CN110311208A - 在pcb集成喇叭天线的无线通信设备、生产方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在PCB集成喇叭天线的无线通信设备、生产方法和用途。该无线通信设备包括：印刷电路板(PCB)，该印刷电路板包括介电基板和由介电基板隔开的导电轨道；至少一根喇叭天线。喇叭天线是通过由PCB基板支撑并附接到PCB基板的凸缘的表面安装部件(SMC)，并且，喇叭天线布置成在PCB基板的每一侧上具有波导和辐射孔，且喇叭天线的每个肋条与PCB的轨道直接接触或靠近，以允许它们之间的直接连接或电容耦合。
Description
技术领域
本发明涉及具有喇叭天线的无线通信设备，更特别地旨在提供毫米频带中的通信。
本发明更具体地旨在改进一根或多根喇叭天线在印刷电路板(或PCB)上的集成。
本发明还涉及相关的生产方法和有利的用途。
背景技术
在数字无线通信的情形下，许多应用需要在不同通信对象之间在更短的时间内进行非常大量数据的高吞吐量无线传输。
这导致在无线通信系统中需要更大的吞吐量容量。增加吞吐量对于开发新应用是非常必要的，例如“无线HD”，其必须促进诸如“未压缩”、高清晰度、超高吞吐量视频的大量数据(通常为1到2吉比特/秒)的无线传输。
这种需求引起了在30至300GHz的毫米频带中工作的新通信技术的出现和发展，以确保高吞吐量，这些频带先前主要预留用于使用昂贵技术的军事或科学系统。
特别是，似乎可以接受的是，60GHz量级的频带(称为V频带)由于其在10GHz的量级的频率带宽而可以获得可能高达6吉比特/秒的吞吐量，因而是一种优选的方案。
这种吞吐量对于实现通常为米量级的短距离无线链路是重要的，其可以取代诸如HDMI(“High Definition Multimedia Interface”(高清多媒体接口)的缩写)或USB-C(“Universal Serial Bus Type C”(通用串行总线C型)的缩写)的有线方案。
这些新通信技术的发展已经引起了生产用于集成毫米级收发器系统的日益有效的电子电路。
对于天线也是如此，因为它们构成收发器系统中的基本组件。因此，天线的小型化和性能对于它们在当前和未来的收发器中的集成是必要的。
众所周知，喇叭天线由于其固有的紧凑性、其良好的无线电性能，而且特别是由于其在毫米频带中的低损耗，可以构成对这种需求的响应。
这里要记住的是，喇叭天线是一种导向设备，其具有由直波导(例如，矩形截面的直波导)构成的渐进部分，该导向设备在其一端延伸有截锥或截棱锥的大体形状的辐射孔。有利类型的喇叭天线是在孔内具有一个或多个肋条的天线，从而增加了天线的带宽。
然而，迄今为止提供的用于喇叭天线的生产和集成的方案实际上不能满足适合于消费者应用的低成本和小封装(footprint)构造的目标。
因此，需要进一步改进预期用于低功耗和高或超高吞吐量的无线通信(特别是用于短距离通信)的喇叭天线的集成，以便显著地促进它们的构造，降低它们的成本并使它们甚至进一步小型化。
本发明的目的是至少部分地满足这种需要。
发明内容
为此，本发明的主题是一种用于毫米频带的通信的无线通信设备，所述无线通信设备包括：
-印刷电路板(PCB)，该印刷电路板包括由介电材料制成的基板和由介电基板隔开的导电轨道；
-至少一根喇叭天线，所述至少一根喇叭天线包括：
·直波导，优选为矩形截面的直波导，通过截锥或截棱锥的大体形状的辐射孔延伸，该辐射孔的端部具有两个彼此垂直的对称平面，
·两个肋条，所述两个肋条在波导和辐射孔的长度的至少一部分上，在所述对称平面中的一个对称平面中彼此相对地延伸，
·至少在波导周围的一个或多个外围区域，所述一个或多个外围区域形成一个或多个附接凸缘。
根据本发明，喇叭天线是通过由PCB基板支撑并附接到PCB基板的凸缘的表面安装部件(SMC)，并且，喇叭天线布置成在PCB基板的每一侧上具有波导和辐射孔，且喇叭天线的每个肋条与PCB的轨道直接接触或靠近，以允许它们之间的直接连接或电容耦合。
有利地，喇叭天线被模制成单件。
因此，本发明基本上在于限定一种喇叭天线，其结构允许通过对普通材料(特别是金属化塑料或锌基合金)的一体模制来生产它，同时具有小的尺寸。其在波导的矩形部分上具有压痕(indentation)的后部形状及其附接凸缘，使其可以作为垂直于PCB的公共的表面安装元件(SMC)安装，并使其与通过“拾取和放置”的布置相关的传统工艺完美兼容。
具有肋条的事实使得可以减小辐射孔(喇叭)的尺寸，而不必安装额外的介电元件，以产生水平和垂直的两种类型的极化，并增加极化纯度。可以根据需要容易地优化肋条的形状，以获得HF(超频)信号的最佳可能传输性能。
在这方面，发明人已经进行了初步模拟，其清楚地表明，在以60GHz为中心的频率处，与需要安装固体介电元件的无肋条喇叭天线设计相比，信号损失几乎可以忽略不计。
喇叭天线的SMC安装进一步使得可以在高度方面具有非常小的封装，因为辐射孔可以在PCB基板的平面的每一侧上居中。
根据变型实施例，“垂直极化”喇叭天线具有布置在垂直于PCB的平面的其辐射孔的端部的对称平面中的肋条。
根据可替代的实施例，“水平极化”喇叭天线具有布置在位于PCB的平面中的其辐射孔的端部的对称平面中的肋条。
根据有利实施例，PCB从其小基部起包括与辐射孔的至少一部分具有互补形状的至少一个凹口(notch)，其中辐射孔至少部分地凹进，直波导在凹口底部的延伸部分中包围在上面安装有天线喇叭的PCB面上的至少一个导电轨道。喇叭天线在这里凹进，使设备更加紧凑。
有利地，喇叭天线适合于在PCB的平面中辐射。
根据有利实施例，每根喇叭天线的波导具有压痕，以使其不对称。
根据该实施例，喇叭天线可以有利地居中于PCB基板的平面上，使得其由辐射孔的高度限定的高度(H)在基板的所述平面的每一侧上基本上分布一半(H/2)。
每根喇叭天线优选地通过根据回流或波技术的焊接附接到PCB基板。
根据另一个有利的实施例，该设备包括并排布置的两根喇叭天线的至少一个交替，其中一根是“垂直极化”天线，其肋条布置在与PCB基板的平面垂直的其辐射孔的端部的对称平面中，另一根是“水平极化”天线，其肋条布置在位于PCB基板的平面中的对称平面中。
根据第一变型，垂直极化喇叭天线的肋条中的一个肋条与印刷轨道直接接触，而另一个肋条远离印刷轨道。
根据第二变型，水平极化喇叭天线的两个肋条与两个印刷轨道直接接触。
本发明的主题还是一种生产无线通信设备的方法，所述方法包括以下步骤：
a/提供印刷电路板(PCB)的参考设计，该印刷电路板包括由介电材料制成的基板和由介电基板隔开的导电轨道；
b/通过一体模制至少一根喇叭天线来进行生产，所述至少一根喇叭天线包括：
·矩形截面的直波导，通过截锥或截棱锥的大体形状的辐射孔延伸，该辐射孔的端部具有两个彼此垂直的对称平面，
·两个肋条，所述两个肋条在波导和辐射孔的长度的至少一部分上，在所述对称平面中的一个对称平面中彼此相对地延伸，
至少在波导周围的一个或多个外围区域，所述一个或多个外围区域形成一个或多个附接凸缘；
c/根据称为“拾取和放置”的技术将模制成单件的喇叭天线自动放置在PCB基板上，以具有由PCB基板支撑并附接到PCB基板的凸缘，喇叭天线布置成在PCB基板的每一侧上具有波导和辐射孔，并且喇叭天线的每个肋条与PCB的轨道直接接触或靠近，以允许它们之间的直接耦合或电容耦合；
d/对喇叭天线进行回流焊或波峰焊。
有利地，步骤d/与PCB上的其他表面安装部件同时进行。
本发明还涉及一种用于毫米频带的通信的无线通信装置，所述无线通信装置包括至少两个先前描述的无线通信设备，每个无线通信设备包括数量n个相同的由两根喇叭天线构成的交替，这两个设备在1cm的量级的短距离上彼此相对布置。
本发明最后涉及如上所述的无线通信装置的用途，用于以大约60GHz的频率并行地发送和/或接收数量n+1个数据流。
本发明有许多优点，所述优点包括：
-根据本发明的喇叭天线设备的印刷标准和小封装印刷电路板上的低成本结构，这使其非常适合于消费者应用；
-与任何“拾取和放置”过程完美兼容；
-容易集成到通信电子对象中；
-从与水平极化喇叭天线交替和相邻的多个垂直极化喇叭天线获得60GHz频率的短距离高吞吐量的有效且完全可再现的方案；
-PCB平面内的辐射。
附图说明
在阅读以下对本发明的实现方式的非限制性示例的详细描述和检查附图时，可以更好地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的无线通信设备的示例的前面的透视图，其中两个相邻的分别垂直极化和水平极化的喇叭天线的交替被SMC安装在PCB上；
-图2是根据本发明的PCB的有利实施例的透视图；
-图3是根据本发明的用于垂直极化的模制成单件的罗纹喇叭天线的前面透视图；
-图4是根据图3的喇叭天线的后透视图；
-图5是根据本发明的用于水平极化的模制成单件的罗纹喇叭天线的前面透视图；
-图6是根据图5的喇叭天线的后透视图；
-图7是根据图1的无线通信设备的后透视图；
-图8是根据图1的无线通信设备的顶视图；
-图9是根据图1的无线通信设备的侧视图；
-图10是根据图1的无线通信设备的前面的正向图；
-图11是根据图1的无线通信设备的后面的正向图。
具体实施方式
在整个本申请中，在操作配置中关于根据本发明的设备1将考虑到术语“前”、“后”、“上”和“下”，其中PCB基板是水平的并且天线的辐射孔(喇叭)从后向前扩展。
图1和图7至图11表示无线通信设备1，其旨在提供毫米频带(更特别为60GHz)中的信号传输/接收。
该设备1首先包括印刷电路板PCB 2，其具有带有两个平行的平坦面21,22的介电基板20。
通常由铜制成的两个导电轨道23,24形成在基板20的上表面21上。
如图2所示，PCB基板20有利地设置有围绕轨道23,24中的每一个的端部的金属区域25和形成在基板20的边缘上的两个凹口26,27。
在所示的示例中，这些凹口26,27具有等腰梯形的大体形状。这些凹口的底部28,29布置在轨道23,24中的每一个的端部附近。
如图1和图7至图11所示，PCB基板20支撑两根喇叭天线3,4的交替，每根喇叭天线模制成单件，其通过包含在其内的内肋条32,33；42,43区分开，如下所述。
根据本发明的喇叭天线3,4可以有利地通过金属化塑料或可替代的金属合金的注塑成型而制成。
如图3至图6所示，每根天线3,4包括通过辐射孔31,41或者被形成为像截棱锥的形状的喇叭延伸的矩形截面的直波导30,40。每个喇叭31,41的端部具有两个彼此垂直的对称平面P1、P2。
然而，每个直波导30,40由于其下部上的压痕35,45而具有不对称性。该压痕35,45允许每根喇叭天线垂直放置在PCB基板20上，有利地与“拾取和放置”类型的安装过程兼容。
在波导30,40和喇叭31,41的长度的至少一部分上，两个肋条32,33或42,43在对称平面P1，P2中的一个中彼此相对地延伸。
每根天线3,4最后包括围绕波导30,40和围绕喇叭31,41的一部分的外围区域34,44。这些外围区域34,44形成用于每个SMC表面安装部件的喇叭天线3,4的附接或保持凸缘。
更具体地，凸缘34,44处于平面支撑中并且通过焊接到金属区域25上而由基板20支撑。实际上，在通过拾取和放置的布置期间，压痕35,45可以位于PCB基板20下方。凸缘34,44抵靠基板20的上表面21进入面对面的支撑。
在喇叭31,41的长度的至少一部分上，每根喇叭天线3,4在PCB基板20的凹口26,27中的一个中凹进。
每根喇叭天线3,4布置成在PCB基板20的每一侧上具有波导30,40和喇叭。
优选地，为了进一步减小高度方面的封装，喇叭天线居中于PCB基板20的平面上，使得其由喇叭31,41的高度限定的高度H在PCB基板20的平面的每一侧上基本上分布一半H/2。
换句话说，每根天线的对称平面P1之一几乎与PCB基板20的平面重合。
换句话说，在基板的近似厚度处，喇叭31,41的高度的一半H/2突出于安装有天线的基板20的上面21的上方，而另一半突出于基板20的下面22的下方。
为了确保毫米波段中的HF信号从印刷电路板传输或传输到印刷电路板，需要在肋条32,33；42,43和PCB的导电轨道23,24之间进行直接或电容性空气耦合。
为此，每个肋条与PCB的轨道直接接触或靠近。在所示的示例中，天线的肋条33,42和43分别与轨道23,24和25直接接触。
在同一设备1的两根相邻喇叭天线3,4的交替中，一根天线的肋条32,33垂直于PCB基板20的平面，而相邻天线的肋条42,43布置在PCB基板20的平面中。
刚刚描述的根据本发明的设备1使得可以在60GHz的发送或接收中在短距离上保持高或甚至超高吞吐量的信号传输，这归功于垂直极化喇叭天线3和水平极化喇叭天线4的并置。
因此，每根天线与相邻天线隔离，因此允许数据流的传输与相邻天线完全不同。
此外，由于在实施例中通过模制可以实现喇叭天线的非常小的尺寸，以及喇叭的一半分布在PCB基板的平面的上方而另一半分布在PCB基板的平面的下方的天线的居中，因此减小了设备1的封装。举例来说，可以设想到生产具有7x 3.5x 7mm量级的尺寸L*H*W的一体模制的喇叭天线。
本发明不限于刚刚描述的示例；尤其，所示示例中的特征可以在未示出的变型内彼此组合。
然而，可以设想到其他变型和改进，而不脱离本发明的范围。
例如，尽管天线3,4的所有示出的喇叭(辐射孔)30,40都是截棱锥的形状，但是本发明也可以应用于具有截锥形截面的喇叭。
此外，尽管在所示的示例中，PCB基板20有利地设置有与天线3,4的喇叭31,41的形状互补的形状的凹口26,27，以便通过在锥体的至少一个部分上凹进来优化封装，但是可以设置更小或更大的凹部。
在后一种情况下，将通过其进行信号发送/接收的喇叭的孔面设置回到PCB基板内部。
Claims (17)
1.一种用于毫米频带的通信的无线通信设备(1)，包括：
-印刷电路板(PCB)(2)，该印刷电路板(2)包括由介电材料制成的基板(20)和由介电基板隔开的导电轨道(23,24)；
-至少一根喇叭天线(3,4)，所述至少一根喇叭天线(3,4)包括：
直波导(30,40)，优选为矩形截面的直波导，通过辐射孔(31,41)延伸，该辐射孔的端部具有两个彼此垂直的对称平面，
两个肋条(32,33；42,43)，所述两个肋条在波导和辐射孔的长度的至少一部分上，在所述对称平面中的一个对称平面中彼此相对地延伸，
至少在波导周围的一个或多个外围区域(34,44)，所述一个或多个外围区域(34,44)形成一个或多个附接凸缘，
在该无线通信设备中，喇叭天线是通过由PCB基板支撑并附接到PCB基板的凸缘的表面安装部件(SMC)，并且，喇叭天线布置成在PCB的每一侧上具有波导和辐射孔，且喇叭天线的每个肋条与PCB的轨道直接接触或靠近，以允许它们之间的直接连接或电容耦合。
2.根据权利要求1所述的设备，所述辐射孔的端部具有正方形、矩形、圆形或椭圆形截面。
3.根据权利要求1或2所述的设备，所述喇叭天线被模制成单件。
4.根据前述权利要求中的一项所述的设备，“垂直极化”的喇叭天线具有布置在与PCB(2)的平面垂直的对称平面(P2)中的肋条(32,33)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的设备，“水平极化”的喇叭天线具有布置在位于PCB(2)的平面内的对称平面(P1)中的肋条(42,43)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的无线通信设备(1)，PCB从其小基部起包括与辐射孔的至少一部分具有互补形状的至少一个凹口(26,27)，其中辐射孔至少部分地凹进，直波导在凹口底部(28,29)的延伸部分中包围在上面安装有天线喇叭的PCB面上的至少一个导电轨道。
7.根据前述权利要求中的一项所述的无线通信设备，喇叭天线适合于在PCB的平面内辐射。
8.根据前述权利要求中的一项所述的无线通信设备(1)，每根喇叭天线(3,4)的波导具有压痕(35,45)，以使其不对称。
9.根据权利要求8所述的无线通信设备(1)，喇叭天线居中于PCB基板的平面上，使得该喇叭天线的由辐射孔的高度限定的高度(H)在基板的所述平面的每一侧上基本上分布一半(H/2)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的无线通信设备(1)，每根喇叭天线通过根据回流或波技术的焊接而附接到PCB基板。
11.根据前述权利要求中的一项所述的无线通信设备(1)，该无线通信设备包括并排布置的两根喇叭天线(3,4)的至少一个交替，其中一根(3)是“垂直极化”天线，该“垂直极化”天线的肋条(32,33)布置在与PCB(2)基板(20)的平面垂直的其辐射孔的端部的对称平面(P2)中，另一根(4)是“水平极化”天线，该“水平极化”天线的肋条(42,43)布置在位于PCB(2)基板(20)的平面中的对称平面(P1)中。
12.根据权利要求4或11所述的无线通信设备(1)，垂直极化喇叭天线的肋条中的一个肋条与印刷轨道直接接触，而另一个肋条远离印刷轨道。
13.根据权利要求5或11所述的无线通信设备(1)，水平极化喇叭天线的两个肋条与两个印刷轨道直接接触。
14.一种无线通信设备的生产方法，包括以下步骤：
a.提供印刷电路板(PCB)的参考设计，该印刷电路板包括由介电材料制成的基板和由介电基板隔开的导电轨道；
b.通过一体模制至少一根喇叭天线来进行生产，所述至少一根喇叭天线包括：
矩形截面的直波导，通过辐射孔延伸，该辐射孔的端部具有两个彼此垂直的对称平面，
两个肋条，所述两个肋条在波导和辐射孔的长度的至少一部分上，在所述对称平面中的一个对称平面中彼此相对地延伸，
至少在波导周围的一个或多个外围区域，所述一个或多个外围区域形成一个或多个附接凸缘；
c.根据称为“拾取和放置”的技术将模制成单件的喇叭天线自动放置在PCB基板上，以具有由PCB基板支撑并附接到PCB基板的凸缘，喇叭天线布置成在PCB基板的每一侧上具有波导和辐射孔，并且喇叭天线的每个肋条与PCB的轨道直接接触或靠近，以允许它们之间的直接耦合或电容耦合；
d.对喇叭天线进行回流焊或波峰焊。
15.根据权利要求13的生产方法，步骤d与PCB上的其他表面安装元件同时进行。
16.一种用于毫米频带的通信的无线通信装置，所述无线通信装置包括至少两个根据权利要求10至12中的一项所述的无线通信设备，每个无线通信设备包括数量n个相同的由两根喇叭天线构成的交替，这两个设备在通常为1cm的量级的短距离上彼此相对布置。
17.一种根据权利要求15所述的无线通信装置的用于以大约60GHz的频率并行地发送和/或接收数量n+1个数据流的用途。
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