太赫兹载波发送装置和接收装置的制作方法

1.本发明涉及太赫兹通信领域，尤其涉及一种太赫兹载波发送装置和接收装置。


背景技术：

2.随着网络数据中心流量的高速增长，对数据中心内部设备间传输速率的要求越来越高，数据中心机柜之间以及机柜内部均需要大量的高速线缆进行互连。短距通信的一种连接方式是直连铜缆，但随着工作频率提升，增加的金属损耗会很大程度上限制铜缆的传输距离和速率。另一种连接方式是光缆，但由于收发需要进行光电转换，功耗和成本都大幅增加。
3.目前出现了另一种互联方式，利用太赫兹(tera-hertz，thz)频段为载波，以太赫兹传输线为传输媒质，在短距高速通信场景中进行互连。现有技术中，射频芯片上的辐射体通过自由空间让太赫兹信号辐射到太赫兹传输线中，利用太赫兹传输线将信号传输到接收端。这种方式下，辐射增益小，电磁耦合效率低，从而降低了系统的传输带宽。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种太赫兹载波发送装置和一种太赫兹载波接收装置，以实现高效的电磁耦合，提高数据的传输带宽。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种太赫兹载波发送装置，包括：射频发送芯片、模式转换结构、太赫兹传输线，以及电路板；其中射频发送芯片封装于电路板上，包括射频发送电路、馈电传输线、模式激励结构；模式转换结构包括金属内壁，用于将模式激励结构激励起的太赫兹信号耦合进太赫兹传输线；太赫兹传输线，用于传输太赫兹信号。这样就实现高效的电磁耦合，提高数据的传输带宽。
6.在一个可能的设计中，模式激励结构包括金属顶层和金属底层，金属顶层和金属底层之间包括介质层。从而可进一步提高耦合效率。
7.在又一个可能的设计中，介质层厚度为金属顶层和金属底层较大者的1.5倍到200倍之间。从而可进一步提高耦合效率。
8.在又一个可能的设计中，介质层包括单层或多层介质材料。从而可进一步提高耦合效率。
9.在又一个可能的设计中，金属顶层激励结构和金属底层激励结构为线性渐变槽天线或者为偶极子天线结构。从而可进一步提高耦合效率。
10.在又一个可能的设计中，射频发送芯片还包括阻抗匹配结构，用于匹配馈电传输线与模式激励结构之间阻抗。从而可进一步提高耦合效率。
11.在又一个可能的设计中，模式转换结构包括定位槽，用于将电路板中的部分插入到模式转换结构中，以使模式激励结构的相位中心在模式转换结构的几何中轴线上。从而可进一步提高耦合效率。
12.在又一个可能的设计中，模式转换结构的内侧横截面为正方形、长方形、椭圆形，
或者圆形，相应地，传输线的横截面的外轮廓为正方形、长方形、椭圆形，或者圆形。从而可进一步提高使用适应性。
13.在又一个可能的设计中，模式转换结构的材料为金属或介质材料。从而可进一步提高耦合效率。
14.在又一个可能的设计中，电路板为可插拔模块，采用qsfp、sfp、cxp、cx4、cfp、或cdfp封装方式。从而提高可用性。
15.在又一个可能的设计中，电路板上封装了多个射频发送芯片。从而提高系统传输效率。
16.第二方面，本发明实施例提供了一种太赫兹载波接收装置，包括：太赫兹传输线、模式转换结构、射频接收芯片，以及电路板；其中：太赫兹传输线，用于传输太赫兹信号；模式转换结构包括金属内壁，用于将太赫兹传输线中的太赫兹信号耦合进射频接收芯片的模式激励结构中；射频接收芯片封装于电路板上，包括模式激励结构、馈电传输线、射频接收电路。这样就实现高效的电磁耦合，提高数据的传输带宽。
17.在又一个可能的设计中，模式激励结构包括金属顶层和金属底层，金属顶层和金属底层之间包括介质层。从而可进一步提高耦合效率。
18.在又一个可能的设计中，介质层厚度为金属顶层和金属底层较大者的1.5倍到200倍之间。从而可进一步提高耦合效率。
19.在又一个可能的设计中，介质层包括单层或多层介质材料。从而可进一步提高耦合效率。
20.在又一个可能的设计中，金属顶层激励结构和金属底层激励结构为线性渐变槽天线，或者偶极子天线结构。从而可进一步提高耦合效率。
21.在又一个可能的设计中，射频接收芯片还包括阻抗匹配结构，用于匹配馈电传输线与模式激励结构之间阻抗。从而可进一步提高耦合效率。
22.在又一个可能的设计中，模式转换结构包括定位槽，用于将电路板中的部分插入到模式转换结构中，以使模式激励结构的相位中心在模式转换结构的几何中轴线上。从而可进一步提高耦合效率。
23.在又一个可能的设计中，模式转换结构的内侧横截面为正方形、长方形、椭圆形，或者圆形，相应地，传输线的横截面的外轮廓为正方形、长方形、椭圆形，或者圆形。从而可进一步提高使用适应性。
24.在又一个可能的设计中，模式转换结构的材料为金属或介质材料。从而可进一步提高耦合效率。
25.在又一个可能的设计中，电路板为可插拔模块，采用qsfp、sfp、cxp、cx4、cfp、或cdfp封装方式。从而提高可用性。
26.在又一个可能的设计中，电路板上封装了多个射频接收芯片。从而提高系统传输效率。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的一种可插拔形式的双向太赫兹电缆示意图；
28.图2为本发明实施例提供的太赫兹电缆应用于数据中心的示意图；
29.图3为本发明实施例提供的通信设备间通过多对太赫兹传输线连接的示意图；
30.图4为本发明实施例提供的太赫兹载波发送装置的结构示意图；
31.图5为本发明实施例提供的太赫兹载波接收装置的结构示意图；
32.图6为本发明实施例提供的太赫兹载波收发装置立体结构示意图；
33.图7a为本发明实施例提供的射频收发芯片的立体结构示意图；
34.图7b为本发明实施例提供的射频收发芯片的剖视图；
35.图8a为本发明实施例提供的已封装的太赫兹载波收发装置立体示意图；
36.图8b为本发明实施例提供的射频收发芯片的具体结构尺寸示意图；
37.图8c为本发明实施例提供的模式转换结构的具体结构尺寸示意图；
38.图9a为本发明实施例提供的电磁仿真的电场模式分布示意图；
39.图9b为本发明实施例提供的电磁仿真的空间电场分布示意图；
40.图10a为本发明实施例提供的另一种太赫兹收发装置示意图；
41.图10b为本发明实施例提供的另一种射频收发芯片的结构尺寸示意图；
42.图10c为本发明实施例提供的另一种模式转换结构的结构尺寸示意图；
43.图11为本发明实施例提供的端面弯曲的模式转换结构的示意图。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
45.本发明实施例提供的太赫兹载波发送装置、接收装置可以应用到高速互联的场景，如数据中心等。太赫兹载波发送装置、接收装置可以形成一个单向的收发电缆，一端发送太赫兹信号，另一端接收太赫兹信号。太赫兹载波发送装置、接收装置也可以形成一个双向的收发电缆，电缆的每一端都向对端发送太赫兹信号，并从对端接收太赫兹信号。
46.如图1所示，为本发明实施例的一种可插拔形式的双向太赫兹电缆，包括两端的接头部分和传输线部分。电缆一端的接头部分包括电路板101、封装于电路板上的太赫兹射频发送芯片102、以及模式转换结构103。模式转换结构103用于将射频发送芯片输出的太赫兹信号耦合进太赫兹传输线104。电缆另一端的接头部分包括模式转换结构105以及太赫兹射频接收芯片106。模式转换结构105用于将太赫兹传输线104传输的太赫兹信号耦合进射频接收芯片106。这样就构成了太赫兹载波的一个单向通信链路。图1的电缆包括了两条单向收发链路，从而构成了双向收发的太赫兹电缆。
47.双向电缆一端的射频发送芯片和射频接收芯片可以集成在一个芯片上，为一个射频收发芯片。太赫兹电缆也可以一根电缆实现双向的收发，可以分别用不同的两个太赫兹频率承载两个方向的传输。这种情况下，一个模式转换结构可以用于双向耦合，既可将射频发送芯片输出的太赫兹信号耦合进太赫兹传输线，又可将太赫兹传输线中传输的太赫兹信号耦合进射频接收芯片。
48.双向太赫兹电缆的接头部分的封装可类似于现有光模块形态，采用qsfp、sfp、cxp、cx4、cfp或cdfp等标准封装方式。另外，基带信号处理芯片可以与射频收发芯片集成在一起，也可以封装在业务设备的单板中。
49.如图2所示，太赫兹载波发送、接收装置(通常为双向太赫兹电缆)可以应用于数据
中心各设备间数据传输。双向太赫兹电缆201可应用于机柜内各业务设备202与柜顶交换机203之间，也可以应用于业务设备202与另一机柜的柜顶交换机203之间，还可以应用于柜顶交换机203与汇集交换机204之间。
50.为进一步提高设备间数据传输速率，两个设备的单板间可以通过多对太赫兹电缆互联。例如，图3所示，通信两端的设备，各自的单板301通过多对太赫兹传输线连接。设备单板301上各自安装了多个射频收发芯片302，每个射频收发芯片302通过模式转换结构303与太赫兹传输线304耦合，收发太赫兹信号。这样，两个设备间就实现了直接板载高密度的互连。
51.本发明实施例提供的太赫兹载波发送装置的结构如图4所示，包括印刷电路板(pcb)401、射频发送芯片402、模式转换结构403、以及太赫兹传输线404。其中，射频发送芯片402包括射频发送电路421、馈电传输线422、以及模式激励结构423。太赫兹信号由射频发送电路421产生，并通过馈电传输线422输出到模式激励结构423中。模式转换结构403将模式激励结构423中的太赫兹信号耦合进太赫兹传输线404中，发送给接收方。图4中pcb上还封装了基带信号处理芯片405。基带信号处理芯片也可以不封装在太赫兹载波发送装置中，而封装在发送设备的业务处理板上。
52.本发明实施例提供的太赫兹载波接收装置的结构示意图如图5所示，包括印刷电路板(pcb)501、射频接收芯片502、模式转换结构503、以及太赫兹传输线504。其中，射频接收芯片502包括模式激励结构523、馈电传输线522、以及射频接收电路521。模式激励结构503将太赫兹传输线504中接收的太赫兹信号耦合进模式激励结构523，并通过馈电传输线522传输到射频接收电路521进行处理。图5所示pcb板上还封装了基带信号处理芯片505。同样，基带信号处理芯片也可以不封装在太赫兹载波接收装置中，而封装在接收设备的业务处理板上。
53.双向通信时，通信一端的太赫兹载波发送装置和太赫兹载波接收装置可以合成为一个收发装置，上述射频发送芯片402和射频接收芯片502可以合成为一个射频收发芯片，包括了射频发送和射频接收电路(下面简称射频收发电路)、馈电传输线，以及模式激励结构。馈电传输线和模式激励结构既可用于信号发送，也可用于信号接收。模式转换结构，以及太赫兹传输线，也同样可应用于发送和接收。下面将举例说明。
54.图6所示为本发明实施例提供的太赫兹载波收发装置各组成部分的立体结构示意图，包括：印刷电路板(pcb)601、射频收发芯片602，模式转换结构603，以及太赫兹传输线604。此外，pcb上还封装了基带信号处理芯片605。
55.其中，射频收发芯片的一个立体结构示意图如图7a所示，包括：射频收发电路701、馈电传输线702和模式激励结构703。进一步参照图7b，为图7a所示的射频收发芯片的剖视图。图中虚线左边部分对应射频收发电路701，虚线右边部分对应馈电传输线702和模式激励结构703部分。
56.芯片制作时，一般可采用标准cmos芯片，在硅基衬底713上，用金属顶层711、底层金属712，以及中间的介质层714共同构建片上馈电传输线、金属地、以及片上模式激励结构；具体的，利用标准cmos芯片加工工艺，将馈电传输线和片上模式激励结构中间的金属分布结构715的部分或全部蚀刻掉，构成单层或多层介质层。
57.模式激励结构703可以是线性渐变槽天线结构，也可以是偶极子天线结构。图7a所
示是703为偶极子天线结构，线性渐变槽天线结构后面举例说明。金属顶层711和底层金属712之间的介质层，可以是单层，也可以是多层。介质层的厚度sub_t控制在金属顶层和金属底层较大者的1.5-200倍之间，即满足如下公式1条件。
58.1.5
×
max(top_t,bottom_t)≤sub_t≤200
×
max(top_t,bottom_t)
ꢀꢀ
(公式1)
59.其中，top_t为金属顶层厚度、bottom_t为金属底层厚度。上述条件使得芯片上的馈电传输线具有足够大的端面阻抗与模式转换结构进行连接匹配。
60.结合图6和图7a,7b示例可见，模式转换结构603的内壁为金属，金属内壁包围构成的内腔与射频收发芯片的模式激励结构耦合。作为发送端，待发送的太赫兹信号从射频发送电路传输到模式激励结构，模式转换结构603将模式激励结构703中的太赫兹信号耦合到太赫兹传输线发送出去。或者，作为接收端，模式转换结构603将太赫兹传输线接收的太赫兹信号耦合到模式激励结构703中，进而传输到射频接收电路进行处理。
61.模式转换结构603的金属内壁围成的内腔可以为柱状，其横截面可以是圆形，也可以是矩形等。模式转换结构603的外轮廓可以是圆柱形、长方体型等，其横截面可以为圆形、矩形等。为提高耦合效率，在内腔的偏中心心位置可开通矩形定位槽631，用于定位和固定pcb板601。将pcb板601插入到偏心矩形定位槽631中，使得射频收发芯片602的片上模式激励结构位于模式转换结构的内腔中。通过设定矩形槽高度、深度以及与pcb板之间位置关系，保证片上模式激励结构703的等效相位中心在模式转换结构603的几何中轴线上，以实现高效率耦合。
62.太赫兹传输线604可以插入到模式转换结构603中，从而构建了太赫兹射频链路。太赫兹传输线可以是实芯传输线，也可以是空芯传输线。太赫兹传输线的横截面可以是圆形，也可以是矩形，或者其他形状。业务信号通过发送端基带信号处理芯片进入太赫兹射频链路，传输到接收端，再通过收端基带信号处理芯片转为业务信号，从而实现业务信号的高速互连。
63.如图8a所示，为本发明实施例的一种封装好的太赫兹载波收发装置立体示意图，包括：印刷电路板(pcb)801、射频收发芯片802，模式转换结构803，以及太赫兹传输线804。下面以cmos工艺为例说明太赫兹载波收发装置的具体设计。射频收发芯片802的具体结构如图8b所示，包括馈电传输线821、渐变微带线822、基片集成波导823、以及模式激励结构824。
64.cmos芯片工艺中，m1金属层为底层金属，m9金属层为顶层金属。在芯片的馈电传输线区域和模式激励结构区域，将m1与m9之间的全部金属蚀刻掉，形成多层等效介质层。在片上馈电传输线区域顶层金属层为片上馈电传输线微带结构，等效介质层为介质基底，底层金属层为金属地。片上馈电传输线821与射频收发电路相连。
65.射频收发芯片上还有渐变微带线822，为第一段阻抗匹配结构，实现片上馈电传输线821与基片集成波导823之间的连接。片上渐变微带线822同样采用顶层金属层为片上微带结构，等效介质层为介质基底，底层金属层为金属地。
66.射频收发芯片上基片集成波导823为第二段阻抗匹配结构，分别采用芯片中的顶层、底层金属作为基片集成波导的上下两层金属，采用等效介质层作为中间介质层。片上馈电传输线821通过渐变微带线822、基片集成波导823与片上辐射体，即模式激励结构824相连。
electro，te
10
)模式，再到线性渐变槽模式激励结构824，激励起圆形金属模式转换结构中的传输主模横电波11(transverse electro，te
11
)模式，然后再通过模式转换结构803将电磁波耦合到端面为锥形的实芯太赫兹传输线804中，实现混合电波11(hybrid electro，he
11
)模式的主模传输。从图9a中可以看出，片上模式转换结构实现电磁信号的高效模场转换。模拟计算进一步得出，在140-170ghz的频率范围内，从射频发送电路到太赫兹传输线的传输参量大于-4db，这表明从射频发送电路到太赫兹传输线之间具有很高的耦合效率，可以明显提升通过这种太赫兹收发装置的链路互连长度。
83.同时，通过电磁仿真计算也可以获得如图9b所示的空间电场分布示意图。从图9b中可以看到电磁信号从片上微带线821馈入，通过基片集成波导823进入到模式激励结构824中，再通过模式转换结构803耦合到实芯太赫兹传输线804中，在空间上几乎无电磁能量泄露，表明本发明实施例有很好的电磁屏蔽性能，优良的抗电磁干扰能力，进一步提高了传输带宽。
84.本发明实施例还提供一种太赫兹收发装置，如图10a所示。其中，射频收发芯片1002上的模式激励结构1022采用偶极子天线，通过片上微带线1021为其馈电，片上偶极子天线在金属顶层和金属底层分别具有l型金属贴片辐射体，两个金属辐射体以等效介质层轴线为中心线，沿着图示的y轴方向镜向对称。模式转换结构1003内腔的横截面为矩形，内壁为金属材质，其外轮廓的横截面也是矩形。太赫兹传输线1004的横截面为矩形，其横截面尺寸与模式转换结构横截面的内壁尺寸相同，可插入到模式转换结构1003中。
85.与前述图8b和8c所示类似，为了达到更好的耦合结果，射频收发装置的相关尺寸也需满足相应的条件。如图10b和10c所示，模式转换结构1003在x轴偏心方向开通矩形定位槽，可将射频收发芯片1002上馈电部分及模式激励部分全部插入到模式转换结构1003中，通过pcb板1001与矩形定位槽进行对准和固定，保证片上模式激励结构中的等效相位中心所在轴线与金属模式转换结构的中轴线相重合，实现高效率耦合。相关尺寸需满足的条件包括如下的公式5、6、7。
86.模式转换结构1003与射频收发芯片1002的位置关系需满足：
87.0.5
×
tc+ts+d＝s_d
ꢀꢀ
(公式5)
88.其中，tc为射频收发芯片金属顶层到金属底层厚度，ts为射频收发芯片硅基衬底厚度，d为芯片硅基衬底到pcb板上的高度，s_d为矩形定位槽偏心距离。模式转换结构1003的内腔沿y轴方向的长度rb应大于或等于射频收发芯片1002的宽度cw。
89.模式转换结构1003与pcb板1001的位置关系满足：
90.slot_h＝2
×
mt+st
ꢀꢀ
(公式6)
91.其中，slot_h为模式转换结构1003矩形定位槽高度，mt为pcb板顶层金属层厚度，mt为pcb板底层金属层厚度，st为pcb板中间层的厚度。
92.片上模式激励结构与模式转换结构的关系满足：
93.insert_l＝slot_l》probe_l
ꢀꢀ
(公式7)
94.其中，insert_l为pcb板插入到模式转换结构中的深度，slot_l为模式转换结构的矩形定位槽深度，probe_l为片上模式激励结构长度。
95.此外，片上模式激励结构1022介质基底的中轴线oo应与模式转换结构1003的中轴线qq相重合，即安装时这两条中轴线需重合到小于设定的误差范围。
96.本发明实施例还提供一种太赫兹收发装置，如图11所示。其中，模式转换结构1103采用端面弯曲的结构，可以实现太赫兹传输线与射频收发芯片之间的非平行耦合，提高太赫兹收发装置的适配性。
97.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
98.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。