一种传输线的新用途

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我们开发了利用电极间近场电磁场的高速非接触通信技术。该技术可用来使SSD及显示器等与主板间的连接器变为非接触式，或微处理器与DRAM模块实现无线连接。

       作为近距离非接触通信技术，常见的方案是利用线圈磁场耦合的技术，主要应用领域为层积硅芯片间的通信。与TSV（硅通孔）相比，这种方法有望以低成本实现高速通信。利用磁场耦合的芯片间非接触通信在数十μm的通信距离上，每通道的数据传输速度已经有过30Gbit/秒的先例。

       不过，利用磁场耦合的非接触通信技术，当通信距离达到mm级后，存在带宽会大幅缩窄的课题。因为线圈的寄生电容分量会造成自谐振。以1mm通信距离为例，以前报告的最大数据传输速度为每通道1.2Gbit/秒（非多值化时）。要想利用磁场耦合实现10Gbit/秒级的通信，通信距离最好能缩短到0.1mm以下。

利用对向布线间的电磁场
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0 q! i9 k( L. z" X5 ?       为此，我们开发出了利用对向布线间产生的电磁场传输信号的耦合器（图1），取名为“传输线路型耦合器（TLC：Transmission Line Coupler）”。TLC的带宽取决于耦合器的线路长度。因此，与使用线圈的磁场耦合方式不同，即使通信距离达到数mm也能高速通信。
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$ Y/ }( Q" t6 p, o9 u图1：TLC（Ttransmission Line Coupler）的概要

9 A, x) j% `5 o' J- E' S       由于仅在对向布线间产生电磁场，因此还具有电磁场不会向天线那样向远处散播的优点。经确认，在距TLC约5mm处的电磁波强度，最大仅-56dBm。
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       TLC的收发器构成和误码率（BER：bit error rate）等基本特性，与原来的有线通信技术基本相同（图2）。并且，不必像通常的无线通信技术那样利用天线传播电波。因此，与普通的无线通信技术相比，BER仅9位数左右，1bit的耗电量仅2位数左右。
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; F( b3 D, |3 Y  F& E  o+ n$ v图2：TLC收发器的构成和仿真波形
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9 B" y, S+ \6 \* T       TLC与磁场耦合型非接触通信技术一样，具备带通特性。由此，直流分量被去掉，接收波形变成微分波形。与磁场耦合型通信一样，使用接收端设置的迟滞锁存电路，将接收的微分波形复原为NRZ（non-return-to-zero）信号。
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以12.5Gbit/秒的速度与DRAM通信

       为了利用TLC技术进行1mm距离的非接触通信，我们采用90nm工艺CMOS工艺试制了收发IC（图3）。在一般被称为“无误码”的BER低于10-12的状态下，实现了12Gbit/秒的数据传输速度。我们在“ISSCC 2011”上发布了这一成果。

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图3：以1mm距离实现12Gbit/秒的传输速度

       TLC的特点还包括可实现阻抗匹配。能抑制反射，提高信号品质，因此适用于连接微处理器和多个DRAM模块等用途。以前的有线连接器因阻抗不匹配，各节点会产生波形干扰。而TLC不会产生波形干扰，与多个节点通信时也容易实现高速化。

3 u$ {$ i3 ]- c       我们用TLC试制了微处理器与多个DRAM模块无线通信系统。连接5个DRAM模块时，最大通信速度达到了12.5Gbit/秒，数据传输速度是3.2Gbit/秒DDR4接口的约4倍。

. C% h- m/ I5 A9 \/ _) L5 H! H还可双通道同时传输
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       连接端子的有线连接器需要使用桥壳来嵌合，而我们开发的TLC可通过对向基板上的布线图案形成。因此，具备能减薄连接器厚度的优点。

       在试制中，我们把构成耦合器的两张柔性基板，再加上固定基板的粘合剂的总厚度控制在了0.15mm（图4）。这种厚度可适用于诸如便携式信息终端的主板与液晶面板模块的连接等要求薄型化的用途。
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图4：可作为极薄的连接器利用

       采用电磁耦合的TLC，其信号传输方向是限定的。我们想到利用这一特性，用一对耦合器传输两个不同的信号。

       于是，我们调查了把耦合器图案两端用作不同的端口时，传递至另一侧端口的信号强度（图5）。与在对向端口间传递的信号相比，确认了传递至另一侧端口的信号强度小至-20dB。由于获得了充分的信号分离特性，因此可以说能以一对耦合器传输数据和时钟等各异的两个信号。

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6 V0 A. a8 Q+ }# f( a* i  p7 d图5：可双通道同时通信

( Q- ~+ z. F9 `& a3 J" v0 ~# f7 k       我们通过实验尝试同时传输数据和时钟验证了其特性。单通道传输时为320皮秒的时序余量在双通道传输中为305皮秒（图6）。确认即使是双通道同时传输，信号也基本不会劣化。

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图6：双通道通信的信号劣化很小

耐距离变动和噪声性强

. M; [' }/ u! k; J. F       我们还用试制的TLC确认了对距离变动和电磁噪声的耐性，以及可靠性。
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       首先，将设想通信距离为数百μm的耦合器，从稍远处逐渐靠近。确认了耦合器间的距离达到约1mm以下时开始通信的情况，发现只能在可发生电磁耦合的距离上收发数据。

       另外我们还确认，通信时即使耦合器间的距离有100μm左右的振动，也不会出现通信错误。TLC对距离变动的耐性较高，这意味着可以降低对基板间距离的精度要求。而且，即使发生一定程度振动，也能确保通信可靠性。
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2 Y4 C4 `2 d5 J       为确认对电磁噪声的耐性，我们还实施了把处于通话状态的手机放到耦合器上的实验。即使有在1.97GHz达到峰值的电磁噪声的照射，TLC通信也没有产生误码。由此确认该方法具备较高的电磁噪声耐性。
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       TLC通信产生误码一般是在耦合器旁边有导体存在时产生的。因为导体会吸收电磁场。而经实验确认，附近有导体时，在导体与耦合器之间夹一张0.1mm厚的纸就能消除导体的影响。

       我们今后的研发目标是，推进TLC作为非接触连接器技术的实用化。同时，利用TLC对振动和噪声的高耐性，将其应用于车载领域。

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本文作者为获得第一届“NE日本无线技术奖”最优秀奖的“无线SSD用高速通信技术”研发的庆应义塾大学硕士生小菅。
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小菅 敦丈
庆应义塾大学研究生院 理工学研究科 黑田研究室硕士研究生

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在智能手机等产品的机壳内，省去用来连接显示屏和摄像头模块与主板的连接器，有助于机壳实现薄型轻量化和低成本化。日本庆应义塾大学理工学部电子工学科教授黑田忠广等人的研发小组，开发出了这种可大幅提高产品设计自由度的技术，并在2013年2月17～21日举行的“IEEE International Solid-StateCircuits Conference（ISSCC） 2013”上进行了技术发布（演讲序号：11.5）。这项技术将柔性基板上传输线路间产生的电磁场（电场及磁场）耦合现象，用到了传输距离在1mm以内的非接触通信用途上。
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) M' g1 M, o; U9 J5 N驱动液晶面板的实演情景
       在利用此次技术将主板上的控制器电路与液晶面板模块连接起来的实验中，能够以6Gbit/秒的速度传输数据，这一速度相当于便携终端内部数据传输标准“MIPI（Mobile Industryprocessor Interface）”的最高速度（图1）。据黑田介绍，为了将这项技术配备在移动终端等产品上，“目前正在与产业界开展讨论”。

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图1：通过电磁场耦合来连接主板和显示屏
8 r; H& ]- i) A- w! R8 V将主板和液晶面板模块相对设置，经由耦合器以非接触方式传输数据。图由本刊根据庆应义塾大学的资料制作。


$ Q8 G" Q# L. F非接触连接器的厚度为0.15mm

5 _% G# _6 u6 J       普通的连接器会通过强力粘合金属端子来连接主板和各种模块。连接部分的厚度在1mm左右，而且还需要保护构造（外壳），因此尺寸较大。另外，由于阻抗在连接部分不连续变化，传输信号有时被反射出去有时出现衰减，容易导致信号质量的下降。由于产品内的数据传输速度越来越高，“连接器成了限制性能的瓶颈之一”（黑田）。
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       作为解决这个问题的方法，黑田等人此次开发出了利用传输线路间电磁场耦合的“非接触连接器”。将柔性基板上的布线层加工成马蹄形的传输线路（尺寸为5mm×2.25mm），并将两个这样的传输线路以75μm左右的间隔相对地上下设置。该构造可构成“耦合器”，使传输线路中流过的信号通过电磁场耦合，从上方向下方（或从下方向上方）传输。
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" ^/ i* ?1 x; b0 c( P       各个传输线路备有两个端口，信号在位于上下传输线路同一侧的端口之间交换。也就是说，可实现双信道的同时传输，两个信道的信号不会相互干扰。
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       这种非接触连接器的厚度，即使包括布线层的铜（Cu）箔以及传输线路间填埋的粘合剂等在内也只有0.15mm。与普通的连接器相比，可将厚度削减至1/6左右。无需保护连接部分的外壳。由此，实现了可在电子部件的正上方连接模块等设计上的自由度，便于轻松削减封装面积。
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9 y/ _& E2 e- N. Z9 b8 X       另外，非接触连接器的特点是与现有的连接器相比，“可形成阻抗均匀的传输线路，因此能以低功耗传输大带宽的信号”（黑田）。此次耦合器的传输频带约为10GHz，每个信道的传输速度方面，单信道传输时为2.3Gbit/秒、双信道同时传输时也高达2Gbit/秒（图2）。各个传输线路会进行采用两个信道（Lane）的差分式信号传输，因此抗EMI（电磁干扰）的能力较强。

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2 F5 |) L5 [; s) m5 e图2：可实现双信道的同时传输
1 ~( y3 Y% M6 Q) d+ F+ L当此次试制的系统以2Gbit/秒的速度传输伪随机图案（Pseudo Random Pattern）时，即使是双信道同时传输，也可确保与单信道传输同等的信号质量。图由本刊根据庆应义塾大学的资料制作。
9 h$ I2 D9 m6 J5 L       研发小组还采取了可抑制耗电量的措施。在设计收发电路时使数据列能够转换成脉冲波传输、减少传输信号的直流成分，从而将数据传输时的能耗降至1.47pJ/bit。由于采用的是脉冲波，如果数据传输速度下降，耗电量也会与之成正比地减少。所以收发电路设想作为标准芯片进行封装，或作为IP内核混载在微处理器上。
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5 }% w3 N! j6 X! h/ ^$ Z6 K& A; a适用于车载设备
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       黑田等人实施了设想将此次开发技术配备在智能手机上的验证实验。研发小组利用两个耦合器将主板上的控制器电路与液晶面板模块连接起来，并在液晶面板上显示视频。在共计四个的信道中，将其中三个分配给数据传输，将一个分配给时钟传输，实验证实具有6G（2G×3）bit/秒的传输速度。

       过去人们担心上述技术存在信号质量会因机壳内的电磁波和导体状况而劣化，对此，现已确认不存在该问题。即使将处于数据发送状态的手机靠近非接触连接器，或者远离导体0.1mm以上，bit误码率均未出现增加。由于不存在机械性的连接部分，即使施加振动也可维持信号质量，因此“有望配备在车载设备上使用”（黑田）。

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牛X，我怎么没想到？

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很好，希望能用到实物当中，惠及于民，才是真正的技术创新！