TWI678837B - 用於傳送電磁波訊號之波導 - Google Patents

用於傳送電磁波訊號之波導 Download PDF

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Hyeon Min Bae
宋河逸
Ha Il Song
李埈榮
Joon Yeong Lee
尹泰勳
Tae Hoon Yoon
元孝燮
Hyo Sup Won
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韓國科學技術院
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Abstract

本發明係關於一種用於傳送電磁波訊號之波導。根據本發明之一個態樣，提供一種用於傳送電磁波訊號之波導，其包含：一介電質部分，其包含具有不同電容率之兩種或多於兩種介電質；以及一導體部分，其包圍該介電質部分之至少一部分。

Description

用於傳送電磁波訊號之波導
發明領域 本發明係關於一種用於傳送電磁波訊號之波導。
發明背景 隨著資料訊務快速增長，連接積體電路之I/O匯流排的資料傳送/接收速度亦正快速增長。過去幾十年來，具有高成本及功率效率的基於導體之互連件(例如，銅線)已廣泛地應用於有線通訊系統。然而，此類基於導體之互連件由於電磁感應所引起之集膚效應(skin effect)而在通道頻寬上具有固有侷限性。
同時，具有高資料傳送/接收速度的基於光學之互連件已被引入且廣泛地用作基於導體之互連件的替代物。然而，基於光學之互連件具有侷限性，此係因為該等基於光學之互連件無法完全替代基於導體之互連件，原因在於其安裝及維護成本極高。
近來，已引入了包含由介電質構成之波導的新類型之互連件。由於該新類型之互連件(所謂的e管(e-tube))具有金屬及介電質兩者之優點，因此其具有高成本及功率效率且實現短程內之高速資料通訊。因此，其作為可在晶片間通訊中採用之互連件已引起關注。
然而，即使當使用習知介電質波導時，亦存在以下問題：群延遲之較大改變或變化係由非線性相位回應引起，或較大訊號損耗係由實際通訊環境中之波導之長度或彎曲引起。
就此而言，發明者提出具有用以減輕相位回應之非線性且減少實際通訊環境中之訊號損耗之新穎結構的介電質波導之技術。
發明概要
本發明之一個目標係解決所有上述問題。
本發明之另一目標係提供一種波導，其包含：一介電質部分，其包含具有不同電容率之兩種或多於兩種介電質；以及一導體部分，其包圍該介電質部分之至少一部分，藉此減輕晶片間通訊中之相位回應的非線性且減少一實際通訊環境中之訊號損耗。
根據本發明之一個態樣，為了達成如上所述之該等目標，提供一種用於傳送電磁波訊號之波導，其包含：一介電質部分，其包含具有不同電容率之兩種或多於兩種介電質；以及一導體部分，其包圍該介電質部分之至少一部分。
此外，另外提供用以實施本發明之其他波導。
根據本發明，相位回應之非線性可使用一波導在晶片間通訊中減輕，藉此降低可根據一頻率改變而出現的一群延遲之改變程度。
根據本發明，一種波導包含由具有不同電容率之兩種或多於兩種介電質構成的一介電質部分，藉此降低經由該波導傳送之一訊號之一載波頻率且有效率地使用一訊號傳送通道之一頻寬。
根據本發明，可在一波導經拉長或彎曲之一實際通訊環境中減少一訊號傳送通道中之損耗。
在本發明之以下實施方式中，參考以說明方式展示可實踐本發明之特定實施例的附圖。足夠詳細地描述此等實施例，以使熟習此項技術者能夠實踐本發明。應理解，本發明之各種實施例儘管彼此不同，但未必係相互排他性的。舉例而言，本文中所描述之特定形狀、結構以及特性可自一個實施例至另一實施例有修改地實施，而不會背離本發明之精神及範疇。此外，應理解，在不背離本發明之精神及範疇的情況下，亦可修改所揭示實施例中之每一者內之個別元件的位置或配置。因此，以下實施方式不應被視為限制性意義，且本發明之範疇在加以適當描述之情況下僅受所附申請專利範圍連同其所有等效物限制。在圖式中，相同參考數字貫穿若干視圖指相同或類似功能。
在下文中，將參看附圖來詳細描述本發明之較佳實施例，以使得熟習此項技術者能夠易於實施本發明。 晶片間介面設備之組態
圖1在概念上展示根據本發明之一個實施例的與兩埠網路互連之晶片間介面設備的組態。
參看圖1，根據本發明之一個實施例的晶片間介面設備可包含：波導100，其係用於在兩個晶片(未展示)之間傳送電磁波訊號(例如，資料通訊)的互連構件，兩個晶片各自存在於兩個實體上分離的板(未展示)中或存在於單個板(未展示)中；及微帶電路200a、200b，該等微帶電路係用於將訊號自兩個晶片傳遞至波導100或反之亦然的構件。應理解，本文中所描述之晶片不僅表示傳統意義上的各自包含數個半導體(諸如電晶體或其類似者)之電子電路組件，而且涵蓋其最廣泛意義上的可彼此交換電磁波訊號的所有類型之組件或元件。
根據本發明之一個實施例，自第一晶片產生之訊號可沿著第一微帶電路200a之饋入線及探針傳播，且可在該訊號在第一微帶電路200a與波導100之間的阻抗不連續性表面處轉移時經由波導100傳送至第二晶片。
此外，根據本發明之一個實施例，經由波導100傳送之訊號可在該訊號在波導100與第二微帶電路200b之間的阻抗不連續性表面處轉移時經由第二微帶電路200b傳送至第二晶片。 波導之組態
在下文中，將論述對於實施本發明及其各別組件之功能至關重要的波導100之內部組態。
圖2例示性地展示根據先前技術之波導之組態。
參看圖2，根據先前技術之波導可包含介電質核心11及包圍介電質核心11之金屬包覆物12。
當訊號係使用根據先前技術之波導來傳送時，可能出現以下問題：群延遲之較大改變或變化係由非線性相位回應引起，且較大訊號損耗係由實際通訊環境中之波導之長度或彎曲引起。
圖3例示性地展示根據本發明之一個實施例之波導之組態。
參看圖3，根據本發明之一個實施例的波導100可包含：一介電質部分，其包含具有不同電容率之兩種或多於兩種介電質；以及一導體部分130，其包圍該介電質部分之至少一部分。
具體言之，根據本發明之一個實施例，包括於介電質部分中之兩種或多於兩種介電質可包含第一介電質110及第二介電質120，且第二介電質120可形成為包圍第一介電質110之至少一部分。舉例而言，第二介電質120可包圍第一介電質110之全部或一部分。
更具體言之，根據本發明之一個實施例，第一介電質110可呈圓形核心之形式，且第二介電質120及導體部分130可呈環形包覆物之形式，如自沿著垂直於波導100之長度之方向切割的截面所見，如圖3中所展示。此外，根據本發明之一個實施例，介電質部分之中心軸線(更具體言之，第一介電質110及第二介電質120之中心軸線)可與導體部分130之中心軸線重合。
然而，應注意，根據本發明之波導100之內部組態或形狀未必限於上文所提及之內部組態或形狀，且可不受限制地改變，只要可達成本發明之目標即可。
同時，根據本發明之一個實施例，導體部分130可由具有導電性之材料組成。舉例而言，根據本發明之一個實施例的導體部分130可由傳統上廣泛使用之金屬材料(諸如銅(Cu))組成，或可由非金屬材料(諸如石墨烯)組成。
圖9A及圖9B例示性地展示根據本發明之另一實施例的波導之組態。
參看圖9A，包括於根據本發明之另一實施例的波導100中之第一介電質110可由彼此分離之兩種或多於兩種部分介電質110a、110b組成，且第二介電質120可形成為包圍以上兩種或多於兩種部分介電質之至少一部分。在圖9A之實施例中，第一介電質110可由空氣組成。
參看圖9B，根據本發明之另一實施例的波導100可進一步包含支撐件140，該支撐件安置於第一介電質110與導體部分130之間且用以維持第二介電質120位於第一介電質110與導體部分130之間所在的空間。在圖9B之實施例中，第二介電質120可由空氣組成。
同時，根據本發明之一個實施例，第一介電質110之電容率可大於或小於第二介電質120之電容率。更具體言之，根據本發明之一個實施例，具有不同電容率之第一介電質110及第二介電質120可用以大幅度地降低根據經由波導100之訊號傳送通道之頻率改變而出現的群延遲之改變程度。特定言之，在圖3之實施例中，第一介電質110之電容率愈比第二介電質120之電容率大，群延遲的改變程度可愈小。將在下文詳細地論述群延遲。
舉例而言，第一介電質110可由具有約2.0之介電常數的鐵氟龍(teflon)組成，且第二介電質120可由具有約1.2之介電常數的聚乙烯組成。此外，作為另一實例，第一介電質110可由具有約1.0之介電常數的空氣組成，且第二介電質120可由具有約2.0之介電常數的鐵氟龍組成。相反地，第一介電質110可由鐵氟龍組成且第二介電質120可由空氣組成。
因此，根據本發明之一個實施例，經由波導100傳送之訊號(亦即，電磁波)可沿著第一介電質110與第二介電質120 (具有不同電容率)之間的邊界或沿著第一介電質110或第二介電質120與導體部分130之間的邊界經導引。
儘管在圖式中未展示，但根據本發明之一個實施例，兩個或多於兩個波導100 (亦即，各自包含第一介電質110、第二介電質120及導體部分130的兩個或多於兩個波導100)可以預定配置耦接以形成集束，且包括於集束中之兩個或多於兩個波導100可用以分別經由不同訊號傳送通道來傳送訊號。
圖4A及圖4B展示測試之結果，在測試中，針對使用根據先前技術及根據本發明之一個實施例的波導來傳送/接收訊號之每一狀況而量測群延遲。
首先，參看圖4A，當使用根據先前技術之波導(亦即，由介電質核心11及金屬包覆物12構成之波導)時，可大量地產生非線性相位回應，此增大根據經由波導之訊號傳送通道之頻率改變的群延遲之改變程度。實際上，參看圖4A之圖形，50GHz頻率下的群延遲接近無窮大，而73GHz頻率下的群延遲係約20ns。自上文可見，傳送訊號之群延遲的變化(或改變)係極大的，變化(或改變)在頻帶改變時出現。
參看圖4B，當使用根據先前技術之波導(亦即，由第一介電質110、第二介電質120以及導體部分130構成之波導)時，可減少非線性相位回應，藉此顯著地減少根據頻率改變的群延遲之改變程度，頻率改變可在經由波導之訊號傳送通道中出現。實際上，參看圖4B之圖形，結果係群延遲遍及自50GHz至73GHz之頻帶恆定地維持在7ns至8ns。自測試結果可見，當使用根據本發明之一個實施例的波導100時，可大幅度地減少傳送訊號之群延遲的變化(或改變)，變化(或改變)在頻帶改變時出現。
圖5A及圖5B例示性地展示可供用於使用根據本發明之一個實施例的波導來傳送/接收訊號之狀況的頻寬。
參看圖5A及圖5B，根據本發明之一個實施例的波導100可包含具有不同電容率之第一介電質110及第二介電質120，藉此大幅度地減少可根據經由波導100之訊號傳送通道中之頻率改變而出現的群延遲改變，以使得使用者(或設計者)可將經由波導100傳送之訊號的載波頻率自上拐角頻率(圖5A中之fc1 )降低至下拐角頻率(圖5A中之fc2 )。
因此，藉助於根據本發明之一個實施例的波導100，啟用單側頻帶傳送，以使得可有效率地使用訊號傳送通道之頻寬，且可降低載波頻率，以使得可以可靠地操作包括波導100之晶片間介面(及此外，訊號收發器)，且啟用晶片間介面之低功率設計。
相反地，當使用不具有第二介電質120的根據先前技術之波導(參見圖4A)時，在下拐角頻率附近產生顯著的非線性相位回應，且因此，若載波頻率降至下拐角頻率，則傳送訊號不可避免地嚴重變形。
圖6A至圖6C展示測試之結果，在測試中，針對使用根據先前技術及根據本發明之一個實施例的波導來傳送/接收訊號之每一狀況而量測訊號損耗。在圖6A至圖6C之實施例中，根據本發明之一個實施例及根據先前技術之波導長度均為15 cm，且兩個波導在其彎曲相同程度時傳送訊號。
圖6C展示根據本發明之一個實施例的包含第一介電質、第二介電質以及導體部分之全部之波導(參見圖6A)的訊號傳送通道特性，及根據先前技術的僅包含第一介電質及第二介電質(亦即，不具有導體部分)之波導(參見圖6B)的訊號傳送通道特性。具體言之，參看圖6C，根據本發明之一個實施例的波導比根據先前技術之波導更能夠將訊號限制於波導內，且因此可見，相比於根據先前技術之波導，寬頻帶(例如，自70 GHz至100 GHz)上之訊號損耗更少(亦即，訊號強度更大)。
更具體言之，在根據先前技術的僅包含第一及第二介電質而不具有導體部分之波導中，訊號可藉由在第一介電質與第二介電質之間的邊界處進行之全反射來導引。若波導嚴重彎曲至全反射不發生的程度，則訊號可能在波導中未經適當地導引且可自波導逃逸，從而引起訊號損耗。相反地，在根據本發明的包含第一介電質、第二介電質以及導體部分之全部之波導中，即使波導嚴重彎曲至全反射在第一介電質與第二介電質之間的邊界處並不發生的程度，在第一介電質與第二介電質之間的邊界處未完全反射且朝外逃逸之訊號亦可沿著第二介電質與導體部分之間的邊界經導引，藉此防止訊號漏出波導且減少訊號損耗。此外，由於訊號之波長在其頻率較低時較長，因此根據先前技術之波導與根據本發明之波導之間的效能差(亦即，防止由波導彎曲引起之訊號損耗的能力)在所傳送訊號之頻率較低時可能更顯著。
因此，根據根據本發明之一個實施例的波導，有可能在波導經拉長或彎曲之實際通訊環境中減少訊號傳送通道中之損耗。
圖7及圖8例示性地展示根據本發明之一個實施例的模擬訊號傳送通道之間的干擾之結果。
在圖7之實施例中，可假定電磁波訊號係經由兩個波導711、721中之每一者傳送，該等波導係以0.5 mm的間隔彼此接近地安置。
在此狀況下，參看圖8，過渡件714 (在1-1微帶電路712與第一波導711之間)與過渡件724 (在2-1微帶電路722與第二波導721之間)之間的訊號傳送係數(亦即，圖8中之S31及810)小達-30 dB或更小，且因此可見，兩個過渡件714、715之間的干擾(亦即，圖7中之731)小至可以忽視。
進一步參看圖8，過渡件714 (在1-1微帶電路712與第一波導711之間)與過渡件725 (在2-2微帶電路723與第二波導721之間)之間的訊號傳送係數(亦即，圖8中之S41及820)小達-30 dB或更小，且因此可見，兩個波導711、721之間的干擾(亦即，圖7中之732)亦小至可以忽視。
因此，根據本發明之一個實施例，包括於兩個鄰近波導711、721中之導體部分可帶來防止兩個鄰近波導711、721之間的訊號干擾之顯著效果，如自圖7及圖8之實施例可見。
儘管在上文已主要描述了包括於根據本發明之波導中的介電質部分係由具有不同電容率之兩種介電質(亦即，第一介電質110及第二介電質)構成，但應注意，根據本發明之波導之介電質部分的組態未必限於上文描述，且可不受限制地改變，只要可達成本發明之目標或效果即可。舉例而言，根據本發明之另一實施例的波導之介電質部分可包含具有不同電容率之三種或多於兩種介電質。
儘管在上文已詳細地描述了包括於根據本發明之波導中的組件之細節或參數，但應注意，根據本發明之微帶電路之組態未必限於上文所提及之組態，且可不受限制地改變，只要可達成本發明之目標即可。
儘管已根據特定項目(諸如詳細元件)以及有限實施例及圖式描述了本發明，但僅提供以上各者以輔助對本發明之更一般理解，且本發明不限於以上實施例。熟習本發明相關技藝之人員應瞭解，可自以上描述進行各種修改及改變。
因此，本發明之精神不應限於上述實施例，且所附申請專利範圍及其等效物之完整範疇將屬於本發明之範疇及精神內。
11‧‧‧介電質核心
12‧‧‧金屬包覆物
100‧‧‧波導
110‧‧‧第一介電質
110a、110b‧‧‧部分介電質
120‧‧‧第二介電質
130‧‧‧導體部分
140‧‧‧支撐件
200a、200b‧‧‧微帶電路
711‧‧‧第一波導
712‧‧‧1-1微帶電路
721‧‧‧第二波導
714、715、724、725‧‧‧過渡件
722‧‧‧2-1微帶電路
723‧‧‧2-2微帶電路
731、732‧‧‧干擾
810、820、S31、S41‧‧‧訊號傳送係數
fc1‧‧‧上拐角頻率
fc2‧‧‧下拐角頻率
圖1在概念上展示根據本發明之一個實施例的與兩埠網路互連之晶片間介面設備的組態。
圖2例示性地展示根據先前技術之波導之組態。
圖3例示性地展示根據本發明之一個實施例之波導的組態。
圖4A及圖4B展示測試之結果，在測試中，針對使用根據先前技術及根據本發明之一個實施例的波導來傳送/接收訊號之每一狀況而量測群延遲。
圖5A及圖5B例示性地展示可供用於使用根據本發明之一個實施例的波導來傳送/接收訊號之狀況的頻寬。
圖6A至圖6C展示測試之結果，在測試中，針對使用根據先前技術及根據本發明之一個實施例的波導來傳送/接收訊號之每一狀況而量測訊號損耗。
圖7及圖8例示性地展示根據本發明之一個實施例的模擬訊號傳送通道之間的干擾之結果。 圖9A及圖9B例示性地展示根據本發明之另一實施例的波導之組態。

Claims (4)

  1. 一種用於傳送電磁波訊號之波導，其包含：一介電質部分，其包含具有不同電容率之兩個或多於兩個介電質；以及一導體部分，其包圍該介電質部分之至少一部分，其中該等兩個或多於兩個介電質包含一第一介電質及一第二介電質，且該第二介電質包圍該第一介電質的全部，其中該第一介電質由彼此分離之兩個或多於兩個部分介電質組成，且該第二介電質包圍該等兩個或多於兩個部分介電質的全部，以及其中該等兩個或多於兩個部分介電質由空氣組成。
  2. 如請求項1之波導，其進一步包含：一支撐件，其安置於該第一介電質與該導體部分之間，以維持該第二介電質位於該第一介電質與該導體部分之間所在的一空間。
  3. 如請求項1之波導，其中經由該波導傳送之一訊號沿著該第一介電質與該第二介電質之間的一邊界或沿著該第一介電質或該第二介電質與該導體部分之間的一邊界經導引。
  4. 如請求項1之波導，其中一群延遲的一改變不超出一預定位準，該改變根據經由該波導之一訊號傳送通道中之一頻率改變而出現。
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