本发明涉及信息电子行业毫米波通信技术领域 ， 尤其涉及一种通过 毫米波波导进行两点间数据传输的毫米波波导 通信系统， 该毫米波波导 通信系统可用作处理器与存储器之间高速数据 传输的总线。 背景技术

传统的计算机硬件部分基于三种普遍且成熟的 技术： 硅， 用于形成 进行逻辑运算的晶体管、 存储器和信号放大器； 复合材料， 用于分立元 件集成的隔离； 铜， 用于数据传输。 多核处理器的出现， 指令的并行和 同时执行， 加上优化软件的发展， 使计算机的性能不断提高， 对计算机 硬件也提出了更高的要求。

对于基于硅的互补型金属氧化物半导体 （CMOS) 晶体管制造工艺， 目前并没有更有效和更经济的替代方案。 并且， 复合材料的研发进展也 比较缓慢。 而数据的传输成为限制计算机性能的主要因素 。 对于片上和 板上的高速数据传输， 当信号速率接近 10 X 10 ⁹ b/s， 传输线的趋肤效应和 自感效应等固有特性开始显著。 传输的比特之间更难区分， 正确解码的 概率降低， 同时信号完整性恶化严重。 随着在传输线上的传输， 方波会 变宽和变弱。 有时衬底的色散效应会比铜传输线自身色散更 强， 更加限 制了系统性能。 这些因素使铜线用于传输的距离大大减小。 一般地， 这 些问题可以通过预失真、 有源幅度均衡器和时钟恢复等来弥补。 但是， 用于时钟恢复的电路模块、 有源均衡器和预处理器会相应增加功耗。 此 外， 为了获得更高的吞吐量， 单纯通过增加铜总线的宽度也是不可行的。 因为总线宽度的增加， 通道数量减低和功耗的增加， 同时需要接地的输 入 /输出端口的增加。

替代铜总线的一个潜在的选择是光总线。 在多模光纤或者对某个波 段的信号没有恶性衰减或畸变的聚合物波导上 ， 信号的传输距离可以达 到几厘米甚至几米远。 但光总线数据传输时单比特消耗更多的能量。 虽 然新的激光源可以直接调制到 30 X 10 ⁹ b/s左右， 并有足够的可靠性。 但 这样做的代价昂贵的， 而且可能承担不确定性。 最重要的是， 光总线仍 然没有可以大规模生产的、 可靠经济的成熟集成工艺。

Satoshi Fukuda 等的文章 " A 12.5+12.5Gb/s Full-Duplex Plastic Waveguide Interconnect" (ISSCC2011 ) 介绍了一种毫米波波导通信系统。 图 1 为现有技术毫米波波导通信系统中传输波导的 结构示意图。 如图 1 所示， 该传输波导采用了塑料材料， 其介电常数 Er=2.6。 每一根塑料波 导的宽度为 8mm，厚度为 l .lmm。信号馈入端的偏移量（offset)为 2mm。 塑料波导所传输的毫米波绝大部分被限制在塑 料波导内。 此外， 上述方 案中的射频收 /发机用的是比较通用的电路模块， 使用注入锁定的方法取 代了高能耗的锁相环， 来产生同歩载波。

然而， 申请人意识到上述的毫米波通信系统存在如下 技术缺陷： （1 ) 塑料波导的外表面存在毫米波泄漏的现象， 导致塑料波导周围有外泄的 电场， 大约延伸一个波长， 为了减小外泄电场的耦合， 波导之间必须要 有足够的距离， 这间接的增大了波导尺寸， 减小波导数量； （2 ) 在波导 的两端， 存在毫米波反射的现象， 从而导致待传输信号的质量下降； （3 ) 塑料波导的折射率较低， 使得信号通道的特征尺寸变大， 波导的尺寸变 大， 导致有限范围内的波导数减少； （4 ) 用来产生毫米波载波的混频器， 压控振荡器， 都为纯电路构造， 增加了整个毫米波通信系统的功耗和噪 声， 特别是解调电路的相位噪声， 导致传输的误码率提高， 间接影响待 传输信号的调制速率。 上述四点技术缺陷均从一定程度上影响了数据 带 宽， 降低了总的数据吞吐量， 不适宜像高性能计算机这样的系统。 发明内容

(一） 要解决的技术问题

针对上述问题， 本发明提供了一种毫米波通信系统， 以提高通信系 统的数据带宽和数据吞吐量。

(二） 技术方案

根据本发明的一个方面， 本发明公开了一种毫米波波导通信系统， 包括： 时钟组件、 至少两组毫米波收 /发通道。 其中： 时钟组件， 用于为 至少两组毫米波收 /发通道的发送端和接收端分别提供时钟信号� � 每一组 毫米波收 /发通道包括： 发射器组件、 传输波导和接收器组件， 其中： 发 射器组件， 用于利用待传输信号对发送端同歩载波进行调 制， 产生毫米 波信号， 并将该毫米波信号耦合至传输波导； 接收器组件， 用于从传输 波导中检测携带待传输信号的毫米波信号， 利用接收端同歩载波对该毫 米波信号进行解调， 获得上述待传输的信号； 传输波导， 位于发射器组 件和接收器组件之间， 用于提供毫米波传输的通道， 该传输波导的顶面、 侧面和 /或底面上除有源器件及其附件以外的区域镀� �金属导电壁， 以形 成与相邻毫米波收 /发通道中传输波导的电磁屏蔽。

(三） 有益效果

从上述技术方案可以看出， 本发明毫米波波导通信系统工作毫米波 频段， 调制后的毫米波通过传输波导进行传输。 本发明毫米波导波通信 系统具有下列有益效果：

( 1 ) 传输波导的表面除有源器件及其附件以外的区 域， 镀有一层金 属导电壁， 从而使信号通道之间相互屏蔽， 使其在高速通信时可以把通 道间的串扰最小化；

(2) 在传输波导的两侧形成反射抑制结构， 以抑制毫米波反射， 提 高待传输信号的信号质量；

(3 ) 采用折射率较高的材料， 如硅、 陶瓷等来制备传输波导， 从而 在其中传输的信号的波长变短， 使得信号通道的特征尺寸变小， 集成度 变高， 可以满足高密度高速度的互连要求；

(4) 全局光时钟提供网络相干的， 频率自动跟踪的低相位噪声的时 钟信号， 从而对于高阶数字调制， 例如可能使用的 64 正交幅度调制

(64QAM), 也会有较低的误码率， 从而达到超高的数据传输速率。 附图说明

图 1为现有技术毫米波波导通信系统中传输波导� �结构示意图； 图 2为本发明实施例毫米波波导通信系统的结构� �意图；

图 3A 为本发明实施例毫米波波导通信系统中传输波 导的第一剖面 示意图；

图 3B为本发明实施例毫米波波导通信系统中传输� ��导的第二剖面示 意图；

图 3C是本发明实施例毫米波波导通信系统中传输� ��导末端切面的示 意图；

图 4 是本发明实施例毫米波波导通信系统中时钟组 件中全局光时钟 的结构示意图；

图 5是将图 2中毫米波波导通信系统集成在处理器与存储� �平台上 的示意图。

【主要元件符号说明】

100-传输波导；

100a, 100b和 100c-传输波导的顶面、 底面和侧面；

100d-波导的末端面； 110-反射抑制结构；

210-毫米波发射器；

220-信号发送天线；

221-信号发送天线导电部； 222-信号发送天线绝缘部； 310-毫米波接收器；

320-信号接收天线；

321-信号接收天线导电部； 322-信号接收天线绝缘部； 400-时钟系统；

410-全局光时钟；

411-输入光纤； 412-第一输入耦合棱镜组；

413-偏光器； 414-旋光晶体；

415-调制信号； 416-参考电压源；

417-与 403呈 90度极化的偏光器；

418-第二输出耦合棱镜组； 419-输出光纤；

420-光纤；

430-发送端光检测器；

440-接收端光检测器；

510-三维堆叠的存储器电路；

520-电信号线

530-垂直电导结构； 540-发送端同歩载波信号；

550-接收端同歩载波信号；

560-处理器电路； 具体实施方式

为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体 实施例， 并参照附图， 对本发明进一歩详细说明。 需要说明的是， 虽然 本文可提供包含特定值的参数的示范， 但应了解， 参数无需确切等于相 应的值， 而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似 于所述值。

本发明毫米波波导通信系统中， 在波导的表层设计防止毫米波泄露 的导电壁， 减小外泄电场的耦和； 在波导端面设计防止毫米波反射的结 构， 提高信号传输质量； 采用硅材料波导， 提高了传输波导的集成度。 同时， 全局光时钟可以为每组毫米波收 /发通道上的发射器组件与接收器 组件提供相干的， 频率和相位自追踪的本地时钟信号， 由于全局光时钟 提供的本地时钟信号具有非常低的相位噪声， 这意味着对于高阶调制， 仍然有较低的误码率， 从而有很高的数据传输速率。

在本发明的一个示例性实施例中， 提出了一种毫米波波导通信系统。 图 2为本发明实施例毫米波波导通信系统的结构� �意图。 如图 2所示， 本实施例包括： 一时钟组件、 至少两组毫米波收 /发通道 （在图 2中为三 组， 实际应用中一般为 10至 50组）。 每一组毫米波收 /发通道包括： 发射 器组件、 传输波导和接收器组件。

时钟组件， 用于为每一组毫米波收 /发通道的发射端组件和接收端组 件提供同歩载波。 在本发明优选的技术方案中， 该时钟组件包括： 全局 光时钟 410、 光纤 420、 发射端光检测器 430和接收端光检测器 440。 其 中， 由全局光时钟 410产生的光时钟信号通过光纤 420分别传输到位于 发射端和接收端的光检测器 430和 440， 在光检测器 430和 440中， 光时 钟信号被转换为电时钟信号， 并分发至到每一个毫米波收 /发通道的毫米 波收发器组 210/310中。为方便识别，图 1中的电时钟信号通过虚线表示， 光时钟信号通过加黑实线表示。 关于全局光时钟的具体结构， 将在下文 中详细阐述。 在本发明优选的实施例中， 采用光 /电结合的时钟组件来提 供毫米波发射器与毫米波接收器的同歩载波。 本领域的技术人员应当清 楚， 在带宽要求不是很高的情况下， 也可以全部采用电时钟信号提供同 歩载波的形式， 同样不会影响本发明的实现。

传输波导 100， 位于毫米波发射器组和毫米波接收器组之间， 用于提 供毫米波传输的通道。 用于传输毫米波的传输波导 100 的材料是硅， 也 可以是高介电常数和低磁导率的绝缘体 A1 ₂ 0 ₃ ， Si0 ₂ ， 有机聚合物 （如铌 酸锂等）， 陶瓷材料 （陶瓷材料的成份中， 大部分是 A1 ₂ 0 ₃ ， 也包括少量 的 SK32) 等。 优选地， 传输报道的材料为硅， 毫米波在硅材料中的传输 损失已被报道过， 该传输损失约在 0.1dB/cm ~ 0.9dB/cm， 这个较小的衰 减特性确保了信号在传输波导中的最优传输条 件。

图 3A 为本发明实施例毫米波波导通信系统中传输波 导的第一剖面 示意图。图 3B是本发明实施例毫米波波导通信系统中传输� ��导末端切面 的示意图。图 3C为本发明实施例毫米波波导通信系统中传输� ��导的第二 剖面示意图。 其中， 图 3A的剖面与图 3C的剖面相互垂直。

如图 3A所示， 传输波导的两端具有反射抑制结构 110。 反射抑制结 构 110 可以为波导的两端形成的尖锥形结构， 该尖锥形结构可以抑制毫 米波反射的发生。此外，也可以采用附着在传 输波导两端的吸波材料（金、 铝或者铁氧体等 ） 层等其它方法进行毫米波反射抑制。

如图 3B所示， 传输波导宽度大约是高度的 3倍。 大量毫米波导可以 并列水平排布或纵向叠层排布， 而不限于图示中的三根波导。 并且， 该 毫米波波导的形状还可以为半圆形、 半椭圆形、 圆形或梯形， 此处不再 详细描述。

如图 2、 图 3A、 图 3B及图 3C所示， 该传输波导 100的顶面 100a、 侧面 100c和 /或底面 100b上镀一层金属形成导电壁 （如金， 铜， 铝等）， 以此形成波导之间的电磁屏蔽。 当然， 本领域技术人员应当明白， 有源 器件 （例如图 5 中提到的处理器、 存储器或其它有信号传输要求的有源 芯片） 及其附件区域不能镀金属导电壁， 以免影响有源器件所产生信号。 通常情况下， 采用了导电壁的矩形波导的间隔为根据装配设 备的工艺条 件， 可以减少至 10微米或以下。 此外， 当该传输波导为有机聚合物材料 形成时， 需要适当控制形成金属导电壁的温度， 以在形成该金属导电壁 时不破坏传输波导本身的结构。

发射器组件， 用于利用待传输信号对同歩载波信号 540进行调制， 产生毫米波信号， 并将该毫米波信号耦合至传输波导 100。该毫米波发射 器组包括： 毫米波发射器 210和信号发送天线 220。

接收器组件， 用于从传输波导 100 中检测携带信号的毫米波信号， 利用接收端同歩载波信号 550 对该毫米波信号进行解调， 从而获得上述 待传输的信号。 该毫米波接收器组包括： 信号接收天线 310 和毫米波接 收器 320。

一般情况下， 信号发送天线 220和信号接收天线 310集成于传输波 导内， 而毫米波发射器 210与毫米波接收器 310可以采用多种方式集成 到传输波导上或传输波导内， 如使用倒装悍（Flip-chip) 的形式， 通过回 流工艺将发射器组件 /接收器组件悍接至传输波导上表面， 形成电接触。 此外， 精于毫米波硅射频技术的人同样熟知毫米波发 射器 210 与毫米波 接收器 310可以通过 CMOS工艺集成在传输波导内。例如， Kenichi Okada 等的文章 " A 60GHz 16QAM/8PSK/QPSK/VPSK , Direct-Conversion Transceiver for IEEE 802.15.3c" (ISSCC, Page 160, March 2011 ) 介绍了 工作在 60GHz频带、 幅度和相位调制系统中硅 CMOS的性能。为简单器 件， 下文以发射器组件 210与接收器组件通过 CMOS工艺集成在传输波 导为例进行说明。

如图 3A及图 3B所示， 毫米波发射器 210和信号发送天线 220， 及 信号接收天线 320和毫米波接收器 310均是直接集成在波导上的。 信号 发送天线 220包括： 导电部 221， 集成于传输波导内， 用于将毫米波信号 发射进传输波导 100; 绝缘部 222， 设置于信号发送天线导电部 221的外 围， 用于实现信号发送天线导电部 221与传输波导 100的电气隔离。 同 样， 信号接收天线 320包括： 导电部 321， 集成于传输波导内， 用于从传 输波导 100中检测毫米波信号； 绝缘部 322， 设置于信号接收天线导电部 321的外围，用于实现信号接收天线导电部 321与传输波导 100的电气隔 在传输波导中发射和检测毫米波可以用多种方 法实现， 熟悉毫米波 技术的工程师对这些方法是非常了解的。 在信号耦合领域， 同轴线探针 天线、 单极天线结构和双极天线结构的方法最为人熟 知， 同轴线探针天 线可以通过欧姆接触， 直接将毫米波信号馈入传输波导， 例如毫米波在 微带线中的传输。 最近 John Papapolymerou 等的文章 " Design and Characterization of a W-Band Micromachined Cavity Filter Including a Novel Integrated Transition From CPW Feeding Lines," (IEEE Transactions and Microwave Theory and Techniques , Vol 55 , No.12， Page2902, Dec2007 ) 就是用同轴线探针发射和检测毫米波的典型例 子。 而单极天线结构或双 极天线结构将电磁波馈入波导体内， 此时电磁波的传输被限定在波导的 尺寸范围之内。 Satoshi Fukuda等的文章 （IEEE International Solid-State Circuits Conference, Page 150, March 2011 )介绍了嵌入到聚苯乙烯材料的 毫米波波导中的天线结构。

在时钟组件中， 优选地采用光电结合的方式提供同歩载波信号 。 高 误码率的缺点可以通过全局光时钟得到改善， 全局光时钟可以为毫米波 收 /发通道提供本地电时钟信号， 并且有强相干性和低相位噪声。 实现全 局性光时钟有很多方式。 图 4 是本发明实施例毫米波波导通信系统中时 钟组件中全局光时钟的结构示意图。 如图 4所示， 该全局光时钟包括： 输入光纤 411， 用于输入连续光信号； 第一耦合棱镜组 412， 用于将输入 光纤 411输入的光信号投影至偏光器 413上； 偏光器 413， 用于滤除预设 偏振方向之外其他偏振方向的光信号， 使连续光信号转换为连续的偏振 光信号； 旋光晶体 414， 位于偏光器 413的光路后方， 用于在旋光控制器 415的控制信号作用下， 将连续的偏振光信号转换为脉冲的偏振光信号 ， 并将该连续的偏振光信号的偏振方向旋转 90度； 旋光控制器 415， 用于 提供旋光晶体的控制信号； 参考电压源 416: 用于提供旋光晶体工作所需 的电源； 偏光器 417， 位于旋光晶体 414的光路后方， 用于仅允许与偏光 器 413的偏振方向呈 90的偏振光通过； 第二耦合棱镜组 418， 用于将偏 光器 417输出的光信号投影在输出光纤 419上； 输出光纤 419， 用于将光 信号输出为同歩光时钟信号。

此外， 还可以采用如下的方式产生光时钟信号： （1 ) 用光源信号与 外置的马赫-曾德干涉仪实现（Mach-Zehnder); (2)对半导体激光器的正 向偏置电流直接进行调制； （3 ) 使用偏光镜对旋光晶体中的光传输相位 进行调节等。 对于这些类型各全局光时钟的原理和具体结构 ， 本领域技 术人员应当很清楚上述结构，此处就不再进行 叙述。而对于传输光纤 420、 发送端光检测器 430和接收端光检测器 440，其采用的均为现有技术中已 有的组件， 此处也不再赘述。

全局光时钟提供了网络相干性、 频率的自动追踪， 减少了电路中的 元件， 同时减小了功耗和相位噪声。 在有些应用中， 其功耗和铜总线相 当， 甚至更小。 本发明的毫米波波导通信系统可以应用于主存 储器与处 理器之间的数据 "存"和 "取"。 毫米波总线的关键特点是它使用了广泛 分布的光时钟， 这大大简化了射频电路系统， 同时为高阶调制提供了低 相位噪声的时钟信号， 这使得在误比特率低于 10- ¹² 的情况下， 符号的 传输速度超过 10 X 10 ⁹ 符号每秒，并且每个符号可以携带 4或 6个比特的 信息。 例如相移键控 （PSK) 和正交幅度调制 （QAM) 等编码解码方法 可以用来对单符号进行多比特编码。 高阶符号调制和低的误比特率意味 着高的信噪比 （S/N) 和低的相位噪声。

图 5是将图 2中毫米波波导通信系统集成在处理器与存储� �平台上 的示意图。 如图 5所示， 传输波导 100用于毫米波传输， 起到重分布作 用的互连线用来互连处理器 560和三维堆叠的存储器 510。三维堆叠的存 储器电路 510和毫米波发射器 210相连， 毫米波发射器 210与毫米波接 收器 310通过传输波导 100进行数据传输， 毫米波接收器 310与处理器 560相连。同时， 图 5还展示了通过硅平台传输数据的垂直电导结� � 530。 电信号线 520代表从存储器 510到毫米波发射器 520或从毫米波接收器 310到处理器 560的电连接。

对于封装好的处理器芯片的一边长度达到厘米 量级， 毫米波的通道 可以有 4cm宽， 并排的传输波导数量最多可以达到 100组左右， 优选地 为 100、 80、 75、 60、 50、 45、 30、 10、 5、 2组。 表 1为已经实现的毫 米波波导通信系统中传输波导特征尺寸的表格 。

表 1 几种毫米波波导通信系统中传输波导特征尺寸

3 4cm 0. 1mm 1mm 0.2 mm >30个

4 4cm 0. 1mm 2mm 0.4 mm >15个 毫米波波导通信系统的吞吐总量由总线中通道 的个数和每个通道的 吞吐量决定。 对于本专利中提到的毫米波波导通讯系统， 单通道带宽可 以达到 40Gb/s以上， 这大约是当前最好的铜总线带宽的 2.5倍， 数据吞 吐量等对于单一芯片可以达到数十个 Tb/s。

本发明可用作处理器与存储器之间数据传输总 线， 波导阵列构成总 线结构， 数字编码的毫米波通过波导阵列进行数据传输 。 此外， 高性能 系统中， 通过引入 "全硅数据总线 " 的概念， 使有些系统在设计时预留 这种总线接口， 从而使小的标准化的计算模块可以接入到高性 能系统中， 从而使这样的计算模块变得通用。 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进 行了进一歩详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施 例而已， 并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的 任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。