用於具有波導連接器功能的可表面貼裝天線的轉接器以及包含天線裝置的結構的製作方法

2023-09-17 02:30:10

專利名稱：用於具有波導連接器功能的可表面貼裝天線的轉接器以及包含天線裝置的結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及與天線連接使用的轉接器和相應的結構。
背景技術：
傳統的微波和毫米波無線電應用通常由分立的個別地裝在高頻共同基底或板上的無源和有源元件構成，導致其集成度較低。所述無線電應用的性能，尤其是在毫米波頻率下的性能，通常會受限於分立元件之間容許的連續界面或過渡的數目，其隨著所述的共同基底的質量以及可重現預定反射係數的互連技術的能力而改變。為了顯著降低通信系統和應用的總成本，業已有人正在開發低成本的關鍵部件， 諸如高增益天線、濾波器以及前端模塊。較大的市場滲透的關鍵條件是將總成本大大地降低。就這點而論，典型的成本推動器為天線。下列的基於天線的現代化無線電通信系統的主要特徵可能是非常期望的_模塊化和可重構的構造，其使裝置可用於不同的應用方案，例如室內、點對點戶外應用等等。-能使完全組裝的系統的發送器和接收器兩方都完全可測，直到及包括天線，通過產生限定良好的可複製的屏蔽式信號管道來避免與傳播相關的鏈路測試的不定性。一種施加合適的集成方法的新方法相信會是成功實現上述想像的低成本和高性能無線電系統的關鍵因素。其應該允許使用最低的微波技術及顯著簡化的組裝的毫米波裝置。從理想上來說，可以完全排除對昂貴的高頻共同基底載體的需要。其應該也可以提供天線和集成的波導過渡的設計，所述設計顯示對不同封裝級和板級的電磁環境具有小的敏感度，並且很容易轉移到不同的生產和組裝設備上。

發明內容
本發明的目的為提供一種可靠和可複製的到其它的基于波導的(例如毫米波)有源和無源元件的接口。本發明的又一目的為提供一種可複製的、損耗低的、完全屏蔽的用於平面(例如毫米波)電路的測試和測量接口。
本發明涉及建構一種轉接器，其適用於低成本、中增益(5-10dBi)的、用於高度集成的無線電應用的、模塊化、可表面貼裝的天線的測試和調試方案。本發明的可表面貼裝的天線具有兩個主要功能。第一功能為常規天線的功能， 用於將電磁能量發射到自由空間中和/或接收自由空間中的電磁能量。第二功能為轉接器的功能，其中天線構成平面電路到波導器過渡件(P 1 anar-circuit-to-waveguide transition)的第一部分。因此，天線也被稱為連接器基座或陰轉接器部件。連接器插頭或陽轉接器部件用作平面電路到波導器過渡件的第二部分。其可以重複地附於天線，從而產生低損耗、寬帶和可複製的平面電路到波導器過渡件。本文所示的天線為一種可表面貼裝的、準平面型的、具有集成波導連接器功能的天線。根據本發明，所發明的天線的主要部件包括反射框架和輻射單元，其帶有通往有源(平面)電路的可至少略微彎曲的懸臂式接口。毫米波波導天線本身由所述輻射單元和兩個腔構成，所述兩個腔即後反射器腔和開口腔。該輻射單元安裝在反射框架內，在所述兩個腔之間提供共享接口。整個天線安裝在位於共同基底上的導電平面的頂部上，使得所述後反射器腔形成為基本上電磁屏蔽的體積。本發明的構成平面電路到波導器過渡件的第一部分的天線裝置，具有以下主要特徵-其具有準平面形狀，其中「Z軸」尺寸遠遠小於「X軸」和「Y軸」的尺寸。-其為平面有源電路(發射器或接收器)晶片提供可彎曲的機械和電氣接口。-其可為輻射單元使用柔性的高頻基底。-其為「波導就緒」，即其設計成支持/接受轉接器/接口的功能。-其為轉接器提供機械和電磁接口。本發明的構成平面電路到波導器過渡件的第二部分的轉接器，具有以下主要特徵-其設計成在否則為開口腔內提供高階模抑制。-其進行輻射單元近場的修正。-其用作平面電路到波導器過渡件的阻抗變換。-其為天線裝置提供機械和電磁接口。-其為波導器及具有波導器接口的另一部件-例如天線或者測試和測量設備提供機械和電磁接口。當轉接器連接天線裝置，就會在平面電路和波導器或天線之間提供具有完全屏蔽接口的結構。本文所示的天線裝置和轉接器設計成最好用於毫米波應用和通信系統。本發明通過採用模塊化的具成本效益的設計來實現顯著的成本降低。本發明不排除在其它頻帶的操作，特別重要的頻帶為全球免許可的介於57至 66GHz的頻帶(相應的標準化波導頻帶為介於50至75GHz的V-頻帶)，另一在商業上重要的頻帶為71-76GHZ和81-86GHZ範圍的組合(相應的標準化波導頻帶為介於60至90GHz 的E-頻帶)。在第一種情況下，天線裝置最好覆蓋具有良好匹配特性和輻射效率的由57至 66GHz的範圍，其中在完整的平面電路到波導器過渡件的功能中，理想的是全面的V-頻帶覆蓋。在第二種情況下，天線裝置最好應覆蓋介於71至86GHz的範圍，其中在平面電路到波導器過渡件的功能中，理想的全面覆蓋E-頻帶。本發明還涉及轉接器，所述轉接器設計成可安裝在天線裝置的反射框架的頂部， 其提供了適當的測試環境，或者其可用於將天線裝置連接到其它的具有波導器接口的合適部件。本文所 示的天線的優點為兼容於低成本的、大批量的製造和組裝技術。另一優點為準平面天線的較小的形狀因子以及其具有晶片級尺寸的事實。取決於實際的設備，天線裝置可以支持足夠大的輸入阻抗帶寬以用於Gbps的無線電數據通信(相對帶寬大於20% )。本發明可獲得其它優勢，即相對於頻率的平坦增益響應和高的輻射效率(通常大於80%)。該天線裝置可進一步具有中增益(5-10dBi)，其足以用於近射程的點到點的通信應用。以下的敘述會揭示本發明的上述及其它目的和優點。在該敘述中，會參照構成本申請一部份的附圖，所述附圖通過圖解來示出本發明的較佳實施例。但是，所述實施例並不一定表示本發明的整個保護範圍，因此，應該參照本文的權利要求來解釋本發明的保護範圍。


圖IA所示為根據本發明的天線裝置的示意框圖；圖IB所示為根據本發明的包括有源器件和天線裝置的第一通信系統的示意框圖；圖IC所示為根據本發明的包括有源器件、天線裝置和轉接器的第二通信系統的示意框圖；圖ID所示為根據本發明的包括有源器件、天線裝置、轉接器和波導組件的第三通信系統的示意框圖；圖IE所示為根據本發明的包括有源器件、天線裝置、轉接器和天線的第四通信系統的示意框圖；圖2A所示為根據本發明的第一平面天線裝置的透視頂視圖；圖2B所示為根據本發明的第一平面天線裝置的透視底視圖；圖2C所示為根據本發明的第一平面天線裝置裝在共同基底上的側視圖；圖2D所示為根據本發明的會裝在第一平面天線裝置中的輻射單元的透視圖；圖2E所示為示出輻射單元的若干細節的第一平面天線裝置的頂視圖；圖2F所示為根據本發明的第一平面天線裝置的反射框架的示意半透視圖；圖3所示為包括裝在共同基底上的平面天線裝置和若干通過饋電點部分連接的電子組件的第一通信系統的透視圖；圖4所示為根據本發明的包括平面天線裝置和轉接器的第二通信系統或結構的示意半透視圖；圖5A所示為根據本發明的裝在平面天線裝置頂部且配對組件清晰可見的轉接器的頂視圖5B所示為根據本發明的圖5A中的裝在平面天線裝置頂部且示出同時提供機械和電氣觸點的配對組件的轉接器的半透視側視圖；圖6A所示為第一校準標準的示意框圖，其中具有作為埠的平面天線裝置；圖6B所示為第二校準標準的示意框圖，其中具有作為埠的平面天線裝置；圖6C所示為第三 校準標準的示意框圖，其中具有作為埠的平面天線裝置；圖7A所示為根據本發明的第二實施例的另一平面天線裝置的透視頂視圖；圖7B所示為根據本發明的第二實施例的透視底視圖；圖7C所示為根據本發明的第二實施例裝在共同基底上的側視圖；圖7D所示為本發明的第二實施例的半透視頂視圖；圖7E所示為根據本發明的第二實施例的輻射單元的透視圖；圖7F所示為本發明的第二實施例的頂視圖；圖8所示為根據本發明的包括平面天線和轉接器的另一結構的透視圖；圖9A所示為根據本發明的裝在天線裝置上的轉接器的側視圖；圖9B所示為根據本發明的圖9A中的轉接器和天線裝置的截面；圖9C所示為根據本發明的圖9A中的轉接器的截面；圖9D所示為根據本發明的第三實施例的通信系統的透視圖；圖10所示為根據本發明的第四實施例的通信系統的透視圖。
具體實施例方式術語以下章節會敘述整篇說明書和權利要求所用的若干術語，以便於本發明的論述。下文會敘述鑄件。根據本發明，術語「鑄件」應理解為利用(自動)注射模製法或粉末注射模製(PIM)工藝與繼後的燒結法而製成的部件。在第一種情況下，可使用熱塑性塑料，其於單步驟過程中產生成品尺寸。根據本發明，可使用各種塑性注入模塑料來生產鑄件。合適塑料的若干例子在下面中列出PA(聚醯胺)；POM(聚甲醛)；PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)；PS(聚苯乙烯)； LCP(液晶聚合物)；PBT(聚對苯二甲酸乙二醇酯)；ABS(丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯)； PPE(聚苯醚)；PP(聚丙烯)；PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)；PC(聚碳酸酯)；PAS(聚芳碸)； PES (聚醚碸)；PEI (聚醚醯亞胺)；PAI (聚醯胺醯亞胺)；PPS (聚苯硫醚)；PVDF (聚偏氟乙烯)；PEEK (聚醚醚酮)。還可使用共混聚合物，其為兩種或以上的可混聚合物的組合。混合是將兩種或以上的聚合物進行加工、混和或反應以便得到改善的產品特性。還可使用具有填料粒子的改性塑料，其可以較容易地建構牢固地黏合的非電極或電沉積金屬塗層。填料粒子可用導電金屬(如鈀)或非導電金屬顏料製成，正如在用於電磁屏蔽的噴漆中所用的那樣。該些金屬顏料用作為金屬塗底劑的非電極沉積的催化劑，其隨後可進行電強化。所述的噴漆只能達到有限的粘合強度，其極度取決於塑料。通過將粒子嵌入塑性膠料中，可大大地改善粘合強度，其中通過短暫的酸浸過程或雷射消融使粒子只暴露在表面上，否則，所述粒子會維持由塑性膠料密封。另一組重要的改性塑料使用組合的玻璃纖維以及礦物或陶瓷顆粒來調節對於共同基底之一的熱膨脹係數(CTE)。還可用金屬代替塑料來生產鑄件。鋁尤其合適，其可於鋁注射模製法中加工。通過金屬注射模製(MIM)工藝可使用鈦或不鏽鋼，所述工藝為上述的粉末注射模製(PIM)工藝的變型。該種方法的優點為可以簡化，甚至避免隨後的金屬電鍍步驟。所述鑄件的優點在於只需最少的後加工費用。基於此原因，本文的鑄件指預鑄件或成品件。所述鑄件的尺寸非常精確。可使用最好具有導電錶面的反射器。該導電反射器表面可以接地。反射器表面可實現為平面或曲面。最好將共同基底上的金屬表面用作為反射器。在敘述本發明的具體實施例之前，通過參照圖IA至IE來敘述和解釋一些基本的方面。正如圖IA示意地示出，本發明的要素為所謂的可表面貼裝天線裝置100。該天線裝置100包括四個接口 E1、M1、EM2和M2，其在圖IA中用四條水平線表示。在圖IA左邊的兩個接口 El和Ml設計成建立通往有源電路40(參見圖1B)的連接。第一個接口為電氣接口 E1，而第二個接口為機械接口 Ml。另外兩個接口為電磁接口 EM2和機械接口 M2。作為區分的手段，本說明書將在其平面上主要展示出電場和磁場橫向分量的接口表示為電氣接口 (例子為橫向電磁場(TEM)或準TEM傳輸線接點)；以及將主要展示出顯著的電場或磁場縱向分量的接口表示為電磁接口(例子為矩形波導接點)。如圖IB所示，根據本發明的第一通信系統200包括有源器件40和天線裝置100。如圖IC所示，根據本發明的第二通信系統200包括有源器件40、天線裝置100和轉接器50。集成電路。該天線裝置100和轉接器50—起作為結構300。該轉接器50具有 4個接口(兩個電磁接口和兩個機械接口)。接口 EM2和M2建立通往天線裝置100的最好可拆裝的連接，而接口 EM3和M3則可用於連接額外的部件。如圖ID所示，根據本發明的第三通信系統200包括有源器件40、天線裝置100、轉接器50和波導組件400。該轉接器50具有4個接口(兩個電磁接口和兩個機械接口)。 EM2和M2建立通往天線裝置100的最好可拆裝的連接，而接口 EM3和M3則與波導組件400 連接。該波導組件400具有至少兩個接口( 一個電磁接口和一個機械接口 )，其與接口 EM3、 M3連接。其可具有額外的接口，為了清楚明白起見，所述額外接口作為內部特徵處理。如圖IE所示，根據本發明的第四通信系統200包括有源器件40、天線裝置100、轉接器50和天線500。該轉接器50具有4個接口(兩個電磁接口和兩個機械接口)。兩個接口與天線裝置100的接口 EM2、M2連接。其餘兩個接口 EM3和M3則與天線500連接。該天線500具有至少兩個接口(一個電磁接口和一個機械接口)，其與接口 EM3、M3連接。為了清楚明白起見，再次省略該由輻射入自由空間的孔構成的電磁接口，因為其通常不用於與其它部件連接。圖2A-2F所示為第一平面天線裝置100。根據本發明，該天線裝置100包括至少一反射框架10和輻射單元20 (參見圖2B)。反射框架10具有周界側壁12，其為內部部份或腔16提供側向定界(參見圖2C)。側向開口 14設置於側壁12的其中之一。內部部份16 的上橫向開口 11用作為電磁孔徑，其形成或其為圖IA的電磁接口 EM2的一部分。該部份的內部部份參照為開口腔16.2(參見圖2B)。內部部份16的下橫向開口 17設計成安裝或放置在金屬平面31之上(參見圖2C)。當安裝或放置在金屬平面31之上時，就形成天線裝置10的電磁背反射器結構或背反射腔16. 1。反射框架10進一步包括支承結構13 (參見圖2C)。該支承結構13為反射框架10 的一體部份。臺階或脊可作用為支承結構13。

輻射單元20具有平面的、水平地定向的天線基底21，其具有矩形模式轉換區23. 1 和懸臂形饋電點部份24，該饋電點部份以大體水平方向從模式轉換區23. 1伸出(參見圖 2D)。饋電點部份24作用為電氣接口 El (參照圖1A)，將天線裝置100連接到有源器件40。 在本發明的優選實施例中，饋電點部份24的特徵為共平面波導器27，其大約在該矩形模式轉換區的較寬側之一的中心進入模式轉換區23. 1。共平面波導器27由在薄的導電片26中的兩平行槽構成，所述導電片附於基底21的較大表面的其中之一上，形成中心導體28和兩接地導體29。在矩形模式轉換區23. 1中，該導電片26具有至少一槽71，其垂直延伸到共平面波導器27。該中心導體28與所述槽71的遠邊緣電連接，接地導體29則與近邊緣連接。該槽71最好設置在所述區23. 1的中心。該槽71的長度選擇成相等於在預定頻帶中心的波長的大約一半的長度。在另一改進的實施例中，一或兩對槽72，73與槽71鄰接地設置和摺疊，以便容納約為在預定頻帶中心的波長的一半的長度。所述槽72，73的任一個的至少一短端部份最好與所述槽71平行地延伸和極為接近，從而在槽71和72，73之間分別提供電磁耦合。根據本發明，輻射單元20通過支承結構而裝在內部部份16之內，以致於內部部份 16分為上述的背反射腔16. 1和開口腔16. 2 (參見圖2C)。饋電點部份24從內部部份16 延伸穿過側向開口 14，以便給有源電路40提供連接(電氣接口 El)。根據本發明，反射框架10包括金屬或至少部分地金屬化。平面天線裝置100設計成這樣建造，以便集成在共同基底30上，例如在低頻板、印刷電路板或類似的支承結構上(例如可參見圖2C或圖3)。為了能適當地容納反射框架10， 所有這些的共同要求為以水平金屬平面31為特徵，其用作輻射單元20的背反射器。天線裝置100的反射框架10具有準平面設計，其中「ζ軸」的尺寸遠遠小於「χ軸」 和「y軸」的尺寸。ζ軸垂直於xy平面，而(天線)基底21則處於xy平面。所述框架10 的高度(ζ方向)最好為平面電路40的高度的1至5倍。如果採用500 μ m厚的平面SiGe 晶片40，則背反射腔16. 1的高度也可以約為500 μ m。在本發明的天線裝置100的電路40的高度和饋電點部份24的高度D之間的小差別(參照圖2C)可以通過(稍微或完全)可彎曲的懸臂跨接，正如稍後所解釋那樣。在優選的實施例中，反射框架10包括支承結構13，其用來容納輻射單元20，所述支承結構13匹配輻射單元的天線基底21的形狀。也就是說，反射框架10作用為支承天線基底21的機械支承結構。反射框架10為天線裝置100的3D組成部份以及部份的機械接口 M1，以便將整個天線裝置100裝在(共)基底30上。反射框架10作用為機械接口 M2， 因為其設計成可容納轉接器50。反射框架10的下腔16. 1的尺寸這樣選擇，以使輻射單元20可通過該下腔16. 1 插入內部部份16。為此，該下腔16. 1的橫向尺寸稍微大於輻射單元20的橫向尺寸，其也展示出稍微大於框架10的上部份或開口腔16. 2的橫向尺寸。為了容納輻射單元20，稍後會論述其形狀和細節，反射框架10的其中一側壁12具有側向開口 14，其中輻射單元20的饋電點24可以延伸出反射框架的內部部份16。在優選的實施例中，設有通往平面電路40的可彎曲懸臂接口(圖IA中的電氣接口 El)。在優選的實施例中，至少將反射框架10的面對內部部份16的側壁12金屬化，以使反射框架10可用作為孔徑型天線。為此，該部分可設置金屬塗層，或者鑄造的反射框架 部件可以包含導電粒子，所述導電粒子可以這樣的方式嵌入基質材料中，以致於至少有鑄件的表面區域為導電。這是必要的，以便有助於利用內部部份16作為輻射單元20的天線孔徑，並且提供連同合適的轉接器50的良好限定的屏蔽的外殼，正如以下的進一步的說明。由周界側壁12封閉的反射框架10具有兩個開口 上橫向開口 11和面對金屬平面 31的下橫向開口 17。從圖2A和隨後的圖可見，由側壁12封閉的內部部份16被支承結構 13和輻射單元20分成兩獨立的腔，上開口腔16. 2和背反射腔16. 1 (參照圖2C)。正如上文對本發明優選實施例的說明，但不限於上述說明，在導電片26之內的槽結構，或等同的平面結構，可用於在區23. 1內提供模式轉換，以便在共平面波導器27和相應於開口 11截面的基本波導模之間有效地交換電磁能。背反射腔16. 1連同平面結構構成混合諧振腔，其諧振頻率大約調到有用阻抗匹配帶寬的中心。槽結構可考慮幅射孔徑11中的基本波導模激勵和無用場分量抑制而進行優化。上開口腔16. 2可以很淺。在該情況下，輻射單元20 直接耦合自由空間。但是，開口腔16. 2的若干最低高度可提供額外的自由度來獲得寬的有用頻帶和平坦的天線增益頻率響應。其在轉接器50就位時也可更好地支持屏蔽和可重現的互連(圖IC中的EM2和M2)的形成。由於最好使用鑄造的反射框架10，背反射腔16. 1 的大小和形狀可以不同於開口部份16. 2。開口部份16. 2的尺寸和形狀對整體天線的輻射圖案有影響。因此，根據要求的輻射圖案，可調節開口部份16. 2的參數，例如可基於全波電磁仿真方法進行結構優化。圖2B所示為天線裝置100的透視底視圖，其中下橫向開口 17和輻射單元20的天線基底21的底部清晰可見。該圖進一步示出輻射單元20裝入反射框架10中的方式，即在天線100裝在金屬平面31之前通過下橫向開口 17將輻射單元插入反射框架。該圖還示出上文所述的，內部部份16分成的兩部份(背反射腔16. 1和開口部份16. 2)。圖2C中可以看到裝在共同基底上30的平面天線裝置100的側視圖。該圖顯示出組件的結構部件。首先，可設置裝備水平金屬平面31的共同基底30，最好是低頻板。該金屬平面31為電磁背反射結構的一部份，並設置成封閉反射框架10的背反射腔16. 1。在該金屬平面31上，反射框架10裝備輻射單元20，而輻射單元20是在之前裝在裡面的。在反射框架10的側壁12和金屬平面31之間最好設有導電連接。在本發明所示的實施例中，輻射單元20的天線基底21在離金屬平面31預定距離D下通過支承結構13懸置。圖2C也示出輻射單元20的饋電點部份24(最好是可彎曲的懸臂)由反射框架10 延伸通過其中一垂直側壁12的側向開口 14的方式。圖2E所示為平面天線裝置100的優選實施例的底視圖。上述的基本波導模式激勵和無用場分量抑制可通過整合至少一對稱平面而最佳地獲得，所述對稱平面為饋電點部份24和模式轉換區23. 1共有，正如圖2E的Sl-Sl所示。通過引入區23. 1的另一局部對稱平面，可得到進一步的改進。該對稱平面分別相對應於一對相同的槽72和73。圖2D所示為用於本發明的天線裝置100的輻射單元20。該輻射單元20建立在天線基底21上。在優選的實施例中，所述基底21用柔性的電介質材料製造。例如，其可為高清晰度液晶聚合物(LCP)柔性基底。在所示的實施例中，天線基底21為T形，且具有饋電點部份M和模式轉換區23. 1。除了上述的槽71、72和73、共平面波導器27、中心導體觀和接地導體四之外，還示出了導電框形片74，其設在與帶有導電片沈的表面相反的基底表面上。兩導電片26，74皆最好利用多個導電通孔接頭75連接。在導電片沈朝向金屬平面 31並從而朝向平面電路40的上表面時，該結構特別有用。為了避免在基底21的相反兩面上的共平面波導器之間的臨界過渡，這種結構較為理想。在該情況下，導電片沈在多個導電通孔接頭75和框形片74的幫助下與支承結構間接地連接，平均了個別位置公差的影響。 該從側向開口 14突出的饋電點部份M可配備導電片76，其粘合在與共平面波導器27相反的基底表面，以改進屏蔽和增大傳輸線阻抗範圍。在導電片76和共平面接地導體四之間的導電通孔接頭的兩條接線79提供適當饋電線25屏蔽，而且最好相對於對稱平面Sl-Sl 等距地排列。圖2F所示為合適的反射框架10實施例，其可與圖2A-2E所示的實施例連同使用。饋電點部份M通過橫向開口 14從反射框架10延伸，並使得輻射單元20的機械和電氣連接(接口 El和Ml)可通過饋線25到其它部件。饋電點部份M實現為懸臂式，而且在接近其外緣可具有倒裝觸點。最好用可彎曲的懸臂作為饋電點部份24，以便給平面電路40提供適應性接口(參見圖3)。懸臂或可彎曲懸臂可用於所有實施例。在另一優選實施例中，整個基底21(不僅是懸臂部份)為柔性基底。在該情況下， 反射框架10提供足夠的機械穩定性來對抗所謂的顫噪效應(即通過聲致周期性位移的電信號調製)和/或熱致彎曲或變形。該柔性基底也可用於所有實施例。導電平面31為背反射腔16. 1的一部份，而且其可作為接地觸點。導電平面31可為平面天線100的一部份以便有更好的再現性，或者也可為基底30的一部份以便使成本較低。如果導電平面31為基底30的一部份，那麼其也可作為平面天線裝置100的機械支承。圖3所示為示範性的裝在共同基底30上的包括平面天線裝置100的通信系統200 的第一實施例。如圖所示，除了平面天線裝置100之外，共同基底30通常會容納其它的電子組件，例如集成電路40(平面電路或有源電路40)。若干外圍表面觸點41連接到印刷電路板或共同基底30以便用於直接接合線。根據本發明，構成電路40的毫米波埠的(外圍)接合墊41. 1與饋電點部份M在其外緣通過饋線25 (參照圖2D)直接連接。建立所述的直接連接的優選方法為反向倒裝晶片接合法，其涉及饋線25與鍍金或機械凸狀表面觸點41的熱超聲焊接。本發明不排除在其它頻帶的操作，本發明特別適合工作於分別為57至66GHz或71 至86GHz的頻率範圍。同時，平面天線裝置100應主要用於室內通信。此外，使用平面天線 100可進行所謂的「全雙工」同時雙向通信，只要在天線裝置100以及電路40的接收和發送埠之間分別使用額外的雙工器就可。天線裝置100的輻射效率可遠遠超過90%，這與波導過渡的低損耗操作(十分之幾分貝的插入損耗)相符。另外在設計上，該裝置100非常堅固，這意味著其對於製造公差的敏感度很低，以致能使用成本較低的消減蝕刻工藝，代替要求形成添加導體的薄膜工藝。如圖4所示，本發明的反射框架10設計成可供轉接器50連接。為有助於轉接器 50的連接，反射框架和/或天線裝置100包括接口 EM2和M2 (參照圖1C)。轉接器50設計成可與天線裝置100的上橫向開口 11連接。該轉接器50的目的為提供將各種測試和調試設備連接到模塊化天線裝置100(例如通過波導組件400，如圖ID所示)或連接天線500 (如圖IE所示)的可能性。該天線100連同轉接器50提供了相應的平面電路到波導器過渡件。當兩部件100和50連接在一起時，可在平面電路(例如平面電路40)和波導器(例如波導組件400)之間形成全屏蔽接口。為此， 轉接器50的上部份52的形狀會適應於所用的具體測試或調試設備。轉接器50的下部份(凸形部份)具有形狀因子，以使凸形部份可放入天線100。該轉接器的凸形部份這樣設計，以便提供通往天線框架10的機械接觸(該種機械連接稱為M2接口)。當轉接器50插入天線100時，在部件10和50之間最好建立電流接觸，從而提供全面的電磁屏蔽。該轉接器50的主體一方面為該框架10提供機械連接(接口 M2)，在另一方面為 (測試設備)波導組件400提供機械連接(界面M3)。該主體還包括功能部件/組件，其在電磁波從反射框架10耦合到波導器400時可確保開口腔16. 2 (接口 EM2)內的近場修正。 至少部份的轉接器表面會進行傳導。在本發明的上下文中，近場修正應表示對靠近模式轉換區23. 1(或23. 2)的電磁邊界條件的限定良好的操作。當轉接器50與框架10耦合時， 近場修正可再現地引入，而當天線100在正常運作時則不需要。根據本發明，轉接器50提供波導過渡(例如在V-頻帶時為標準的WR-15波導器提供波導過渡，接口 EM3)，適當的測試環境會需要所述波導過渡，所述波導過渡也通過反射框架10和轉接器50之間的連接的堅固性和公差不敏感性而得到保證。為了能夠提供所需的過渡，通過修正天線的近場，就有可能得到與波導接口(EM3)的高效率、高帶寬耦合。類似於反射框架10，轉接器50也可為(預)鑄件，但轉接器50也可用銑削、鑽削和其它常規方法製造。關於鑄造方法和替換方案的細節，請參照前述的有關鑄件的敘述。 鑄造的反射框架10連同鑄造的轉接器50提供了在平面電路40和波導接口之間的直接連接。該兩個部件100，50合作提供了要求的阻抗變換。根據本發明，在打算用作例如具有基于波導的高增益天線500或濾波器的通信產品或系統200之內的過渡，可使用兼容於低成本和大批量的製造技術。然而，如只需要連接小量的測試和測量設備而言，它們的應用並不是必須的。圖4所示為用於修正第一實施例的模式轉換區23. 1(參見圖2E)的近場的適當部件，其形狀為導電橫脊或杆54。該部件永久連接轉接器50，也就是說，其為轉接器的一體部份。在該部件54的底面(其面對基底21)和導電片26(參見圖2D)之間設有間隙77(參見圖5B)，以避免主槽71直接短路。取決於所述導電片26的位置(在基底21的頂面還是後面)，該間隙77可用空氣或空氣與介電基質的組合來充填。在優選的實施例中，該部件 54的形狀和定位對稱於平面S2-S2(參照圖2E)。在另一優選實施例中，該部件54的形狀對稱於平面Sl-Sl (參照圖2D)。該部件54的形狀和結構最好選擇成可於剩餘孔徑(參見圖5A)的分段78A，78B內支持基本波導模式(例如TElO模式)。該些分段78A，78B的橫向和縱向尺寸特意挑選，以便在不希望有的振蕩模的電磁場的位移不足以將諧振頻率移出要求的操作頻帶時可支持要求的阻抗變換。為確保轉接器50與反射框架10可正確地機械對準，可使用彈性接觸、表面接觸、 螺母/螺栓連接等等作為機械接口 M2。所述的相同部件可用於在反射框架10和轉接器50 之間提供電磁接觸(接口 EM2)。可以想到的是，可利用不同的部件分別作為機械和電磁連接。
為了給波導組件400提供過渡，轉接器50可包括標準的波導凸緣(例如在V-頻帶內工作的情況下為WR-15)。在如圖5B所示的優選實施例中，轉接器50和反射框架10在連接時，形成電氣和機械接觸55。反射框架10的上橫向開口 11和轉接器50可以，例如在框架10的橫向正面電流連接，圍繞開口 11，從而形成全屏蔽波導過渡。接觸區55的橫向部份提供精確的垂直停止位置，而縱向部份則可在反射框架10和轉接器50之間提供精確的橫向(X，y，θ )對齊。在圖5Β中還看到上述的間隙77。部件54可以具有或沒有與背反射框架10的內側壁 12進行橫向機械和/或電氣接觸。配備轉接器50的平面天線裝置100支持完全校準測試環境，其適合於需要以可靠和可重複的方式來測試和微調其設備(即平面電路40)的製造商。歸因於該天線到轉接器接合的高程度的可重現性，可以限定校準工具。圖6Α所示為由第一天線裝置100Α、第一校準基準60Α和反向的第二天線裝置100Β組成的結構。該校準標準60Α最好具有所述的電氣和機械埠結構El，Μ1，正如本文所述的產品應用結構中的平面電路40。校準基準60Α可以，例如代表直通連接。圖6Α的梯形網絡也被稱為校準基準400Α，其包括作為可拆裝埠的天線裝置100。圖6Β所示為等同結構，其中第一校準基準60Α由第二校準基準60Β取代。該校準基準60Β可以，例如代表所謂的「譜線(LINE)」標準，其具有在天線裝置100A和100B之間的良好限定的超長的互連傳輸線。圖6B的梯形網絡也被稱為校準基準400B。圖6C所示為第三結構，其中插置第三基準60C。該基準可被視為所謂的「反映」基準，其為天線裝置100A和100B提供等大的反射，同時在兩者之間提供高程度的電信號隔離。圖6C的梯形網絡也被稱為校準基準400C。可使用兩埠矢量網絡分析器(VNA)進行完全校準測量。其每一測量埠皆可配備一個合適的轉接器50。校準基準400A、400B和400C 的順序測量提供了一組測量數據，使得可計算例如公知的12項誤差模型的誤差係數，其可用來在數學上排除物理測量裝置的機械誤差，包括接口 El，Ml的變化，正如S. Rehnmark 在"On the calibration process of automatic network analyzer systems, 「 IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, April 1974, ( 自雲力胃■白勺校準過程上」，IEEE微波理論和技術期刊，1974年4月號)第457-458頁以及J. Fitzpatric 在"Error models for systems measurement，「 microwave Journal, May 1978，( 「系統測量的誤差模型」，微波學報，1978年5月號)，第63-66頁中的敘述。通過使用上述的誤差係數以及通過在VNA的標準波導埠校準VNA而獲得的相應誤差係數，可以施加另一公知的方法來確定結構300(參見圖1C)的散射矩陣。由於該結構 300構成了在標準波導(接口 EM3，M3)埠和平面裝置埠(接口 El，Ml)之間的複合轉接器，該散射矩陣的知識對於修正通過相對於標準波導埠具有已知特性但不支持非標準埠校準的設備而完成的測量來說非常有用。
在優選的實施例中，轉接器50和反射框架10這樣設計，以致於該轉接器50可以手動連接和分離。所以機械夾持機構是優選的。在另一實施例中，開口腔天線可設計成具有可選擇的模式轉換區23. 2(參照圖 7D)，所述模式轉換區用作為平面天線裝置100的輻射單元20，其具有增大的孔徑尺寸，從而提高天線增益性能。圖7A至7F示出的相應的實施例。相同的參考標號用於表示相同的部件以及具有基本上相同的功能的部件。各個部件只作概述。通過圖2A至2F的敘述可獲得進一步的細節。

該實施例的特徵在於，上開口腔16.2(參見圖7D)和下背反射腔16. 1由橫向屏蔽壁16. 3 (參見圖7A)分隔，該屏蔽壁最好為反射框架10的一體部份。所述屏蔽壁16. 3包括雙層鏡像對稱孔徑81，其於上開口腔16. 2內居中。屏蔽壁16. 3在此也被稱為支承結構， 因為其設計成接納或容納輻射單元20。背反射腔16. 1(參照圖7D)最好覆蓋比上開口腔 16. 2小得多的面積，從而減少其在操作頻率範圍內的諧振模式的數目。輻射單元20(參見圖7B)設置於屏蔽壁16. 3的底面以及包括模式轉換區23. 2，其基本上僅限於孔徑81 (參見圖 7A)。在優選的實施例中，孔徑81的尺寸只用於在工作頻率範圍內支持僅一種基本諧振模式。在包括大體矩形孔徑81的有利的實施例中，該模式轉換區23. 2採用改進型電場探頭(E-probe)的形式。由於背反射腔16. 1的高度由電路40 (例如SiGe晶片)給定，其不能作為自由的電氣設計參數。在60GHz的範圍內，典型晶片高度500 μ m僅佔以電場探頭為基的平面電路到波導器過渡件的背向短路器(backshort)部份的約30%的正常厚度，即大約四分之一的波長，可參見例如S. Hirsch, K. Duwe,和R. Judaschke的〃 A transition from rectangular waveguide to coplanar waveguide on membrane, " Infrared and Millimeter Waves,2000. Conference Digest. 2000 25th International Conference(「在膜上從矩形波導到共面波導的過渡」，紅外與毫米波學報2000年會議摘要，2000年第25屆國際會議)。改進型電場探頭由中心導體饋給，中心導體本身由包含於類似前述實施例的饋電點部份24中的饋線25饋給(參見圖2A-2F，圖7C)。為了清晰起見，圖7A，7B及圖7D-7F 中省略了饋電點部份24。該中心導體28連接基底21的一個表面，其相對於大面積的作為接地層的導電片26。相應於孔徑81的形狀和尺寸，在導電片26內設有開口 82，其最好類似於孔徑16. 3的外緣，但具有較小的尺寸。由此產生的突出的導體框架有助於減少框架10 和幅射單元20之間的定位公差的影響。在優選的實施例中，設有環形的導電片74，其與中心導體28放置在基底21的同一平面上。其包括具有兩層鏡像對稱形狀的開口 83，其整個處於開口 82之內。類似於平面天線裝置100的第一實施例，可使用多個導電通孔接頭75來確保導電片26和74上的電勢相同。該中心導體28從接地層凸伸入開口 82內，而其最好採用窄帶85(參見圖7D)的形狀。由於該區域沒有接地層，該窄帶代表串聯感應電抗。所述帶85連接到寬片件86，在其本身和開口 83的對邊之間留下間隙87 (參見圖7F)。歸因於在基底21的同一面上放置導電片74和寬片件86，由間隙87產生的雜散電容多半與在幅射器20的光刻生產過程期間由順序曝光所導致的定位公差(輕微的位置誤差)無關；如果開口 83留在開口 82之內的話。此外，通過在圍繞開口 82的導體邊緣以及孔徑81的外緣之間提供足夠的橫向間隔，可獲得與孔徑81相關的相對於幅射器20的定位公差具有降低的靈敏度。模式轉換區23. 2的優選實施例提供鏡像對稱排列的、導電的橫向帶88，其與寬片件86的側面連接，並與開口 82的導體大致平行地延伸。到接近中心導體28的邊緣的距離比到遠邊緣的距離短得多。上述的對公知電場探頭結構的改進補償了背反射腔16. 1異常矮的高度，為天線和波導過渡操作模式重新建立了良好和寬帶的阻抗匹配。該結構與由間隙87和89產生的雜散電容，分別建立準集總組件電容分壓器。該簡單和緊湊的結構使到阻抗匹配頻帶足以用於千兆位調製射頻波形以及用于波導過渡的全波導頻段(例如V頻帶的50-75GHZ)操作，即試驗和測量操作模式。平面饋電點部份中的平面電抗匹配網絡的排除大大降低了毫米波插入損耗。在開口腔16. 2的有利的實施例中，提供了兩個支座15，每一個支座皆與模式轉換區23. 2具有相同的鏡像對稱平面S1-S1。它們也相同，因此建立了第二、本地鏡像對稱平面。支座15的高度小於或等於腔16. 2的高度，它們的寬度和長度進行調節以獲得優化的用於天線模式操作的寬帶阻抗匹配特性。調節支座15的寬度以獲得優化匹配是有利的，其中支座長度介於腔16. 2的內側壁和孔徑81的邊緣之間距離的50%至90%之間。通過支座15的幫助，從上開口 11的輻射的良好孔徑效率就可以實現，即在匹配帶寬和接近均勻的孔徑場之間可找到良好的折衷。為了給轉接器50提供可重現的高頻接觸，至少屏蔽壁16和上腔16. 2的內側壁12 要導電，例如可通過塗覆薄的金屬層。在另一優選的實施例中，上腔16. 2的正面91通過周向接觸導電連接內側壁12，並且顯示出大體平坦的表面。圖8所示為根據本發明的包括平面天線裝置100和轉接器50的結構的透視圖。 該圖示出轉接器50可怎樣插入天線10。如上所述，反射框架10可完全或部份地金屬化， 而轉接器(框架)50可完全金屬化。在安裝時，該兩個部件10，50導電連接和產生全屏蔽波導過渡。最好通過以下兩種方式的任一種來建立導電接觸。如果框架10的上腔16. 2的內側壁12提供足夠的表面光滑度，足夠精確的尺寸和導體抗磨損度，則可與轉接器50的外側壁92建立橫向接觸。在該情況下，至少框架10的側壁要具備一定的機械順從性和彈性。 否則，轉接器50的突出的下環形正面93可用於與金屬化正面91沿著法蘭周界建立導電接觸。如圖8所示，可以設置對稱排列的導電柱件18，以便建立本發明的天線裝置100的本實施例的近場修正，並在波導過渡工作模式中提供合適的阻抗變換。它們最好不要接觸內側壁12和屏蔽壁16，以避免機械不定性，並減少其高精度表面的不慎損壞。圖9A至9D所示為由平面天線裝置10的第一優選實施例和相稱的轉接器50組成的結構300。具有定位銷94的標準波導法蘭分別實現為機械接口 M3和電磁接口 EM3。圖 9A所示為側視圖，而圖9B所示為偏心的通過結構的截面圖。接觸區55(參見圖5B)可以清楚地識別。圖9C所示僅為通過轉接器50中心的截面圖。還可看到產生組合的本發明近場修正和阻抗匹配功能的橫向脊M。圖9D所示為通信系統200，其中天線裝置100與有源器件40連接。圖中示出了機械支承結構501，其可藉助螺栓將轉接器50機械固定於共同基底30上。這樣，就提供一種安全和節省空間的連接測試波導器的方法，其用於實驗室環境中的測量。在該特定結構中，機械支承結構501為機械接口 M2的一部份。其可以粘合、焊接或擰到共同基底30的表面上。在生產測試環境中，通過自動探頭處理系統來提供精確對準和足夠的接觸力，可省略該機械支承結構501。圖10所示為通信系統200的另一實施例(具有改進型電場探頭設計)。其中作為機械接口 M2的一部份的機械支承結構分成三個獨立部件502. 1 (2x)和502. 2，其用一種材料製作，並通過為表面貼裝技術(SMT)和回流焊接過程而優化的表面電鍍來裝飾。這樣，永
14久連接額外部件(例如高增益天線500)所需要的部件可使用自動製造工藝以節省成本的方式安裝。可使用彈簧作用夾具、卡口接頭或其它方法與適當形狀的機械支承部件來代替使用螺栓。 根據本發明，天線100可連接到電路40，並可以單獨使用，不具有轉接器50的連接線路，或不與轉接器50連接。在無連接的組態時，天線100為一種低損耗的，寬帶的，高效的通信系統200部件， 其具有中增益，很容易安裝在標準基底30上及連接到電路40。在連接的組態時，波導接口 EM3，M3提供將有源和無源器件添加到電路40 了可能性，所述器件包括但不限於濾波器，高增益天線和放大器模塊。該轉接器50最好提供場修正功能(例如抑制不需要的諧振模式)，其使波導器400或天線500可與天線裝置100連接。另外，在連接組態時，波導接口 EM3，M3為電路40提供在標準波導件400的全工作頻帶之內的低損耗，全屏蔽，可重現的試驗和測量環境。本發明的天線裝置100和轉接器50共同設計，以便在連接和未連接組態時皆可同時滿足其特定的功能。所有部件，尤其是天線裝置100，設計成使用標準的，低成本的材料製作，並可產生高容量的生產流程。本發明並不排除低容量技術，如數控加工，鑄造為用於較大數量的優選的技術。因此，模塊化和非常靈活的解決方案是可得的，其允許建造具成本效益的模塊，包括本天線裝置100，其適用於生產和設計序列中的測試和測量。其同樣適合容納具有波導接口的有源和無源組件。該種統一的接口通過最少化所需模塊版本數目，減少後勤工作，增加存貨周轉來使總生產成本進一步地削減。與現有方案相比，本發明大大降低了毫米波發射器和接收器電路的成本，尤其是模塊的成本。下表為本說明書的組成部份
權利要求
1.一種轉接器(50)，所述轉接器的下部份(51)設計成可與上橫向開口(11)連接，所述上橫向開口用作可表面貼裝的天線裝置(100，100A ； 100B)的反射框架(10)的電磁孔徑， 而所述轉接器(50)的上部份(52)則設計成容納測試或調試設備的波導器(400)。
2.如權利要求1所述的轉接器(50)，其特徵在於所述天線裝置(100，100A； 100B)包括電磁接(EM2)以及與所述轉接器(50)建立連接的機械接口(M2)。
3.如權利要求2所述的轉接器(50)，其特徵在於所述天線裝置(100，100A;100B)的所述機械接口(M2)設置成與所述轉接器(50)插入連接。
4.如權利要求2或3所述的轉接器(50)，其特徵在於所述天線裝置(100，100A； 100B) 包括至少一個用於與所述轉接器(50)機械接合的接合件(15)。
5.如權利要求4所述的轉接器(50)，其特徵在於所述轉接器進一步包括設計成與所述天線裝置(100)的所述至少一個接合件(15)機械接合的至少一個接合部件(18)。
6.如權利要求1至5中任何一項所述的轉接器(50)，其特徵在於所述轉接器進一步包括在所述轉接器(50)插入所述天線裝置(100)時提供模式抑制和阻抗變換的部件(18， 54)。
7.—種結構(300)，所述結構包括含有反射框架(10)的天線裝置(100,100A;100B), 如權利要求1至6中任何一項的轉接器(50)，其特徵在於所述接合部件(15，18)被提供為在所述反射框架(10)和所述轉接器(50)之間建立機械連接(M2)，其中最好使用陽/陰類型的接合對作為接合部件(15，18)。
8.如權利要求7所述的結構(300)，其特徵在於當連接時，在所述反射框架(10)和所述轉接器(50)之間提供電氣和機械接觸(55)。
全文摘要
一種帶有下部份(51)的轉接器(50)，所述下部份設計成可與上橫向開口(11)連接，所述上橫向開口用作可表面貼裝的天線裝置(100，100A；100B)的反射框架(10)的電磁孔徑，而所述轉接器(50)的上部份(52)則設計成容納測試或調試設備的波導器(400)。
文檔編號H01P5/02GK102437398SQ20111026652
公開日2012年5月2日 申請日期2009年3月24日 優先權日2008年4月15日
發明者J·格裡茲布, U·戈貝爾 申請人:胡貝爾和茹納股份公司