CN112262617A - 波导接口和印刷电路板发射换能器组件及其使用方法 - Google Patents

波导接口和印刷电路板发射换能器组件及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种印刷电路板组件，包括多个层。多个层中的至少一层由电介质材料形成，并且具有延伸超过多个层中的其他层的延伸部分。第一金属层位于电介质层的延伸部分的至少一部分上。第一金属层和电介质层被构造成形成发射换能器，该发射换能器包括一条或更多条传输线和换能器元件，该换能器元件耦接至该一条或更多条传输线。该换能器元件被构造成传播毫米波频率信号。

Description

波导接口和印刷电路板发射换能器组件及其使用方法
本申请要求于2017年12月29日提交的美国专利申请序列No.15/858,839的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及用于微波和毫米波射频技术的波导接口和印刷电路板发射换能器组件。更具体地，本公开涉及一种波导接口，其包括具有集成发射换能器的印刷电路板，该集成发射换能器可以与表面贴装的毫米波半导体集成电路一起使用。
背景技术
随着半导体工业通过减少工艺节点几何结构来连续增加电路复杂性和密度，工作信号频率持续增加。现在有可能获得在射频频谱(30GHz至300GHz)的毫米波范围内能良好工作的半导体。传统上，所用半导体的类型属于“III-V”类，这表明半导体化合物是从第三和第五列的元素周期表元素(例如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))衍生而来的。近年来，在硅CMOS(互补金属氧化物半导体)和硅锗(SiGe)化合物中产生了由元素周期表的第IV列引起的较便宜的半导体工艺，例如硅(Si)和锗(Ge)。结果是将低成本硅半导体的工作频率扩展到60至80GHz的频率范围。低成本半导体技术的可用性给毫米波制成品带来了压力，以降低支持这些半导体器件的机电支撑机构的总成本。
商业波导结构能够实现毫米波频率下的低损耗能量传递，并具有尺寸标准化和机械耦接法兰设计标准化的额外好处。标准化的尺寸和耦接法兰可实现不同器件和不同制成品之间的互操作性，从而为毫米波系统设计提供最大的灵活性。
一种用于在机械波导内接合半导体器件的方法是将来自正交平面印刷电路发射探针的能量与相关的有损能量传递耦接。通过为印刷电路板提供短截线或桨状能量发射(stuborpaddleenergylaunch)，能量被耦接进/出半导体器件，该短截线或桨状能量发射作为附加基板附着在印刷电路板上。短截线或桨状发射与波导腔正交，且需要对开模类型组装方法，从而产生额外的费用。
在现有的波导接口器件中，使用了(未封装的)半导体管芯，(未封装的)半导体管芯需要从管芯焊盘到印刷电路板的引线键合。引线键合是一种昂贵的工艺，并且容易出现错误和良率问题。晶圆级芯片规模封装(WLCSP)作为一种用于毫米波半导体集成电路的高效封装技术正在兴起。WLCSP允许使用标准表面贴装技术将器件直接加工到印刷电路板组件上，从而节省了成本。然而，在本领域中使用的标准发射换能器技术与WLCSP封装技术不兼容或效率低下，该标准发射换能器技术需要在印刷电路板组件上的附加基板或试图正交于波导孔径发射毫米波能量。
发明内容
一种波导组件，包括支撑块和耦接至支撑块的端部并从支撑块延伸的波导接口。波导接口具有槽和一个或更多个孔，该槽和一个或更多个孔被放置成容纳将波导接口固定到波导法兰的附接器件。一种印刷电路板组件，包括多个层，多个层中的至少一层由电介质材料形成并且具有延伸超过多个层中的其他层的延伸部分，其中，当印刷电路板组件被放置在支撑块上时，该延伸部分被构造成插入到波导接口中的槽中。第一金属层位于电介质层的延伸部分的至少一部分上。第一金属层和电介质层被构造成形成发射换能器，该发射换能器包括一条或更多条传输线和至少一个换能器元件，该至少一个换能器元件耦接至该一条或更多条传输线。该换能器元件被构造成传播毫米波频率信号，并且当印刷电路板组件被放置在支撑块上时，该换能器元件被构造成位于接口中的槽中。
一种印刷电路板组件，其包括多个层。多个层中的至少一层由电介质材料形成并且具有延伸超过多个层中的其他层的延伸部分。第一金属层位于电介质层的延伸部分的至少一部分上。第一金属层和电介质层被构造成形成发射换能器，该发射换能器包括一条或更多条传输线和至少一个换能器元件，该至少一个换能器元件耦接至该一条或多条传输线。该换能器元件被构造成传播毫米波频率信号。
一种形成印刷电路板组件的方法，包括：提供多个层，该多个层中的至少一层由电介质材料形成。铣削多个层，使得由电介质材料形成的多个层中的至少一层具有延伸超过该多个层中的其他层的延伸部分。在由电介质材料形成的多个层中的至少一个层的至少一部分上沉积第一金属层。第一金属层和电介质层被构造成形成发射换能器，该发射换能器包括一条或更多条传输线和一个或更多个换能器元件，该一个或更多个换能器元件耦接至该一条或更多条传输线。该换能器元件被构造成传播毫米波频率信号。
该示例性技术提供了许多优点，包括提供一种印刷电路板组件，该印刷电路板组件包括与用于毫米波半导体集成电路的晶圆级芯片规模封装技术兼容的集成发射换能器器件。具有集成换能器器件的印刷电路板组件可以用于以高工作频率使用的波导接口中。具有集成换能器器件的印刷电路板组件允许与发射换能器一起使用的半导体集成电路的晶圆级芯片规模封装，对整体性能产生很小的影响，从而消除了对昂贵的引线键合的需求。
附图说明
图1A-1C分别是示例性波导组件的侧视图、前端视图和俯视图，该示例性波导组件包括耦接至波导法兰的示例性波导接口；
图2是图1A-1C中所示的示例性波导组件的剖面侧视图；
图3是图1A-1C所示的示例性波导组件的详细后视图；
图4是图1A-1C中所示的示例性波导组件的剖面俯视图；
图5A是示例性波导法兰的后视图；
图5B是图1A-1C所示的示例性波导接口的接口板的后视图；
图5C是图5A所示的示例性波导法兰耦接至图5B所示的示例性接口板的后视图；
图6A-6C是图1A-1C所示的示例性波导接口的支撑块的正视图、侧面剖视图和端视图；
图7是模制为单个整体器件的另一示例性波导接口的透视图；
图8是图7所示的示例性波导接口的俯视图；
图9是图7所示的示例性波导接口的后视图；
图10是图7所示的示例性波导接口的正视图；
图11是图7所示的示例性波导接口的侧面剖视图；
图12是图7所示的示例性波导接口的顶部剖视图；
图13是在机械加工以完成波导接口后的图7所示的示例性波导接口的透视图；
图14是图13所示的示例性波导接口的后视图；
图15A-15D是与本技术的示例性波导接口一起使用的示例性印刷电路板的俯视图、侧视图、端视图和仰视图；
图16A是与本技术的波导接口一起使用的示例性发射机印刷电路板和发射换能器基板组件的俯视图；
图16B是与本技术的波导接口一起使用的示例性接收机印刷电路板和发射换能器基板组件的俯视图；
图17A和17B是示例性发射机发射换能器基板的俯视图和仰视图；
图18A和18B是示例性接收机发射换能器基板的俯视图和仰视图；
图19是与本技术的波导接口一起使用的另一示例性发射换能器基板组件的俯视图；
图20是具有与本技术的示例性波导接口一起使用的集成发射机发射换能器的另一示例性印刷电路板的俯视图；
图21A-21C是图20所示的示例性印刷电路板的制作的俯视图、侧面剖视图和端部剖视图；
图22是图20所示的示例性印刷电路板的俯视图，该示例性印刷电路板具有附接的通信器件；
图23是具有与本技术的示例性波导接口一起使用的集成接收机发射换能器的另一示例性印刷电路板的俯视图；
图24A-24C是图23所示的示例性印刷电路板的制作的俯视图、侧面剖视图和端部剖视图；
图25A和25B是示例性印刷电路板组件的俯视图和仰视图，该示例性印刷电路板组件具有集成发射机发射换能器并且具有窄体构造，以与本技术的示例性波导接口一起使用；
图26A和26B是示例性印刷电路板组件的俯视图和仰视图，该示例性印刷电路板组件具有集成接收机发射换能器并且具有窄体构造，以与本技术的示例性波导接口一起使用；
图27A和27B是示例性印刷电路板组件的俯视图和仰视图，该示例性印刷电路板组件具有集成发射机发射换能器并且具有宽体构造，以与本技术的示例性波导接口一起使用；
图28A和28B是示例性印刷电路板组件的俯视图和仰视图，该示例性印刷电路板组件具有集成接收机发射换能器并且具有宽体构造，以与本技术的示例性波导接口一起使用；
图29A-29D是示例性印刷电路板组件的透视图、俯视图、侧面剖视图和透视剖视图，该示例性印刷电路板组件具有位于波导接口上的窄体构造；
图29E是图29A-29D所示的具有位于波导接口上的窄体构造的示例性印刷电路板组件的一部分的透视剖视图；
图30A-30D是示例性印刷电路板组件的透视图、俯视图、侧面剖视图和透视剖视图，该示例性印刷电路板组件具有位于波导接口上的宽体构造；
图30E是图30A-30D所示的具有位于波导接口上的宽体构造的示例性印刷电路板组件的一部分的透视剖视图；以及
图30F是图30A-30E所示的波导接口的仰视图。
具体实施方式
参考图1A-4，尽管波导组件10在其他构造中可以包括其他类型和数量的组件、器件、部件和/或其他元件，波导组件10的示例被示出为包括：示例性波导接口12(1)，包括连接器16的印刷电路板组件14，通信器件18(1)，发射换能器20(1)，以及波导法兰22。在另一个示例中，如下文关于图20-24C所述，波导组件10可以结合由多个层所形成并具有由其中一层所形成的集成发射换能器的印刷电路板组件140(1)或140(2)。
如下所述，波导组件10可被用于电磁传输和电磁接收。由于洛伦兹电磁互易定理，传输情境和接收情境均同样适用。该示例性技术提供了许多优点，包括提供波导组件，该波导组件包括可以在高工作频率下使用的波导接口。在一个示例中，本技术的波导组件结合了具有集成发射换能器的印刷电路板组件，这对波导组件的整体性能产生很小的影响。具有集成发射换能器的印刷电路板组件允许使用表面贴装技术结合半导体集成电路，这大大降低波导组件的总成本。
再次参考图1A-4C6C，示例性的波导接口12(1)包括耦接至接口板26(1)的支撑块24(1)，尽管在其他构造中波导接口12(1)可以包括其他元件。波导接口12(1)在波导组件10中工作，以在波导法兰22和通信器件18(1)之间提供接口。在一个示例中，如下文进一步描述的，可在波导组件10中使用波导接口，该波导接口被构造为单个整体式金属注射成型结构，例如图7-14中所示的波导接口12(2)。金属注射成型的波导接口12(2)有利地提供了更经济地生产的波导接口，该波导接口可以在高工作频率下使用，对波导组件10的性能产生名义上的影响。
再次参考图1A-4，支撑块24(1)被构造成支撑印刷电路板组件14，该印刷电路板组件14具有位于其表面上的连接器16、通信器件18(1)和发射换能器20(1)。支撑块24(1)在与接口板26(1)正交的平面中延伸，并提供印刷电路板组件14与接口板26(1)和波导法兰22的精确对准。在另一个示例中，支撑块24(1)也可以与印刷电路板组件140(1)或140(2)一起使用，如以下关于图20-24C所描述的。
再次参考图1-4A，在该示例中，支撑块24(1)通过机械螺钉28A和28B耦接至接口板26(1)和波导法兰22，尽管可以使用其他类型的紧固件。机械螺钉28A和28B将支撑块24(1)和接口板26(1)都耦接至波导法兰22，使得接口板26(1)位于支撑块24(1)和波导法兰22之间。在另一个示例中，如图7-14所示，支撑块24(2)和接口26(2)被模制为单个器件，并且不需要任何紧固元件来被耦接在一起。
现在参考图6A-6C，在一个示例中，支撑块24(1)包括沉头孔30，该沉头孔30允许将机械螺钉28B插入其中，以将支撑块24(1)耦接至波导法兰22和接口板26(1)，如图2A所示，尽管支撑块24(1)可以在其他位置包括其他紧固元件，以利于支撑块24(1)与接口板26(1)和波导法兰22的耦接。在一个示例中，如下所述，支撑块24(2)和接口26(2)形成为单个整体零件，使得支撑块24(2)上不需要紧固元件。如图6B和6C所示，支撑块24(1)可选地包括一个或更多个支撑块导向销32，该一个或更多个支撑块导向销32有助于支撑块24(1)与接口板26(1)的对准，如下面进一步讨论的。
现在更具体地参考图1A-4和5B，接口板26(1)是圆形的接口板，尽管接口板26(1)可以采用其他构造。接口板26(1)包括穿过其中的矩形槽34(1)。如图2所示，矩形槽34(1)的长度构造成容纳印刷电路板组件14和发射换能器20(1)。当耦接时，印刷电路板组件14和矩形槽34(1)形成矩形槽34(1)内的短波导段36。
再次参考图5B，接口板26(1)包括接口板孔38，设计接口板孔38的尺寸并将接口板孔38构造成接收机械螺钉28A和28B，该机械螺钉28A和28B将波导接口12(1)固定到波导法兰22。接口板26(1)可进一步具有接口板导向销孔40，该接口板导向销孔40可与支撑块24(1)的支撑块导向销32对准，以提供接口板26(1)与支撑块24(1)之间的精确对准。接口板26(1)还包括导向销孔41，该导向销孔41构造成有助于与波导法兰22对准，如下面进一步描述的。
现在参考图7-14，示出了在波导组件10中使用的波导接口12(2)的另一个示例。波导接口12(2)与波导法兰22相互作用，并且以与波导接口12(1)相同的方式操作，除了本文中所示和描述的以外。
波导接口12(2)包括支撑块24(2)和接口26(2)，支撑块24(2)和接口26(2)在注射成型工艺中被成型为单个整体结构，尽管可以使用其他类型的成型技术。仅作为示例，波导接口12(2)可以由诸如XyloyTMM950的可注射模制的金属合金构成，尽管可以使用其他类型的可模制金属合金来形成波导接口12(2)。如下文所讨论的，已经定制了波导接口12(2)的外部形状，以允许从模具中移除，从而能够生成单个整体结构。具体地，波导接口12(2)包括如下文所讨论的多个拔模角。在下文中更具体讨论的拔模角提供了波导接口12(2)的移除而对波导组件10中的波导接口12(2)的整体性能没有显著影响。特别地，仅作为示例，毫米波能量向连接到波导接口12(2)的波导法兰的开口的传播变化小于百分之一，这不会影响整个工作频率范围。此外，波导截止频率的变化小于百分之一。尽管下面描述了各种示例性尺寸，但是应当理解，这些尺寸是可以变化的。
支撑块24(2)包括被构造为支撑印刷电路板组件(未示出)的顶表面100，举例来说，该印刷电路板组件例如是印刷电路板组件14或印刷电路板组件140。举例来说，可以使用粘合剂将印刷电路板组件附接到支撑块24(2)的顶表面100。如图8和图12所示，顶表面100具有以大约4度角的拔模角逐渐变窄的侧边缘102。支撑块24(2)的顶表面100在与接口26(2)的接合处104处具有大约0.400英寸的宽度，在顶表面100的上端边缘104处具有大约0.358英寸的宽度。
支撑块24(2)包括侧面106和端部108，侧面106和端部108以大约4度的拔模角从顶表面100向下逐渐变窄，使得支撑块24(2)在下端边缘110处具有大约0.315英寸的宽度。如图11所示，支撑块24(2)还包括以大约4度的拔模角逐渐变窄的底表面112，使得支撑块24(2)在与接口26(2)的接合处104处具有大约0.177英寸的高度，并且具有从下端边缘110到顶表面100的大约0.120英寸的宽度，尽管支撑块24(2)可以具有其他尺寸。
在该示例中，利用具有上述拔模角度和尺寸的修改设计，支撑块24(2)和接口26(2)可被模制成单个整体器件。支撑块24(2)在与接口26(2)正交的平面中从接口26(2)延伸。接口26(2)是圆形接口，该圆形接口被构造成耦接至波导法兰(未示出)，例如波导法兰22，该波导法兰22例如可以是本领域中已知的标准波导法兰。接口26(2)包括被构造成容纳印刷电路板组件的一部分的槽34(2)，该印刷电路板组件包括发射换能器。在使用中，槽34(2)和插入的印刷电路板组件以与上面关于波导接口12(1)所描述的相同的方式在波导接口12(2)内形成短波导段。
在该示例中，如图11所示，槽34(2)在前开口处具有大约0.400英寸的宽度和大约0.080英寸的高度。槽34(2)包括从槽34(2)的前端113A到后端113B以大约2.0度的拔模角逐渐变窄的顶表面112。槽34(2)还包括具有从后部114的前端115A到后端115B以大约4度的拔模角逐渐变窄的侧面116的后部114。后部114与标准波导法兰中的开口相交。
如图8所示，接口26(2)包括外边缘118，该外边缘118具有从外边缘118的前端119A到后端119B的大约2度的拔模角。接口26(2)还包括多个穿过其中的接口孔38(2)。接口孔38(2)构造成容纳机械螺钉，以促进波导接口12(2)与波导法兰的耦接。如图11所示，接口孔38(2)包括从侧壁120的前端121A到后端121B以大约2度的拔模角逐渐变窄的侧壁120，以便于从模具中移除。对接口孔38(2)进行钻孔或扩孔并攻丝4-40螺纹，尽管可以使用其他螺纹，以在如下所讨论的成品零件上形成一个非逐渐变窄的孔。接口26(2)还包括导向销孔41(2)，以提供与标准波导法兰的导向销的对准。
接口26(2)还包括位于接口26(2)的后表面上的接口导向销122，该接口导向销122在接口26(2)和波导法兰之间提供对准，尽管接口26(2)可以在其他位置具有其他器件，以利于接口26(2)和标准波导法兰之间的对准。在该示例中，接口导向销122具有从接口导向销122的前端123A到后端以大约2度的拔模角逐渐变窄的形状，如图8所示。
现在参考图13和14，在模制工艺之后机加工接口孔38(2)和导向销孔41(2)，以完成波导接口12(2)。具体地，接口孔38(2)用大尺寸的丝锥攻丝，使得接口孔38(2)被构造成在其中容纳镀层。为了使接口孔38(2)容纳用于连接接口26(2)的螺钉，接口孔38(2)进一步被钻孔或扩孔，例如采用4-40螺纹。进一步地，导向销孔41(2)被扩孔以允许当与标准波导法兰耦接时进入滑动配合定位销。进一步机加工波导接口12(2)以去除由模制工艺产生的所有尖锐边缘。
现在参考图15A-15D，分别示出了一个示例性印刷电路板组件14的俯视图、侧视图、前端视图和仰视图。印刷电路板组件14包括构造为接收通信器件18(1)的切口区域42，使得通信器件18(1)位于凹陷的切口底表面44和切口侧表面46A和46B内。通信器件18(1)使用导电环氧粘合剂耦接至印刷电路板组件14。各种导电环氧粘合剂在本领域中是已知的，在此不讨论。
使用标准印刷电路镀覆技术将包括切口底表面44和切口侧表面46A和46B的切口区域42金属化。切口区域40镀有铜和金，以保持连续的电气接地平面，尽管可以使用其他导电材料。印刷电路板组件14还包括顶部接地平面区域48、侧面接地平面区域50、前部接地平面区域52和底部接地平面区域54，这些区域使用标准印刷电路镀覆技术进行了金属化处理，从而使顶部接地平面区域48、侧面接地平面区域50、前部接地平面区域52和底部接地平面区域54是电连续的。顶部接地平面区域48、侧面接地平面区域50、前部接地平面区域52和底部接地平面区域54镀有铜和金，但是也可以使用其他导电材料。顶部接地平面区域48进一步与切口区域42的切口侧表面46A和46B以及切口底表面44电连续。前部接地平面区域52在接口板26(1)或接口26(2)与波导法兰22的局部接口区域中提供电接地平面。
现在参考图16A，示出了印刷电路板组件14以及通信器件18(1)和发射换能器20(1)的详细俯视图，它们提供了发射机印刷电路板组件。如图16A所示，作为发射机通信器件的通信器件18(1)被粘在印刷电路组件14的切口区域42内，并且被定位成邻接与发射传感器20(1)相邻的切口区域侧表面46B。
低频信号和电源连接经由多个引线键合56从相应的引线键合焊盘58提供给通信器件18(1)，尽管可以使用除引线键合焊盘58之外的其他互连技术。尽管可以使用其他连接技术，但在通信器件18(1)与相邻放置的发射换能器20(1)之间通过低电感引线或带状键合60(1)提供了高频毫米波连接。印刷电路组件14包括由边缘62A和62B限定的宽度。
现在参考图16B，示出了印刷电路板组件14以及通信器件18(2)和发射换能器20(2)的详细俯视图，它们提供了接收机印刷电路板组件。作为接收机通信器件的通信器件18(2)被粘在印刷电路组件切口区域42内，并且被定位成邻接与发射换能器20(2)相邻的切口区域侧表面46。
来自印刷电路组件14的低频信号和电源连接经由来自相应的引线键合焊盘58的多个引线键合56被提供给通信器件18(2)，尽管可以使用其他互连技术。高频毫米波连接通过低电感引线或带状键合60(2)在通信器件18(2)和发射换能器20(2)之间通信，不过也可以使用其他连接技术。
再次参考图1A，在波导组件10中使用的连接器16是多销连接器，该多销连接器向通信器件18(1)提供低频电信号和电源连接，但是也可以使用适于向通信器件18(1)提供较低频率的电信号和电源连接的其他类型的连接器。连接器16位于波导接口12(1)的后部的印刷电路组件14上。
通信器件18(1)是高度集成的毫米波无线电发射机，该毫米波无线电发射机附接到印刷电路组件14，尽管通信器件可以替代地是高度集成的毫米波无线电接收机，例如图16B中所示的通信器件18(2)。在一个示例中，通信器件18(1)、18(2)是硅锗(SiGe)芯片，但是砷化镓(GaAs)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或其他半导体芯片也可以用于通信器件18(1)、18(2)。仅作为示例，通信器件18(1)、18(2)可以被构造成与60GHz毫米波发射换能器20(1)、20(2)一起工作。通信器件18(1)是在发射机输出端子处的平衡输出连接，而通信器件18(2)是到接收机输入端子的不平衡输入连接。在一个示例中，如图1A所示，通过保护罩64保护通信器件18(1)、18(2)不受环境影响。保护罩64由塑料制成，但是保护罩64也可以由其他可以使用的非导电材料构成。
再次参考图16A，在该示例中，印刷电路板组件还包括用作发射机的发射换能器20(1)。在一个示例中，波导组件10利用60GHz毫米波发射换能器20(1)和使能通信器件18(1)，但是本技术不限于此。另外，发射换能器20(1)被实现为具有匹配的平衡传输线端子，以有效地接收来自通信器件18(1)的高频能量。发射换能器20(1)精确地位于印刷电路组件14的宽度边缘62A和62B之间的中点。另外，发射换能器20(1)具有与波导法兰的开口尺寸精确匹配的宽度尺寸Yt，如下文所讨论的。
图17A和17B示出了发射机发射换能器20(1)的俯视图和仰视图。如图17A所示，发射换能器20(1)由具有顶部金属化图案和底部金属化图案的低损耗基板66组成。在该示例中，低损耗基板66由熔融石英(二氧化硅)组成，并且厚度为254微米(μm)，但是也可以使用其他低损耗基板材料和其他材料厚度值。尽管可以使用其他沉积方法，但是金属化图案基本上由来自真空沉积技术的真空沉积的金金属组成。
发射机发射换能器20(1)的顶部金属化图案由第一对传输线部分68A和68B组成。第一对传输线部分68A和68B在低损耗基板66的底侧上的接地平面70上实现。第一对传输线部分68A和68B经由如图16A所示的键合引线60(1)或其他方式将来自通信器件18(1)的能量耦接至第二对传输线部分72A和72B。第一对传输线部分68A和68B被实现为以平衡构造匹配通信器件18(1)和如图16A所示的键合线60(1)的输出阻抗。
第二对传输线部分72A和72B位于干净基板部分上(在该部分中，低损耗基板66的底侧上没有接地平面)，并且将来自第一对传输线68A和68B的能量提供至一对对应的换能器元件74A和74B。第二对传输线部分72A和72B被实现为匹配换能器元件74A和74B的输入阻抗。
换能器元件74A和74B被构造成在平行于低损耗基板66并且远离第二对传输线部分72A和72B的方向上提供大量的能量传播，从而将端射传播图案形成到波导法兰开口中的开口中。发射换能器20(1)具有宽度尺寸Yt，该发射换能器20(1)被匹配以插入具有下述“b”尺寸的标准波导法兰开口中。在一个示例中，Yt是1.80mm，Xt的值是2.87mm，尽管考虑了这些尺寸的其他值。尽管示出并描述了发射换能器20(1)的示例性构造，但是也可以使用替代构造。举例来说，在另一实施例中，发射换能器20(1)可包括具有寄生元件的偶极子的变型，如图19所示。
再次参考图16B，在另一个示例中，印刷电路板组件14包括用作接收机的发射换能器20(2)。在一个示例中，波导组件10利用60GHz毫米波发射换能器20(2)和使能通信器件18(2)，但是本技术不限于此。发射换能器20(2)被实现为具有匹配的不平衡传输线端子，以有效地将高频能量传递到通信器件18(2)。发射换能器20(2)精确地位于印刷电路组件14的宽度边缘62A和62B之间的中点。发射换能器20(2)具有与波导法兰的开口尺寸精确匹配的宽度，如下文所讨论的。
图18A和18B示出了接收机发射换能器20(2)的俯视图和仰视图。发射换能器20(2)由具有顶部金属化图案和底部金属化图案的低损耗基板76组成。在该示例中，基板76由氧化铝(三氧化二铝)组成并且厚度为127微米(μm)，但是也可以使用其他低损耗基板材料和其他材料厚度值。该金属化图案基本上由使用真空沉积技术或其他合适的方法所真空沉积的金金属组成。
在该示例中，顶部金属化图案包括传输线中心导体78，该传输线中心导体78横越接地平面80两端的长度，该接地平面80位于低损耗基板76的底侧。在接地平面80的位置之外，传输线中心导体78连续并位于底侧传输线82上方。传输线中心导体78和底侧传输线82一起耦接至换能器元件84A、84B、84C和84D。换能器元件84A和84B以及84C和84D分别形成对偶元件偶极子并且被构造成在平行于低损耗基板76并且远离传输线中心导体78和底侧传输线82的方向上提供定向传播图案，从而将端射传播图案形成到波导法兰开口中，如下文所讨论的。
不平衡输入电路构造由接地连接86和传输线中心导体78组成。接地连接86通过低损耗基板76电连接，并通过穿过孔(也称为过孔)88A和88B进行金属化镀覆来实现，从而在低损耗基板76的底侧上形成到接地平面80的低电感连接。在一个示例中，过孔88A和88B的直径为127微米(μm)，并且带有形成在内壁上的金金属化层，尽管也考虑了其他尺寸和材料选择。
现在参考图20-24C，示出了示例性印刷电路板组件140(1)和140(2)。如上文所描述的，印刷电路板组件140(1)和140(2)可以与波导组件10的波导接口12(1)和12(2)的任何示例一起使用。印刷电路板组件140(1)和140(2)分别包括集成发射换能器元件200(1)和200(2)，它们被印刷或蚀刻在印刷电路板组件140(1)和140(2)的顶层上，如以下进一步详细描述的。这种构造提供了可以耦接至波导接口中的高效发射换能器元件，同时与用于安装通信器件180的表面贴装技术兼容，如图22所示。通信器件180可以是与如下文所描述那样使用的发射换能器元件200(1)或200(2)一致的发射机或接收机通信器件。
现在更具体地参考图21A-21C和图24A-24C，印刷电路板组件140(1)和140(2)分别由多个层压层142(1)和142(2)制成。每个印刷电路板组件140(1)和140(2)分别包括顶层143(1)和143(2)，该顶层143(1)和143(2)由低损耗高频层压电介质(仅以示例的方式，例如Rogers4350B)形成，尽管也可以使用其他低损耗高频层压电介质。术语顶层仅用于表示通信器件180将被表面贴装在其上的层。如图21C和24C所示并且如下文进一步描述的，可以将导电层或导电元件施加到顶层143(1)和143(2)。例如，顶层143(1)和143(2)之下的附加电介质层可以由诸如Isola370-HR的标准低频层压电介质形成。多个层140(1)和140(2)还包括多个附加的导电信号、电源平面和接地平面，仅作为示例由铜形成的层，尽管可以使用其他导电材料。所有导电层均使用标准印刷电路板镀覆和蚀刻技术形成。
顶层143(1)和143(2)分别包括延伸部分144(1)和144(2)，该延伸部分144(1)和144(2)通过铣削和底切多个层140(1)和144中的附加层而形成。如图11所示，当印刷电路板组件140(1)或140(2)位于支撑块24(2)上时，延伸部分144(1)和144(2)被构造成位于波导接口26(2)的波导段36中。切口146(1)和146(2)形成为铣削工艺的一部分，并且对于形成延伸部分144(1)和144(2)是必需的。切口146(1)和146(2)不会显著影响性能。
现在更具体地参考图20，在该示例中，印刷电路板组件140(1)包括用作发射机的发射换能器元件200(1)。发射换能器元件200(1)通过在低损耗高频电介质顶层143(1)上印刷或蚀刻例如铜的导电材料来形成。在此示例中，电介质顶层143(1)约为0.0066英寸(6.6密耳)厚，该印刷或蚀刻的导电层约为0.0022英寸(2.2密耳)厚。在一个示例中，发射换能器元件200(1)至少是60GHz毫米波发射换能器，但是本技术不限于此。
发射换能器元件200(1)包括匹配的平衡传输线端子，该平衡传输线端子可以基于如图22所示的耦接而耦接至来自通信器件180的高频能量并有效地接收来自通信器件180的高频能量。在此示例中，发射换能器元件200(1)精确地位于印刷电路组件140(1)的宽度边缘之间的中点。另外，在该示例中，发射换能器元件200(1)具有与波导法兰的开口尺寸精确匹配的宽度尺寸Yt，如以上关于图16A所讨论的。
顶层143(1)为发射换能器元件200(1)提供了低损耗基板，发射换能器元件200(1)具有顶部金属化图案和底部金属化图案。发射换能器元件200(1)的顶部金属化图案包括第一对传输线部分148A和148B。第一对传输线部分148A和148B在顶部电介质层143(1)的底侧上的接地平面158上实现，如图21B所示。第一对传输线部分148A和148B将来自通信器件180的能量耦接至第二对传输线部分152A和152B。第一对传输线部分148A和148B被实现为以平衡构造匹配通信器件180的输出阻抗。
第二对传输线部分152A和152B位于顶层143(1)的延伸部分144(1)上方，这提供了干净基板部分(如图21B所示，在该部分中低损耗顶层143(1)的底侧上没有接地平面)，并且第二对传输线部分152A和152B将来自第一对传输线148A和148B的能量提供给一对对应的换能器元件154A和154B。第二对传输线部分152A和152B被实现为匹配换能器元件154A和1544B的输入阻抗。
换能器元件154A和154B被构造成在平行于低损耗电介质顶层143(1)并且远离第二对传输线部分152A和152B的方向上提供大量的能量传播，从而将端射传播图案形成到波导法兰开口中的开口中。发射换能器元件200(1)具有宽度尺寸Yt，该发射换能器元件200(1)被匹配以插入具有以上关于图16A所描述的“b”尺寸的标准波导法兰开口中。尽管示出和描述了发射换能器元件200(1)的示例性构造，但是可以使用顶层140(1)上的其他金属化图案来形成替代构造。举例来说，在另一实施例中，发射换能器元件200(1)可包括带有寄生元件的偶极子的变体，如图19所示。
现在更具体地参考图23，在该示例中，印刷电路板组件140(2)包括用作接收机的发射换能器元件200(2)。发射换能器元件200(2)通过在低损耗高频电介质顶层143(2)上印刷或蚀刻例如铜的导电材料来形成。在此示例中，电介质顶层143(2)约0.004英寸(4.0密耳)厚，该印刷或蚀刻的导电层约0.0022英寸(2.2密耳)厚。在一个示例中，发射换能器元件200(2)至少是60GHz毫米波发射换能器，但是本技术不限于此。
仅作为示例，发射换能器元件200(2)被实现为具有匹配的不平衡传输线端子，以有效地将高频能量传递给通信器件180。发射换能器元件200(2)精确地位于印刷电路组件140(2)的宽度边缘之间的中点。如上文关于图16B所讨论的，发射换能器200(2)具有与波导法兰的开口尺寸精确匹配的宽度。
顶层143(2)为发射换能器元件200(2)提供了低损耗基板，发射换能器元件200(2)具有顶部金属化图案和底部金属化图案。在该示例中，使用导电材料印刷或蚀刻到顶层143(2)上的顶部金属化图案包括传输线中心导体156，该传输线中心导体156横越接地平面158两端的长度，如图24B所示，该接地平面158位于低损耗顶层143(2)的底侧。在接地平面158的位置之外，传输线中心导体156连续并位于底侧传输线(未示出)上方。传输线中心导体156和底侧传输线一起耦接至换能器元件，该换能器元件形成对偶元件偶极子，该对偶元件偶极子被构造成在平行于印刷电路板组件140(2)的低损耗顶层143(2)并且远离传输线中心导体156和底侧传输线的方向上提供定向传播图案，从而将端射传播图案形成到波导法兰开口中，如下文所讨论的。
不平衡输入电路构造由接地连接和传输线中心导体156组成。接地连接通过低损耗顶层143(2)从用作接收机的通信器件180电连接，并通过穿过孔(也称为过孔)的金属化镀覆来实现，从而在低损耗顶层143(2)的底侧上形成到接地平面158的低电感连接。
现在参考图22，通信器件180可以直接表面贴装在印刷电路板组件140(1)上。尽管相对于印刷电路板组件140(1)示出了用作发射机的通信器件180，但是用作接收机的通信器件可以以同样的方式施加于印刷电路板组件140(2)。再次参考图22，在该示例中，通信器件180是发射机通信器件，该发射机通信器件被表面贴装在与发射换能器元件200(1)相邻的印刷电路板组件140(1)上。如图20所示，基于位于印刷电路板组件140(1)上的金属化图案来提供与通信器件180的连接。
再次参考图22，在该示例中，通信器件180是高度集成的毫米波无线电发射机，使用晶圆级芯片规模封装技术将该毫米波无线电发射机表面贴装到印刷电路组件140(1)，尽管在其他示例中可以使用高度集成的毫米波无线电接收机。在一个示例中，通信器件180包含硅锗(SiGe)芯片，尽管砷化镓(GaAs)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或其他半导体芯片也可以用于通信器件180。仅作为示例，通信器件180可以被构造成与60GHz毫米波发射换能器元件200(1)一起工作。
印刷电路板组件140(1)进一步包括连接器160，该连接器160是多销连接器，该多销连接器向通信器件180提供较低频率的电信号和电源连接，尽管也可以使用适于向通信器件180提供较低频率的电信号和电源连接的其他类型的连接器。如图22所示，连接器160位于印刷电路组件140(1)上，并且在组装时位于波导接口的后部。连接器160通过形成在电介质顶层143(1)上的金属化图案耦接至印刷电路板组件140(1)。
图25A-28B示出了以不同的主体构造形成的本技术的示例性印刷电路板140(3)-140(6)，该示例性印刷电路板140(3)-140(6)可以应用于不同的应用中。仅作为示例，如图25A-26B所示，印刷电路板组件140(3)和140(4)提供较窄的主体构造，而如图27A-28B所示，示例性印刷电路板组件140(5)和140(6)提供了更宽的主体构造，如下面进一步详细描述的。
现在更具体地参考图25A-26B，印刷电路板组件140(3)和140(4)分别包括集成的发射换能器元件200(3)和200(4)，该发射换能器元件200(3)和200(4)被印刷或蚀刻在如本文进一步描述的印刷电路板组件140(3)和140(4)的顶层上。在该示例中，印刷电路板组件140(3)和140(4)具有窄体构造，该窄体构造具有与发射换能器元件200(3)和200(4)的延伸平行的尺寸，该尺寸大于与发射换能器元件200(3)和200(4)的延伸垂直的尺寸。
现在更具体地参考图27A-28B，印刷电路板组件140(5)和140(6)分别包括集成的发射换能器元件200(5)和200(6)，该发射换能器元件200(5)和200(6)被印刷或蚀刻在如本文进一步详细描述的印刷电路板组件140(5)和140(6)的顶层上。发射换能器元件200(5)用作发射机，而发射换能器元件200(6)提供接收机。在该示例中，印刷电路板组件140(5)和140(6)具有宽体构造，该宽体构造具有与发射换能器元件200(5)和200(6)的延伸平行的尺寸，该尺寸小于与发射换能器元件200(5)和200(6)的延伸垂直的尺寸。
再次参考图25A-28D，示例性印刷电路板组件140(3)-140(6)以与示例性印刷电路板组件140(1)和140(2)相同的方式形成，尽管具有下面讨论的主体构造的印刷电路板组件可以使用其他技术以其他方式形成。在该示例中，如上所述，相对于印刷电路板140(1)和140(2)，印刷电路板组件140(3)-140(6)各自由多个层压层制成。除了下面描述的以外，示例性印刷电路板组件140(3)-140(6)具有与示例性印刷电路板140(1)和140(2)相同的结构和构造。
再次参考图25A-28B，印刷电路板组件140(3)-140(6)中的每一个分别包括由低损耗高频叠层电介质(仅作为示例，例如由康涅狄格州罗杰斯市RogersCorp.制造的叠层电介质Rogers4350B)形成的顶层143(3)-143(6)，尽管可以使用其他低损耗高频叠层电介质。术语顶层仅用于表示通信器件180或在某些示例中的其他附加通信器件280(1)-280(n)将被表面贴装在其上的层。可以将导电层或导电元件施加到顶层143(3)-143(6)，如下面进一步描述的。例如，顶层143(3)-143(6)之下的附加电介质层可以由诸如Isola370-HR之类的标准低频层压电介质形成。印刷电路板140(3)-140(6)的多个层还包括多个附加的导电信号、电源平面和接地平面、例如仅由铜形成的层，尽管也可以使用其他导电材料。所有导电层均使用标准印刷电路板镀覆技术形成。
顶层143(3)-143(6)分别包括延伸部分144(3)-144(6)，该延伸部分144(3)-144(6)通过铣削和底切多个层中的附加层而形成。如图11所示，当印刷电路板组件140(3)-140(6)位于支撑块24(2)上时，延伸部分144(1)-144(6)被构造成位于波导接口26(2)的波导段36中。切口146(3)-146(6)形成为铣削工艺的一部分，并且对于形成延伸部分144(3)-144(6)是必需的。切口146(3)-146(6)不会显著影响性能。
现在更具体地参考图25A和27A，在这些示例中，印刷电路板组件140(3)、140(5)包括用作发射机的发射换能器元件200(3)、200(5)。发射换能器元件200(3)、200(5)通过在低损耗高频电介质顶层143(3)、143(5)上印刷或蚀刻例如铜的导电材料来形成。在此示例中，电介质顶层143(3)、143(5)约0.0066英寸(6.6密耳)厚，该印刷或蚀刻的导电层约0.0022英寸(2.2密耳)厚。在一个示例中，发射换能器元件200(3)、200(5)至少是60GHz的毫米波发射换能器，但是本技术不限于此。
发射换能器元件200(3)和200(5)包括匹配的平衡传输线端子，该平衡传输线端子可以基于如图25A和图27A所示的耦接而耦接至来自通信器件180的高频能量并有效地接收来自通信器件180的高频能量。在该示例中，发射换能器元件200(3)、200(5)精确地位于印刷电路组件140(3)、140(5)的宽度边缘之间的中点。另外，在该示例中，发射换能器元件200(3)、200(5)具有与波导法兰的开口尺寸精确匹配的宽度尺寸Yt，如以上关于图16A所讨论的。
顶层143(3)、143(5)为具有顶部金属化图案和底部金属化图案的发射换能器元件200(3)、200(5)提供低损耗基板。发射换能器元件200(3)、200(5)的顶部金属化图案包括第一对传输线部分148A和148B。第一对传输线部分148A和148B在顶部电介质层143(3)、143(5)的底侧上的接地平面上实现。第一对传输线部分148A和148B将来自通信器件180的能量耦接至第二对传输线部分152A和152B。第一对传输线部分148A和148B被实现为以平衡构造匹配通信器件180的输出阻抗。
第二对传输线部分152A和152B位于顶层143(3)、144(5)的延伸部分144(3)、144(5)上方，这提供了干净基板部分(在此部分中，低损耗顶层143(3)、143(5)的底侧上没有接地平面)，并且第二对传输线部分152A和152B将来自第一对传输线148A和148B的能量提供给一对相应的换能器元件154A和154B。第二对传输线部分152A和152B被实现为匹配换能器元件154A和1544B的输入阻抗。
换能器元件154A和154B被构造成在平行于低损耗电介质顶层143(3)、143(5)并且远离第二对传输线部分152A和152B的方向上提供大量的能量传播，从而将端射传播图案形成到波导法兰开口中的开口中。发射换能器元件200(3)、200(5)具有宽度尺寸Yt，该发射换能器元件200(3)、200(5)被匹配以插入具有以上关于图16A描述的“b”尺寸的标准波导法兰开口中。尽管示出并描述了发射换能器元件200(3)、200(5)的示例性构造，但是可以使用其他金属化图案在顶层140(3)、140(5)上形成替代构造。举例来说，在另一实施例中，发射换能器元件200(3)、200(5)可包括带有寄生元件的偶极子的变体，如图19所示。
现在更具体地参考图27A，在印刷电路板组件140(5)的宽体构造中，换能器元件154A和154B具有线性构造，以及如下文所讨论的对波导接口的修改，该线性构造通过换能器元件154A和154B提供改善的传输/接收。
现在更具体地参考图26A和28A，在该示例中，印刷电路板组件140(4)、140(6)包括用作接收机的发射换能器元件200(4)、200(6)。发射换能器元件200(4)、200(6)通过在低损耗高频电介质顶层143(4)、143(6)上印刷或蚀刻例如铜的导电材料来形成。在此示例中，电介质顶层143(4)、143(6)约0.004英寸(4.0密耳)厚，该印刷或蚀刻的导电层约0.0022英寸(2.2密耳)厚。在一个示例中，发射换能器元件200(4)、200(6)至少是60GHz的毫米波发射换能器，但是本技术不限于此。
仅作为示例，发射换能器元件200(4)、200(6)被实现为具有匹配的不平衡传输线端子，以将高频能量有效地传递到通信器件180。发射换能器元件200(4)、200(6)精确地位于印刷电路组件140(4)、140(6)的宽度边缘之间的中点。发射换能器元件200(4)、200(6)具有与波导法兰的开口尺寸精确匹配的宽度，如以上关于图16B所讨论的。
顶层143(4)、143(6)为发射换能器元件200(4)、200(6)提供了低损耗基板，其具有顶部金属化图案和底部金属化图案。在此示例中，使用导电材料印刷或蚀刻到顶层143(4)、143(6)上的顶部金属化图案包括传输线中心导体256，该传输线中心导体256横越位于低损耗顶层143(4)、143(6)的底侧上的接地平面两端的长度。在接地平面的位置之外，传输线中心导体256连续并位于底侧传输线258上方。传输线中心导体256和底侧传输线258一起耦接至形成对偶元件偶极子的换能器元件，该对偶元件偶极子被构造成在平行于印刷电路板组件140(4)、140(6)的低损耗顶层143(4)、143(6)并远离传输线中心导体256和底侧传输线的方向上提供定向传播图案，从而将端射传播图案形成到波导法兰开口中，如下面所讨论的。
不平衡输入电路构造由接地连接和传输线中心导体256组成。该接地连接通过低损耗顶层143(4)、143(6)从用作接收机的通信器件180电连接，并通过穿过孔(也称为过孔)的金属化镀覆来实现，从而在低损耗顶层143(4)、143(6)的底侧上形成到接地平面的低电感连接。
现在更具体地参考图28A和28B，在印刷电路板组件140(6)的宽体构造中，传输线中心导体256和底侧传输线258具有线性构造，以及如如下面所讨论的对波导接口的修改，该线性构造通过换能器元件154A和154B提供改善的传输/接收。
现在参考图25A、26A、27A和28A，可以将通信器件180直接表面贴装在印刷电路板组件140(3)-140(6)上。通信器件180被构造成用作具有印刷电路板组件140(3)和140(5)的发射机以及用作具有印刷电路板组件140(4)和140(6)的接收机。通信器件180被表面贴装在与发射换能器元件200(3)-200(6)相邻的印刷电路板组件140(3)-140(6)上。基于位于印刷电路板组件140(3)-140(6)上的金属化图案来提供到通信器件180的连接。在具有宽体构造的图27A-28B所示的示例中，可以有利地在印刷电路板组件140(5)和140(6)的其他位置上采用附加通信280(1)-280(n)，如图27A和28A所示。
再次参考图25A-28B，在此示例中，通信器件180和附加通信器件280(1)-280(n)是高度集成的毫米波无线电发射机/接收机，使用晶圆级芯片规模封装技术将它们表面贴装至印刷电路板组件140(3)-140(6)，尽管在其他示例中可以使用高度集成的毫米波无线电接收机。在一个示例中，通信器件180和附加通信器件280(1)-280(n)包含硅锗(SiGe)芯片，尽管砷化镓(GaAs)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或其他半导体芯片可以用于通信器件。仅作为示例，通信器件180或附加通信器件280(1)-280(n)可以被构造成与60GHz毫米波发射换能器元件200(3)-200(6)一起工作。
印刷电路板组件140(3)140(6)进一步包括连接器160，该连接器160是多销连接器，该多销连接器向通信器件180或附加通信器件280(1)-280(n)提供低频电信号和电源连接，尽管可以使用适合于向通信器件提供较低频电信号和电源连接的其他类型的连接器。连接器160位于印刷电路组件140(3)-140(6)上，并且在组装时位于波导接口的后部，如图25A、26A、27A和28A所示。连接器160通过形成在电介质顶层143(3)-143(6)上的金属化图案耦接至印刷电路板组件140(3)-140(6)。
现在参考图29A-29E，如上所述，具有窄体构造的印刷电路板组件140(3)被图示为耦接至波导接口12(1)，尽管印刷电路板组件140(3)可以与如上所述的波导组件10的波导接口12(1)和12(2)的任何示例一起使用。尽管描述了印刷电路板组件140(3)，但是也具有窄体构造的印刷电路板组件140(4)可以以相同的方式与波导接口12(1)或12(2)一起使用。
再次参考图29A-29E，印刷电路板组件140(3)被放置在波导接口12(1)的支撑块24(1)上。印刷电路板组件140(3)被放置使得印刷电路板组件140(3)和换能器元件200(3)延伸到穿过接口板26(1)定位的矩形槽34(1)中，如图29C-29E所示。矩形槽34(1)的长度被构造成容纳印刷电路板组件140(3)和发射换能器元件200(3)。当印刷电路板组件140(3)和矩形槽34(1)耦接至波导接口12(1)时，印刷电路板组件140(3)和矩形槽34(1)在矩形槽34(1)内形成短的波导段36。波导段36产生高的波导截止频率，因此在波导段36中不存在波导模式。结果，能量流向位于矩形槽34(1)的整个开口中的换能器元件200(3)，在矩形槽34(1)的整个开口发生从电能到电磁能的转换，且损耗最小。
现在参考图30A-30F，示出了具有宽体构造的印刷电路板组件140(5)耦接至波导接口12(3)。波导接口12(3)包括耦接至波导法兰26(3)的支撑块24(3)，尽管波导接口12(3)可以包括以其他构造的其他元件。除了下面描述的以外，波导接口12(3)在结构和操作上与波导接口12(1)和12(2)相同。波导接口12(3)可以以关于波导接口12(1)所讨论的方式形成，或者如关于波导接口12(2)所讨论的那样被模制为单个整体结构，尽管可以采用形成波导接口12(3)的其他方法。尽管描述了印刷电路板组件140(5)，但是也具有窄主体构造的印刷电路板组件140(6)可以以相同的方式与波导接口12(3)一起使用。
现在更具体地参考图30A-30E，印刷电路板组件140(5)被放置在波导接口12(3)的支撑块24(3)上。支撑块24(3)在垂直于发射换能器元件200(5)的延伸的方向上较宽，以容纳印刷电路板组件140(5)的延伸宽度。以这种方式，印刷电路板组件140(5)可以容纳除通信器件180之外的附加通信器件280(1)-280(n)。如图30F所示，支撑块24(3)的底部具有脊285，以提供更有效的散热器，以便容纳由附加器件产生的热量。
印刷电路板组件140(5)被放置成使得换能器元件200(5)延伸进入穿过
Figure BDA0002719376100000211
波导法兰26(3)定位的矩形槽34(3)，如图30C-30E所示。矩形槽34(3)的长度被构造成接收发射换能器元件200(5)。在该示例中，如图30E所示，接口板24(3)包括位于其后壁中的孔径300，该孔径300形成波导段36。孔径300消除了接口板26(3)壁上的突出部分，并提供更高的波导截止频率，以防止辐射朝其他方向传播。孔径300向换能器元件200(5)提供更高效率的能量流。
再次参考图1A-4，波导接口12(1)耦接至波导法兰22。波导法兰22是本领域中已知的标准波导法兰。如图2A所示，波导法兰22包括波导法兰开口90，该导法兰开口90可以与波导接口12(1)的接口板26(1)中的矩形槽34(1)对准。图5C示出了耦接至接口板26(1)的波导法兰22，其中接口板26(1)与波导法兰组件22对准，接口板26(1)的矩形槽34(1)与波导法兰开口90重叠。
如图5A所示，波导法兰22包括基本上位于圆形波导法兰22的中心的波导开口90。具体地，波导开口90是矩形，其具有代表矩形波导的磁场(H-field)的“a”尺寸和代表矩形波导的电场(E-field)的“b”尺寸。在该示例中，波导开口90的尺寸被构造成用于50至75GHz的频率范围，由此尺寸由本领域中已知为WR-15或在军用标准MIL-DTL-85/3C中为M85/3-018的类别来定义。仅作为示例，对于50至75GHz的标准波导频率范围(也称为V波段)，“a”尺寸约为3.76mm，“b”尺寸约为1.88mm，但是根据应用的类型和/或期望的频率范围也可以使用其他“a”尺寸和“b”尺寸。如上文所讨论的，通过将标准波导法兰导向销92插入到包含在接口板26(1)内的导向销孔41(1)中，有助于接口板26(1)与标准波导法兰22的精确对准。
现在将参照图1A至图18B描述包括波导接口12(1)或波导接口12(2)的波导组件10的操作的示例。应当注意，对发射机波导接口操作的详细描述同样适用于毫米波换能和能量反转方向的接收机波导接口。本领域普通技术人员将认识到，由于洛伦兹电磁互易定理，传输情境和接收情境都同样适用。还应注意，尽管针对波导接口12(1)讨论了操作，但是波导接口12(2)的操作与波导接口12(1)基本相同。如图20-24C所示，波导接口12(1)或12(2)均可以进一步与印刷电路板组件140(1)和140(2)一起使用。
波导接口12(1)和12(2)的高效率和操作的关键在于促进毫米波能量向标准波导法兰开口90的传播，并且还限制了传导的电能从通信器件18(1)通过高频引线键合60(1)向第一对传输线68A和68B转移时的能量损失。短波导段36被限定在接口板26(1)或接口26(2)的矩形槽34(1)与印刷电路板组件14的上接地平面表面48之间。印刷电路板组件14还在侧接地平面区域50和前接地平面区域52处具有连续的铜镀层，它们形成了短波导段36的下部。
波导截止频率是在该频率处，截止频率以下的所有频率都基本上衰减的频率。从电磁波的亥姆霍兹方程得出的等式[1]为具有内部磁场“a”尺寸和内部电场“b”尺寸的矩形波导提供了波导截止频率。
Figure BDA0002719376100000221
在等式[1]中，ωc是角频率，c是光速，a是磁场矩形波导尺寸，b是电场矩形波导尺寸，并且n和m表示波导模式编号。主波导模式用于确定波导截止，并且在本领域中被称为横电模式1,0(TE1,0)，其中n＝1，m＝0。在n＝1且m＝0的情况下，剩下的唯一变量是波导磁场“a”尺寸。
在一个示例中，对于标准波导法兰22，“a”尺寸为3.76mm，其产生39.9GHz的截止频率，远低于标准波导法兰22的预期工作频率范围，即50至75GHz。然而，期望在短波导段36中的波导接口的工作频率范围上充分衰减能量的转换。
短波导段36的磁场尺寸被示出为“a'”尺寸。在一个示例中，“a'”尺寸约为0.98mm(980μm)。将等式[1]中的a设置为0.98mm，主模式(n＝1和m＝0)会产生153GHz的截止频率，远高于波导接口的预期工作范围。当尺寸“a'”随印刷电路板组件14的厚度而变化时，截止频率将有微小变化，并且有效尺寸“a'”因电介质负载特性和发射换能器20(1)的厚度变化而变化。然而，考虑到所有变化，用于发射机波导接口或接收机波导接口的最小波导截止频率大于120GHz。通过建立远高于波导接口的工作频率范围的短段波导36的截止频率，可以将最大能量提供给标准波导开口90。
因此，该示例性技术提供了许多优点，包括提供一种波导组件，该波导组件包括可以在高工作频率下使用的波导接口。在一个示例中，本技术的波导组件结合了印刷电路板组件，该印刷电路板组件包括集成的发射换能器元件，该发射换能器元件可以与使用表面贴装技术应用于印刷电路板组件的集成电路相互作用。这避免了在印刷电路板组件和所采用的集成电路之间的昂贵的引线键合。
因此，已经描述了所公开技术的基本概念，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，前述详细公开仅旨在通过示例的方式来呈现，而非限制。尽管本文没有明确说明，但是将发生各种替代、改进和修改，且该各种替代、改进和修改是本领域技术人员所希望的。这些替代、改进和修改旨在由此提出，并且在所公开技术的精神和范围内。另外，所陈述的处理元件或序列的顺序，或者因此使用的数字、字母或其他名称，并不旨在将所要求保护的过程限制为任何顺序，除非可能在权利要求中指定。因此，本发明仅由所附权利要求及其等同物限制。

Claims (25)

1.一种印刷电路板组件，包括：
多个层，所述多个层中的至少一层由电介质材料形成并且具有延伸超过所述多个层中的其他层的延伸部分；和
第一金属层，所述第一金属层位于所述电介质层的所述延伸部分的至少一部分上，所述第一金属层和所述电介质层被构造成形成发射换能器，所述发射换能器包括一条或更多条传输线和换能器元件，所述换能器元件耦接至所述一条或更多条传输线，其中所述换能器元件被构造成传播毫米波频率信号。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，当所述印刷电路板组件被放置在支撑块上时，所述延伸部分被构造成被插入耦接至所述支撑块的波导接口中的槽中。
3.根据权利要求2所述的印刷电路板组件，其中，当所述印刷电路板组件被放置在所述支撑块上时，所述换能器元件被构造成位于所述接口中的所述槽中。
4.根据权利要求2所述的印刷电路板组件，其中，所述发射换能器具有至少50GHz的工作频率。
5.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述多个层中的所述至少一层由低损耗高频电介质材料形成。
6.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，还包括：
第二金属层，所述第二金属层位于与所述第一金属层相对的所述电介质层的所述延伸部分的所述至少一部分上，其中所述第一金属层、所述电介质层和所述第二金属层被构造成形成所述发射换能器。
7.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述多个层具有垂直于所述延伸部分的第一尺寸，所述第一尺寸大于平行于所述延伸部分的第二尺寸。
8.一种波导组件，包括：
支撑块和波导接口，所述波导接口耦接至所述支撑块的端部并且从所述支撑块延伸，所述波导接口具有槽和一个或更多个孔，所述槽和一个或更多个孔被放置成容纳用于将波导接口固定到波导法兰的附接器件；和
印刷电路板组件，包括：
多个层，所述多个层中的至少一层由电介质材料形成并且具有延伸超过所述多个层中的其他层的延伸部分，其中，当所述印刷电路板组件被放置在所述支撑块上时，所述延伸部分被构造成被插入到所述波导接口中的所述槽中；和
第一金属层，所述第一金属层位于所述电介质层的所述延伸部分的至少一部分上，所述第一金属层和所述电介质层被构造成形成发射换能器，所述发射换能器包括一条或更多条传输线和换能器元件，所述换能器元件耦接至所述一条或更多条传输线，其中所述换能器元件被构造成传播毫米波频率信号，并且当印刷电路板组件被放置在所述支撑块上时，所述换能器元件被构造成位于所述接口中的所述槽中。
9.根据权利要求8所述的波导组件，还包括：
通信器件，所述通信器件耦接至所述印刷电路板组件，其中，所述发射换能器被放置成与所述通信器件相邻并耦接至所述通信器件；和
波导法兰，所述波导法兰耦接至所述波导接口，所述波导法兰具有波导开口。
10.根据权利要求9所述的波导组件，其中，所述通信器件被构造成发送和接收毫米波信号。
11.根据权利要求9所述的波导组件，其中，所述波导接口相对于所述波导法兰齐平地放置，使得所述波导接口内的所述槽的窄尺寸与所述波导法兰的磁场尺寸正交。
12.根据权利要求9所述的波导组件，其中，所述发射换能器的所述换能器元件被放置在所述波导接口内的所述槽内，使得所述槽防止来自所述传输线的能量朝着所述印刷电路板组件或所述波导开口射出，并且允许能量从所述换能器元件传递到所述波导开口中。
13.根据权利要求8所述的波导组件，其中，所述发射换能器被放置在所述支撑块的顶表面附近、所述支撑块的所述顶表面的相对边缘之间的中间。
14.根据权利要求8所述的波导组件，其中，所述发射换能器被放置成沿着所述波导接口的中心轴提供最大能量传播。
15.根据权利要求8所述的波导组件，其中，所述发射换能器具有至少50GHz的工作频率。
16.根据权利要求8所述的波导组件，其中，所述多个层中的所述至少一层由低损耗高频电介质材料形成。
17.根据权利要求8所述的波导组件，还包括：
第二金属层，所述第二金属层位于与所述第一金属层相对的所述电介质层的所述延伸部分的所述至少一部分上，其中所述第一金属层、所述电介质层和所述第二金属层被构造成形成所述发射换能器。
18.根据权利要求8所述的波导组件，其中，所述多个层具有垂直于所述延伸部分的第一尺寸，所述第一尺寸大于平行于所述延伸部分的第二尺寸。
19.根据权利要求8所述的波导组件，其中，所述波导接口具有位于所述波导接口的壁中的孔径，所述孔径位于与靠近所述槽的所述支撑块的所述耦接相对的位置处，所述孔径构造成提供波导部分。
20.一种方法，包括：
提供多个层，所述多个层中的至少一层由电介质材料形成；
铣削所述多个层，使得由电介质材料形成的所述多个层中的所述至少一层具有延伸超过所述多个层中的其他层的延伸部分；和
在由所述电介质材料形成的多个层中的所述至少一层的至少一部分上沉积第一金属层，其中所述第一金属层和所述电介质层被构造成形成发射换能器，所述发射换能器包括一条或更多条传输线和换能器元件，所述换能器元件耦接至所述一条或更多条传输线，其中所述换能器元件被构造成传播毫米波频率信号。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
蚀刻所述第一金属层以形成所述发射换能器。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述铣削还包括：铣削所述多个层，使得当所述印刷电路板组件被放置在所述支撑块上时，所述延伸部分被构造成被插入耦接至所述支撑块的波导接口中的槽中。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个层中的所述至少一层由低损耗高频电介质材料形成。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括：
在提供由所述电介质材料形成的所述多个层中的所述至少一层之前，沉积第二金属层，其中所述第二金属层的至少一部分位于与所述第一金属层相对的所述电介质层的延伸部分上，其中，所述第一金属层、所述电介质层和所述第二金属层被构造成形成所述发射换能器。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个层具有垂直于所述延伸部分的第一尺寸，所述第一尺寸大于平行于所述延伸部分的第二尺寸。
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