CN101227794B - 柔性基板集成波导 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性基板集成波导。本发明涉及一种可操作用于在基板集成结构中引导电磁波的装置，所述基板集成结构被制造在一个部件中。详细地说，平面天线是所述基板集成结构的一部分，它与电磁波波导相连。本发明也考虑了在多层基板中的上述提及的部件的三维结构。

Description

柔性基板集成波导

技术领域

本发明涉及基板集成结构领域，尤其涉及基板集成波导。尤其是对于高频信号，基板集成波导是必需的。

背景技术

问题

当前的通信系统证实正朝着系统集成和小型化快速发展。天线和信道滤波器在这些通信系统中均为关键部件，并且成功通信的选择标准除了别的以外还包括天线的性能、尺寸、重量和成本。

为了不同天线单元采用射束转换机制的多射束天线系统为了将天线单元连接到系统部件而需要相对大的空间。这些馈电线受到高损耗和不良匹配的影响，特别是对于毫米波频率区域中的长馈电线。另外，在这些线路之间具有低绝缘性，因此，串扰影响了滤波器的特性。

然而，系统小型化一方面受到天线尺寸的限制(因为系统需要高增益的天线，而天线孔径尺寸直接与天线增益成比例)，另一方面，取决于馈电网络的尺寸。因此，如果馈电网络可以被制造的更小，那么整个系统的尺寸和损耗也将被最小化。

为了满足现代装置的上述系统需求，可通过使用微带线来实现该馈电网络。微带线可以简单集成在系统中，并可以需要较少的空间，然而其辐射和产生不必要的信号(串扰)。进一步，它们受到高损耗的影响，特别是对于毫米波频率。

引起关注的微波带状馈电线的替换解决方案是矩形波导(WG)。这些部件已经广泛应用于毫米波系统。它们具有极好的低损耗特性，并且不会产生不必要的辐射。因此，它们也能够为无线电连接系统等实现信道滤波器。然而，它们的集成难度阻碍了其在低成本高容量的集成方面的应用。另外，常规的WG需要复杂转换到集成平面电路；典型的集成方案体积大并且需要高精确度的匹配工艺，而该工艺难以达到毫米波频率范围。

现有技术

系统最小化和集成化的常规方法是采用多层技术集成系统。然后采用简单的微带线或者共面线进行馈电，并通过电线从一层到下一层连接馈电线。微带线有时受到不必要的辐射和高损耗，例如特别是在毫米波应用中。

目的

本发明的目的在于提供用于微波和毫米波部件和子系统的低损耗、低成本的信号发送装置。此外，制造应该更容易，但是应该仍然允许复杂结构的部件。

发明内容

本发明涉及可操作用于引导电磁波的基板集成结构，所述基板集成结构是一个集成单元，包括可操作用于分别引导电磁波的多个基板集成波导以及可操作用于接收和/或发射电磁波的多个平面天线，所述多个平面天线分别耦合到所述多个基板集成波导。

有利地，所述基板集成波导包含通路和微带导体。

有利地，所述基板集成波导中的至少一个包含电磁波频率滤波器。

有利地，所述基板集成波导中的至少一个包含互连，所述互连可操作用于互连所述基板集成波导中的至少两个。

有利地，所述互连包含多路复用器。

有利地，所述基板集成结构以多层基板实施。

有利地，所述平面天线中的至少两个分别位于不同层。

有利地，所述基板集成波导中的至少两个分别位于不同层。

有利地，所述通路的至少一部分同时是所有基板集成波导的一部分。

有利地，所述平面天线中的至少一个和所述相应的基板集成波导之间的连接包含微带线。

本发明涉及一种制造上述提及的装置的方法，所述装置包括多个层，所述层分别包括部件，其中通路在与产生相应层的部件和/或相应层相同的步骤中通过所述装置的层产生。

在制造上述提及的装置的另一种方法中，所述装置包括多个层，所述层分别包括部件，由此通路在该装置的所有其他部件产生之后通过所述装置的层产生。

有利地，所述通路垂直延伸通过至少一层。

附图说明

本发明的特征、目的和有益效果将通过下列结合附图的具体描述变得更为明显，其中：

图1是本发明的包括基板结构的实施例；

图2是本发明的包括基板结构的另一个实施例；

图3是本发明的包括基板结构的另一个实施例；

图4是本发明的包括基板结构的另一个实施例；以及

图5是本发明的包括基板结构的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出基板结构1，其包含其顶视图2和其截面3。

顶视图2，所述顶视图允许看到部分地位于表面下面的部件，所述表面包括顶层11a，该顶视图示出第一平面天线4a，第二平面天线4b，第三平面天线4c，相应微带线6a，6b，6c，相应基板集成波导(SIWG)5a，5b，5c以及相应馈电线7a，7b，7c，其都部分/集成在基板11之上或之中。所有上述提及的部件均位于相同基板/部件上，因此能够随后和/或逐步被制作在相同晶片或半导体基板或LCP(液晶聚合物)基板或适于叠加所述基板结构1的任何其他材料上。

平面天线4a，4b，4c设置成行，并沿对称轴X对称，彼此等距，且被定形成方形(quadratically)。平面天线4a，4b，4c分别具有宽度W和长度L。所述平面天线也可以以另一形式比如圆形或曲线形(curved way)来定形，和/或取决于由所述天线产生和辐射的电磁场的所需轮廓，具有彼此之间的不同距离。在另一个例子中，至少两个平面天线是基板集成结构的部分和/或不对称地关于对称轴X放置和/或相对于顶视图2相互间水平地和/或垂直地移动。当然平面天线4a，4b，4c也能够分别具有不同的尺寸。

微带线6a，6b包括关于顶视图2的水平和垂直线，其相互垂直，更特别的，所述线平行或垂直于对称轴X。水平线和垂直线或垂直线与水平线之间的连接点形成拐角。本发明不限于所述拐角，而是可以分别在两条垂直线之间实施弯角和圆角以减小电磁波的泄漏。垂直于X轴并且是相应的微带线6a，6b，6c的部分的线延伸通过两个天线4a和4b，或4b和4c之间的空间的中部，更精确地说，所述具有与两个天线相等的距离。当然，所述线并不限于所述特征，而是能够更加靠近所述天线之一延伸。通过对多片有角度的直的微带线逐步折叠形成微带线也是可能的，所述角度大于90度。微带线6a，6b，6c分别互连所述天线4a，4b，4c和所述基板集成波导5a，5b，5c。在该实施例中，所有的微带线6a，6b，6c具有相同的宽度，在其它实施例中，其可以根据例如传输信号的频率针对相应的天线而变化。

基板集成波导5a，5b，5c分别包括馈电通道8a，8b，8c和滤波器通道9a，9b，9c。SIWG是一种电介质场波导(WG)，其被合成在带有金属通路阵列的平面基板内以实现WG的边缘墙，也被称为柱墙(post wall)。滤波器通道9a，9b，9c由在通道两侧周期性放置的通路来表征，所述通路形成至通道中部的凹进或者使通道宽度变窄，如图1所示。层的一侧的通路沿着基板集成波导5a，5b，5c的中心线镜像到所述层的另一侧。产生自所述天线4a，4b，4c之一的信号首先穿过相应的馈电通道8a，8b，8c，随后进入相应的滤波器通道9a，9b，9c。当然，有关信号所通过的馈电通道和滤波通道的部件的次序可以被反转。第一基板集成波导5a比第二基板集成波导5b长，由此所述第二基板集成波导5b比第三基板集成波导5c长。第二基板集成波导5b至少长于第三平面天线4c的长度。第一基板集成波导5a至少足够长到绕过第一和第二平面天线4a和4b。第三基板集成波导5c具有最小长度以至少包括能够直接连接到第三微带线6c和第三馈电微带线7c的滤波器通道9c。当第一基板集成波导5a在一侧绕过天线时，第二基板集成波导5b在平行于对称轴X的另一侧绕过天线。这三个基板集成波导5a，5b，5c相互平行，且分别平行于平面天线4a，4b，4c的行以及平行于对称轴X。当然，在另一些实施例中SIWG不限于互相平行。在图1中基板集成波导5a，5b，5c的宽度分别小于平面天线4a，4b，4c，但大于微带线6a至6c，7a至7c的宽度，所述宽度是垂直于对称轴X测量的。在该实施例中，所有SIWG具有同样的宽度，意味着所述通路具有至其在SIWG的另一侧放置的相应通路的相同距离。在其它实施例中，SIWG的宽度可以不同，取决于例如传送信号的频率。馈电通道8a，8b，8c和滤波通道9a，9b，9c的分配在不同的例子中可以不同，但是在图1中，滤波通道9a，9b，9c对每一个基板集成波导5a，5b，5c总是具有恒定的长度，并包括比第一和第二基板集成波导5a，5b的馈电通道8a，8b小得多的区域。在其它例子中，基板集成波导5a，5b，5c包括馈电通道或者滤波通道。

第一、第二和第三馈电微带线7a，7b，7c分别附着到第一、第二和第三基板集成波导5a，5b，5c，并且可操作用于为信号提供连接点或端子，所述信号由天线接收并通过基板集成波导发送到外部部件(图中未示出)，或由外部部件接收并通过基板集成波导发送至天线以进行发射。这些包括接收器和/或发射机的外部部件可以位于与基板结构1相同的部件上，或必须借助线经过所述端子链接到基板结构1。第一、第二和第三馈电微带线7a，7b，7c能够类似于以上所述的第一、第二和第三微带线6a，6b，6c那样形成。

基板集成结构1的截面3示出第一、第二和第三层11a，11b，11c，地层15，分别包括第一层12a，12b，12c，第二层13a，13b，13c和第三层14a，14b，14c的第一、第二和第三平面天线群21a，21b，21c，第一、第二和第三微带线6a，6b，6c，第三基板集成波导5c和第三馈电微带线7c。如在顶视图2中所提到的，微带线6a，6b连接到它们相应的天线4a，4b，然而为清楚起见，所述连接在截面3中并未显示。

天线群21a与平面天线4a等效，并包括第一层12a，第二层13a和第三层14a。平面天线4a在截面3中显示为天线群21a，而天线群21a在顶视图2中显示为平面天线4a。另外的天线群21b和21c分别对应于天线群21a。第一、第二和第三层12a，13a，14a相互之间距离相等，但是并不限于此实施例。同样在图1中，所有三层12a，13a，14a具有同样的尺寸，且沿着垂直于地层15的轴A排列为一行。在另外的例子中，层12a，13a，14a可以相互之间水平或垂直地偏移，以通过电磁波改变相互的激励。底层14a，14b，14c连接到微带线6a，6b，6c，并激励其它安置于其上的层12a，13a，12b，13b，12c，13c。在另一例子中，其它层也可以分别连接到微带线。因此，任何连接层与微带线的组合都是可以的，更特别的，所述第一和第三层、或第二和第一层(等等)都可以连接到所述微带线。平面天线也不被约束为只有3层，而是可以分别包括至少一层。

第三基板集成波导5c包括几个通路，其中例如第三滤波器通道的一个通路标记为10c。通路是通过一层产生的，并连接第三基板集成波导5c的上层22a和下层22b。通路均相互平行，且垂直于地层。上层和下层22a和22b基本上与微带线如6c或7c的形成相似，但是比所述微带线具有更大的宽度。所有部件，除了如图1所示的层11a，11b，11c之外，均由诸如金或铜或用金和铜制成的多层之类的金属构成，借此所述通路被完全填充或利用所述金属成分加衬里(line)。层11a，11b，11c由任何柔性材料例如液晶复矿质(polymere)构成。层的厚度可以是25或50或100μm，并可根据设计频率增加或减小。通路之间的距离在λg/10的范围内，在此λg代表基板中的波长。通路相互之间不应该设置太远，以便能量在柱之间不会泄漏。通路的直径取决于基板高度，由此由于制造规格，当总基板高度增加时，所述直径也增加。通路的直径的范围有利地在100μm至200μm之间，并且不限于所述值，而是最终取决于频率。关于制造方面，所有部分(天线，滤波器和导体)都在同一层中同时制造。通路可以在完整的基板结构完成之后制造，或在与同一层的部件被制造的相同步骤中被制造。当然也可以省略微带线6a，6b，6c并且直接将基板集成波导与天线连接，如有必要的话，通过弯曲或形成所述基板集成波导的曲形(curve)，如图3、4或5中所说明的。

图2显示了基板结构1a的第二实例，其包括所述第二实例的顶视图2a和截面3a。

所述第二实例的顶视图2a显示了第一、第二和第三平面天线4a，4b，4c，第三基板集成波导5d，第三微带线6d，馈电微带线16d，第二和第一基板集成波导5e，5f以及第二和第一微带线6e，6f，借此三维基板的第一、第四和第七层11k，11g，11d在顶视图中可见。基本上，图2的所有部件对应于图1的部件，除了随后分别描述的特性和特征。

第二实例的截面3a显示九个层11d至11n，六个导电层15a，16a，16b，15b，15c，16c，不少于从第一基板集成波导的地层15a延伸直到第二基板集成波导的地层15b的通路并且最终通路从第一基板集成波导的地层15a变化到第三基板集成波导的顶层16c以及第一、第二和第三平面天线的相应层12a，13a，14a，12b，13b，14b，12c，13c，14c。通路长度不限于上述提及的长度，但是必须至少从相应的基板集成波导的地层变化到顶层，以提供所述基板集成波导中的电磁波的包装和引导。所有平面天线的层分别设置在三维基板的第一层至第九层上，更特别的，平面天线的所述每个层被设置为三维基板的所述层11d-11m上的唯一的层。第一基板集成波导5f包括顶层16c和地层15c的一部分，第二基板集成波导5e包括顶层16b和地层15b的一部分，第三基板集成波导5d包括顶层16a和地层15a的一部分。基本上，层15a，15b，15c，16a，16b，16c分别包括微带线6f，6e，6d，基板集成波导5f，5e，5d和馈电微带线，例如在顶视图2a上可见的标记为16d的那个。所述层15a，15b，15c，16a，16b，16c全部具有一样的厚度并相互平行，但是并不限于所述技术特征。另外，在两个相邻的且位于彼此之下的基板集成波导之间可以存在互连(图2中未示出)以便信号可以在所述SIWG之间被共享。该互连由相应的SIWG的例如15b的底层和例如16a的顶层中的通孔和形成从位于上部的SIWG到位于底部的SIWG的通道的通路形成；因此，额外的通路必须放置于所述孔周围的边缘上。其它允许信号的分离和集合的互连也是可以的。例如，顶层16a的一部分能够逐渐通向底层15b并且与所述底层合并。同样的，保持平行于顶层16a的底层15a也逐渐通向所述底层15b并且与其合并。其上能够放置导电层16a或15a的斜坡能够通过例如相应层如11k至11m的栅格蚀刻来制造。

图3显示了基板结构1b的第三个例子，由此随后描述的所有部件都在顶视图中显示，而为了清楚起见，表面/顶层之下的部件被部分地示出。除了随后描述的特征，基本上图3的所有部件都对应于图2的部件。第一、第二和第三平面天线4a，4b，4c对应于图2中描述的相应的平面天线。从而，三个平面天线放置在如图2描述的相应层11d，11g，11k上。第三基板集成波导5d和第三微带线6d也对应于图2中描述的相应部件。第三基板集成波导5d包括馈电通道8d和滤波通道9d。由于三个平面天线4a，4b，4c的行被设置成在层上与第三基板集成波导5d呈90度角，因此第二和第三基板集成波导形成弯曲环绕(curve around)以连接到相应的平面天线4a，4b。微带线也可以用于形成该曲形，并分别互连平面天线4a，4b与基板集成波导(图3未示出)，所述基板集成波导位于基板集成波导5d之下。天线4a，4b，4c的第一层是可见的，并安置在三维结构的相应层11k，11g，11d上。

图4显示了基板结构1c的第四个例子，其中随后描述的特征在顶视图中显示，而为了清楚起见，表面/顶层之下的部件被部分地示出。除了随后描述的特征，基本上图4的所有部件都对应于图3的部件。第一、第二和第三平面天线4a，4b，4c，第三基板集成波导5c和第三微带线6d分别对应于图3中描述的相同部件。在这种情况下，第三平面天线4c放置在第二和第一平面天线中间。因此，第一和第三平面天线与第三基板集成波导形成90度角，并且第二和第三平面天线与第三基板集成波导也形成90度角。因此，第一和第二基板集成波导在第三平面天线4c之下也是弯曲形的，由此从箭头G看来，第二基板集成波导转向右边(被示为排成一行并且平行的两行圆圈)并且第三基板集成波导转向左边以连接到相应的平面天线。特别的，第二基板集成波导与第三基板集成波导在不同的层上。天线4a，4b，4c的第一层是可见的，并安置在三维结构的相应层11k，11g，11d上。

图5显示了基板结构1d的第五个例子，由此随后描述的所有部件都在顶视图中显示，而为了清楚起见，表面/顶层之下的部件被部分地示出。除了随后描述的特征，基本上图5的所有部件都对应于图4的部件。除了天线共用器(diplexer)17之外，图5所示的所有其它部件都对应于图4描述的部件。天线共用器17放置在第三平面天线的层之下，并在第三基板集成波导之后被分配。天线共用器17可操作用于为分别放置在第三平面天线的右侧或左侧的第一平面天线和第二平面天线提供电磁波。天线共用器17包括连接到第一平面天线4a的第一分支18a和连接到第二平面天线4b的第二分支18b。最终放置在基板集成波导5d的馈电通道8d之下的馈电通道在一端处通过通路20被加宽，所述通路20用作天线共用器17的入口角。天线共用器17最终通过放置在通道宽度中间的分离通路19分为两个分支。根据信号强度的分配，分离通路19能够移动以便于为特定的平面天线提供更多的能量。第一和第二天线4a，4b的第一层是可见的，并放置在三维结构的同一层11g)上。

现有技术的矩形波导(WG)的解决方案是将矩形WG集成到分化的(ckaded)基板中作为如图1至5所示的基板集成波导(SIWG)。SIWG技术以其低损耗、低成本为特点，并已经作为微波和毫米波部件和子系统在许多出版物中报道。

SIWG，天线馈电，天线本身和通道滤波器都制造在同一部件中，并且采用同一材料且在同一步骤中制造(图1)。由于对所有的部件采用相同的制造技术，因此不必在子电路部件之间设计复杂的转变。为了将来系统的小型化，各个部件被设置成称为三维模块的多层结构(图2)。

多种部件能够堆叠于彼此之上以形成更加复杂的集成模块(图2)。这种堆叠结构的优点在于，在制造过程中，形成SIWG所需的通孔能够在一个步骤中制造。该方法能获得极低的生产成本以及各个部件之间的极低的性能差异。

SIWG采用柔性板材料制造，以便它能够被弯曲或具有任何形状以最小化整个系统尺寸。该柔性板材料包括例如液晶聚合物。

常规的矩形WG尺寸较大，笨重且重量大。相比之下，SIWG尺寸小得多，并且因此在系统中仅需要较小的集成空间。类似于常规矩形WG，SIWG不会在波导外辐射，并且因此具有低损耗和可以忽略的串扰。

由于SIWG由分化的(金属化的)基板制造，因此天线部分，SIWG和其他电路部件例如通道滤波器能够通过同样的制造技术、在相同的制造步骤内以及由相同的材料制造。

根据图1，SIWG和天线之间的转换将更加简单，这里所述转换包括简单的微带，共平面或通路转换。由于毫米波波导应用需要微米范围内的精度，因此相比较于传统波导所需的金属打磨方法，采用蚀刻技术(用于SIWG)的制造过程是专用的。

SIWG为具有多层结构提供了可能。SIWG能够集成为多层结构，因此，节省了许多空间，且馈电WG将不会受到串话干扰。SIWG采用柔性材料能够通过折叠进一步最小化系统尺寸，因此，导致了更高的集成密度。

到现在为止，电路板、天线、馈电网络和如通道滤波器的子部件已经作为独立部分制造，并采用昂贵的装配电缆连接到一起。因此，本发明的主题的优势如下所述：

·所有这些子电路部件与SIWG一起集成到一个电路中，因此可以达到更好的电性能，更小的尺寸，更高的集成密度以及最终形成更廉价的产品。

·由于部件均采用多层技术布置，并采用相同的波导技术(此处指SIWG)制造，因此尺寸更小。

·由于串扰更小，电路部件之间的转换更少，互连长度(电气长度)更小，并因此具有更小的波动传送性能，故具有更好的射频性能。

·相同的通孔能够被用于不同的波导，特别是不同层上的波导滤波器。这样就可以简化制造过程，因此能够降低生产成本。另外，由于通孔处理在多种部件之间被共享，故可以减少需考虑的处理步骤的差异性，因此使得产量增加。

现在详细解释液晶聚合物(LCP)，其仅为能用于本发明的材料的例子。液晶聚合物是相对独特的一类基于p-羟基苯甲酸和相关单体的部分结晶芳香族聚酯。液晶聚合物能够在液相时形成高度有序结构的区域。典型地，LCP在高温下具有突出的机械性质，极好的耐化学性，固有的阻燃性以及良好的气候性。液晶聚合物来源于多种形式，从可高温烧结到可注塑的化合物。烧结是一种用粉末制造产品的方法，通过加热材料(低于其熔点)直到其颗粒相互粘着为止。LCP的惰性格外大。在温度升高时，它们比大多数化学制剂抗压裂，所述化学制剂包括芳烃或者卤代烃，强酸，碱，酮，以及其他腐蚀性工业物质。其在沸水中的水解稳定性也很优异。使该聚合物性能恶化的环境是高温蒸汽，高浓度硫磺酸以及沸腾的腐蚀性材料。

Claims (15)

1.一种可操作用于引导电磁波的基板集成结构(1)，所述基板集成结构(1)是一个集成单元，包括：

分别可操作用于引导电磁波的多个基板集成波导(5a，5b，5c)，以及

可操作用于接收和/或发射电磁波的多个平面天线(4a，4b，4c)，所述多个平面天线(4a，4b，4c)分别耦合到所述多个基板集成波导(5a，5b，5c)，

其中所述基板集成波导(5a，5b，5c)具有通路(10c)，

其中所述基板集成波导(5a，5b，5c)中的至少两个分别位于不同层处，以及

其中所述通路(10c)的至少一部分是基板集成波导(5a，5b，5c)的一部分。

2.根据权利要求1所述的基板集成结构，其中所述基板集成波导(5a，5b，5c)包括微带导体(22a和22b)。

3.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中所述基板集成波导(5a，5b，5c)中的至少一个包括电磁波频率滤波器(9a，9b，9c)。

4.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中所述基板集成波导(5a，5b，5c)中的至少一个包括互连，所述互连可操作用于互连所述基板集成波导(5a，5b，5c)中的至少两个。

5.根据权利要求4所述的基板集成结构，其中所述互连包括多路转接器(17)。

6.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中所述基板集成结构(1)以多层基板(11)实施。

7.根据权利要求6所述的基板集成结构，其中所述平面天线(4a，4b，4c)中的至少两个分别位于不同层处。

8.根据权利要求1所述的基板集成结构，其中所述通路(10c)的至少一部分同时是所有基板集成波导(5a，5b，5c)的一部分。

9.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中所述平面天线(4a，4b，4c)中的至少一个和所述相应的基板集成波导(5a，5b，5c)之间的连接包括微带线(6a，6b，6c)。

10.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中基板集成波导(5a，5b，5c)相互平行。

11.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中平面天线(4a，4b，4c)相互平行。

12.根据权利要求1或2所述的基板集成结构，其中至少一个基板集成波导放置在平面天线(4a，4b，4c)的一侧且至少一个基板集成波导放置在平面天线(4a，4b，4c)的另一侧。

13.一种用于制造对应于权利要求1到12之一的基板集成结构的方法，所述基板集成结构包括多个层，所述层分别包括部件，

其中在与产生相应层的部件和/或相应层相同的步骤中产生通过所述基板集成结构的层的通路。

14.一种用于制造基板集成结构的方法，所述基板集成结构对应于根据以上提及的权利要求1至12之一所述的基板集成结构，且所述基板集成结构包括多个层，所述层分别包括部件，

其中在所述基板集成结构的所有其他部件产生之后产生通过所述基板集成结构的通路。

15.根据权利要求14所述的用于制造基板集成结构的方法，其中通路延伸垂直通过至少一个层。

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