CN113454840A - 波导组件、波导过渡以及波导组件的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导组件(1)，包括：电路布置(2)、波导过渡(4)以及具有纵向轴线(A)的电介质波导(3)；该波导过渡(4)位于电路布置(2)与电介质波导(3)之间，用于在电路布置(2)与电介质波导(3)之间传输电磁波(5)。波导过渡(4)具有至少一个第一导电板(7)和第二导电板(8)，至少一个第一导电板(7)和第二导电板(8)在电介质波导(3)的纵向轴线(A)的方向上以彼此偏移的方式布置在电路布置(2)与电介质波导(3)之间。

Description

波导组件、波导过渡以及波导组件的用途

技术领域

本发明涉及一种波导组件，包括电路布置、电介质波导和存在于电路布置与电介质波导之间的用于在电路布置和电介质波导之间传输电磁波的波导过渡。

本发明还涉及一种用于在电路布置与电介质波导之间传输电磁波的波导过渡。

此外，本发明涉及波导组件的用途。

背景技术

根据现有技术，有线数据传输本质上可以分为两种不同的技术。一方面借助于金属导体的数据传输以及另一方面借助于玻璃纤维的光学数据传输均是已知的。

已知经由传统的电导体(诸如电缆中的铜导体)的信号传输在高频下会受到强烈的信号衰减。因此，如果可能的话，为了实现规范，有时必须付出很多努力，特别是当对传输带宽提出高要求时。

相反，光学数据传输具有极低的损耗，并且可以在高数据速率下进行。然而，光学数据传输总是需要将电信号转换为光信号，反之亦然，这使得这种类型的信号传输需要复杂的传输和接收结构。

除了这两种传统的数据传输技术之外，人们对一种试图将自己建立为可替代的技术越来越感兴趣。本发明涉及经由所谓的电介质波导(DWG或“聚合物微波纤维”，PMF)的数据传输。

在该技术中，特别是在毫米波范围(例如80GHz)中，电信号被调制到载波频率上，并作为电磁波沿着电介质波导传输。与光学方法相反，该方法无需电光转换即可实现。与金属波导相比，该概念的优点是，能够至少在中等距离上(例如在10m的范围内)传输非常高的数据速率(例如在50GB/s的范围内)。例如在RFCMOS技术中，因为高千兆赫范围所需的半导体技术现在越来越多，并且允许低成本和高集成度，因此，电介质波导显得特别令人感兴趣。

沿电介质波导传播的电磁波可以根据波导的性质以不同的场配置发生。这些不同的场配置被称为“模式”。如果在电介质波导中仅引导基本模式，则以类似于玻璃纤维的方式使用术语“单模”波导。另一方面，如果电介质波导有可能同时引导多个模式，则将其称为“多模”波导。电介质波导可以引导的模式数量本质上取决于波导的工作频率和几何形状，特别是波导的横截面面积的大小(例如圆形波导的直径)及波导的介电常数(也称为介电导率)。

与传统的数据传输技术一样，由传输介质引起的色散是其设计中的关键部分。不同频率的信号或信号分量以不同速度在波导中传播所根据的波导特性称为色散。因此，除了衰减之外，色散也是限制最大可实现数据速率的关键参数。在电介质波导的情况下，色散基本上可以分为两个子类型：波导色散和模式色散。

波导色散描述了数据通常在其中传输的基本模式的色散，并且出现在单模和多模波导两者中。

另一方面，模式色散与各个模式的不同传播速度有关。如果由在到电介质波导的过渡处或沿导体的不连续性激发了更高的模式，则在数据传输期间可用功率可能会降低，并且信号可能会失真，这会限制可以实现的最大数据速率。

原则上，对于任何频率，基本模式都可以由电介质波导引导。然而，电介质波导内的场分布和传播速度均取决于频率。虽然基本模式没有下限频率，但所有“更高模式”仅在单个极限频率以上被引导。如果电介质波导因此在所有更高模式的极限频率以下使用，则它被称为单模波导；因此，如果在所使用的频率范围内可以引导至少一种另外的模式，则波导被称为多模波导。

多模波导可以具有比单模波导更低的波导色散，但由于任何模式色散，可能会再次失去这一优势。当不期望的模式由从发射器或接收器到电介质波导的过渡或由沿波导的不连续性而被激发到过高的程度时，这特别成问题。

为了能够在传输系统中使用电介质波导，需要电介质波导上的波导过渡，波导过渡将电磁波例如从印刷电路板上的平面电路或从高度集成电路(例如MMIC，“单片微波集成电路”)传输到电介质波导。

为此，一方面已知电介质波导平行于电路布置被布置。然后可以通过行波来激发电介质波导，其中，电磁波被连续引导到电介质波导中，类似于锥形喇叭过渡。这种波导过渡可以以相对宽带的方式操作。然而，由于二维结构，例如使用电介质波导的基本模式的两个极化的双极过渡只能困难地实现。

还已知，垂直于电路布置来布置电介质波导。这通常需要谐振结构。然而，在垂直布置的情况下，可以简化双极过渡的实现。

为了实现用于垂直于电路布置而布置的电介质波导的波导过渡，从实践中已知使用金属板(所谓的“贴片”)作为谐振结构，作为电路布置的一部分，例如，借助于印刷电路板的微带线馈电，并且能够在电介质波导中激发电磁波。

发明内容

本发明所基于的目的是提供一种改进的波导组件，特别是提供一种具有高带宽的波导组件。

本发明还基于的目的是提供一种改进的波导过渡，其中特别是在电磁波的过渡期间可以确保高带宽。

此外，本发明所基于的目的是提供一种波导组件的有利用途。

该目的是通过权利要求1的特征针对波导组件实现的、通过权利要求18的特征针对波导过渡实现的以及通过权利要求19的特征针对用途实现的。

下面描述的从属权利要求和特征涉及本发明的有利实施例和变型。

本发明提出了一种波导组件，包括电路布置、波导过渡以及具有纵向轴线的电介质波导，该波导过渡存在于电路布置和电介质波导之间、用于在电路布置和电介质波导之间传输电磁波。

本发明背景下的电磁波是指不位于用于光信号传输的光谱内的电磁波。

本发明特别适用于毫米范围(30GHz至300GHz)和亚毫米范围(300GHz至3THz)中的电磁波的传输。

在本发明的背景下，电磁波的传输方向并不重要。从电路布置开始，电磁波因此可以经由波导过渡被馈电到电介质波导，反之亦然。在本发明的范围内，双向传输也是可能的。就以下参考电磁波从电路布置到电介质波导的传输而言，这仅归因于本发明的简化描述，而不应被理解为限制性的。

电介质波导优选地具有圆形横截面。然而，电介质波导不一定必须具有圆形几何形状。例如，电介质波导也可以被设计成正方形或具有正方形横截面。

电介质波导可以被设计为单模波导或多模波导。电介质波导优选地被设计为多模波导。

电介质波导优选地由芯材料和包围芯材料的外壳材料形成。

芯材料可以优选地是塑料或陶瓷。例如，陶瓷可以有利地用于微芯片之间的过渡。

从电气角度来看，外壳材料理想地为空气。然而，也可以提供由任何气体、任何液体或任何固体组成的外壳材料。

根据本发明，波导过渡具有至少一个第一导电板和第二导电板，至少一个第一导电板和第二导电板在电介质波导的纵向轴线的方向(以下也称为“轴向方向”)上以彼此偏移的方式布置在电路布置与电介质波导之间。

导电板可以布置在电路布置与电介质波导之间的不同轴向平面中。在其中布置各个导电板的轴向平面可以沿电介质波导的纵向轴线或沿电介质波导的延伸的纵向轴线在轴向方向上分布。

纵向轴线可以是电介质波导的中心轴线。

导电板优选地设计为金属板(也称为“贴片”)。

导电板可以形成谐振结构。

导电板不一定必须具有连续表面，但也可以自身结构化。例如，导电板中的至少一个可以被开槽或被穿孔。

在本发明的范围内还可以设置其他导电板。例如，可以可选地在第一导电板和第二导电板之间的另一轴向平面中设置第三导电板。此外，第四导电板、第五导电板、第六导电板或甚至更多导电板也可以设置在电路布置与电介质波导之间的不同轴向平面中。然而，为了更容易理解，下面仅用两个导电板来描述本发明，但这不应被理解为限制性的。

第一导电板、第二导电板和/或可能存在的任何其他导电板均可以被设计为圆形、椭圆形和/或矩形，特别是正方形。

由于本发明使用至少两个导电板，其可以以堆叠的方式布置在不同的轴向平面中，与现有技术相比，根据本发明的波导过渡的频率带宽以及因此根据本发明的波导组件的频率带宽均可以显著增加。

在现有技术的背景下用于激发电介质波导中的电磁波的单个谐振元件，特别是单个贴片，仅能够提供相对小的频率带宽。根据本发明，可以通过将第二导电板安装在第一导电板“上方”来增加频率带宽。

就在本发明的背景中使用的方向指示“上方”而言，该指示涉及被布置成比位于“下方”的另一轴向平面更靠近电介质波导的轴向平面。方向指示旨在促进对本发明的理解，但并不旨在指示波导组件相对于重心(例如地球中心)的特定定向。

导电板优选地能够彼此电磁耦合，特别是为了将电磁波馈电到电介质波导中。

至少两个导电板之间的距离及它们的几何形状可以确定频率带宽和实际频率位置，并且可以例如基于模拟、计算和/或测试系列来确定。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，电路布置被设计成电路板、集成电路、系统级封装、多芯片模块和/或层叠封装。

原则上，可以设置任何电路布置，特别是平面电路布置，例如电印刷电路板或高度集成电路，特别是MMIC(“单片微波集成电路”)。

本发明的优选用途可能涉及芯片对芯片的数据传输，其中，电路布置可以被设计为集成电路，例如可以被设计为专用集成电路(ASIC)或MMIC。然后，例如，可以将波导过渡部分地或完全地布置在芯片壳体(“封装”)中，其中，电介质波导可以在芯片壳体之间运行用于高比特率数据传输，并且电介质波导可能穿过芯片壳体。

在本发明的优选改进方案中，可以设置的是，电介质波导的纵向轴线被定向成与电路布置的表面正交，所述表面面向波导。

因此，本发明尤其可以用于实现到垂直于平面电路布置的电介质波导的波导过渡，其中可以实现高频带宽。

原则上，如果电介质波导被定向成垂直于电路布置，则可能是优选的。然而，特别是由于公差，也可能发生与垂直布置的偏差。例如，可以设置的是，电介质波导的纵向轴线倾斜高达15度、但优选地仅高达10度、特别优选地仅高达5度、并且非常特别优选地仅高达1度至理想的正交定向。

电介质波导的纵向轴线与其正交或至少近似正交定向的电路布置的表面可以特别是平面电路的顶层，即例如印刷电路板或集成电路。

优选地，至少第一导电板被布置成平面平行于电路布置的表面，所述表面面向波导。

在本发明的一个配置中，可以设置的是，电介质波导的纵向轴线正交于第一导电板和/或第二导电板(和/或可能的其他导电板)的表面定向，所述表面面向波导。还可以设置的是，纵向轴线的倾斜，例如与公差相关的倾斜高达15度、但优选地仅高达10度、特别优选地仅高达5度、并且非常特别优选地仅高达1度至理想的正交定向。

在本发明的一个改进方案中，尤其可以设置的是，第一导电板和电路布置相对于彼此被设计和布置，使得第一导电板直接由电路布置电磁地激发以传输电磁波。

第一导电板，特别是金属板，可以优选地被设计为电路布置的一部分或电气部件，特别是电路布置的导电金属化区域。

在一个改进方案中，还可以设置的是，用于激发第一导电板的电路布置具有至少一条电线、优选地具有至少一个微带线，以便传输电磁波。

用于馈电第一板的电线在下文中有时也被称为馈电线。

例如，可以设置的是，第一板和电线、特别是电印刷电路板的微带线位于电路布置的公共层上或电路布置的公共层中，例如在电印刷电路板的顶平面或顶层上。

用于激发第一板的电线优选地与第一板导电连接。然而，这不是绝对必须的。原则上，用于激发第一板的馈电线或电线也可以位于电路布置的更深的层中，例如印刷电路板或MMIC。因此，第一导电板也可以经由电磁场耦合来馈电。

在参考电位意义上的导体或导电表面(参考导体)可以被设置用于电磁波的导体约束引导，例如电路布置的导电基底表面，该导电基底表面布置在电路布置的下平面上或布置在电路布置的下平面或下层中。参考导体可以特别是通过基板层在轴向方向上与馈电线隔开。参考导体可以引导电参考信号或参考电位，特别是可以引导接地电位(GND)并由此形成接地参考。

由于导电板(例如第一导电板)的空间有限的表面积，谐振器可以通过其边界形成并且例如由至少一条电线(例如，电印刷电路板的微带线)馈电。最终，导电板在电介质波导中激发电磁波，然后所述电磁波通过电介质波导被引导。

导电板的第一谐振模式(矩形贴片中的TM-001)以及电介质波导和第二导电板的对称定位均可以特别适合于激发用于数据传输的电介质波导的基本模式。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，用于激发第一导电板的电路布置具有共面波导，以便传输电磁波。

特别地，第一导电板可以借助于GCPW类型的共面波导(“接地共面波导”)馈电。

在这种情况下，第一板可以例如通过共面波导馈电，共面波导的内部导体或馈电线优选地在电路布置的与第一板相同的平面或层中。馈电线或电线和第一板可以在它们所位于的电路布置的水平处被导电参考层围绕，并且通过相应的槽与导电参考层电绝缘。参考层可以传输电参考电位，特别是接地电位。电路布置优选地在至少一个下平面中具有至少一个另外的导电参考层。下平面的(一个或更多个)导电参考层可以可选地借助于通孔连接到上参考层。

通过使用共面波导为第一导电板馈电，可以实现与相邻电路部件的改进的绝缘，因此可以实现更高的封装密度。此外，由于共面馈电，电路设计有更大的自由度。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，电路布置被设计为激发第一导电板，使得形成双极传输、特别是具有正交极化的双极传输。

在电介质波导的大多数模式中，甚至在基本模式中，两种场类型可以同时彼此独立出现并且彼此正交极化。在圆形或正方形电介质波导的最重要的特殊情况下，这些场类型可以表现出相同的行为，即因此也具有相同的传播速度。这可以有利地用于彼此独立地传输两个数据流，从而理想地将波导组件的数据速率加倍。

第一导电板可以优选地由电路布置的两条独立馈电线或波导馈电、例如由电路布置的两条独立电线、特别是两条微带线馈电，以便提供双极波导过渡。

有利地，可以借助于电介质波导中的根据本发明的波导过渡彼此独立地激发基本模式的两个相互正交的极化，其结果是，不同的信号被传输并且然后通过另一双极波导过渡被转换回两个独立的波导或被转换回另一电路布置的电线。

例如，可以设置的是，电路布置的第一电线被定位成与电路布置的第二电线正交，优选地(但不必须)在同一平面或层中，以便在第一导电板中激发不同的谐振模式，不同的谐振模式随后也彼此正交地极化。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，第二导电板附接到电介质波导的端面和/或嵌入在电介质波导中，所述端面面向电路布置。

可以例如通过添加金属化将第二导电板施加在电介质波导上或电介质波导中。例如，还可以设置的是，使用3D打印方法以在共同的制造过程中形成电介质波导和/或第二导电板(以及可能还有其他板)。

例如，第二板可以黏附地结合和/或机械地固定到电介质波导的端面上。

还可以设置的是，第二导电板(或者也可能还有其他导电板)嵌入在电介质波导中并且优选地以材料结合、压入配合和/或形状配合的方式固定在电介质波导中。

在本发明的一个配置中，还可以设置的是，第一导电板和第二导电板在电介质波导的纵向轴线方向上通过电路布置的基板层彼此隔开。

第一导电板和第二导电板可以形成为电路布置的一部分，并且在必要时嵌入在电路布置中。这也适用于可能存在的任何其他导电板。

原则上可以设置的是，导电板中的每个具有任何所期望的几何形状(矩形、圆形等)。然而，至少使第二导电板适配于电介质波导的几何形状或横截面可能是有利的。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，第二导电板具有圆形横截面。

在本发明的一个配置中，还可以设置的是，第一导电板和/或可能存在的任何其他导电板具有圆形横截面。

例如，如果电介质波导具有圆形横截面，则可以设置的是，第二导电板也被设计成圆形，由此电介质波导在第二导电板上的定位可以旋转不变，这简化了组装。

还可以设置的是，电介质波导的横截面几何形状、特别是直径的尺寸与(一个或更多个)激发板的横截面几何形状的尺寸相适配。特别地，可能有利的是，将电介质波导的直径和第二板的直径设计为相同的或相似的以便实现电介质波导的所期望的基本模式的最有效可能的激发。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，导电板通过至少一种电介质在轴向上彼此间隔开。

例如，电介质可以是固体，该固体使导电板彼此电绝缘并且板可选地附接到该固体。然而，电介质也可以是空气或一些其他气体。

为了确保例如第二导电板和第一导电板之间的，实现电介质波导的尽可能宽的激发所需的距离，第二导电板也可以与第一导电板(或其他导电板)隔开，例如通过电路布置的其他基板层彼此隔开。

然而，为了减少制造工作量和制造成本并进一步增加到电介质波导的耦合以及可实现的频率带宽，将第二导电板嵌入在电介质波导中可能是有利的。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，导电板彼此平面平行的被布置。

然而，还可以对导电板的相对于彼此的平面平行的布置的特别是公差引起的偏差做出规定，例如导电板相对于理想的平面平行的定向倾斜最高15度、但优选地仅最高10度、特别优选地仅最高5度、并且非常特别优选地仅最高1度。

在本发明的一个改进方案中，尤其可以设置的是，第一导电板、第二导电板和/或电介质波导均布置在电路布置的电磁近场中，特别是由小于来自电路布置的电磁波的波长间隔开、优选地由小于来自电路布置的电磁波的波长的50％间隔开、特别优选地由小于来自电路布置的电磁波的波长的10％间隔开。

第二导电板优选地布置在第一导电板的近场中。

电介质波导优选地布置在第二导电板的近场中。

第一导电板、第二导电板、可能地其他导电板、电路布置和/或电介质波导可以各自仅由电磁波的波长的几分之一彼此隔开布置。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，波导过渡具有波导件，优选地为单模波导件，其在第二导电板和电介质波导之间沿轴向方向延伸。

波导件可以优选地设计为仅传输基本模式。如果波导件的芯材料由例如塑料或陶瓷制成，而外壳材料由空气制成，则在波导件的横截面面积至少近似对应于激发导电板的横截面面积的情况下的介电常数差可能会导致单模波导件的形成，该单模波导件不能引导更高的模式。

在当前情况下，术语“更高模式”应被理解为是指其相应的极限频率高于要传输数据的模式的极限频率的所有模式。数据优选地以基本模式传输，可能以不同的极化传输。

波导件可以与电介质波导分开形成或与电介质波导一体形成。

在一个改进方案中，还可以设置的是，波导过渡具有波导过渡件，该波导过渡件在波导件和电介质波导之间在轴向方向(或在电介质波导的纵向轴线方向)上延伸。

波导过渡件可以与波导件分开形成或与波导件一体形成。

在一个改进方案中，还可以设置的是，波导过渡件在波导件和电介质波导之间形成连续的或离散的阶梯状过渡，特别是波导件和电介质波导的不同横截面和/或不同介电常数之间的过渡。

为了结合单模波导件的最佳激发和通过电介质多模波导的色散最小化数据传输的优点，单模波导件可以由第二导电板激发，然后通过波导过渡件被引导到多模波导中。

为此，波导过渡件可以优选地具有连续的(例如线性的或指数的)过渡或根据波导件和电介质波导的横截面几何形状、特别是它们的直径之间的余弦函数的单调部分的过渡。

线性过渡、指数过渡和/或根据余弦函数的单调部分的过渡特别适合作为不同几何形状之间的连续或部分连续的过渡，例如波导件和电介质波导的不同横截面面积之间的连续或部分连续的过渡。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，波导过渡具有波导基底，该基底具有用于附接至电路布置的第一端，其中，第一端的横截面具有第一直径，该第一直径大于波导基底的第二端的横截面的第二直径，所述第二端面向电介质波导。

宽波导基底一方面可以有利的，将电介质波导附接到电路布置，并且还可以改善到电介质波导中的耦合。

波导基底可以具有至少一个轴向部分，其中波导基底的直径以锥形方式减小。特别地，波导基底可以具有与第一端邻接的具有恒定直径的圆柱形部分和与第二端邻接的随后的锥形部分。

为了将电介质波导附接到电路布置，可以设置的是，电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底被材料包围，该材料被黏附地结合到电路布置和/或机械地附接到电路布置上。

电介质波导可以例如借助于支撑结构附接到电路布置。波导基底本身也可以设计成这样的支撑结构。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底由电介质外壳材料包围，该电介质外壳材料的介电常数大于空气的介电常数。

如上所述，使用具有加宽的芯横截面面积的波导基底可以导致改善到电介质波导中的耦合。然而，由于扩大的横截面面积，例如，如果电介质波导不是理想地定位，可以激发更高的模式。这些更高的模式在波导基底和电介质波导或波导件之间的过渡处被发射，因此到电介质波导中的耦合效率被降低。

为了确保防止不期望的模式的传播，尽管波导基底、波导件、波导过渡件和/或电介质波导的横截面面积增加，但可以设置的是，可以选择相应的芯材料和相应的外壳材料之间的介电常数比，使得电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底仅能够引导、优选地以单模波导的方式引导数量减少的模式。这可以通过提高相应外壳材料在该区域的介电常数来实现。

特别地，可以使用具有比空气更高的密度和介电常数的外壳材料，其中，外壳然后能够同时用作附件，因此可以改善波导过渡的机械稳定性。

在该配置中，波导过渡件特别还可以提供芯材料和/或外壳材料的不同介电常数之间的过渡。例如借助于不同材料的复合、材料密度修改和/或连接，可以优选地提供从波导件的外壳材料的介电常数到电介质波导的外壳材料的介电常数(连续或离散阶梯状)的过渡。

在混合过程(混合不同材料)的范围内，例如可以使用聚合物合金、聚合混合物或掺杂材料。例如，可以通过压缩、发泡或不同的结晶过程来改变电介质波导件的密度。

最后，还可以以几何地组装或组合在每种情况下具有不同介电常数的多种材料并且最终整体形成电介质波导、波导件和/或波导过渡件。在这种情况下，特别是可以在介电常数之间提供离散的阶梯状过渡。

以下可适用于第一导电板、第二导电板或可能存在的任何其他导电板的直径D。

其中，λ₀是自由空间波长，ε_r是板之间和/或第一板与参考层之间的材料的相对介电常数。因此，在毫米波范围内，导电板的直径可以例如是0.1mm至1mm、1mm至5mm、5mm至10mm或更大。然而，直径优选为1mm或更小。

电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底的芯材料可具有例如1.8至10.0、优选2.0至3.5的相对介电常数，作为整体或至少部分与本发明相关。

电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底的外壳材料可以具有例如1.0至3.0，优选1.0至2.0的相对介电常数，作为整体或至少部分与本发明相关。

电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底可以例如基本上由聚乙烯或聚四氟乙烯形成。电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底也可以基本上由聚苯乙烯形成，这特别是由于其良好的加工性能而可能是有利的。

在本发明的一个改进方案中，可以设置的是，电介质波导、波导件、波导过渡件和/或波导基底具有凹槽，以便容纳导电板中的至少一个、特别是第二导电板。

可以设置的是，一个或更多个导电板以材料结合、压入配合和/或形状配合的方式固定在凹口或凹槽中。

凹槽的深度特别可以限定电磁耦合板之间的距离或轴向距离，从而确定波导过渡的电特性。

可以设置的是，凹槽留有空气填充，这可以进一步最小化电损耗并增加频率带宽。然而，还可以设置的是，在插入第二导电板(或另一导电板)之后，凹槽填充有固体，例如填充有泡沫，特别是当该固体具有与空气类似的介电常数。

本发明还涉及用于上文和下文中描述的用于在电路布置和电介质波导之间传输电磁波的波导组件的波导过渡。波导过渡具有至少一个第一导电板和第二导电板，至少一个第一导电板和第二导电在电介质波导的纵向轴线方向上以彼此偏移的方式布置在电路布置和电介质波导之间，并被设计成传输电磁波。

彼此耦合的至少两个板可以产生两个谐振频率，可以选择谐振频率的位置，使得具有高耦合效率和足够好的适应性的同时实现尽可能最高的频率带宽。

如已经提到的，也可以提供多于两个导电板的堆叠。

波导过渡特别地涉及从平面微波电路和毫米波电路到与其垂直布置的电介质波导的过渡。

电路布置可以是印刷电路。

波导组件特别地可以布置在微芯片上，其中电介质波导可以通过芯片壳体被引导。

本发明还涉及根据以上和以下陈述的波导组件用于借助于电磁波进行数据传输的用途。

可以有利地提供根据本发明的波导组件用于形成板对板连接或芯片对芯片连接，从而特别是替代光学系统。

然而，根据本发明的波导组件的用途不仅有利于数据传输，还可用于其他领域，例如(高频)测量技术。

因此，本发明不应被理解为用于数据传输的电介质波导的一种特定和专用的解决方案。

已经结合根据本发明的波导组件描述的特征当然也可以有利地应用于根据本发明的波导过渡或所描述的用途，并且反之亦然。此外，结合根据本发明的波导组件已经提到的优点也可以进一步被理解为与根据本发明的波导过渡和用途有关，并且反之亦然。

此外，应当注意，诸如“包括”、“有”或“具有”之类的表述不排除任何其他特征或步骤。此外，诸如“一个”或“所述”之类的单数指代步骤或特征的表述不排除多个步骤或特征，并且反之亦然。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

附图分别示出了优选的示例性实施例，其中本发明的各个特征相互结合地示出。一个示例性实施例的特征也可以与同一示例性实施例的其他特征分开实施，并且因此可以由专家容易地组合以形成与其他示例性实施例的特征的进一步有用的组合和子组合。

在附图中，相同功能的元件用相同的附图标记表示。

在附图中，在每种情况下示意性地：

图1示出了根据本发明的第一实施例的波导组件，该波导组件使用电路布置的电导体来激发第一导电板；

图2示出了根据本发明的第二实施例的波导组件，该波导组件使用电路布置的共面波导来激发第一导电板；

图3示出了根据本发明的第三实施例的波导组件，该波导组件具有双极波导传输和嵌入在电介质波导中的第二导电板；

图4示出了根据本发明的第四实施例的波导组件，该波导组件具有波导件和波导过渡件；

图5示出了根据本发明的第五实施例的波导组件，该波导组件具有波导基底；以及

图6示出了根据本发明的第六实施例的波导组件，该波导组件具有双极传输、波导件、波导过渡件、波导基底和用于激发第一导电板的电路布置的共面波导。

具体实施方式

图1示出了根据本发明第一实施例的根据本发明的波导组件1。波导组件1包括电路布置2、电介质波导3和波导过渡4；该波导过渡4存在于电路布置2和电介质波导3之间，用于在电路布置2和电介质波导3之间传输电磁波5。

例如，电路布置2可以是电印刷电路板或集成电路。它也可以是系统级封装、多芯片模块和/或层叠封装。根据本发明的波导组件1可以优选地与印刷电路板一起使用或用于芯片对芯片的通信连接。在示例性实施例中，为了简单起见，电路布置2基本上被描述为印刷电路板，但这不应被理解为限制性的。

作为示例示出的电介质波导3具有芯材料3.1，芯材料3.1的介电常数大于围绕芯材料3.1延伸的外壳材料3.2(参见图1中的虚线表示)的介电常数。例如，外壳材料3.2也可以是空气。然而，外壳材料3.2也可以是具有比空气更高的介电常数的材料。以此方式，可以增加电介质波导3的芯材料3.1的横截面直径，而不会引起不期望的模式变得能够在电介质波导3中传播。在以下示例性实施例中，为简单起见，电介质波导3的外壳材料3.2不再进一步说明。

电介质波导3的纵向轴线A优选地与电路布置2的表面6正交地定向，所述表面面向电介质波导3。然而，在正交定向的背景下，还可以提供与公差相关的偏差，例如高达15度的倾斜。

根据本发明的波导过渡4具有至少一个第一导电板7和第二导电板8，至少一个第一导电板7和第二导电板8布置在电路布置2和电介质波导3之间的不同轴向平面中并且在电介质波导3的纵向轴线A的方向上(即轴向方向上)以彼此偏移的方式布置。原则上，还可以提供另外的导电板，但是为了简化起见，这些导电板在示例性实施例中没有示出。

优选地提供在示例性实施例中示出的配置，根据该配置，第一导电板7和电路布置2相对于彼此设计和布置，使得第一导电板7由电路布置2直接电磁激发以便传输电磁波5。为此，用于激发第一导电板7的电路布置2可以具有例如在图1的示例性实施例中所示的至少一个电线9。

图1的示例性实施例中所示的第一导电板7被设计为矩形，优选为正方形。第一导电板7以微带线的形式导电地连接到电线9，电线9与第一导电板7一起位于印刷电路板形式的电路布置2的顶平面或层中。在印刷电路板或电路布置2的下侧，提供了导电基底表面10作为参考导体，该导电基底表面10通过适合于高频的非导电的电介质基板11与印刷电路板的顶层结构隔开。

为了激发第一导电板7，基本上不必绝对地将微带线或电线9导电地连接到第一板7。还可以通过例如位于印刷电路板或电路布置2的下平面中的电线或带状线来提供电磁场耦合(未示出)。

此外，用作电(接地)参考的基底表面10不一定必须布置在电路布置2或印刷电路板的下侧上，而是例如也可以布置在中间平面或层中。基底表面10或一些其他电参考也可以布置在距印刷电路板或距电路布置2一定距离处，例如可以被设计为壳体部件，其中空气或优选地固体材料能够被提供在电路布置和壳体部件之间。

第一导电板7、第二导电板8和/或电介质波导3可以布置在电路布置2的电磁近场中，特别地可以由小于来自电路布置2(和/或来自彼此)的电磁波5的波长间隔开，优选地由小于来自电路布置2(和/或来自彼此)的电磁波5的波长的50％间隔开，特别优选地由小于来自电路布置2(和/或来自彼此)的电磁波5的波长的10％间隔开。

例如，电介质波导3可以直接位于第二导电板8的面向电介质波导3的表面上或位于第二导电板8的面向电介质波导3的表面上方短距离处，其结果是，面向第二导电板8的电介质波导3的端部位于第二导电板8的近场中。此外，第一导电板7可以直接位于电路布置2上或与电路布置2相距很小的距离。最后，所使用的导电板7、8也可以相对于彼此定位在它们的近场内，例如通过至少一种电介质(未示出)彼此轴向间隔开。

电介质波导3内的耦合效率和激发模式的类型可取决于电介质波导3的芯材料3.1的定位、定向和/或横截面面积，以及芯材料3.1和外壳材料3.2的介电常数和导电板7、8的谐振。

第二导电板8轴向地布置在直接馈电的第一导电板7上方。两个板能够彼此电磁耦合，其中，两个板7、8之间的距离和它们的几何形状对于频率带宽和实际频率位置可以是决定性的。

在示例性实施例中，第二导电板8被设计为圆形的，这可以是特别有利的，以便将同样是圆形的电介质波导3定位在第二导电板8上或以旋转不变的方式定位在第二导电板8上，这可以简化组装。

图2图示出了根据本发明的波导组件1的第二示例性实施例，其中第二导电板8附接到电介质波导3的端面，所述端面面向电路布置2，并且第二导电板8布置在第一导电板7的近场中。

与图1的导电板7相反，图2的导电板7通过电路布置2的共面波导馈电。以GCPW(“接地共面波导”)的方式设计共面波导。为此，电路布置2在顶层中具有参考层12并且在底层中可选地具有导电基底表面10。参考层12和基底表面10通过导电通孔13彼此连接。第一导电板7通过槽14与参考层12绝缘。这样，第一导电板7的边缘继续形成相对于参考层12和基底表面10的开口端，从而形成谐振器。

原则上，即使在共面波导的情况下，电线9也不一定必须与第一板7和/或以导电的方式与第一板7布置在同一平面或层中。

此外，可以使参考层12更小并且可以减少通孔13的数量。

图3示出了根据第三实施例的另一波导组件1，其通过示例将本发明的另外两个方面彼此结合。

图3中所示的电介质波导3具有凹槽15，第二导电板8容纳在该凹槽15中。电磁耦合板7、8之间的距离可以由凹槽15的深度限定，并且因此可以确定波导过渡4的电特性。凹槽优选地填充有空气，但也可以完全地或部分地填充有泡沫或其他材料。然而，如果凹槽15保持填充有空气，则波导组件1的损耗通常可以进一步最小化并且频率带宽可以最大化。凹槽15可以(如图所示的)呈圆锥形地或替代地还是圆柱形地延伸。

安装导电表面以在凹槽15的内表面上形成例如第二导电板8的一种可能性可以是例如激光直接成型(LDS)。

在图3的示例性实施例中，电路布置2还被设计成激发第一导电板7，使得形成具有正交极化的双极传输。激发第二导电板8的电路布置2的第一导电板7在这种情况下由(第一)微带线或电线9馈电，并且还由与第一电线9正交定位的第二微带线或第二电线16馈电。因此，可以在第一板7中激发两个不同的谐振模式，两个不同的谐振模式彼此正交地极化。这两个不同的谐振模式最终能够激发电介质波导3，电介质波导3优选地定位在中心并且尽可能垂直，具有经由第二导电板8的基本模式的两个相互正交且因此独立的极化，然后这些极化彼此独立地经由电介质波导3被引导。

在这个变型中，同样馈电线或电线9、16并不是绝对必须与第一导电板7导电地连接。例如，电线9、16也可以布置在印刷电路板或电路布置2的下平面并借助于电磁场耦合为第一电板7馈电。

此外，第一导电板7不一定必须设计成矩形或正方形，也可以是圆形或椭圆形。然而，在双极激发的情况下，第一导电板7优选地设计为正方形或圆形。

此外，如图所示，微带线或电线9、16也不必在中心朝向第一导电板7延伸。馈电线9、16也可以各自具有横向偏移。例如，电线9、16中的至少一个的横向偏移可以改善与电介质波导3中不同模式的绝缘或与电线9、16两者的模式的绝缘。

应当注意的是，本发明的与用于容纳例如第二导电板8的凹槽15有关的方面以及双极波导传输的各方面当然也可以彼此独立地实现，并且仅以示例的方式结合在图3中的示例性实施例中被示出。如开头已经提到的，这原则上适用于示例性实施例中示出和描述的本发明的所有进一步改进方案和特征。

图4示出了本发明的另一个示例性实施例。波导过渡4具有波导件17，优选地为单模波导件，其在第一导电板7和电介质波导3之间沿着电介质波导3的延伸的纵向轴线A在轴向方向上延伸。

第二导电板8优选地嵌入在波导件17中；例如，可以为此目的提供如已经在图3中关于电介质波导3描述的凹槽15。然而，第二导电板8不一定必须嵌入在波导件17中，也可以仅放置在波导件17的端面上，或者在轴向方向上与波导件间隔更远。

此外，波导过渡4具有波导过渡件18，其在波导件17和电介质波导3之间沿电介质波导3的纵向轴线A的轴向方向延伸。波导过渡件18在波导件17和电介质波导3之间形成连续过渡，以便调整彼此不同的横截面。

为了实现对电介质波导3的所期望的基本模式的最有效的可能激发，原则上可能有利的是使电介质波导3的尺寸适应激发板的尺寸，也就是说，特别是第二导电板8的大小或直径，并选择电介质波导3的直径尽可能相似。特别地，如果这不容易实现，则可以使用波导过渡件18进行调整。

为了避免在波导过渡4中对更高模式的不期望的激发(例如，即使电介质波导3未被理想地定位)，被设计为单模波导件的波导件17可以与第二导电板8一起附接到第一导电板7上方，然后通过波导过渡件18转移到被设计为多模波导的电介质波导3中。

然而，如图4所示，波导过渡件18不一定必须连续地(例如以余弦、线性或指数方式)将波导件17和电介质波导3的几何形状相互转换，而是还可以形成具有任何所需步数的离散阶梯状过渡。

还可以设置，波导过渡件18在波导件17和电介质波导3的不同介电常数之间形成连续的或离散的阶梯状过渡，特别是在它们的芯材料和/或外壳材料方面。

图5示出了本发明的示例性实施例，其中波导过渡4具有波导基底19，波导基底19具有用于附接到电路布置2的第一端19.1，其中，第一端19.1的横截面具有第一直径，该第一直径大于波导基底19的第二端19.2的横截面的第二直径，所述第二端面向电介质波导3。

如图5所示，波导基底19可具有环形横截面(特别是圆形环形横截面)或具有多个环区段20的横截面。例如，普遍的基底可用于改进电介质波导3在电路布置2上的附接并且可以以支撑的方式来设计。

第二导电板8可以容纳在波导基底19内。波导基底19优选地设计为中空的或具有凹槽15，如图6所示。

原则上，如果尺寸正确，则通过波导过渡4中的波导基底19加宽电介质波导3的横截面面积可以使改进的耦合到电介质波导3中成为可能。此外，通过波导基底19加宽横截面面积也可以用于电介质波导3的限定定位。

如已经提到的，本发明的所示改进方案和变型可以根据需要相互组合。图6示出了一种纯粹作为示例理解的组合。

为了改进耦合和附接，根据图6中的示例性实施例的波导过渡4具有波导基底19，其中波导基底19中容纳有第二导电板8。波导件17和波导过渡件18均布置在波导基底19和电介质波导3之间。此时需要说明的是，电介质波导3、波导件17、波导过渡件18和/或波导基底19也可以形成为一件。然而，在示例性实施例中，这些被设计成若干部件。

第一导电板7由两个相同的共面波导激发，如图2的背景中所述的，由此双极使用是可能的，并且与通过简单的微带线或电线9、16的激发相比，可以减少寄生辐射。举例来说，图5和图6中的第一导电板7被设计成圆形的。结果，可以简化波导组件1的组装并且可以防止不正确的定向。

波导基底19内增加的基底表面可以改善进入电介质波导3的传输。波导基底19在波导件17的方向上的直径减小可以进一步改善传输并防止引导电介质波导3所不期望的模式，这些模式反而在锥形减小处发射。

最后，通过波导过渡件18对芯材料的横截面面积的连续加宽可以使得多模波导3的激发成为可能，同时防止更高模式的激发。

为了将电介质波导3和/或波导过渡4附接到电路布置2，可以设置的是，可以将波导过渡4和/或电介质波导3黏附地结合、机械地附接和/或发泡到电路布置2上。发泡可以优选地借助于具有与空气的介电常数近似对应的介电常数的材料来实现。例如，(包括来自BASFGroup的在商标“Styrodur”下已知的或来自Evonik的“ROHACELL”的)聚苯乙烯泡沫都可以适合于发泡。类似的材料当然也可以是合适的。

Claims (19)

1.一种波导组件(1)，包括：电路布置(2)、波导过渡(4)以及具有纵向轴线(A)的电介质波导(3)；所述波导过渡(4)存在于所述电路布置(2)与所述电介质波导(3)之间，用于在所述电路布置(2)与所述电介质波导(3)之间传输电磁波(5)；所述波导过渡(4)具有至少一个第一导电板(7)和第二导电板(8)，所述至少一个第一导电板(7)和第二导电板(8)在所述电介质波导(3)的所述纵向轴线(A)的方向上以彼此偏移的方式布置在所述电路布置(2)与所述电介质波导(3)之间，其中，所述第一导电板(7)被设计成所述电路布置(2)的导电金属化区域，其中，用于激发所述第一导电板(7)的所述电路布置(2)具有至少一条电线(9，16)以便传输所述电磁波(5)。

2.根据权利要求1所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述电路布置(2)被设计成电印刷电路板、集成电路、系统级封装、多芯片模块和/或层叠封装。

3.根据权利要求1或2所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述电介质波导(3)的纵向轴线(A)被定向成与所述电路布置(2)的表面(6)正交，所述表面面向所述波导(3)。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述第一导电板(7)和所述电路布置(2)相对于彼此被设计和布置，使得所述第一导电板(7)由所述电路布置(2)直接电磁激发以便传输所述电磁波(5)。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，所述至少一条电线(9，16)被设计成微带线和/或共面波导。

6.根据权利要求4或5所述的波导组件(1)，其特征在于，所述电路布置(2)被设计成激发所述第一导电板(7)，使得形成双极传输、特别是具有正交极化的双极传输。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述第二导电板(8)被附接到所述电介质波导(3)的端面上和/或被嵌入在所述电介质波导(3)中，所述端面面向所述电路布置(2)。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述导电板(7，8)通过至少一个电介质被彼此轴向地间隔开。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述第二导电板(8)具有圆形横截面。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述导电板(7，8)彼此平面平行的被布置。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述第一导电板(7)、所述第二导电板(8)和/或所述电介质波导(3)均布置在所述电路布置(2)的电磁近场中，特别地，所述第一导电板(7)、所述第二导电板(8)和/或所述电介质波导(3)由小于来自所述电路布置(2)的所述电磁波(5)的波长间隔开，优选地，由小于来自所述电路布置(2)的所述电磁波(5)的波长的50％间隔开，特别优选地，由小于来自所述电路布置(2)的所述电磁波(5)的波长的10％间隔开。

12.根据权利要求1至11中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述波导过渡(4)具有波导件(17)、优选地为单模波导件，所述波导件(17)在所述第二导电板(8)与所述电介质波导(3)之间沿所述电介质波导(3)的纵向轴线(A)的方向延伸。

13.根据权利要求12所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述波导过渡(4)具有波导过渡件(18)，所述波导过渡件(18)在所述波导件(17)与所述电介质波导(3)之间沿所述电介质波导(3)的纵向轴线(A)的方向延伸。

14.根据权利要求13所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述波导过渡件(18)在所述波导件(17)与所述电介质波导(3)之间形成连续的或离散的阶梯状过渡，特别地在所述波导件(17)与所述电介质波导(3)的不同横截面和/或不同介电常数之间的过渡。

15.根据权利要求1至14中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述波导过渡(4)具有波导基底(19)，所述波导基底(19)具有用于附接至所述电路布置(2)的第一端(19.1)，其中，所述第一端(19.1)的横截面具有第一直径，所述第一直径大于所述波导基底(19)的第二端(19.2)的横截面的第二直径，所述第二端面向所述电介质波导(3)。

16.根据权利要求1至15中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述电介质波导(3)、所述波导件(17)、所述波导过渡件(18)和/或所述波导基底(19)由电介质外壳材料(3.2)包围，所述电介质外壳材料(3.2)的介电常数大于空气的介电常数。

17.根据权利要求1至16中的一项所述的波导组件(1)，其特征在于，

所述电介质波导(3)、所述波导件(17)、所述波导过渡件(18)和/或所述波导基底(19)具有凹槽(15)，以便容纳所述导电板(7，8)中的至少一个。

18.一种用于在电路布置(2)与电介质波导(3)之间传输电磁波(5)的波导过渡(4)，所述波导过渡(4)具有至少一个第一导电板(7)和第二导电板(8)；所述至少一个第一导电板(7)和第二导电板(8)在所述电介质波导(3)的纵向轴线(A)的方向上以彼此偏移的方式布置在所述电路布置(2)与所述电介质波导(3)之间，并且被设计成传输所述电磁波(5)。

19.根据权利要求1至17中的一项所述的波导组件(1)用于借助于电磁波(5)传输数据的用途。

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