基于人工磁导体的芯片内/芯片间无线互连单极子天线传输特性研究

杨曙辉,李邓化，陈迎潮,王文松,3,汪海鹏,陈文瀚,冯梦璐,贺学忠

(1.中国传媒大学理工学部通信工程系，北京 100024； 2.南卡罗来纳大学电气工程系，哥伦比亚 SC29208；3.南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 210016； 4.北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101；5.北卡罗来纳大学格林斯堡分校文理学院，格林斯堡 NC27412)

基于人工磁导体的芯片内/芯片间无线互连单极子天线传输特性研究

杨曙辉1,2,李邓化4，陈迎潮2,王文松2,3,汪海鹏4,陈文瀚4,冯梦璐4,贺学忠5

(1.中国传媒大学理工学部通信工程系，北京 100024； 2.南卡罗来纳大学电气工程系，哥伦比亚 SC29208；3.南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 210016； 4.北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101；5.北卡罗来纳大学格林斯堡分校文理学院，格林斯堡 NC27412)

提出了一种新的用于芯片内/芯片间无线通信系统中的基于人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)结构的单极子管脚天线阵列模型.印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)采用厚度3mm的FR4介质，形状为边长50mm正方形.4个单极子天线分布在PCB基板中心15mm×15mm的正方形各顶点上，代表4个芯片的4个管脚.天线为铜材质，长度2.6mm，直径1.5mm.在PCB介质中嵌入了一个周期性人工磁导体铜质平面，4个单极子天线形成一个4端口网络.在仿真基础上，进了实物加工测试.实测结果表明，具有AMC的天线阵列回波损耗(S11)-10dB频带为13.02GHz～15.73GHz；在14.22GHz处，S11的幅度达到最小值-27.25dB，S21、S31、S41分别为-26.26dB、-19.23dB、-21.14dB.与不含AMC结构的天线阵列相比，S参数得到了有效改善，其中S11改善了约3.63dB，S21、S31、S41分别提高了2.05dB、7.21dB、5.28dB.验证了在PCB介质中嵌入AMC结构，可以有效提高单极子天线间的电压传输系数，增加信号的功率传输增益.

人工磁导体；芯片内/芯片间无线互连；单极子天线；散射参数；功率传输增益

1 引言

随着集成电路规模越来越大，芯片间通过管脚以及金属互连线连接所引起的信号反射、串扰等信号完整性问题日趋突出[1,2].为解决这个问题，国内外学者不断提出一些用于芯片内/芯片间互连的新概念、新方法：基于传输线的射频(RF)互连[3]、电感耦合互连[4]、电容耦合互连[5]、3D互连[6]、光互连[7]以及基于片上天线的无线互连[8,9]等.这些互连新方法，局限于改造芯片内电路，缺乏考虑PCB级电子系统结构问题.为此，本课题组提出利用PCB作为通信信道介质，改造芯片管脚为微型收发天线，实现芯片间无线互连的构想[10].不足之处是所验证的无线互连距离最长仅为14.14mm，且4个单极子天线间的电压传输系数偏低.

为了进一步提高无线互连距离，改善单极子天线在PCB介质中的传输特性，本文提出了一种基于人工磁导体的芯片内/芯片间无线互连单极子天线阵列设计方法.人工磁导体也称为高阻抗表面(High-Impedance Surface，HIS)，具有同相反射特性[11]，可用于改善天线性能[12～15].例如，文献[12]利用人工磁导体减少了硅基集成电路衬底损耗影响，提高了片上圆极化天线性能.文献[13]设计了一种包含AMC的吸波材料，应用于微带天线，有效降低了天线雷达散射截面(RCS).文献[14]采用棋盘结构AMC，使天线的相对工作带宽提高到51.9%.图1所示为本文设计的基于人工磁导体的芯片内/芯片间无线互连结构示意图.其中芯片A、芯片B各包含两个由芯片管脚改造成的单极子收发天线，利用嵌入PCB介质(FR4)中的人工磁导体结构，使反射波与入射波同相叠加.仿真及电路实物测试结果表明，采用AMC结构可有效改善发射天线的输入回波损耗，提高天线间的电压传输系数，增加信号功率传输增益.

2 基于PCB介质的芯片间无线互连模型

2.1 不含人工磁导体的4单极子天线阵列

作为对比，本文首先设计一种基于FR4介质(相对介电常数εr=4.4、损耗角正切tanδ=0.02)的4单极子天线阵列模型，分别代表了芯片1、2、3、4的各1个管脚天线(A1、A2、A3和A4)，如图2所示.信号馈线为同轴电缆，PCB顶层的有限地连接同轴电缆的屏蔽地线.PCB基板是边长为50mm的正方形，厚度3mm，4个单极子天线分布在PCB基板中心15mm×15mm的正方形各顶点上.天线的长度为2.6mm，直径1.5mm，材质为铜，中心工作频率17.6GHz.

采用HFSS电磁软件对图2中的天线阵列模型进行了全波仿真.设置天线1为发射天线，其余三个为接收天线，通信信道主要为PCB介质，得到的发射天线三维辐射及方向性如图3所示.

从图3中可以看出，受有限地及PCB介质的影响，单极子天线的辐射图已不再是空气中单极子天线的半球形辐射，改变为压扁的形状，此时天线的增益峰值为1.745dBi，方向性系数为2.064dB.设置4个单极子天线形成一个4端口网络，图4所示为仿真得到的天线间S参数曲线.其中S11为发射天线(天线1)的回波损耗，S21、S31、S41分别代表了三个接收天线和发射天线间的插入损耗，表示三个接收天线从发射天线处获得了多少能量.S11幅度小于-10dB的频带为16.8GHz～18.6GHz；在17.6GHz处，S11达到最小值-26.473dB；S21、S31、S41的幅度分别为-30.061dB、-25.329dB、-25.348dB.由于天线2距离天线1最远，接收到的能量最少；天线3、天线4与天线1的距离相等，结构对称，因此插入损耗曲线重合相等.

根据文献[16]中Friis传输方程，对于自由空间中两个单极子天线，接收天线(i端口)接收到的功率Pr与发射天线(j端口)发射功率Pt之间满足以下关系：

=(1-|Γt|2)×(1-|Γr|2)×[GtGrλ2/(4πR)2]

(1)

其中，λ为波长；R为两个天线间的直线距离；Γt、Gt和Γr、Gr分别为发射天线和接收天线的反射系数以及增益(单位为dB).另有S参数定义为：

(2)

结合式(1)和式(2)，可根据发射端电压计算得到接收端信号电平.需要注意的是式(1)是在不考虑损耗的情况下得出的结论，而在图2所示的天线阵列中，需考虑介质损耗，此时若以天线1和天线2为例，两个天线间传输的功率增益Ga可通过下式计算[17]：

(3)

其中，α为考虑了介质损耗的衰减常数.如以分贝形式表示，式(3)变为：

(4)

由式(3)、式(4)可知，两个天线间的功率传输增益与发射天线、接收天线的电压反射系数(回波损耗)有关，还与天线间的电压传输系数(插入损耗)有关.因此当天线的输入阻抗匹配达到一定程度时，提高天线间的电压传输系数，将有利于提高天线间的功率传输增益，改善接收性能.由于图2中的4个单极子天线尺寸相同，且PCB基板为正方形，4个天线结构对称，如果忽略加工误差，可认为这4个天线的回波损耗基本是相等的，即：|S11|=|S22|=|S33|=|S44|，则式(4)可简化为：

(5)

当发射天线处于谐振辐射状态时，输入阻抗处于良好匹配状态，在工作频率处的回波损耗S11的幅度一般小于-10dB.因此，1-|S11|2≈1，则两个天线间的传输增益可进一步简化为：Ga(dB)≈2×10lg|S21|，由此可见，当天线的输入阻抗匹配良好情况下，天线间的功率传输增益将主要由天线间的电压传输系数的幅度所决定.

2.2 人工磁导体

AMC平面可对特定频段的电磁波产生有益的同相反射，产生增强电磁波辐射的效果.针对单极子天线工作频率为17.6GHz，根据文献[12]，本文设计的AMC单元结构及尺寸如图5(a)所示.正方形单元的边长a=4.8mm，金属图案由长l=4.4mm，宽w=0.6mm的米字形线条及边长b=2.25mm的正方形组成.图5(b)为AMC周期性单元在HFSS中的仿真模型，通过仿真充满空气的单端口波导的散射参数，可以计算AMC结构的反射波相位特性.其中的左边图表示AMC的形状及波端口激励，中间图表示腔体的左右壁为理想电导体(PEC)，右边图表示前后壁为理想磁导体(PMC).

AMC单元周期性地排布起来，形成频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)[18]或高阻抗表面，可通过传输线理论和周期性电路进行分析[12].通过设计AMC的结构尺寸可得到不同的谐振频率.图6显示的是电磁波入射到AMC结构时反射波相位特性曲线，在工作频率17.6GHz处，相位为0°.

2.3 基于人工磁导体的芯片间无线互连结构模型

构建图7所示具有AMC层的芯片无线互连单极子天线阵列模型，其中AMC铜质平面嵌入介质内距离底面0.3mm处.

与图2相比，图7保持了4个单极子天线的尺寸及在PCB上的相对位置，主要进行了如下改进：(1)在PCB介质顶层增加了完整的接地板，可减少电磁信号辐射到介质外；(2)在介质中间，距离顶层2.7mm处，嵌入了AMC结构层，PCB介质总厚度仍保持3mm.对图7(b)的结构进行全波仿真，天线1为发射天线，其余3个为接收天线，得到图8所示的单极子发射天线辐射图.

从图8中可以看出，在人工磁导体作用下，单极子天线辐射不同于图3中的形状，提高了方向性.此时天线的增益峰值略降为1.158dBi，但方向性系数提高为2.648dB.同样设置4个单极子天线形成4端口网络，图9所示为天线间S参数曲线，可以看出受人工磁导体的影响，天线工作频率向高频段略有偏移，S11幅度小于-10dB的频带为17.75GHz～18.53GHz；在18.1GHz处，S11达到最小值-16.603dB；S21、S31、S41的幅度分别为-16.111dB、-20.417dB、-20.614dB.与不含人工磁导体的单极子天线阵列的S参数仿真结果相比，可以看出三个接收天线与发射天线间的电压传输系数都有较大幅度提高，特别是S21提高了约14dB,S31、S41分别提高了4.9dB和4.7dB.天线间S参数的改善，将增加天线间的功率传输增益，提高信号传输性能.

作为对比，本文还给出了去掉PCB介质中的AMC，保留顶层完整接地板平面时，4个单极子天线间的S参数仿真结果，如图9(b)所示.可以看出，此时的发射天线(天线1)的回波损耗都大于-10dB，无法正常工作.由此可见，仅有顶层完整接地板，没有人工磁导体平面无法保证单极子天线间的正常无线通信.

3 电路实物加工及测试分析

在仿真基础上，设计加工了天线阵列电路实物，并采用Agilent矢量网络分析仪进行了S参数测试，如图10所示.图10(a)为不含AMC的印制板电路(介质为FR4，厚度3mm)，正面没有完整的地平面，只包含SMA端子的有限地.SMA的信号针长度为2.6mm，作为单极子天线，从背面图可以看出天线处于介质内.图10(b)为含有AMC结构的印制板电路，正面为完整地平面，背面图中可以看出AMC结构嵌入于PCB介质中.图10(c)为天线阵列S参数测试环境.

图11(a)所示为不含AMC的天线阵列S参数实测结果.可以看出S参数的趋势与图4中仿真结果基本吻合.由于实测采用SMA信号针的直径为1mm，不同于仿真设置的直径1.5mm，因此工作频率向高频段略有偏移.

实测结果表明，S11幅度小于-10dB的频带为16.76GHz～20.04GHz，在18.21GHz，S11的幅度达到最小值-24.62dB；S21、S31、S41分别为-28.31dB、-26.43dB、-26.42dB，S31与S41基本相等.含有AMC电路S参数实测结果如图11(b)所示.由于AMC层的影响，S11幅度小于-10dB频带为13.02GHz～15.73GHz，在14.22GHz处，S11幅度达到最小值-27.25dB；S21、S31、S41分别为-26.26dB、-19.23dB、-21.14dB.

对比图11(a)和(b)，可以观察到：采用AMC结构天线阵列的S11改善了3.63dB；S21、S31、S41分别提高了2.05dB、7.21dB、5.28dB.实测结果验证了人工磁导体可以有效提高单极子天线阵列的电压传输系数，有利于增加天线间信号传输增益，同时也进一步验证了基于PCB介质实现芯片内/芯片间无线互连的可行性.与仿真结果相比，S21改善程度有所降低，且S31和S41存在较小的误差，原因在于SMA端子的信号针标准长度为3.5mm，为了进行本文中的测试，采用人工方式截短为2.6mm，形成单极子天线，存在一定的加工误差.

4 结论

针对基于PCB介质的芯片内/芯片间无线互连系统，本文提出利用人工磁导体结构改善单极子天线间的功率传输增益.仿真结果表明，不含AMC的单极子天线方向性系数为2.064dB.采用AMC结构后，单极子天线方向性系数提高为2.648dB.电路实测结果表明，具有AMC的天线阵列与不含AMC的天线阵列相比，散射参数得到有效改善，其中S11改善了约3.63dB，S21、S31、S41分别提高了2.05dB、7.21dB、5.28dB.仿真及实测结果验证了在PCB介质中嵌入AMC结构层，可以有效提高单极子天线间的电压传输系数，增加发射天线和接收天线间信号功率传输增益，该方法使得基于PCB介质实现芯片内/芯片间无线互连结构的可行性研究又有进一步的发展.

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杨曙辉(通信作者) 男，1971年3月出生于黑龙江宝清县，现为中国传媒大学理工学部教授，主要研究方向为射频通信、高速电路信号完整性、人工电磁材料等.

E-mail:huishuyang@sina.com

李邓化 女，1956年3月出生于河南南阳市，现为北京信息科技大学教授，主要研究方向为信息获取与处理等.

陈迎潮 男，1956年1月出生于江苏 省南京市，现为美国南卡罗来纳大学教授，主要研究方向为计算电磁学、高速电路信号完整性、人工电磁材料等.

王文松 男，1986年2月出生于河南邓州市，博士研究生，主要研究方向为射频集成电路、高速电路信号完整性等.

汪海鹏 男，1989年10月出生于北京市，硕士研究生，主要研究方向为射频放大器及无源器件等.

陈文瀚 男，1990年9月出生于河南省信阳市，硕士研究生，主要研究方向为微带天线、片上天线等.

冯梦璐 女，1991年10月出生于湖南省岳阳市，硕士研究生，主要研究方向为射频通信系统及微波滤波器等.

贺学忠 男，1970年5月出生于河南省洛阳市，现为美国北卡罗来纳大学格林斯堡分校研究员，主要研究方向为半导体器件、人工电磁材料等.

Study of Signal Transmission Characterices of Monopole Antennas Applied for Wireless Intra-/Inter-chip Connection Based on Artificial Magenetic Conductor

YANG Shu-hui1,2,LI Deng-hua4,CHEN Yin-chao2,WANG Wen-song2,3,WANG Hai-peng4, CHEN Wen-han4,FENG Meng-lu4,HE Xue-zhong5

(1.FacultyofScienceandTechnology,CommunicationUniversityofChina,Beijing100024,China; 2.DepartmentofElectricalEngineering,UniversityofSouthCarolina,Columbia，SouthCarolinaSC29208,USA; 3.CollegeofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing，Jiangsu210016,China; 4.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100101,China; 5.CollegeofArtsandSciences,UniversityofNorthCarolinaatGreensboro,GreensboroNC，NorthCarolina27412,USA)

A new type of monopole pin antenna array model based on an artificial magnetic conductor (AMC) structure is proposed in this paper,which will be potentially used in a wireless intra-/inter-chip (WIIC) communication system.The PCB substrate is FR4 with the thickness of 3mm and its square area is 50mm by 50mm.On the PCB center,the four monopole antennas for four chips are mounted at the four corners of a square with dimensions of 15mm×15mm.The pin antennas are made of copper with the length of 2.6mm and the diameter of 1.5mm.A periodical AMC copper plane is embedded above the lower PCB plane.The four monopole antennas form a four-port network.Based on this WIIC prototype simulation and prediction,its actual circuits are fabricated and measured.It is found that from the measurement the -10dB bandwidth of the return lossS11ranges from 13.02GHz to 15.73GHz for this proposed antenna array.At 14.22GHz the magnitude ofS11reaches the minimum value of -27.25dB,and the measuredS21,S31,S41are -26.26,-19.23,and -21.14dB,respectively.In comparison to the antenna array without an AMC,the scattering parameters are improved effectively.TheS11is enhanced about 3.63dB andS21,S31,andS41increase 2.05,7.21,5.28dB,respectively.Consequently,it is demonstrated that the embedded AMC structure in the PCB dielectric can significantly improve the signal voltage transmission coefficients between monopole antennas and increase the signal power transmission gains.

artificial magnetic conductor;wireless intra-/inter-chip connection;monopole antenna;scattering parameters;power transmission gain

2015-02-07；

2015-11-07；责任编辑：梅志强

国家自然科学基金(No.61171039)；国家重点基础发展研究计划(973计划)子课题(No.6132240101)

TN43

A

0372-2112 (2016)12-2861-07

��学报URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.12.008