非接触式微带到波导过渡器

技术领域

本披露总体上涉及无线通信系统，具体地涉及波导传输介质。披露了用于将信号从微带传输介质传输到管状波导传输介质的布置。

背景技术

无线通信网络包括射频收发器(例如在蜂窝接入网络中使用的无线电基站)、用于例如回程到核心网络中的微波无线电链路收发器、以及与在轨卫星通信的卫星收发器。雷达收发器还包括用于发射和接收射频信号的射频收发器。

传输介质用于向和从射频收发器运输射频信号。传输介质的常见类型是波导结构。术语波导可以指在其端点之间传送电磁波的任何线性结构。波导通常被实施为空心金属管或金属化的管状结构，并且出于将微波发射器和接收器连接到其天线的目的，通常以微波频率使用。

一种特殊类型的波导传输介质是微带。微带是一种可以使用印刷电路板(PCB)技术制造的、并且用于传送微波频率信号的电传输线。微带由导电带组成，该导电带通过电介质层与接地平面分隔开。比如天线、耦合器、滤波器、功率分配器等微波部件可以由微带形成，整个器件以金属化的模式存在于基板上。微带是许多平面传输线形式之一，其他平面传输线形式包括带状线和共面波导，并且可以将所有这些平面传输线集成在同一基板上。

通常期望例如在微带传输介质与矩形波导之间过渡到管状波导和从管状波导过渡。这样的过渡器通常包括延伸到波导结构中的探针或类似物。

US 7,265,558 B1披露了使用馈电探针的波导过渡器。

US 6,573,803 B1披露了基于脊的微带到波导过渡器。

馈电探针和脊必须小心地定位在波导结构中，以免降低过渡器的整体性能。精度要求趋于随频率增加而增加，因为较高的操作频率通常意味着部件尺寸较小。这种对精度的高要求使组装和驱动成本复杂化。

对于允许在制造期间有效地组装波导过渡器的高性能过渡器布置存在需求。

发明内容

本披露的目的是提供用于在微带与管状波导之间过渡的新过渡器布置，这些过渡器布置在例如回波损耗和插入损耗方面提供高性能，同时允许在制造期间有效且方便地组装波导过渡器。

该目的至少部分地通过用于微带到波导过渡器的波导模块来实现，该波导模块被布置成与包括贴片天线的PCB接口连接。该模块包括波导孔口和重复结构。该波导孔口被布置成延伸穿过该模块以便将波导附接到该模块的外侧。该重复结构包括多个突出金属或金属化元件，该多个突出金属或金属化元件被布置成在该模块的内侧围绕该波导孔口并且在该内侧限定进入该波导孔口的通道，其中，该重复结构被配置成衰减经过该重复结构的在一频带下的电磁信号传播而同时允许经由该通道传播。

该孔口用作到波导结构(例如附接到该模块外侧的管状波导)的接口，同时该通道允许布置在PCB上的贴片天线辐射到该波导中、并且拾取离开该波导的无线电信号。该重复结构实现了间隙波导结构，该间隙波导结构有效地密封了该通道，使得电磁能可以或多或少不受阻碍地在该波导与该贴片天线之间穿过，而不沿任何其他方向穿过。因此，PCB与波导之间的过渡是非接触式的，因为在波导与PCB上的微带之间不需要电接触。这是优点，因为不需要对例如探针等进行高精度组装。PCB仅通过比如螺栓等紧固装置来附接到该波导模块，由于该重复结构以非接触方式密封了该过渡器，因此不需要验证电接触。

根据一些方面，该重复结构与该波导的凸缘一体地形成。该重复结构可以例如被直接机加工到金属元件中，该金属元件形成朝向该波导的接口并且包括该波导孔口。这是有利的，因为可以以具有成本效益的方式、以高机械精度执行这种机加工。这种一体形成的重复结构也是机械稳定的，这是优点。

根据一些方面，该重复结构被配置在与该波导模块相组装的单独载体上。这样，可以根据操作频带将该重复结构与该波导模块的其他部分分开地配置。在组装期间，具有不同尺寸的不同重复结构的套件可以是可获得的，并且为当前的操作方案选择合适的重复结构。优点是可以重复使用该波导模块的其他部分。

根据另外的方面，该波导模块包括一个或多个对准孔，该一个或多个对准孔被配置成接纳焊接到PCB的相应对准塞(alignment tap)。这种对准“塞和孔”配置提供了提高的对准精度，并且简化了波导模块与PCB的组装。

本文还披露了一种PCB或PCB的包括与比如微带传输线等传输线连接的贴片天线的部分。PCB被布置成与波导模块接口连接，该波导模块包括穿过重复结构进入波导孔口的通道。该贴片天线被配置成面对进入该波导孔口的通道。

因此，PCB与波导模块一起在比如微带等传输线与波导之间形成了高性能过渡器。由于过渡器是非接触式的、并且在组装期间不需要焊接，因此该过渡器允许具有成本效益的组装。

根据各方面，该PCB包括至少一个对准塞，该至少一个对准塞在相对于该贴片天线的位置处焊接到PCB、并且被布置成进入该波导模块上的相应对准孔。

如以上指出的，这种对准“塞和孔”配置提供了提高的对准精度，并且简化了该波导模块与PCB的组装。如以下将解释的，该对准塞的焊接允许塞相对于该贴片天线以高的机械精度放置，这是优点。

本文还披露了微带到波导过渡器以及与上述优点相关的方法。

通常，除非本文另外明确定义，在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在本技术领域中的普通含义来解释。除非另外明确陈述，对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有引用都被开放地解释为是指该元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确声明，否则在此披露的任何方法的步骤并不必须按所披露的确切顺序来执行。在学习所附权利要求和以下说明时，本发明的进一步特征和优点将变得清楚。本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的范围的情况下将本发明的不同特征进行组合以产生下文中所描述的实施例之外的实施例。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本披露，在附图中：

图1示意性地示出了PCB的一部分和波导模块；

图2示意性地展示了组装好的波导过渡器；

图3示出了面对波导孔口布置的贴片天线；

图4展示了包括多个孔口的波导过渡器；

图5示出了PCB的包括贴片天线的部分；

图6示意性地展示了波导过渡器；

图7是展示了方法的流程图；以及

图8A至图8D展示了示例性贴片天线。

具体实施方式

本发明现将参照附图在下文中更为完全地描述，在附图中，示出本发明的某些方面。然而，本发明可以以许多不同的形式实施而不应被解释为限于本文中阐述的这些实施例和方面；而是，这些实施例是通过示例方式提供的，使得本披露将是全面且完整的，并且将向本领域的技术人员完整地传达本发明的范围。贯穿本说明书，相同的附图标记指代相同的要素。

在本文中，除非另外明确指出，否则术语波导是指金属化的管状结构。例如，金属化的管状结构可以是圆形、椭圆形或矩形截面的波导。波导也可以指其他已知的波导结构，例如包括脊、双脊等的布置。

在本文中，术语微带一般表示平面传输介质。因此，例如，除非另外指出，否则在提及微带时包括带状线等。

随着通信频带变得越来越高，传输部件变得越来越小。这是因为比如波导和滤波器等许多部件的尺寸是与载波频率的波长成比例地确定的。由于为了获得令人满意的性能而需要越来越高的机械精度，这使传输部件的制造复杂化。

无线电或雷达收发器一般包括在布置在印刷电路板(PCB)的一部分上的一个或多个集成电路中。收发器通过集成电路中的端口发射和接收信号。这些端口通常通过PCB上的微带连接到一个或多个天线器件。通常期望将微带信号过渡到波导接口和从波导接口过渡。这种过渡对于整个系统的性能至关重要。

在本文中，中心构思是使用重复结构来衰减电磁场。这样的重复结构在文献中通常被称为“间隙波导结构”。间隙波导一般由两部分构成：彼此紧密接近放置但不必直接接触的结构化金属表面和平坦的金属表面。结构化表面由形成超材料表面(有时称为人造磁导体)的销柱或其他突出部表征。这些突出部产生防止电磁波沿不合需要的方向传播的阻挡部。以此方式，销柱代替了矩形波导中的壁。无需完全密封的金属封壳即可完成此操作，这是优点。

图1示意性地示出了PCB 110的一部分和波导模块130。波导模块130和PCB的该部分是被布置成彼此附接的分开实体。在微带传输线125上输入的信号被布置在PCB 110上的贴片天线120辐射。微带传输线和贴片天线是已知的，并且在此将不进行详细讨论。然而，本领域技术人员意识到，接地平面被配置在贴片天线120的后侧，该接地平面未在图1中示出。贴片天线和微带传输线当然是双向的，这意味着输入到传输线的信号将从贴片辐射，进入的电磁信号将被贴片天线120拾取并因此输出到传输线125上。

波导模块130被布置成与PCB的包括贴片天线120的部分接口连接。该模块包括波导孔口140和重复结构155。波导孔口140被布置成延伸穿过模块130。比如圆形、椭圆形或矩形波导等管状波导可以被附接到波导模块的外侧132。例如，波导模块可以包括波导凸缘或由波导凸缘一体形成，该波导凸缘例如由比如铝等金属块机加工而成。重复结构155包括多个突出金属或金属化元件150，该多个突出金属或金属化元件被布置成在模块的内侧131围绕波导孔口140并且在内侧131限定进入波导孔口140的通道145。

PCB 110的该部分包括连接到传输线125的贴片天线120。PCB被布置成与波导模块130接口连接，该波导模块包括穿过重复结构155进入波导孔口140的通道145。贴片天线120被配置成面对进入波导孔口140的通道145。

根据以上讨论，突出元件150与PCB 110的接地平面一起构成了间隙波导结构的两个部分；突出元件构成了结构化金属表面，该结构化金属表面紧密接近PCB的接地平面金属表面放置。在此，紧密接近是指距离小于操作波长的四分之一。应了解的是，重复结构是周期性或准周期性的结构。因此，这些突出部产生防止电磁波沿不合需要的方向传播的阻挡部。突出元件的尺寸及其相关配置确定了重复结构的频率相关衰减特性。在此，不合需要的方向是在贴片天线120与波导孔口140之间远离通道145引导的方向。因此，重复结构155被配置成衰减经过重复结构的在一频带下的电磁信号传播而同时允许经由通道145传播。

根据各方面，重复结构155是包括导电销柱(例如，金属或金属化的销柱)的销柱结构，这些导电销柱从包括在波导模块中的导电平面周期性地突出。导电销柱可以例如形成为矩形或圆柱形突出部。然而，应认识到，可以使用具有类似效果的许多不同的形状。例如，也可以使用具有相同或类似效果的蘑菇型突出部或圆锥形突出部。

根据示例，波导模块包括在垂直于波导孔口140的平面中延伸的波导凸缘。在这种情况下，重复结构155优选地与波导凸缘一体地布置。相应的结构可以例如由构成波导凸缘的同一金属块铣削或以其他方式机加工出。

然而，重复结构155不必一定与形成波导孔口的金属一体形成。例如，根据一些方面，重复结构155被配置在与波导模块相组装的单独载体上。

该单独载体可以例如是一块聚四氟乙烯(PTFE)，其是四氟乙烯的合成含氟聚合物。可以以高精度模制PTFE，以形成突出部并将其装配到与波导孔口相连形成的机加工凹槽或凹部中。应认识到，任何类型的介电或塑料材料都可以用于该插入件。插入件可以被金属化，从而形成重复结构155，该重复结构被配置成衰减经过重复结构的在一频带下的电磁信号传播而同时允许经由通道145传播。

针对重复结构使用单独载体的优点是，重复结构的尺寸可以基于应用进行选择，而波导模块的其他部分可以重复使用，至少在衬套构件被配置在波导孔口中以形成用于该操作频带的正确尺寸的孔口的情况下是如此。

重复结构也可以形成在PCB的该部分上，即，从PCB 110向下延伸到波导模块130中。

贴片天线120经由通道145辐射到波导孔口中以形成过渡器。因此，贴片天线与波导孔口140之间需要对准。在未对准的情况下，可以预期到在例如回波损耗和插入损耗方面的性能损失。当然，通过用于将PCB 110固持到波导模块130的常规紧固装置可以获得某种程度(some)的对准。然而，对于正常的制造过程，机械公差可能过大。

为了改善贴片天线与波导孔口140之间的对准，一个或多个对准孔170可以可选地被配置成接纳焊接到PCB 110的相应对准塞160。焊接过程与自对准效果相关联；在PCB上组装期间，首先将焊膏沉积在焊盘上，这些焊盘以高机械精度布置在PCB上。在第二步骤中，将表面贴装部件放置在焊盘上。第三步骤是焊料的重熔，在此形成焊接接头。在重熔期间，由表面张力和毛细作用产生的力作用在表面贴装部件上，以使部件与PCB上的旧焊盘对准。因此，可以期望相对于PCB上的贴片天线以高准确度放置焊接的对准塞。

因此，根据各方面，PCB 110包括至少一个对准塞160，该至少一个对准塞在相对于贴片天线120的位置处焊接到PCB、并且被布置成进入波导模块130上的相应对准孔。应了解的是，单个对准塞提供一个固定点，即PCB于是可以相对于波导模块旋转。两个或更多个对准塞和在波导模块中机加工出的相应孔将使贴片天线120相对于波导孔口140和通道145固定。

图2示意性地展示了组装好的微带到波导过渡器200。波导模块130的外侧131是可见的，具有用于附接波导的波导孔口。可见进入过渡器区200的微带，即传输线125。还可以看到形成重复结构的突出销柱150。在此，使用矩形波导孔口。然而，其他波导类型同样适用。

图3示出了面对波导孔口140布置的贴片天线120的俯视图。在此，传输线125包括布置在构成天线的较大贴片之前的较小贴片。应了解的是，任何数量的微带设计(包括滤波器等在内)都可以布置在与贴片天线120相连的传输线125中。贴片天线与通向波导孔口140的通道对准。因此，所辐射的电磁能进入附接到波导模块130外侧的波导，从而完成微带到波导过渡器。示出了构成重复结构155的突出元件150。

图4展示了包括多个波导孔口的示例性波导过渡器400。示出了布置在PCB110上的电路410，例如无线电收发器或雷达收发器、或其他集成电路。第一传输线125a和第二传输线125b相应地从电路410延伸到第一贴片天线120a和第二贴片天线120b。因此，两个波导过渡器被集成在单个单元中。这样的微带到波导过渡器适合于例如多输入多输出(MIMO)收发器系统，亦或适合于背靠背测试电路。

图4还例示了紧固装置420、425，在此示出为孔，螺栓可以布置在孔中以将PCB固定地固持到波导模块130。这样的紧固装置的确在贴片天线与波导孔口之间提供了一定程度的对准。然而，在需要额外的机械精度的情况下，可以如上所讨论的在PCB上布置一个或多个对准塞160。

图5示出了PCB包括贴片天线的部分的俯视图。该PCB包括紧固装置420以及对准塞160。图5所示的PCB还包括集成电路，例如无线电或雷达收发器电路。

图6示意性地展示了根据以上讨论的波导过渡器。为了例示，波导过渡器的尺寸为：

波导120的长边＝3.0988mm，波导120的短边＝1.5494mm，销柱150的高度＝1mm，销柱间距P＝1.94mm，销柱宽度W＝0.95mm，从销柱到基板的距离＝0.1mm，微带贴片宽度＝1.78mm，微带贴片长度＝1.04mm，匹配双短截线长度＝1mm，匹配双短截线宽度＝0.79mm，从短截线到贴片的距离为0.43mm。

图7是展示了方法的流程图。展示了一种方法，该方法包括：

形成S1用于微带到波导过渡器的波导模块130，该模块包括波导孔口140和重复结构155，该波导孔口被布置成延伸穿过该模块以便将波导附接到模块的外侧132，重复结构155包括多个突出金属或金属化元件150，该多个突出金属或金属化元件被布置成在模块的内侧131围绕波导孔口140并且在内侧131限定进入波导孔口140的通道145，其中重复结构155被配置成衰减经过重复结构的在一频带下的电磁信号传播而同时允许经由通道145传播。

该方法还包括：形成S2包括连接到传输线125的贴片天线120的PCB 110，其中PCB被布置成与波导模块130接口连接，该波导模块包括穿过重复结构155进入波导孔口140的通道145；以及

将PCB与波导模块组装S3，使得贴片天线120面对进入波导孔口140的通道145。

图8A至图8D示意性地展示了一些示例性贴片天线120。图8A示出了用作贴片天线的开放式短截线，即，终止于短截线中的一条微带。图8B示出了另一示例性贴片天线，其具有布置在微带传输线的端部处的矩形元件。该元件可以具有许多不同的形状，例如图8C中示出的盘形。

贴片天线120可以包括多个天线元件以形成天线阵列。该天线阵列可以用于将贴片天线的传输波瓣成形为更好地配合到波导孔口中。天线阵列也可以是可电转向的，这允许在制造和/或组装期间或之后校准波导过渡器。