CN107408747A

CN107408747A - 通过模具成形实现的微波或毫米波rf部件

Info

Publication number: CN107408747A
Application number: CN201580072402.5A
Authority: CN
Inventors: 波尔-西蒙·基尔代尔; 法里德·哈达维
Original assignee: Gapwaves AB
Current assignee: Gapwaves AB
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2017-11-28
Anticipated expiration: 2035-01-19
Also published as: US20180026378A1; CN107408747B; JP2018507594A; WO2016116126A1; EP3248243A1; US10498000B2; JP6608452B2; EP3248243B1

Abstract

公开了一种用于生产天线系统的RF部件的方法和装置，例如用于通信、雷达或传感器应用中，并因此公开了可生产的RF部件。RF部件具有至少一个表面，该至少一个表面设置有多个突出元件。具体地，RF部件可以是间隙波导。突出元件被单片地形成并固定在导电层上，且所有的突出元件在其底部经由导电层彼此电连接。通过提供具有形成RF部件的突出元件的负像的多个凹部的模具来生产RF部件。特别地，模具可以是多层模具，具有若干个层，至少一些层具有通孔以形成凹部。材料的可成形片布置在模具上，并且施加压力，从而压缩材料的可成形片以符合模具的凹部。

Description

通过模具成形实现的微波或毫米波RF部件

发明的技术领域

本发明涉及用于设计、集成并封装用于在通信、雷达或传感器应用中使用的天线系统的射频(RF)部件，以及例如诸如波导耦合器、双工器、滤波器、天线、集成电路封装件等的构件的技术。

背景

存在对于预期用于消费者市场的、涉及高增益天线的特别是在60GHz和以上的快速无线通信的技术的需要，所以低成本可制造性是必要的事情。消费者市场优选平面天线，且这些只可以被实现为平面阵列，以及这些系统的宽的带宽需要全体分布网络(corporatedistribution network)。这是给阵列的每个元件馈送相同的相位和振幅以实现最大增益的线路和功率分配器的完全分支的网络。

常见类型的平面天线基于在印刷电路板(PCB)上实现的微带天线技术。PCB技术非常适合于这样的紧凑轻量化的并馈天线阵列(corporate-fed antenna array)的大量生产，特别是因为全体分布网络的构件可被微型化以连同微带天线元件一起安装在一个PCB层上。然而，这样的微带网络遭受在介电和导电部件中的大损耗。介电损耗不取决于微型化，但导电损耗由于微型化而非常高。不幸的是，微带线只可以通过增加基片厚度而变得更宽，且然后微带网络开始辐射，以及表面波开始传播，这都严重地破坏性能。

存在具有低导电损耗且没有伴随表面波和辐射的问题的一种已知的基于PCB的技术。这通过如在[1]中的两个名称“基片集成波导(SIW)”或“后壁波导(post-wallwaveguide)”中的任一个被提到。我们在这里将只使用术语SIW。然而，SIW技术仍然有明显的介电损耗，且低损耗介电材料非常昂贵和柔软，且因此不适合于低成本大量生产。因此，存在对更好的技术的需要。

因此，存在对诸如位于60GHz或以上的高频的且具有减少的介电损耗和伴随有辐射和表面波的问题的平面天线的需要。特别是，存在对用于实现不遭受介电损耗和伴随有辐射和表面波的问题的、位于60GHz或以上的全体分布网络的基于PCB的技术的需要。

间隙波导技术基于来自2008和2009[2]的Prof.Kildal的发明，其也在介绍性论文[3]中描述并在[4]中实验性地验证。该专利申请以及论文[5]描述了可代替在高频电路和天线中的微带技术、共面波导和正常矩形波导的几种类型的间隙波导。

间隙波导在平行的金属板之间形成。借助于在一个或两个板中的纹理来控制波传播。在平行板之间的波被阻止在其中纹理是周期性或准周期性的(以阻带为特征)方向上传播，且它在其中纹理平滑的方向上(如沿着凹槽、脊和金属条)增强。这些凹槽、脊和金属条形成三种不同类型的间隙波导：凹槽间隙波导、脊间隙波导和微带间隙波导[6]，如也在原始专利申请[2]中描述的。

纹理可以是在平的金属表面上的金属柱或销的或在基片上的具有金属化通路孔的金属贴片的周期性或准周期性集合，该金属化通路孔将金属贴片连接到接地平面，如在[7]中提出并还在原始专利申请[2]中描述的。具有通孔的贴片通常被称为蘑菇状物(mushroom)。

悬挂式(也被称为倒置)微带间隙波导在[8]中被提出且也存在于[6]和[7]中的描述中。这由被蚀刻在PCB基片上并由PCB基片悬挂的金属条组成，该PCB基片搁置在金属销的具有规则纹理的表面的顶部上。这个基片没有接地平面。传播的准TEM波模式在金属条和上部平滑金属板之间形成，从而形成悬挂式微带间隙波导。

这种波导可具有低介电和导电损耗，但它不与PCB技术兼容。纹理化销表面可由在PCB上的蘑菇状物实现，但这然后变成两个PCB层之一以实现微带网络，由此它比只使用一个PCB层实现的间隙波导生产起来昂贵得多。另外，这个技术有许多问题：难以找到从底部将传输线连接到它的良好的宽带方式。

由蘑菇状物制成的具有阻带-纹理的微带间隙波导在[9]中在单个PCB上实现。这个PCB型间隙波导被称为微带-脊间隙波导，因为金属条必须具有与蘑菇状物相同的方式的通路孔。

在[10]-[12]中描述了准平面倒置微带间隙波导天线。在直接位于销表面上的基片上的微带馈电网络之下制造周期性销阵列和辐射元件都是昂贵的，该辐射元件在这种情况下是紧凑的喇叭天线。

在[13]提出了具有4x4狭槽的小平面阵列。天线被实现为两个PCB，上部PCB具有被实现为具有2x2子阵列的阵列的辐射狭槽，每个子阵列由SIW腔所支持的2x2狭槽组成。4个SIW腔中的每个由在下部PCB的表面中的微带-脊间隙波导馈送的耦合狭槽激发，该下部PCB以一空气间隙定位在上部辐射PCB之下。实现具有足够的容限的PCB且特别是保持具有恒定高度的空气间隙是非常昂贵的。微带-脊间隙波导还需要巨大量的细的金属化通孔，其制造起来非常昂贵。特别是，钻孔是昂贵的。

因此，存在对具有良好的性能且此外生产起来有成本效益的新的波导和RF封装技术的需求。

发明概述

因此，本发明的目的是缓解上面讨论的问题，且特别是提供新波导和RF封装技术，其具有良好的性能且生产起来有成本效益，特别是在30GHz之上使用，以及例如在用于在通信、雷达或传感器应用中使用的天线系统中使用。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于生产天线系统的RF部件的方法，例如，用于通信、雷达或传感器应用中使用，该RF部件设置有从RF部件的基面突出的多个突出元件，该方法包括：

提供模具，该模具设置有形成RF部件的突出元件的负像(negative)的多个凹部；

在模具上布置材料的可成形片；以及

在材料的可成形片上施加压力，从而压缩材料的可成形片以符合模具的凹部。

所谓RF部件，在本申请的上下文中意指天线系统的在天线系统的射频发射和/或接收区段(通常被称为天线系统的前端或RF前端的区段)中使用的部件。RF部件可以是连接到天线系统的其它构件的单独部件/器件，或可形成天线系统的整体部件或天线系统的其它部件。本发明的波导和RF封装技术特别适合于实现宽带和有效的平面阵列天线。然而，它也可用于天线系统的其它部件，诸如波导、滤波器、集成电路封装等，且特别是用于这样的部件到完整RF前端或天线系统中的集成和RF封装。特别是，本发明适合于作为间隙波导或包括间隙波导的RF部件的实现。

在间隙波导中，波主要在两个导电层之间的空气间隙中传播，其中至少一个导电层设置有表面纹理，其在这里由突出元件形成。间隙也可完全地或部分地被介电材料填充，出于机械原因以使得间隙保持恒定高度。间隙可甚至具有用于机械地支持恒定高度处的间隙的金属元件。这些金属元件然后优选地位于波导结构的迹线之外。

突出元件优选地布置在纹理化表面中的周期性或准周期性图案中，并设计成阻止波在这两个金属表面之间、在除了沿着波导结构以外的其它方向上传播。这个被禁止的传播的频带被称为阻带，且这限定间隙波导的最大可用操作带宽。

如在上文中讨论的，凹槽间隙波导、微带脊间隙波导和倒置微带间隙波导已经被证明为工作并具有比传统微带线和共面波导更低的损耗。本发明人现在已经发现，可通过以可被称为模具成形或压模印且特别是多层模具成形的工艺在导电层上单片地形成突出元件来以更有成本效益的方式得到类似或更好的性能，其中材料(诸如铝)的可成形片被压向设置有形成RF部件的突出元件的负像的多个凹部的模具，从而压缩材料的可成形片以符合模具的凹部。因此，例如能够在60GHz及更高的频率下以低制造成本和足够准确性实现全体分布网络。

模具可设置在一个层中，包括凹部。然而，模具可以可选地包括两个或更多个层，其中的至少一些设置有通孔，其中通过将层堆叠在彼此的顶部上来形成凹部。使用这样的多层模具的压模印或模具成形在这里被称为多层模具成形。假如三个、四个、五个或甚至更多个层被使用，除了可能的底层以外的每个层都具有通孔，该通孔在层被放置在彼此的顶部上时表现为凹部，且不同的层的通孔中的至少一些通孔彼此连通。

压模印或模具成形本身是以前已知的，并在用于形成金属薄板等的其它领域中已经被使用。这样的已知方法的示例在例如US7146713、US3937618和US3197843中被发现。然而，用于上面讨论的类型的RF部件的生产的压模印或模具成形的使用在现有技术中不是已知的也不是预见的。多层模具和多层模具成形的使用也不是已知的。

可借助于钻孔、铣削等来形成在模具中的凹部。

现在认识到，与金属板的常规铣削相比且也与在介电基片中钻通路孔相比，这样的压模印/模具成形工艺可用于以非常低价格制造间隙波导的销/突出元件表面。

本发明使以快速和有成本效益的方式生产上面讨论的类型的RF部件变得可能，以用于原型和测试序列的生产以及用于全规模生产。相同的生产设备可用于很多不同的RF部件的生产。对于不同的RF部件的生产，只有模具需要被更换，且假如几个模具层被使用(见下文)，则通常只更换单个模具层或重新布置模具层的顺序就足够了。

可通过钻孔来得到在模具或模具层中的凹部。然而，用于形成凹部的其它手段也是可行的，诸如铣削、蚀刻、激光切割等也是可行的。

材料的可成形片可被称为坯段。坯段优选地由比其它构件且特别是模具的材料更软的材料形成。坯段/可成形材料可以例如是软金属(诸如铝、锡等)或其它材料(诸如塑料材料)。如果塑料材料或其它非导电或差的导电材料被使用，则该材料优选地在成形之后例如使用银的薄镀层被电镀或金属化。模具优选地由不锈钢或其它硬金属制成。

可以用诸如通过钻孔、铣削、蚀刻、激光切割等的多种方式形成模具/模具层的凹部。

本发明使有成本效益地生产具有很多突出元件/销的RF部件、小直径的突出元件/销和/或具有比直径大的高度的突出元件/销变得可能。这使其特别适合于形成用于高频的RF部件。

凹部的深度和承载凹部的模具/模具层的厚度(特别是当通孔被使用时)提供所制造的部件(诸如销和/或脊)的突出结构的高度。因此，这样的元件的高度容易可控制，并且也可容易布置成在所制造的部件上改变，使得例如一些销比其它销更高，销比突出脊更高，等等。通孔比腔制造起来更有成本效益。此外，可因此容易通过将具有通孔的模具层定位在彼此的顶部上来得到不同深度的凹部，使得如果两个或更多个模具层具有一致的孔位置，则较深的凹部被得到。

借助于本发明，可以用非常快的、能量有效和有成本效益的方式来生产上面讨论的类型的RF部件。模具层的形成是相对简单的，且同一模具层可被重新使用很多次。此外，模具层可容易被更换，使能够重新使用模具的其余部分和生产设备以用于其它RF部件的生产。这使得生产对设计变化等具有灵活性。生产过程也是具有很好的可控制性并且所生产的RF部件具有很好的容差。此外，生产设备是相对廉价的，且同时提供高生产率。因此，生产方法和装置适合于小批量原型生产、小批定制部件的生产并适合于大批的大量生产。

模具优选地设置有套环，材料的可成形片可插入套环中。模具可包括基板和套环，该套环被设置为松散地布置在基板上的单独的元件。

模具还可包括至少一个模具层，其包括形成所述凹部的通孔。在优选实施方式中，模具包括至少两个夹在中间的包括通孔的模具层。因此，夹在中间的层可布置成提供突出元件的各种高度和/或形状。例如，这样夹在中间的模具层可用于具有变化的高度的突出元件的有成本效益的实现(诸如不同高度的突出元件的区域)或具有变化的宽度尺寸(诸如圆锥形的)、具有阶梯式降低的宽度等的突出元件的实现。它也可用于形成脊、阶梯式过渡等。优选地，至少一个模具层布置在套环内。

凹部可以布置成在RF部件上形成一组周期性或准周期性布置的突出元件。

根据本发明的另一方面，提供了天线系统的射频(RF)部件以例如用于在通信、雷达或传感器应用中使用，其包括其间布置有间隙的至少两个导电层，以及一组周期性或准周期性布置的突出元件，该突出元件固定地连接到所述导电层中的至少一个导电层，从而形成纹理以停止在除了沿着预期波导路径以外的其它方向上的操作频带中的波传播，其中所述突出元件在所述至少一个导电层上单片地形成，从而每个销被单片地固定到导电层，所有的突出元件在它们的基部处经由它们固定地连接到的所述导电层电连接到彼此。

因此，突出元件都与上部或下部导电层单片地集成在一起，并优选地都与导电层和相邻的突出元件处于导电金属接触中。

突出元件优选地通过压模印以上文讨论的方式在导电层上单片地形成。

在一个实施方式中，RF部件是波导，以及其中突出元件进一步也与另一导电层接触并优选地固定地连接到另一导电层，以及其中突出元件布置成至少部分地围绕在所述导电层之间的腔，所述腔从而起到波导的作用。因此，突出元件可布置成至少部分地提供越过导电层之间的间隙来连接所述导电层的隧道或腔的壁，所述隧道从而起到波导或波导腔的作用。因此，在这个实施方式中，平滑的上部板(导电层)也可搁置在由另一导电层的突出元件形成的网格阵列上或在它的某个部分上，以及提供支撑的突出元件/销可以例如通过在炉子中烘焙结构来焊接到上部平滑金属板(导电层)。因而能够形成如在[1]中描述的后壁波导，所述文件特此通过引用以其整体并入，但没有在波导内部的任何基片。因此，可以这么说，SIW波导在没有基片的情况下被提供。与常规SIW相比，这样的矩形波导技术是有利的，因为它减少了介电损耗，这是由于在波导内部没有基片并且矩形波导也可更有成本效益地被生产，并且由于现在可减小或甚至省略昂贵的低损耗基片材料的使用。

另外，RF部件可以是间隙波导，并还包括波沿着其传播的至少一个凹槽、脊或微带线。微带可布置为悬挂式微带。在“针床(bed of nail)”布置中，微带还可被布置成上覆于或下覆于销的网格阵列。

RF部件优选地是间隙波导，且还包括波沿着其传播的至少一个脊，所述脊与突出元件布置在相同的导电层上且也在所述导电层上单片地形成。

突出元件可具有小于在空气中在操作频率下的波长的一半的最大横截面尺寸，和/或其中，在停止波传播的纹理中的突出元件间隔开小于在空气中在操作频率下的波长的一半的间距。

形成所述纹理以停止波传播的突出元件还可以接触两个导电层或接触导电层中的仅一个。

导电层中的至少一个导电层还可设置有优选地以矩形狭槽的形式的至少一个开口，所述开口允许辐射发射到所述RF部件和/或从所述RF部件接收辐射。

此外，在停止波传播的纹理中的突出元件可以优选地间隔开小于在空气中在操作频率下的波长的一半的间距。这意味着在纹理中的任一对相邻突出元件之间的间隔小于波长的一半。

RF部件还可包括布置在所述导电层之间的至少一个集成电路模块，诸如单片微波集成电路模块，停止波传播的纹理从而起到移除在用于所述集成电路模块的封装内的谐振的装置的作用。集成电路模块可布置在没有设置有所述突出元件的导电层上，以及其中上覆盖集成电路的突出元件比没有上覆盖所述集成电路的突出元件更短。

根据本发明的又一方面，提供了由如上讨论的RF部件实现的包括全体分布网络的平面阵列天线。

间隙波导可形成阵列天线的分布网络。分布网络优选地是完全或部分地全体的，包含功率分配器和传输线，完全或部分地被实现为间隙波导，即在一个平滑的和一个纹理化的表面之间的间隙中形成，包括脊间隙波导、凹槽间隙波导和/或微带间隙波导，这取决于在纹理化表面中的波导结构在薄介电基片上是金属脊、凹槽还是导电带。后者可以是倒置微带间隙波导或如由已知的技术限定的微带脊间隙波导。

在分布网络中，波导结构可像树一样形成以借助于功率分配器和在它们之间的线来成为分支或全体分布网络。围绕波导凹槽、脊或金属条的销可通过与上面讨论的相同的生产过程来单片地与支撑金属板或金属化基片集成。

突出元件或销可具有任何横截面形状，但优选地具有正方形、矩形或圆形横截面形状。此外，突出元件优选地具有小于在空气中在操作频率下的波长的一半的最大横截面尺寸。优选地，最大尺寸比这小得多。最大横截面尺寸是在圆形横截面的情况中的直径或是在正方形或矩形横截面的情况中的对角线。

在优选的实施例中，形成所述纹理以停止波传播的突出元件被形成为销网格阵列。

导电层中的至少一个导电层还可设置有优选地以矩形狭槽的形式的至少一个开口，所述开口允许辐射发射到所述间隙波导和/或从所述间隙波导接收辐射。这种开口可被用作阵列天线中的辐射开口，或者用作将辐射传递到天线系统的另一层的耦合开口。开口可优选地布置在间隙波导的平滑金属表面中，即在未设置有突出元件的导电层中，且狭槽可布置成从其上部面直接辐射，在这种情况下，每个狭槽之间的间隔优选地小于自由空间中的一个波长。

天线系统还可包括连接到间隙波导的金属表面中的开口的喇叭形元件。这样的狭槽是产生与优选地并排位于上部金属板/导电层中的阵列中的喇叭形元件的阵列的耦合的耦合狭槽。每个喇叭元件的直径优选地大于一个波长。这样的喇叭阵列的示例本身在[10]中被描述，所述文件特此通过引用以其整体并入。

当几个狭槽用作在上部板中的辐射元件时，在狭槽之间的间距优选地小于在空气中在操作频率下的一个波长。

在上部板中的狭槽也可具有大于一个波长的间距。于是，狭槽是耦合狭槽，其产生从布置在纹理化表面中的分布网络的端部到这个分布网络在它之上的层中的继续部分的耦合，这将功率相等地分到共同形成狭槽的子阵列的辐射阵列的额外狭槽的阵列中，其中在每个子阵列的每个狭槽之间的间距优选地小于一个波长。因此，分布网络可布置在几个层中，从而得到非常紧凑的组件。例如，第一和第二间隙波导层可以用前面提到的方式被设置，由包括耦合狭槽的导电层分离，其中每个耦合狭槽产生从在纹理化表面上的分布网络的每个端部到这个分布网络的继续部分的耦合，这将功率相等地分到在布置在第二间隙波导的上侧处的导电层中形成的狭槽的小阵列中，其共同形成整个阵列天线的辐射子阵列。在子阵列的每个狭槽之间的间距优选地小于一个波长。可选地，所述波导层中只有一个可以是间隙波导层，由此，另一层可通过另一波导技术来布置。

分布网络在馈送点处优选地连接到包含双工器滤波器的RF前端的其余部分以分离发射频带和接收频带以及其后的发射放大器和接收放大器和其它电子器件。后者也被称为用于发射和接收的转换器模块。这些部件可位于与形成分布网络的纹理相同的表面上的天线阵列旁边或在该天线阵列下方。优选地提供从分布网络到双工器滤波器的过渡，且这可使用在下部导电层的接地平面中的孔来实现，并形成在它的背侧上的矩形波导界面。这样的矩形波导界面也可用于测量目的。

天线系统还可包括布置在波导的导电层的两个之间的至少一个集成电路，RF封装技术，用于停止波传播的纹理从而移除所述集成电路所在的腔内的谐振。在优选的这样的实施方式中，至少一个集成电路是单片微波集成电路(MMIC)。

优选地，集成电路布置在没有设置有所述突出元件的导电层上，以及其中上覆盖集成电路的突出元件比没有上覆盖所述集成电路的突出元件更短。因此，集成电路可稍微被突出元件包围，从而提供增强的屏蔽和保护。然而，突出元件优选地不与集成电路接触，且也优选地不与在其上布置集成电路的导电层接触。

根据本发明的另一方面，提供了由根据以上讨论的RF部件实现的包括全体分布网络的平面阵列天线。

因此，如上面讨论的类似实施方式和优点是可行的。

优选地，全体分布网络形成具有功率分配器和在它们之间的波导线的分支树。这可例如被实现为如在前文中讨论的间隙波导。

天线也可以是以与在前文中已经讨论的方式的多个子组件的组件，由此，天线的总辐射表面由子组件的辐射子组件表面的组合形成。每个这样的子组件表面可设置有辐射狭槽开口的阵列，如在前文中讨论的。子组件表面可以例如布置在并排布置中，以形成组件的正方形或矩形辐射表面。优选地，如波纹作用的一个或更多个细长狭槽可进一步布置在子阵列之间，即在子组件表面之间，在E平面中。

因此，如上面讨论的类似实施方式和优点是可行的。

在实施例的一个方案中，第二导电层布置成与第一导电层的突出元件的至少一些接触，并例如通过焊接被连接至所述突出元件。因此，第二导电层的平滑表面也可被搁置在单片地形成的突出元件和第一导电层上或在其某部分上，以及提供支撑的突出元件/销可以通过在炉子中烘焙结构来焊接到上部平滑金属板。因而，能够形成如在[1]中描述的后壁波导，如在上文中讨论的，但没有在波导内部的任何基片。因此，如还在上文讨论的，提供没有基片的SIW波导。

然而，还可以以其他方式完成两个导电层在一起的连接，例如，诸如借助于周围框架等将层连接在一起。

脊间隙波导利用在销之间的脊来引导波。这样的脊也可通过将可成形材料压到模具中的凹部内来以上面讨论的方式单片地形成。然后，可具有树的形式的这个波导脊结构在它用于实现分支型分布网络时可在突出元件之间形成，同时形成。

根据本发明的又一个方面，提供了一种用于生产天线系统的RF部件的装置，例如，用于在通信、雷达或传感器应用中使用，该RF部件设置有从RF部件的基面突出的多个突出元件，该装置包括：

模具，包括：

至少一个模具层，其设置有形成RF部件的突出元件的负像的多个凹部；

套环，其布置在所述至少一个模具层周围；

基板，其上布置所述至少一个模具层和所述套环；

印模(stamp)，其布置在套环内，以朝着至少一个模具层按压材料的可成形片；以及

压力装备，用于将压力施加到印模和模具的基板之间，从而压缩材料的可成形片以符合至少一个模具层的凹部。

印模在此处是布置成在材料的可成形片上传递均衡压力的材料片。印模还可被称为挤压垫(dummy)、挤压垫块、冲压机或平面冲压机。

因此，如上面讨论的类似实施方式和优点是可行的。

至少一个模具层还优选地包括形成所述凹部的通孔。这种模具层相对地易于生产，因为可例如通过钻孔来产生通孔。另外，在优选实施方式中，模具包括至少两个夹在中间的模具层，其包括通孔。例如，这使得产生具有各种高度的突出元件和/或脊变得容易。

将参考在下文中所述的实施方式来在下面进一步澄清本发明的这些和其它特征和优势。特别地，本发明在前文中按照暗示发射天线的术语被描述，但自然地，相同的天线也可用于接收或接收和发射电磁波。作为互易性的结果，只包含无源构件的天线系统的部件的性能对于发射和接收二者是相同的。因此，在上面用于描述天线的任何术语应被广泛地解释，允许电磁辐射在任何或两个方向上被传送。例如，术语“分布网络”不应被解释为唯一地用于在发射天线中使用，而也可以起到用于在接收天线中使用的组合网络的作用。

附图简述

为了例示目的，本发明将参考在附图中示出的其实施方式在下文中被更详细地描述，其中：

图1是示出根据本发明的一个实施方式的间隙波导的透视侧视图；

图2是示出根据本发明的另一实施方式的间隙波导的圆形腔的透视侧视图；

图3是根据本发明的另一实施方式的阵列天线的示意图，其中图3a是所述天线的子阵列/子组件的分解图，图3b是包括四个这样的子阵列/子组件的天线的透视图，以及图3c是实现图3b的天线的可选方式的透视图；

图4是根据本发明实现的且例如在图3的天线中可用的示例性分布网络的顶视图；

图5是根据本发明的另一可选实施方式的、利用倒置微带间隙波导的天线的三个不同的层的透视图和分解图；

图6是根据本发明的又一实施方式的脊间隙波导的输入端口的近视图；

图7和图8是根据本发明的另外的实施方式的部分地分离的间隙波导滤波器的透视图；

图9是根据本发明的又一实施方式的间隙波导封装的MMIC放大器链的图示，以及其中图9a是从侧面看的示意性透视图而图9b是侧视图；

图10是根据本发明的一个实施方式的制造设备的示意性分解图；

图11是在图10中的模具成形层的顶视图；

图12是图10的组装模具的透视图；

图13是在组装布置中的图10的制造设备的透视图；

图14是根据本发明的另一实施方式的制造设备的示意性分解图；

图15和图16是示出在图14的实施方式中的两个模具成形层的顶视图；以及

图17是示出由图14的制造设备可生产的RF部件的透视图。

优选实施方式的详细描述

在下面的详细描述中，将描述本发明的优选实施方式。然而，应理解，不同实施方式的特征在实施方式之间是可互换的并可以用不同的方式组合，除非任何其它事情被特别指示。即使在下面的描述中，也阐述了很多特定的细节以提供对本发明的更彻底的理解，对本领域中的技术人员将明显的是，本发明可在没有这些特定细节的情况下被实施。在其它实例中，没有详细描述公知的结构或功能，以免使本发明模糊。

在如图1所示的第一实施方式中，示出矩形波导的示例。波导包括第一导电层1和第二导电层2(在这里为了增强的可见性而被制造为半透明的)。导电层被布置成离彼此一段恒定距离h，从而形成在其间的间隙。

这个波导类似于具有在PCB中的金属化通路孔的常规SIW，该PCB具有在两侧上的金属层(接地)，上部(顶部)和下部(底部)接地平面。然而，这里没有在导电层之间的介电基片，且用包括导电层和从这个第一导电层延伸并与这个第一导电层固定地单片地集成的突出元件3的单片部件代替金属化通路孔。第二导电层2搁置在突出元件3上且也例如借助于焊接来连接到这些突出元件。突出元件3由导电材料(诸如金属)制成。它们也可由金属化塑料或陶瓷制成。

类似于SIW波导，波导在这里在导电元件之间形成，在这里在第一端口和第二端口4之间延伸。

在这个示例中，示出非常简单的直波导。然而，可以用相同的方式实现更复杂的路径，包括曲线、分支等。

图2示出间隙波导的圆形腔。这以与在图1的上面讨论的直波导中类似的方式实现，并包括其间布置有间隙的第一导电层1和第二导电层2以及突出元件，该突出元件在导电层之间延伸并连接到这些层。突出元件单片地连接到导电层之一。突出元件3在这里沿着圆形路径被布置，围住圆形腔。此外在这个示例性实施方式中，提供馈送装备6和X形辐射狭槽开口5。

这个圆形波导腔以与圆形SIW腔类似的方式起作用。

参考图3，现在将讨论平面阵列天线的实施方式。这个天线在结构上和功能上类似于在[13]中讨论的天线，所述文件特此通过引用以其整体并入。

图3a以分解图示出子组件的多层结构。子组件包括下部间隙波导层31，其具有第一接地平面/导电层32和由突出元件33和脊结构34形成的纹理，一起形成在第一接地平面32和第二接地平面/导电层35之间的间隙波导。第二接地平面35在这里布置在第二上部波导层36上，该第二上部波导层36也包括第三上部接地平面/导电层37。第二波导层也可被形成为间隙波导层。间隙因此分别在第一和第二接地平面之间以及在第二和第三接地平面之间形成，从而形成两个波导层。上层的底部第二接地平面35具有耦合狭槽38，且上部的接地平面具有4个辐射狭槽39，以及在这两个接地平面之间有间隙波导腔。图3a只示出形成大阵列的单位单元(元件)的单个子阵列。图3b示出并排布置在矩形配置中的4个这样的子阵列的阵列。可以有这样的子阵列的甚至更大的阵列以形成更具方向性的天线。

在子阵列之间，在一个方向上提供间隔，从而形成在上部金属板中的细长狭槽。突出元件/销沿着狭槽的两侧布置。这形成子阵列之间的在E平面中的波纹。

在图3c中，示出可选的实施方式，其中包括几个子阵列的上部导电层被形成为连续金属板。这个金属板优选地具有足够的厚度以允许凹槽在其中形成。因此，具有与在图3b中的狭槽类似的效应的细长波纹可替代地被实现为在单位单元之间延伸的细长凹槽。

分别在第一和第二导电层以及第二和第三导电层之间的波导层中的任一个或两个可被形成为如在前文中讨论的单片间隙波导，而没有在这两个金属接地平面之间的任何基片，且突出元件在这两个导电层之间延伸。然后，如在[13]中讨论的常规通路孔将替代地是在整个天线阵列的每个单位单元内在这两个金属板之间单片地形成的金属销等。

在图4中，示出在图3中的天线的下部间隙波导层中的纹理的示例的顶视图。这示出对于在两个下部导电层之间的间隙中的波的、根据[13]的脊间隙波导技术中的分布网络41。脊结构形成从一个输入端口42到四个输出端口43的分支，所谓的全体分布网络。分布网络可以比这个大得多，具有多得多的输出端口以馈送较大的阵列。与[13]的天线对比，布置成提供停止纹理的通路孔在这里被形成为以上面所述的方式单片地形成的突出元件44。因此，没有或部分地没有基片，且通路孔由突出元件/销代替。脊结构可以用相同的方式形成，以单片地布置在导电层上。因此，脊变成诸如在例如[4]中的脊间隙波导中所示的实心脊。可选地，脊可被绘制为由销支持的细金属条、微带。

参考图5，现在将讨论天线的另一实施方式。这个天线包括在分解图中单独地示出的三个层。上部层51(左边)包括在其中形成的辐射喇叭元件52的阵列。中间层53布置在离上层51一段距离处，使得朝着上层的间隙被提供。这个中间层53包括布置在没有接地平面的基片上的微带分布网络54。波在上部层和中间层之间且在微带路径之上的空气间隙中传播。下部层55(右边)布置在中间层53之下并与中间层53接触。这个下部层包括在导电层57上以上面讨论的方式单片地制造的突出元件56(诸如金属销)的阵列。导电层可被形成为单独的金属层或为PCB的上部接地平面的金属表面。突出元件以确保在所有突出元件的基部之间的金属接触的方式整体地连接到导电层。

因此，这个天线在功能上和结构上类似于在[12]中公开的天线，所述文件特此通过引用以其整体并入。然而，虽然这个已知的天线通过铣削来实现以形成倒置微带间隙波导网络，但是当前示例提供了被实现为单片地形成的间隙波导的分布网络，这产生很多优点，如在本申请的前述章节中彻底地讨论的。

图6提供在下部层上的微带-脊间隙波导的输入端口的近视图，其示出穿过接地平面中的狭槽63到矩形波导的过渡。在这个实施方式中，没有介电基片存在，且常规使用的通路孔由突出元件61代替，该突出元件61以在所有突出元件61之间不存在电接触的方式单片地连接到导电层62。因此，提供微带间隙波导。为了清楚起见，移除上部金属表面。由销支撑的微带(即微带-脊)也可以用与上面关于图4讨论的相同的方式由实心脊代替。

图7示出在结构上和功能上类似于在[14]中公开的间隙波导滤波器的间隙波导滤波器的示例性实施方式，所述文件特此通过引用以其整体并入。然而，与在这个文件中公开的波导滤波器对比，布置在下部导电层72上的突出元件71在这里以上面讨论的方式由单片地和整体地形成的突出元件形成。上部导电层73以与在[12]中公开的相同的方式布置在突出元件之上。因此，这然后成为凹槽间隙波导滤波器。

图8提供了也可被称为间隙-波导封装微带滤波器的波导滤波器的另一示例。这个滤波器在功能上和结构上类似于在[15]中公开的滤波器，所述文件特此通过引用以其整体并入。然而，与在[15]中公开的滤波器对比，滤波器在这里由具有突出元件的表面封装，其中设置在导电层82上的突出元件81以上面所述的方式实现。示出包括不同数量和布置的突出元件81的两个可选的盖。

参考图9，将讨论提供用于集成电路的封装的实施方式。在这个示例中，集成电路是以链构造布置在下部板92上的MMIC放大器模块91，下部板92在这里被实现为具有设置有下部接地平面93的上部主基片的PCB。提供由例如由铝或任何其它适当的金属制成的导电层95形成的盖。盖可借助于周围框架等连接到下部板92。

盖进一步设置有朝着下部板92突出的突出元件96、97。这个在功能上和结构上类似于[16]中公开的封装，所述文件特此通过引用以其整体并入。突出元件优选地具有不同的高度，使得上覆盖集成电路91的元件具有较低的高度，且上覆盖在横向地在集成电路外部的区域的元件具有较大的高度。因此，在由突出元件呈现的表面中形成孔，其中集成电路被插入孔中。突出元件与上部层95电接触，并通过这个层电连接到彼此。然而，突出元件优选地既不接触下部板92也不接触集成电路模块91。

在这里且与在[16]中公开的对比，突出元件单片地形成在上部层95上。这个封装因此是根据本发明使用如上面讨论的间隙波导作为封装技术的示例。

接着将参考图10-17更详细地描述用于制造单片地成形的RF部件的设备和方法。

参考图10，用于生产RF部件的装置的第一实施方式包括模具，其包括设置有形成RF部件的突出元件的负像的多个凹部的模具层104。在图11中示出这样的模具层104的示例。这个模具层104包括均匀分散的通孔的网格阵列以形成突出元件的相应网格阵列。凹部在这里具有矩形形状，但也可使用其它形状，诸如圆形、椭圆形、六边形等。此外，凹部不需要在模具层的高度上具有均匀横截面。凹部可以是圆柱形的，但也可以是圆锥形的或假设具有变化的直径的其它形状。

模具还包括布置在所述至少一个模具层周围的套环103。套环和模具层优选地形成所需尺寸，使得模具层具有与套环的内部的紧密配合。在图12中，示出布置在套环内的模具层。

模具还包括基板105，模具层和套环布置在该基板105上。假如模具包括通孔，则基板将形成由通孔提供的腔的底部。

材料的可成形片102进一步布置在套环内以被压到模具层104上。压力可直接施加到材料的可成形片上，但优选地，印模101布置在材料的可成形片的顶部上，以便均匀地分布压力。印模优选地也布置成可插入套环中，并具有与套环的内部的紧密配合。在图13中，在组装布置中示出布置在套环103中的材料的可成形片的顶部上的印模101。

上面讨论的布置可布置在常规压制装置(诸如机械或液压机)中，以将压力施加到印模和模具的基板上，从而压缩材料的可成形片以符合至少一个模具层的凹部。

上面讨论的多层模具压制或压模印布置可提供突出元件/销、脊和在材料的可成形片中的具有相同高度的其它突出结构。例如借助于钻孔可得到通孔。假如非贯穿凹部在模具层中被使用，这个布置也可用于产生具有变化的高度的这样的突出结构。

然而，为了生产具有变化的高度的突出结构，也可能使用几个模具层，每个具有通孔。现在将参考图14-17来讨论这样的实施方式。

参考图14的分解图，这个装置包括与在前面讨论的实施方式中相同的层/构件。然而，在这里提供了两个单独的模具层104a和104b。这样的模具层的示例在图15和图16中示出。布置成最接近材料的可成形片102的模具层104a(在图15中示出)设置有多个通孔。更远离材料的可成形片102的另一模具层104b(在图16中示出)包括较少的凹部。第二模具层104b的凹部优选地与在第一模具层104a中的相应凹部相关。因此，第一模具层的一些凹部将在遇到第二模具层时终止以形成短突出元件，而一些凹部还将在第二模具层内延伸以形成高突出元件。因此，通过模具层的足够成形，生产各种高度的突出元件是相对简单的。

在图17中示出根据在图15和图16中所示的模具层的实施方式的具有变化的高度的突出元件的RF部件的示例。

在前文中，印模101、套环103、模具层104和基板105被例示为单独的元件，可分离地布置在彼此的顶部上。然而，在各种组合中，这些元件也可永久地或可分离地连接到彼此或被形成为集成单元。例如，基板105和套环103可被设置为组合单元，模具层可连接到套环和/或基板等。

可在室温下执行压制，其中压力被施加以形成与模具层相符的可成形材料。然而，为了便于成形，特别是当相对硬的材料被使用时，热也可被施加到可成形材料。例如，如果铝用作可成形材料，则材料可被加热到几百摄氏度或甚至高达500摄氏度。如果锡被使用，则材料可被加热到100-150摄氏度。通过施加热，成形可更快，且需要更小的压力。

为了便于在成形之后从模具/模具层移除可成形材料，凹部可被制成稍微圆锥形的或类似形状。也可能将热或冷施加到模具和可成形材料。由于不同的材料具有不同的热膨胀系数，因此当冷和/或热被施加时，模具和可成形材料将不同地收缩和膨胀。例如，锡具有比钢低得多的热膨胀系数，所以如果模具由钢制成且可成形材料由锡制成，则通过冷却将十分便于移除。可例如通过浸渍或以将模具和/或可成形材料暴露于液态氮的其它方式来进行冷却。

现在参考特定的实施方式描述本发明。然而，在天线系统中的波导和RF封装的技术的几个变形是可行的。例如，可在很多其它天线系统和装置中使用突出元件的在这里公开的实现，其中常规间隙波导被使用或可被设想。这样的和其它明显的修改必须被考虑为在本发明的范围内，如由所附权利要求限定的。应注意，以上提到的实施方式示出而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下，设计很多可替换的实施例。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考符号不应被解释为限制本发明。词“包括”并不排除除了在权利要求中列出的元件或步骤以外的其它元件或步骤的存在。元件之前的词语“一个(a)”或者“一个(an)”并不排除多个这种元件的存在。此外，单个单元可执行在权利要求中列举的几个装置的功能。

参考文献

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Claims

1.一种用于生产天线系统的RF部件的方法，例如，用于在通信、雷达或传感器应用中使用，所述RF部件设置有从所述RF部件的基面突出的多个突出元件，所述方法包括：

提供模具，所述模具设置有形成所述RF部件的所述突出元件的负像的多个凹部；

在所述模具上布置材料的可成形片；以及

在所述材料的可成形片上施加压力，从而压缩所述材料的可成形片以符合所述模具的所述凹部。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述模具设置有套环，其中所述材料的可成形片可插入所述套环中。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述模具包括基板和套环，所述套环被设置为松散地布置在所述基板上的单独的元件。

4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述模具还包括至少一个模具层，所述至少一个模具层包括形成所述凹部的通孔。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述模具包括至少两个夹在中间的模具层，所述至少两个夹在中间的模具层包括通孔。

6.如从属于权利要求3的权利要求4或5所述的方法，其中，所述至少一个模具层布置在所述套环内。

7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述凹部布置成在所述RF部件上形成一组周期性或准周期性布置的突出元件。

8.一种天线系统的射频(RF)部件，例如，用于在通信、雷达或传感器应用中使用，所述部件包括其间布置有间隙的至少两个导电层，以及一组周期性或准周期性布置的突出元件，所述突出元件固定地连接到所述导电层中的至少一个，从而形成纹理以停止在除了沿着预期波导路径以外的其它方向上的操作频带中的波传播，其中所述突出元件在所述至少一个导电层上单片地形成，因此每个销被单片地固定到所述导电层，所有突出元件在它们的基部处经由它们固定地连接到的所述导电层电连接到彼此。

9.如权利要求8所述的RF部件，其中，在所述导电层上单片地形成的所述突出元件通过压模印形成。

10.如权利要求8或9所述的RF部件，其中，所述RF部件是波导，以及其中，所述突出元件还与另一导电层接触并优选地固定地连接到该另一导电层，以及其中，所述突出元件布置成至少部分地围绕在所述导电层之间的腔，所述腔从而起波导的作用。

11.如权利要求8或9所述的RF部件，其中，所述RF部件是间隙波导，并还包括波沿其传播的至少一个凹槽、脊或微带线，以及例如布置为悬挂式微带的微带线。

12.如权利要求8-11中的任一项所述的RF部件，其中，所述RF部件是间隙波导，且还包括至少一个脊，波沿着所述至少一个脊传播，所述脊与所述突出元件布置在相同的导电层上且也在所述导电层上单片地形成。

13.如权利要求8-12中的任一项所述的RF部件，其中，所述突出元件具有小于在空气中在操作频率下的波长的一半的最大横截面尺寸，和/或其中，在停止波传播的所述纹理中的所述突出元件间隔开小于在空气中在所述操作频率下的波长的一半的间距。

14.如权利要求8-13中的任一项所述的RF部件，其中，形成用于停止波传播的所述纹理的所述突出元件只与所述导电层的一个接触。

15.如权利要求8-14中的任一项所述的RF部件，其中，所述导电层中的至少一个设置有优选地以矩形狭槽的形式的至少一个开口，所述开口允许辐射被发射到所述RF部件和/或从所述RF部件接收辐射。

16.如权利要求8-15中的任一项所述的RF部件，还包括布置在所述导电层之间的至少一个集成电路模块，诸如单片微波集成电路模块，停止波传播的所述纹理从而起到移除所述集成电路模块的封装内的谐振的装置的作用。

17.如权利要求16所述的RF部件，其中，所述集成电路模块布置在没有设置有所述突出元件的导电层上，以及其中，上覆盖所述集成电路的突出元件比没有上覆盖所述集成电路的突出元件短。

18.一种平面阵列天线，包括由根据权利要求8-17中的任一项所述的RF部件实现的全体分布网络。

19.一种用于生产天线系统的RF部件的装置，例如，用于在通信、雷达或传感器应用中使用，所述RF部件设置有从所述RF部件的基面突出的多个突出元件，所述装置包括：

模具，包括：

至少一个模具层，所述至少一个模具层设置有形成所述RF部件的突出元件的负像的多个凹部；

套环，所述套环布置在所述至少一个模具层周围；

基板，所述至少一个模具层和所述套环布置在所述基板上；

印模，所述印模布置在所述套环内，以朝着所述至少一个模具层按压材料的可成形片；以及

压力装备，用于将压力施加到所述印模和所述模具的基板之间，从而压缩所述材料的可成形片以符合所述至少一个模具层的所述凹部。

20.如权利要求19所述的装置，其中，所述至少一个模具层包括形成所述凹部的通孔。

21.如权利要求20所述的装置，其中，所述模具包括至少两个夹在中间的模具层，所述至少两个夹在中间的模具层包括通孔。