TWI547007B - 傳輸裝置 - Google Patents

Description

傳輸裝置

本發明之實施例係關於傳輸裝置，其亦被稱為互連件，其中之電信號在由一介電材料至少部分地包圍之一或多個導體上被傳輸。

互連件通常用於利用一電及/或磁場之調變之方式來輸送介於終端之間之大量資訊。為了以一不失真之方式傳輸調變信號，該互連件必須具有足夠頻寬，即構成該信號之全部頻率必須較佳地經歷一低且相等之衰減。隨著互連件之速度提高至每秒十億位元(Gbps)及多個Gbps速度時，該互連件之所需頻寬亦增加。

本發明之實施例之目標為提供一種改良之傳輸裝置，其具有增加之頻寬同時保持有限成本及功率消耗。

根據本發明之一態樣，該傳輸裝置包括用於傳輸一交流(AC)信號之至少一電導體及至少部分地包圍該至少一導體之一介電材料。該介電材料包括電偶極。此電偶極之移動通常在高頻率時影響導體之導電率。該裝置進一步包括一偶極定向系統，其經調適用以將該等偶極定向且迫使該等偶極處於一飽和區以在該至少一電導體傳導一AC信號時限制該等偶極之移動。此實施例具有藉由將飽和區中之偶極偏置使得由信號變動引起之偶極移動變得可忽略之優勢。因此，減少該介電材料之導電率，導致減少該材料之介電損耗，及導致增加該傳輸裝 置之頻寬。

為使偶極定向，根據實施例施加一高電場。然而，根據其他實施例，可將該裝置(至少局部地)冷卻至限制該等偶極運動之一低溫。偶極之移動率係大幅取決於該溫度之介電鬆弛時間之一倒數函數。例如，對於一常見印刷電路板材料，將該裝置之該介電材料較佳地冷卻至低於攝氏-50度之一溫度。根據另一實施例，可使用一磁場/輻射來固定該等偶極之定向。

根據使用一高電場之一實施例，偶極定向系統包括至少一電極以用於使用至少一電壓源來將一電場施加於介電材料上。以此方式，在操作中，該至少一電壓源可導致該電場迫使該等偶極處於飽和區。該電壓源及該至少一偶極之位置應較佳地使得在該介電材料中獲得之一電場高於1kV/cm，較佳地高於2kV/cm，更佳地高於10kV/cm。應注意，該電場所需之值取決於該介電材料之類型，但以上值對於常見印刷電路板(PCB)係較佳的。

根據一較佳實施例，該裝置包括透過介電材料耦合至彼此之至少兩個導體。本發明對此類型之互連件尤其有用，因為此類型之互連件通常用於含有一較高量之偶極之一PCB(若需要保持低成本)。亦因為該PCB之偶極之存在通常改良導體之銅之依附度，所以其較佳地具有含有偶極之一介電材料。

根據一常見實施例，該傳輸裝置進一步包括一傳輸器及一接收器，其中該至少一導體延伸於該傳輸器與該接收器之間。根據一可能實施例，其中之傳輸器、接收器及至少一電極之一電極連接至一電壓參考(通常為一接地基準)，且至少一電壓源將一電壓施加於該電壓參考(通常為接地基準)與該至少一導體之間。根據另一變體，該傳輸器及該接收器連接至一電壓參考(通常為一接地基準)，且各電壓源將一電壓施加於該至少一電極之一電極與該電壓參考(通常為接地基準)之 間。

該傳輸裝置較佳地包括一PCB，且由該PCB之介電材料形成該介電材料。該至少一導體可位於該PCB之一外側上或可嵌入該PCB中。該至少一電極可位於該PCB之一外側上或可嵌入該PCB中。

較佳地該至少一導體係以下之任一者之一部分：一差分對微帶、一帶狀線、一屏蔽或非屏蔽雙絞線、一同軸纜線。

根據另一態樣，該偶極定向系統包含一電極及一供應電壓電路，該供應電壓電路用於將一電壓差施加於該電極與至少一導體之間使得在介電材料中產生一電場，該至少電壓差使得該電場迫使該等偶極處於飽和區中。根據一變體，其偶極定向系統包括一第一及一第二電極，其等位於該至少一導體之相對側、及一供應電壓電路，其用於將一電壓差施加於該第一及該第二電極之間使得在介電材料中產生一電場，該電壓差使得該電場迫使該等偶極位於該飽和區中。

根據較佳實施例，各電極及各導體採取一金屬帶之形式。進一步各電極較佳地具有大於一導體之寬度之一寬度，且該至少一電極及至少一導體較佳地經配置成平行於彼此。

1‧‧‧偶極

2‧‧‧信號跡線

3‧‧‧回復路徑

4‧‧‧印刷電路板(PCB)

5‧‧‧電極

6‧‧‧電極

7‧‧‧電壓

8‧‧‧場線

102‧‧‧邊緣耦合差分對

103‧‧‧邊緣耦合差分對

105‧‧‧電極/極化面

106‧‧‧底部電極

107‧‧‧負電壓

108‧‧‧正電壓

109‧‧‧接收器

110‧‧‧傳輸器

111‧‧‧電容器

113‧‧‧接地

120‧‧‧供應電壓

121‧‧‧供應電壓

202‧‧‧差分對

203‧‧‧差分對

204‧‧‧PCB

205‧‧‧電極

207‧‧‧正電壓

209‧‧‧接收器

210‧‧‧傳輸器

211‧‧‧AC耦合電容器

212‧‧‧電容器

213‧‧‧接地

220‧‧‧供應電壓

221‧‧‧供應電壓

302‧‧‧邊緣耦合差分對

303‧‧‧邊緣耦合差分對

305‧‧‧電極

306‧‧‧電極

307‧‧‧負極化電壓

308‧‧‧正極化電壓

309‧‧‧接收器

310‧‧‧傳輸器

311‧‧‧AC耦合電容器

313‧‧‧接地

314‧‧‧高阻抗電阻器

320‧‧‧供應電壓

402‧‧‧邊緣耦合差分對

403‧‧‧邊緣耦合差分對

404‧‧‧PCB

405‧‧‧電極

407‧‧‧負電壓

409‧‧‧接收器

410‧‧‧傳輸器

411‧‧‧AC耦合電容器

413‧‧‧接地的

414‧‧‧電阻器

501‧‧‧偶極

502‧‧‧中心導體

504‧‧‧介電材料

505‧‧‧外部電極

507‧‧‧電壓

509‧‧‧接收器

510‧‧‧傳輸器

511‧‧‧AC耦合電容器

513‧‧‧接地

Rx‧‧‧接收器

Tx‧‧‧傳輸器

附圖用於繪示該裝置之當前較佳之非限制性的例示性實施例。藉由並同圖式閱讀以下詳細描述，特徵及目標之以上及其他優勢將變得更明顯且更佳瞭解本發明。其中：圖1A至圖1C示意性地繪示實施例之原理；圖2繪示一傳輸裝置之一第一實施例；圖3繪示一傳輸裝置之一第二實施例；圖4繪示一傳輸裝置之一第三實施例；圖5繪示一傳輸裝置之一第四實施例；及圖6繪示一傳輸裝置之一第五實施例。

大體上由導體損耗及介電損耗組成之傳輸系統之頻率相依損耗來限制高頻率信號分量之傳輸。通常，在低頻率時導體損耗係主導項，而在高頻率(>~1GHz)時介電損耗係主導項。兩損耗分量通常由互連件之每個長度界定，其意味著若需要長傳輸距離則必須權衡速度。頻率相依損耗之問題已以各種方式解決，其等之各者導致增加總體系統成本。最常見之解決方案為：- 降低連串互連率及導入多個平行互連件，導致收發器及導體之一額外成本，且增加功率消耗；- 採用更昂貴之低損耗材料；- 縮短互連件長度及使用中繼器，導致中繼器之一額外成本，且增加功率消耗；- 使用先進的調變格式(諸如具有4位準之脈衝振幅代之非回復至零)，但是需要一更複雜之收發器，且導致增加成本及功率消耗。

- 將預加重施加於傳輸器及/或將等化施加於接收器以補償頻率相依損耗，需要更複雜之收發器。

實施例之一般概念係藉由減少影響高頻率信號之損耗分量來解決前述問題。在實施例中，吾人提出透過材料損耗正切調變來減少介電損耗之概念。

在一互連件中之信號及回復路徑形成一電容器。一理想電容器具有空氣，因為介電質具有一無限直流(DC)電阻。通過一理想電容器之電流係由以下提供：

其中： I=通過該電容器之電流

V=所施加之電壓，其係被假定為由V0 sin(wt)提供之一正弦波；C0=該電容器之電容

ω=角頻率，弧度/秒

V0=施加遍及該電容器之該電壓正弦波之振幅。

若理想電容器待填充有具有εr之一介電常數之一絕緣體，則電容將增加至C=εr×C0。然而，實際介電材料具有與其等相關之電阻率。用於一介電質中之交流電流(AC)之流動之機制係由該材料中之永久電偶極再定向。當跨一電容器施加一電壓時，產生一電場。此電場將導致介電質中之一些隨機地定向之偶極與該電場對準。該偶極之負端朝正電極之移動及該偶極之正端朝負電極之移動類似於通過該材料之一瞬變電流。若該所施加之電壓為一正弦波，則該等偶極將正弦地向後及向前旋轉。此移動引起一交流電流。正弦頻率愈高，電荷將愈快向後及向前旋轉且電流將愈高。因此，電流愈高，頻率處之體積電阻率將愈低。該材料之電阻率隨著增加之頻率而減少。若該等偶極之移動能夠跟隨外部所施加之場且相同施加之場移動相同距離，則其等所產生之電流及該材料之體積導電率將線性地與頻率一起增加。其等自DC之導電率係恒定的直至到達一些頻率且接著開始增加且與該頻率成比例地持續增加。在高於此轉變頻率之頻率時(其中偶極之移動扮演一重要角色)，可存在通過一實際電容器之一極高洩露電流。此電流將與電壓同相且類似於一電阻器。在較高頻率時，洩露電阻將下降而消散之功率將上升導致介電質加熱。在低頻率時，一介電材料之洩露電阻為恒定的且一體積導電率用來描述該材料之電特性。此體積導電率係關於該材料中之離子之密度及移動率。在高頻率時，由於偶極之移動增加，故該導電率隨頻率之增而增。材料中可旋轉之偶極愈多，該材料之體積導電率愈高。同樣，偶極可隨一所施加之電場移動 愈遠，該導電率愈高。為描述此特性，將材料消散因數定義為：σ=2πε ₀ ε _r tan(δ)

其中：σ=介電質之體積AC導電率；f=正弦波頻率，赫茲；ε₀=自由空間之電容率，8.89×10-14F/cm；ε_r=相對介電常數，無因次的；tan(δ)=材料之消散，無因次的；寫作損耗角之正切之消散因數tan(δ)(亦縮寫為Df)係材料中之偶極之數目及其等之各者可在所施加之場中旋轉多遠之一測定值：tan(δ)~n*p*Θ_max其中：tan(δ)=消散因數，Df；n=介電質中之偶極之密度數；p=偶極矩，電荷及各偶極之分離之一測定值；θ_max=偶極在所施加之場中旋轉多遠。

隨著頻率增加，偶極移動相同距離，但更快，所以電流將增加且導電率增加。

可由兩分量描述通過具有一施加正弦波之一實際電容器之電流。該電流之一分量與電壓反相且促成該電流通過一理想無損耗之電容器。另一電流分量與所施加之電壓波同相且類似於電流通過一理想電阻器，促成損耗。為描述此等反相及同相之分量，可基於複數來建立一公式。將通過電容器之該電流描述為

可將該複介電常數定義為：

其中：ε_r=複介電常數；ε_r’=該複介電常數之實數部分；ε_r”=該複介電常數之虛數部分。

因此通過一有損耗之電容器之電流變成

該損耗角之正切為該介電常數之虛數對實數部分之比率：

結果，可將促成AC區中之洩露電流之電阻描述為

且材料之體積交流導電率變成：

其中：σ=介電材料之體積交流導電率；ε₀=自由空間之電容率=8.89×10-14F/cm；ε_r’=介電常數之實際部分；tan(δ)=介電質之消散因數；δ=介電質之損耗角；ω=角頻率=2×π×f，其中f=正弦波頻率。

自上文引出之介電質之導電率與偶極之移動率成正比且減少將影響損耗之此移動率。隨著電場強度增加，極化度保持增加。對於該介電場之一特定值，全部電偶極自身對準。此一狀態中之介電材料被認為係飽和的。由傳輸信號引起之變化之電場支配偶極之移動。然而，由信號產生之場通常受限至數十個V/cm。若施加具有迫使該等 偶極處於飽和區中之一場值之一額外之外部場，由信號變動引起之偶極移動將可忽略或較於常見先前技術裝置而明顯減少。因此，可增加介電質之導電率，導致較少材料之介電損耗。

根據實施例，此一外部電場施加於位於互連件PCB之上方及下方之兩金屬板之間，該PCB具有施加於該等板之間之一DC電壓。引發所需電場之所需電壓經選擇高至足以使偶極極化飽和，但低至不超過該PCB材料之崩潰電壓，且該電壓較佳地處於自1kV至10kV之範圍內，但此值將取決於用作一介電質之材料。實施例之此概念大體上適用於導體(例如PCB上之一差分對微帶或帶狀線、或一屏蔽/非屏蔽雙絞線)，其等嵌入於其中介於一或多個信號導體與回復路徑或介於信號導體之間可引發DC電壓之任何類型之介電材料之內或上表面上。

此繪示於圖1A至圖1C中。圖1A展示根據先前技術之導體之一常見設定，其中介電材料中之偶極1將隨著一變化之電場而移動。在圖1A中之實施例中，導體包括兩信號跡線2及嵌入一PCB 4之兩回復路徑3。圖1B及圖1C繪示兩實施例，其中將一高電場至少施加於大體上介於該等信號跡線2與該(該等)回復路徑3之間該介電質之區域中。在圖1B之實施例中，由場線8代表之一高電場迫使偶極1處於飽和區中。該高電場係由一電壓7導致，該電壓7施加於位於PCB 4之一頂側及一底側之電極5與6之間使得偶極1被垂直地定向。在圖1C之實施例中，由介於位於PCB 4之一左側及一右側之電極5與6之間之一高電場迫使偶極1處於飽和區中使得偶極1被水平地定向。為此目的，一電壓源7將一適當電壓施加橫跨電極5、6。在兩個實施例中，迫使偶極1處於飽和區中使得由信號變動引起之偶極移動變得可忽略，導致減少介電損耗而不會明顯增加成本或設定之功率損耗。

圖2繪示一組態中之本發明之一傳輸裝置之一第一實施例，其中電極105、106(亦稱為極化面)位於延伸於一接收器(Rx)109與一傳輸器 (Tx)110之間之一邊緣耦合差分對102、103之上方及下方。該傳輸器110具有一供應電壓121，且該接收器具有一供應電壓120。相對於接地113之一正電壓108施加於頂部電極105及相對於接地113之一負電壓107施加於底部電極106。在所繪示之實施例中，頂部電極105與導體102、103之間之距離大體上等於底部電極106與導體之間之距離，且該正負電壓之值亦可大體上相等，但熟習此技術者應瞭解，此亦可能並非如此。接地基準較佳地係至傳輸器110或接收器晶片109供應軌之一者之一接地基準，且通常該傳輸器或該接收器輸入之接地通常透過AC耦合電容器111而AC耦合。

圖3繪示一組態中之本發明之一第二實施例，其中一單個電極205(亦稱為極化面)位於延伸於一接收器209與一傳輸器210之間之一邊緣耦合差分對202、203下方。該傳輸器210具有一供應電壓221，及該接收器具有一供應電壓220。在此實施例中，該差分對位於一PCB 204之頂部，但熟習此技術者應瞭解，導體202、203亦可嵌入PCB 204中。電極205嵌入PCB 204。相對於接地213之一正電壓207施加於電極205上，但熟習此技術者應瞭解，亦可使用一負電壓。接地基準213在此亦係至傳輸器210之一接地基準，且接收器輸入係透過選用之AC耦合電容器211而AC耦合。可提供進一步可選電容器212以用於恢復回復路徑。

圖4繪示一組態中之本發明之一第三實施例，其中兩電極305、306位於延伸於一接收器309及一傳輸器310之間之一邊緣耦合差分對302、303上方及下方。傳輸器310及接收器309具有一供應電壓320。相對於接地313之一正極化電壓308施加於該差分對之一第一跡線302及相對於接地313之一負極化電壓307施加於該差分對之一第二跡線303上。電極305及306分別連接至該傳輸器/接收器之供應電壓320且至接地313。接地基準313較佳地亦係至傳輸器310及接收器晶片309之 一接地基準。在此實施例中，該傳輸器輸出與該接收器輸入均透過AC耦合電容器311(較佳地係高崩潰電壓電容器)而AC耦合。極化電壓源307及308可衝擊差分跡線之阻抗控制，但此可藉由添加高阻抗電阻器314來避免。熟習此技術者應瞭解，此第三實施例亦適用於屏蔽/非屏蔽雙絞線。此第三實施例之主要優勢為極化面305及306可用作用於作用分量之供應軌且仍作為極化面。熟習技術者應瞭解，傳輸器及接受器不必然由相同供應軌電壓供電。

圖5繪示一組態中之本發明之一第四實施例，其中一單個電極405位於延伸於一接收器409與一傳輸器410之間之一邊緣耦合差分對402、403下方。在此實施例中，該差分對位於PCB 404之頂部，但熟習此技術者應瞭解，導體402、403亦可嵌入PCB 404中。類似地，一熟習此技術者應瞭解，極化面405可處於PCB 404之表面。相對於接地之一負電壓407施加於信號跡線402、403上，且電極405為接地的413。電阻器414用於將極化電壓407置於差分傳輸線402、403上而不會縮短其等彼此間距。熟習技術者應瞭解，一正電壓亦可用於407。接地基準413在此亦可為至傳輸器410及接收器409之一接地基準。在此實施例中，傳輸器輸出與接收器輸入均透過AC耦合電容器411(較佳地為高奔潰電壓電容器)而AC耦合。極化電壓407及極化電阻器414可衝擊差分跡線之阻抗控制，但亦可藉由使用高阻抗電阻器414來避免此。

圖6繪示一傳輸裝置之一第五實施例，其包括具有由含有偶極501之一介電材料504包圍之一中心導體502之一同軸電纜。介電材料504由一外部電極505包圍。在一傳輸器510與一接收器509之間使用該同軸電纜。一電壓507施加於中心導體502，同時外部電極505連接至接地513。亦在此實施例中，迫使偶極501位於飽和區中使得由在中心導體502上之信號變動引起之偶極移動變得可忽略，導致減少介電損 耗而不會明顯增加成本或裝置之功率消耗。提供選用之AC耦合電容器511以用於與傳輸器510及接收器509耦合。熟習此技術者應瞭解，可將極化電壓施加至外導體505而取代至內導體502。在此情況下，選用之AC耦合電容器通常重新部署至該外導體。

雖然上文已連同特定實施例陳述本發明之原理，應瞭解，此描述僅透過實例之方式進行而並非作為由隨附申請專利範圍判定之保護範圍之一限制。

102‧‧‧邊緣耦合差分對

103‧‧‧邊緣耦合差分對

105‧‧‧電極/極化面

106‧‧‧底部電極

107‧‧‧負電壓

108‧‧‧正電壓

109‧‧‧接收器

110‧‧‧傳輸器

111‧‧‧電容器

113‧‧‧接地

120‧‧‧供應電壓

121‧‧‧供應電壓

Claims (14)

1. 一種傳輸裝置，其包括用於傳輸一AC信號之至少一電導體及至少部分地包圍該至少一導體之一介電材料，該介電材料包括偶極，其進一步包括一偶極定向系統，該偶極定向系統經調適用以將該等偶極定向且迫使該等偶極處於一飽和區中以在該至少一電導體傳導一AC信號時限制該等偶極之移動。
2. 如請求項1之傳輸裝置，其中該偶極定向系統包括至少一電極以用於使用至少一電壓源來施加一電場，該至少一電極經定位使得在該介電材料中產生該電場，使得在操作中該至少一電壓源導致該電場迫使該等偶極處於該飽和區中。
3. 如請求項2之傳輸裝置，其中該電壓源及該至少一電極之定位使得在該介電材料中獲得高於1kV/cm之一電場。
4. 如請求項1、2或3之傳輸裝置，其中該至少一導體包括兩導體，其等透過該介電材料電耦合至彼此。
5. 如請求項1、2或3之傳輸裝置，其進一步包括一傳輸器及一接收器，該至少一導體延伸於該傳輸器與該接收器之間。
6. 如請求項5之傳輸裝置，其中該傳輸器、該接收器及該至少一電極之一電極連接至一電壓參考，且該至少一電壓源將一電壓施加於該電壓參考與該至少一導體之間。
7. 如請求項5之傳輸裝置，其中該傳輸器及該接收器連接至一電壓參考，且各電壓源將一電壓施加於該至少一電極之一電極與該電壓參考之間。
8. 如請求項1、2或3之傳輸裝置，其中該裝置包括一PCB且該介電材料係該PCB之一部分。
9. 如請求項8之傳輸裝置，其中該至少一導體位於該PCB之一外側 上或嵌入該PCB中。
10. 如請求項8之傳輸裝置，其中該至少一電極位於該PCB之一外側上或嵌入該PCB中。
11. 如請求項1、2或3之傳輸裝置，其中該至少一導體係以下之任一者之一部分：一差分對微帶、一帶狀線、一屏蔽或非屏蔽雙絞線、或一同軸電纜。
12. 如請求項1之傳輸裝置，其中該偶極定向系統包括一電極及一供應電壓電路以用於將一電壓差施加於該電極與該至少一導體之間使得在該介電材料中產生一電場，該至少電壓差使得該電場迫使該等偶極處於該飽和區中。
13. 如請求項1之傳輸裝置，其中該偶極定向系統包括位於該至少一導體之相對側處之一第一及一第二電極，及一供應電壓電路，其用於在該第一及該第二電極之間施加一電壓差使得在該介電材料中產生一電場，該電壓差使得該電場迫使該等偶極處於該飽和區中。
14. 如請求項12或13之傳輸裝置，其中各電極及各導體採取一金屬帶之形式，各電極具有大於一導體之寬度之一寬度，該至少一電極及至少一導體經配置平行於彼此。