路的传输信号的上边带信号调整上截止频带的斜率，并使得高衰减发生在上截止频率处，从而仅为接收器提供下边带信号或集中在下边带信号的传输信号。
沟槽接地面802可以包括在第二层中用于最小化逆向行波与正向行波的比率的沟槽。
在此，沟槽和孔的大小是信号传输和反射中的重要因素。可以通过反复的模拟来优化沟槽和孔的大小，以最小化逆向行波和正向行波的比率。
在此，沟槽和贴片元件803形成堆叠几何形状，该堆叠几何形状可以是增加带宽的一种方式。
接地面804和沟槽接地面802通过导通孔807形成电连接。这里，导通孔807可以以阵列的形式排布，并且可以形成在第三层。
位于第一层和第二层之间的基板805可由Taconic的CER-10制成。
位于第二层和第三层的另一个芯基板806可由Rogers的RO3010半固化片制成。
微带馈线801的宽度、基板厚度、沟槽尺寸、贴片尺寸、导通孔直径、导通孔间距、波导尺寸以及波导材料可根据微带电路的特定共振频率和沿着波导传播的行波的模式而改变，这对于本领域技术人员是显而易见的。
波导的截止频率和阻抗可通过截面的尺寸和使用材料的类型来确定。随着波导的截面的尺寸增加，可被传播的TE/TM模式的数量可以增加，这可改善转换中的插入损耗。
并且，转换的特性可以由波导的传播模式，沟槽和贴片元件803的共振频率来确定。
图11示出沿着图8所示的探针元件的长度测量的S参数的示意图表，其中关于探针元件的长度Lopt，Lopt+0.2mm和Lopt-0.2mm示出上截止变化。
如图11所示，可以看出：当探针元件的长度为Lopt时，发生7.21dB/GHz的衰减；当探针元件的长度为Lopt+0.2mm时，发生4.57dB/GHz的衰减；当探针元件的长度为Lopt-0.2mm时，发生3.46dB/GHz的衰减。也就是说，当探针元件的长度为Lopt时，衰减最大，Lopt是最大化衰减的最佳长度。
如上所述，根据本申请实施例的微带电路可以通过接收端的微带电路、波导和发射端的微带电路之间的相互作用使输入到微带馈线的传输信号的上边带信号的衰减最大化，从而将集中在下边带信号的传输信号提供给接收器，使得接收器可以接收集中在下边带信号的传输信号并仅解调单边带信号。
尽管以上已经关于有限的实施例和附图描述本发明，本领域技术人员可以通过上面的描述进行各种修改和改变。例如，即使当通过不同于上述描述的顺序执行上述技术，和/或当上述系统，结构，装置，电路等的组件通过不同于上述描述的方式耦合或组合，或使用其他组件或等同改变或替换时，也可以得到适当的结果。
因此，所附权利要求的其他实现、其他实施例和等同落在权利要求的范围内。
Claims (5)
1.一种板到板互连装置，包括：
波导，从发射器侧板向接收器侧板传输信号，并具有金属包覆；和
微带电路，形成在发射器侧板和接收器侧板的每一个上，
其中，微带电路与所述波导相连接，并具有微带到波导转换(MWT)，
其中，所述微带电路调整信号的第一预定频带的带宽并向接收器提供信号，
其中，所述微带电路包括：
微带馈线，设置在第一层中，并且提供所述信号；
探针元件，设置在第一层中，并且调整第一预定频带的带宽；
沟槽接地面，设置在第二层中，并且包括用于最小化逆向行波与正向行波的比率的沟槽；
接地面，设置在第三层中，并且包括用于在所述沟槽接地面和所述接地面之间形成电连接的导通孔；以及
贴片，设置在第三层中，并且以共振频率输出信号，以及
其中，通过将所述信号的载波频率带到所述信号的上截止频率以及调整在所述信号的上截止频带处的衰减来调整所述第一预定频带的带宽。
2.根据权利要求1所述的板到板互连装置，其中，所述探针元件的特性阻抗大于所述微带馈线的特性阻抗。
3.根据权利要求1所述的板到板互连装置，其中，所述探针元件连接到所述微带馈线的一端，并具有预定的宽度和长度。
4.根据权利要求3所述的板到板互连装置，其中，基于所述共振频率的波长确定所述探针元件的长度。
5.根据权利要求3所述的板到板互连装置，其中，所述探针元件的宽度为所述微带馈线的宽度的40％至80％。
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