半模加脊方同轴基片集成波导互连装置
阅读说明：本技术 半模加脊方同轴基片集成波导互连装置 (Half-mode and ridge-added coaxial substrate integrated waveguide interconnection device ) 是由 李晓春 宁肯 毛军发 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种半模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金属层L1,介质层L2,金属层L3,介质层L4和金属层L5；在金属层L1与金属层L5之间设置有金属化通孔阵列,所述金属层L3包含一非接地金属和一接地金属,所述接地金属为所述半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的脊,所述接地金属被金属化通孔贯穿；所述金属层L3的非接地金属构成内导体；所述金属层L1、金属层L3的接地金属、金属层L5、金属化通孔阵列构成外导体；介质层L2与介质层L4采用介电常数不同的两种介质。本发明使用了两个介电常数,并作为设计参数,使得设计自由度有显著的提升,更能适应复杂的复合介质环境的互连需求。(The invention provides a half-mode and ridge-added coaxial substrate integrated waveguide interconnection device which comprises a metal layer L1, a dielectric layer L2, a metal layer L3, a dielectric layer L4 and a metal layer L5 which are sequentially arranged from top to bottom; an array of metallized vias is disposed between metal layer L1 and metal layer L5, the metal layer L3 comprising a non-grounded metal and a grounded metal, the grounded metal being a ridge of the half-mold and ridge-side coaxial substrate integrated waveguide interconnect device, the grounded metal being penetrated by the metallized vias; the non-grounded metal of the metal layer L3 constitutes an inner conductor; the metal layer L1, the grounding metal of the metal layer L3, the metal layer L5 and the metalized through hole array form an outer conductor; the dielectric layer L2 and the dielectric layer L4 use two dielectrics having different dielectric constants. The invention uses two dielectric constants as design parameters, so that the design freedom degree is obviously improved, and the invention can be more suitable for the interconnection requirement of a complex composite medium environment.)
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，涉及一种半模加脊方同轴基片集成波导互连装置，尤其是一种不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导互连装置。
背景技术
随着集成电路发展，集成电路对互连和器件要求也不断提高。宽带宽、小型化、高密度集成化和优良的电磁兼容性的传输线的越来越重要。基片集成技术以其低廉的成本和与平面电路良好的兼容性逐渐凸显出其诱人的优势。
微带线和共面波导是最常用的平面传输线，它们支持具有超宽单模带宽和简单结构的准TEM模式。但是，由于他们开放结构，在高频率下会出现严重的色散和相邻线路之间的串扰。因此，它们不适合在高密度集成中应用。
基片集成波导(SIW)是另一种平面集成波导，具有优良的屏蔽性能和低损耗。随后，一系列小型化或宽带宽更宽的基片集成波导SIW结构被提出，如半模SIW(HMSIW)，折叠SIW(FSIW)，脊SIW(RSIW)。然而，基于基片集成波导的传输结构的主模都是TE模式，不能直接传输基带信号。
基片集成同轴线(SICL)可以看作是一种具有加载内导体的基片集成波导，该结构支持TEM模式传输，具有良好的屏蔽性能。因此适用于传输基带信号且能高密度集成。文献[2:]：专利文献号为CN105226359A的专利文献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。该发明结构即是基片集成同轴线结构。该方案所述的方同轴基片集成波导结构为准屏蔽结构，主模为TEM模，可以直接传输基带信号，可以高密度集成。在公开号为CN112186321A的中国专利文献中，公开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。该文献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。
文献[1][3]报道了一种加脊基片集成同轴线，包括外导体，内导体，内外导体之间填充有均匀的介质。所述加脊基片集成同轴线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，其中第三层包含两侧的金属脊和中间金属内导体。金属层L1,金属层L3的两脊，金属层L5被两排连续金属过孔贯穿，共同构成外导体。该结构具备电磁兼容性能良好、低损耗、低色散、支持直流信号的优势。且相比于方同轴基片集成波导结构，具备更紧凑的尺寸和更大的单模带宽。但其单模带宽受高次模(TE10模)的截止频率限制。
文献[4]报道了一种两种介质填充的加脊基片集成波导，该结构在经典的加脊基片集成波导(RSIW[5])中填充了两层介电常数的不同的介质。相比于均匀介质填充的加脊基片集成波导,采用不同介质填充的加脊基片集成波导极大增加了单模带宽。然而由于加脊基片集成波导是单导体结构，其主模是TE10模，不能直接传输基带信号。
对比文件/参考文献：
[1]K.Ning,X.-C.Li and J.Mao,"A Compact Ridged Substrate IntegratedCoaxial Line,"2020IEEE MTT-S International Wireless Symposium(IWS),Shanghai,China,2020,pp.1-3.
[2]李晓春,袁斌,毛军发.方同轴基片集成波导互连结构:CN105226359A[P].2016.
[3]K.Ning,X.-C.Li,H.Zhang and J.Mao,"Ridged Substrate IntegratedCoaxial Line for Wideband Millimeter-Wave Transmission,"in IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques,2021,Early Access Article.
[4]S.Moscato,R.Moro,M.Pasian,M.Bozzi and L.Perregrini,"Two-MaterialRidge Substrate Integrated Waveguide for Ultra-Wideband Applications,"IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.63,no.10,pp.3175-3182,Oct.2015.
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半模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半模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，且由沿所述半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的长度方向呈一列排列的金属化通孔构成；
所述金属层L3包含一非接地金属和一接地金属，所述接地金属为所述半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的脊，所述接地金属被金属化通孔贯穿；
所述金属层L3的非接地金属构成内导体；
所述金属层L1、金属层L3的接地金属、金属层L5、金属化通孔阵列构成外导体；
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，介质层L2与介质层L4采用介电常数不同的两种介质。
优选的，所述半模加脊方同轴基片集成波导互连装置由所述外导体、内导体、上下两种介电常数不同的介质构成。
优选的，所述金属层L1、金属层L3、金属层L5的厚度均为t，介质层L2、介质层L4的厚度分别为h1和h2。
优选的，金属层L3中间金属的宽度a小于金属层L1以及金属层L5的宽度，且金属层L3在所述半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的宽度方向上位于金属化通孔一侧。
优选的，金属化通孔阵列中的金属化通孔的直径为r，且每列金属化通孔之间等间距排列，间距为d。
优选的，所述不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导互连装置采用准TEM模式传输信号。
优选的，金属层L3的两片金属设置在同一平面上。
优选的，金属层L3的两片金属与在金属层L1、金属层L5平行。
优选的，金属层L3的接地金属被一排金属化通孔贯穿。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导互连为准封闭式结构，采用准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，本发明不需要调制解调器件，可以直接传输基带信号，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，本发明具有更紧凑的尺寸，更大的单模带宽，更自由的介质设置方式。
4、本发明使用了两个介电常数，并作为设计参数，使得设计自由度有显著的提升，更能适应复杂的复合介质环境的互连需求。提高了第一个高次模的截止频率，从而提高了主模的单模带宽。
5、本发明具备双导体结构，主模为准TEM模式，可以直接传输基带信号，无需调制解调模块。
6、本发明通过改变介质的介电常数设置，更加灵活适用于不同介质混合堆叠的三维集成电路，可以在上下两种不同介质材料中设计传输线，提高了信道密度。
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为半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的结构示意图；
图2为半模加脊方同轴基片集成波导互连装置主模横截面电场分布展示图；
图3为半模加脊方同轴基片集成波导互连装置第一个高次模的横截面电场分布展示图；
图4为半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的S21参数示意图；
图5为半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的S11参数示意图。
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。
为了实现不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导电路板级/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、一列金属化通孔构成不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导的外导体、内导体以及采用两层不同介质层构成内、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为本发明提供的不同介电常数介质填充的半模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两种不同介电常数的介质，不同介电常数介质填充的半模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不同介电常数的介质层组成。加脊方同轴基片集成波导互连装置采用准TEM模式传输信号。图2为本发明提供的不同介电常数介质填充的半模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。
不同介电常数介质填充的半模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，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，两层介质层的厚度分别为h1和h2，波导互连的长度为L。第三层金属层包含一接地金属和一非接地金属，接地金属即半模加脊方同轴基片集成波导互连装置的脊，非接地金属被金属化通孔贯穿。
外导体由第一层金属层导体板、第五层金属层导体板、第三层非接地金属以及第一层到第五层间的一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。
内导体为第三层非接地金属导体，其宽度为b，其到接地金属的距离为g。
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，第二层介质层与第四层介质层其介电常数不同，分别表示为ε1和ε2。
不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导的主模(准TEM模)横截面电场分布展示于图2，第一个高次模(准TE0.5,0模)的横截面电场分布展示于图3。与参考文献[1][2]中均匀介质填充的加脊基片集成同轴线其前两个模式的电场均匀分布在介质中不同。不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导的主模电场主要集中在高介电常数区域，第一个高次模的电场主要集中在低介电常数区域。
以电路板级的不同介电常数介质填充的半模加脊方同轴基片集成波导互连为例，采用印刷电路板工艺为例，介质层L2采用材料Rogers 5880(介电常数2.2，介质损耗角正切0.0009)，介质层L4采用材料Rogers 3010(介电常数10.2，介质损耗角正切0.0028)。金属过孔距离w＝1mm，内导体宽度a＝0.25mm；金属层厚度t＝0.018mm，介质层L2厚度h1＝0.25mm，介质层L4厚度h2＝0.38mm，孔直径r＝0.2mm，孔间距d＝0.5mm，内导体到脊距离s＝0.5mm，波导长度L＝10mm，其传输特性S21参数、反射特性S11参数分别如图4、图5所示。其中，图4、图5中的横轴表示频率(Freq(GHz))，纵轴表示分贝(dB)。同时在相同工艺下，设计了50欧姆特性阻抗的方同轴基片集成波导[2]和加脊基片集成同轴线[1],以本发明设计尺寸作为标准进行归一化，得到了上述结构的尺寸及单模带宽对照表，图表1所示。
表1发明与现有技术的主要技术指标对照表
本发明与现有技术相比具有的优势如表2所示：
表2本发明相较于现有技术的不同点及优点。
综上，本发明所设计的不同介电常数介质填充的半模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、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。
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