【摘要】：隨著印制電路板(PCB)上芯片功能的增加和總線頻率的提高,芯片布局越來越密集、管腳數(shù)目越來越多。通過有線互連,芯片間信號傳輸?shù)姆瓷�、串擾、寄生電感和電容、以及電源線對信號干擾等對信號完整性(SI)影響日益突出。芯片無線互連成為現(xiàn)今熱門研究領域之一。本文從理論及實驗研究了一種新穎的芯片無線互連方式,包括芯片-PCB無線互連和芯片供電能量無線互連,其中后者是尚未見報道的研究課題。另外本文還致力于實現(xiàn)無線互連關鍵器件所亟需的小型化、多頻段的帶通濾波器設計與研究等。本文的主要研究工作與貢獻如下:(一)提出了芯片-PCB無線互連,將電路板介質(zhì)層作為通信信道,芯片管腳設計成管腳天線,取代有線互連通信方式,實現(xiàn)芯片間信號通過PCB媒質(zhì)進行無線傳輸;(二)研究了在電路板介質(zhì)層上表面和下表面分別覆有金屬膜的芯片-PCB無線互連結(jié)構(gòu),并設計了中心頻率20GHz的管腳天線。根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率,計算出直流到60GHz的天線散射參數(shù)矩陣,導入仿真電路SNP控件中。在發(fā)射天線上加載20GHz正弦波信號,接收天線的輸出信號比加載信號幅值降低約一半;加載偽隨機二進制序列信號,則輸出信號眼圖的上升沿時間和下降沿時間都比加載信號的要長,但眼寬和眼高不變。驗證了超寬帶數(shù)字脈沖信號可以通過金屬膜-金屬膜的芯片-PCB無線互連進行傳輸;(三)研究了電路板介質(zhì)層下表面覆有蘑菇型超材料的吸波器,而上表面覆有金屬膜的芯片-PCB無線互連結(jié)構(gòu),最大吸收率達到61.82%。在發(fā)射天線上加載不歸零偽隨機二進制序列信號,用虛擬示波器觀察接收天線輸出信號的眼圖。距離發(fā)射天線越近,輸出信號眼圖的“眼睛”睜開得越大。與金屬膜-金屬膜的芯片-PCB無線互連比較,通過該結(jié)構(gòu)傳輸信號的眼圖清晰端正,且“眼睛”睜開稍微大些;(四)研究了吸波層-吸波層的芯片-PCB無線互連結(jié)構(gòu),設計了一種單環(huán)八邊圓環(huán)型超材料的吸波器,分別置于電路板介質(zhì)層上表面和下表面,90%吸收率的相對帶寬達到1.52%。兩只管腳天線的反射系數(shù)及二者傳輸系數(shù)在中心頻率處都減小,且僅在中心頻率及附近有所改善。對比和分析了吸波層-吸波層/金屬膜-金屬膜/開放邊界三種芯片-PCB無線互連通信系統(tǒng)的誤碼率性能。然后,設計了一種三環(huán)八邊圓環(huán)型超材料的超寬帶吸波器,90%吸收率的相對帶寬為49.4%,頻率范圍是從15.5GHz到25.68GHz。分析了超寬帶芯片-PCB無線互連通信系統(tǒng)的誤碼率性能。當兩只管腳天線距離從10mm變化到20mm時,采用超寬帶吸波器的誤碼率非常接近開放邊界的;但隨著距離增加,前者誤碼率增加速度變快,且性能變差;(五)提出了芯片供電能量無線互連的傳輸方案,研究了直流電源供電而輸出直流電壓的無線輸能的基本原理。采用T型等效網(wǎng)絡電路和阻抗參數(shù)矩陣,提取了耦合電感的自感、互感以及耦合系數(shù)。分別設計和分析了采用Colpitts/Hartley振蕩器的發(fā)送電路,以及基于半波/全波整流器的接收電路。最后,制作和測試了Colpitts和Hartley型能量無線互連系統(tǒng),實驗驗證了芯片的無線供電是可行的,為將來在芯片級設計和集成提供重要參考;(六)研究了芯片-PCB無線互連的關鍵器件帶通濾波器的設計,討論了三種不同階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu)和兩個/三個通帶的形成機理,以及不同參數(shù)變化對中心頻率及帶寬的影響,實現(xiàn)了非對稱性階躍阻抗諧振器的雙頻帶通濾波器/階躍阻抗圓環(huán)諧振器的雙頻帶通濾波器/非對稱性階躍阻抗環(huán)諧振器的三頻帶通濾波器。加工制作、測試和對比了這三種濾波器原型,并驗證了設計思想的正確性。分別采用65nm CMOS工藝設計了對應貼片結(jié)構(gòu)的帶通濾波器,對完善芯片-PCB無線互連及芯片集成電路設計提供了重要參考。
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【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN41

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