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《南京航空航天大学》 2016年
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基于PCB的芯片间无线互连及关键器件设计研究

王文松  
【摘要】:随着印制电路板(PCB)上芯片功能的增加和总线频率的提高,芯片布局越来越密集、管脚数目越来越多。通过有线互连,芯片间信号传输的反射、串扰、寄生电感和电容、以及电源线对信号干扰等对信号完整性(SI)影响日益突出。芯片无线互连成为现今热门研究领域之一。本文从理论及实验研究了一种新颖的芯片无线互连方式,包括芯片-PCB无线互连和芯片供电能量无线互连,其中后者是尚未见报道的研究课题。另外本文还致力于实现无线互连关键器件所亟需的小型化、多频段的带通滤波器设计与研究等。本文的主要研究工作与贡献如下:(一)提出了芯片-PCB无线互连,将电路板介质层作为通信信道,芯片管脚设计成管脚天线,取代有线互连通信方式,实现芯片间信号通过PCB媒质进行无线传输;(二)研究了在电路板介质层上表面和下表面分别覆有金属膜的芯片-PCB无线互连结构,并设计了中心频率20GHz的管脚天线。根据转折频率,计算出直流到60GHz的天线散射参数矩阵,导入仿真电路SNP控件中。在发射天线上加载20GHz正弦波信号,接收天线的输出信号比加载信号幅值降低约一半;加载伪随机二进制序列信号,则输出信号眼图的上升沿时间和下降沿时间都比加载信号的要长,但眼宽和眼高不变。验证了超宽带数字脉冲信号可以通过金属膜-金属膜的芯片-PCB无线互连进行传输;(三)研究了电路板介质层下表面覆有蘑菇型超材料的吸波器,而上表面覆有金属膜的芯片-PCB无线互连结构,最大吸收率达到61.82%。在发射天线上加载不归零伪随机二进制序列信号,用虚拟示波器观察接收天线输出信号的眼图。距离发射天线越近,输出信号眼图的“眼睛”睁开得越大。与金属膜-金属膜的芯片-PCB无线互连比较,通过该结构传输信号的眼图清晰端正,且“眼睛”睁开稍微大些;(四)研究了吸波层-吸波层的芯片-PCB无线互连结构,设计了一种单环八边圆环型超材料的吸波器,分别置于电路板介质层上表面和下表面,90%吸收率的相对带宽达到1.52%。两只管脚天线的反射系数及二者传输系数在中心频率处都减小,且仅在中心频率及附近有所改善。对比和分析了吸波层-吸波层/金属膜-金属膜/开放边界三种芯片-PCB无线互连通信系统的误码率性能。然后,设计了一种三环八边圆环型超材料的超宽带吸波器,90%吸收率的相对带宽为49.4%,频率范围是从15.5GHz到25.68GHz。分析了超宽带芯片-PCB无线互连通信系统的误码率性能。当两只管脚天线距离从10mm变化到20mm时,采用超宽带吸波器的误码率非常接近开放边界的;但随着距离增加,前者误码率增加速度变快,且性能变差;(五)提出了芯片供电能量无线互连的传输方案,研究了直流电源供电而输出直流电压的无线输能的基本原理。采用T型等效网络电路和阻抗参数矩阵,提取了耦合电感的自感、互感以及耦合系数。分别设计和分析了采用Colpitts/Hartley振荡器的发送电路,以及基于半波/全波整流器的接收电路。最后,制作和测试了Colpitts和Hartley型能量无线互连系统,实验验证了芯片的无线供电是可行的,为将来在芯片级设计和集成提供重要参考;(六)研究了芯片-PCB无线互连的关键器件带通滤波器的设计,讨论了三种不同阶跃阻抗谐振器结构和两个/三个通带的形成机理,以及不同参数变化对中心频率及带宽的影响,实现了非对称性阶跃阻抗谐振器的双频带通滤波器/阶跃阻抗圆环谐振器的双频带通滤波器/非对称性阶跃阻抗环谐振器的三频带通滤波器。加工制作、测试和对比了这三种滤波器原型,并验证了设计思想的正确性。分别采用65nm CMOS工艺设计了对应贴片结构的带通滤波器,对完善芯片-PCB无线互连及芯片集成电路设计提供了重要参考。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN41

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