CN116014400A - 一种矩形波导、喇叭天线及片上系统 - Google Patents

一种矩形波导、喇叭天线及片上系统 Download PDF

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何勇
王彦杰
邱实
明超
付朝辉
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Abstract

本发明揭示了一种基于印制板及其加工工艺的矩形波导、喇叭天线及片上系统,矩形波导及喇叭天线结构简单,方便加工,在加工效率和加工精度方面能得到很好保证;整个波导及喇叭天线结构基于印制板设计,有利于和其他平面电路进行一体化设计,提高系统集成度;基于矩形波导和喇叭天线所提供的具有收发功能的片上系统兼具有低成本、优良性能以及高集成度等优点。

Description

一种矩形波导、喇叭天线及片上系统
技术领域
本发明涉及毫米波无线通信技术领域,特别是涉及一种矩形波导、喇叭天线及片上系统。
背景技术
在毫米波频率中,相较于微带形式的传输线,矩形波导由于其传输损耗更小、功率容量更大且没有辐射损耗等优点,被广泛应用于通信、雷达、遥感、电子对抗和测量等系统中;同样的,相较于微带天线,矩形波导馈电的喇叭天线具有更宽的工作带宽、更高的辐射效率以及平稳的方向图等特性,使其有利于提高无线通信系统的性能,比如,在卫星通信中使用矩形波导馈电的喇叭天线能够提高通信质量,在雷达系统中使用矩形波导馈电的喇叭天线能够提高分辨率以及探测距离。
对于毫米波频率,由于其工作波长短,传统的金属矩形波导传输线和金属喇叭天线在加工制作时需要十分严格的加工精度控制,并且往往需要进行开模,这将直接导致生产成本增加。
此外,金属制造的波导电路和喇叭天线通常需要一些转接结构与其他印制板形式的平面电路集成,不仅会引入额外的损耗,还不利于系统的小型化,无法满足体积日趋小型化的无线通信终端的需求。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种矩形波导、喇叭天线及片上系统,解决在保证毫米波频段矩形波导和喇叭天线优良性能的同时,降低生产成本;此外,实现具有收发功能且结构紧凑、低损耗的一体化片上系统。
为了解决上述发明目的,本发明提供了一种矩形波导,包括印制板,所述印制板上开设有通槽,所述通槽的四壁镀有金属层,所述通槽为空气填充。
可选的,包括三层所述印制板,最上层为第一印制板,所述第一印制板下表面覆有所述金属层;
中间层为第二印制板,所述第二印制板上开设有所述通槽,在通槽平行于电磁波传播方向的两个侧壁镀有所述金属层;
最下层为第三印制板,所述第三印制板上表面覆有所述金属层。
可选的,所述通槽周围设有多个通孔。
可选的,所述通槽设有转角,所述转角包括斜角或多个阶梯形状的直角。
可选的,所述印制板上、下表面均覆有金属层。
本发明还提供了一种喇叭天线,采用如上所述的矩形波导,包括不同截面尺寸的矩形波导中的一种或多种组合,所述印制板上、下表面覆有金属层。
可选的,所述多种组合的矩形波导从喇叭辐射口方向到馈电口按截面尺寸逐渐减小;所述多种组合的矩形波导相对设置且贯通,构成阶梯型金属腔;小截面尺寸的矩形波导位于大截面尺寸矩形波导通槽内的下表面区域敷有金属层。
可选的,所述阶梯型金属腔周围设有多个通孔,所述通孔的内壁镀有金属层,内部填充树脂。
可选的,所述喇叭天线外侧四壁上覆有金属层。
本发明还提供了一种片上系统,包括:射频前端模块、数字处理模块以及电源集成电路模块;
所述射频前端模块包括:至少一个喇叭天线单元、波导过度结构、射频集成电路封装芯片以及集总参数元件,所述射频集成电路封装芯片的封装输出为波导输出形式;
所述数字处理模块包括:数字处理集成电路和数字接口集成电路;
所述数字处理集成电路连接所述射频集成电路封装芯片;
所述电源集成电路模块用于对所述射频前端模块和所述数字处理模块进行供电及电压变换。
可选的,还包括外部时钟模块,用于产生时钟信号,为系统提供参考源。
可选的,所述波导过度结构包括:垂直方向传输的矩形波导和水平方向传输的矩形波导;
所述垂直方向传输的矩形波导的一端连接所述射频集成电路封装芯片的波导输出口,另一端与所述水平方向传输的矩形波导的一端连接,所述水平方向传输的矩形波导的另一端与所述喇叭天线单元的馈电端相连。
可选的,所述射频集成电路封装芯片、所述集总参数元件、所述数字处理集成电路、所述数字接口集成电路、所述电源集成电路模块以及所述外部时钟模块分布在第六印制板上表面;
所述水平方向传输的矩形波导形成于第七印制板,所述喇叭天线单元形成于第八印制板;
所述第七印制板在所述第六印制板下方,所述第八印制板位于所述第七印制板下方。
与现有技术相比,本发明提出的基于印制板及其加工工艺的矩形波导、喇叭天线是由印制电路板表面及其开槽侧壁上的金属层构成,通过常规印制板加工工艺达到金属波导传输线及金属喇叭天线的功能,在保证优良性能的同时,降低生产成本,矩形波导及喇叭天线结构基于印制板设计,有利于和其他平面电路进行一体化设计,提高系统集成度;基于矩形波导和喇叭天线所提供的具有收发功能的片上系统兼具有低成本、优良性能以及高集成度等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一中水平方向传输的矩形波导结构示意图;
图2是图1中沿A-A方向剖面图;
图3是本发明实施例一中水平方向多自由度传输的矩形波导结构示意图;
图4是图3去除最上层印制板的矩形波导结构示意图;
图5是本发明实施例一中垂直方向传输的矩形波导结构示意图;
图6是本发明实施例一中矩形波导与传统金属矩形波导仿真结果对比图;
图7是本发明实施例二中基于印制板的喇叭天线结构示意图;
图8是图7中沿B-B方向剖面图;
图9是本发明实施例二中基于印制板的喇叭天线仰视图;
图10是本发明实施例二中基于印制板的喇叭天线回波损耗;
图11是本发明实施例二中基于印制板的喇叭天线方向图;
图12是本发明实施例二中基于印制板的喇叭天线与金属喇叭天线增益对比图;
图13是本发明实施例三中片上系统组成框图;
图14是本发明实施例三中片上系统结构示意图;
图15是本发明实施例三中封装芯片的一个输出口与喇叭天线单元互联结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述,其中表示了本发明的优选实施例,应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明,而仍然实现本发明的有利效果。因此,下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道,而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系可以为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
规则金属矩形波导是指截面形状为矩形的笔直空心金属管,其截面形状和尺寸、管壁的结构材料(一般为铜、铝等金属,有时其壁上镀有金或银)及管内介质填充情况(通常为空气介质)沿其管轴方向均不改变,它将被引导的电磁波完全限制在金属管内沿其轴向传播,由于其仅有一个导体,不能传播TEM导波,传播模式可分成横电(TE)导波和横磁(TM)导波两大类,且存在无限多的模式,每种导模都有相应的截止波长λc(或截止频率fc),只有满足条件λc>λ(λ为工作波长)或fc<f(f为工作频率)才能传输。
矩形波导实际使用时几乎都以主模TE10模(截止波长λc最长或截止频率fc最低的导模)工作,综合考虑抑制高次模、传输损耗小及功率容量大等条件,矩形波导的截面尺寸一般选择宽边a=0.7λ、窄边b=(0.4~0.5)a,波导尺寸确定后,其工作频率范围便可确定,为使损耗不大,并不出现高次模,其工作频率范围取主模截止频率的1.25-1.9倍。
矩形波导的损耗主要由波导中填充均匀介质的损耗和导体损耗组成,因此,采用空气介质填充以及优良导电特性的金属矩形波导具有很低的传输损耗。
当波导中传输电磁波信号时,在金属波导内壁表面上将产生感应电流,称之为管壁电流,在毫米波频率下,趋肤效应将使这种管壁电流集中在很薄的波导内壁表面流动,如工作频率在80GHz时的铜波导,其趋肤深度(电流从导体表面传播到导体内部的深度)约为0.24μm,当导体厚度大于其工作频率下的趋肤深度时,可以认为其能够有效传输电磁波信号。
在毫米波频率(30-300GHz,波长为1-10mm),矩形波导的工作波长短、截面尺寸小,能够采用常规的印制电路板(Printed Circuit Boards,PCB)及其加工工艺来实现金属矩形波导的功能,更利于与射频、毫米波芯片的一体化设计与集成。
实施例一
本发明实施中提供了一种矩形波导,包括印制板,所述印制板上开设有通槽,所述通槽的四壁镀有金属层,所述通槽为空气填充,所述通槽周围设有多个通孔123。
请参考图1-2,基于印制板及其加工工艺的水平方向传输的矩形波导111包括三层印制板,最上层为第一印制板11,所述第一印制板11下表面覆有所述金属层,即覆铜层12。
中间层为第二印制板21,所述第二印制板上开设有通槽122,通槽的尺寸可根据对接的其他元件的尺寸进行调整,在通槽122平行于电磁波传播方向的两个侧壁镀有金属层22。
最下层为第三印制板31,所述第三印制板31上表面覆有所述金属层,即覆铜层32。
其中,第一印制板的下表面覆铜层12、通槽122及其两个侧壁上的金属层22以及第三印制板的上表面覆铜层32,共同构成空气填充的矩形波导腔124,实现对电磁波信号水平方向上的低损耗传输。
该矩形波导完全由印制电路板(Printed Circuit Boards,PCB)构成,因此可采用印制板的加工工艺制作,制作方式也可以有多种:可将上、中、下三块印制板分别加工,再利用图1中的通孔123进行销钉定位,将三块印制板进行焊接;在其他示例中,可将上、中、下三块印制板分别加工,再利用图1中的通孔123进行销钉定位、螺钉紧固;还可将上、中或者中、下两块印制板采用层压板工艺一体加工,再与另一印制板通过图1中的通孔123进行销钉定位后焊接或者螺钉紧固。
请参考图3和图4所示,本实施例还提供了另一种基于印制板及其加工工艺的矩形波导112,包括三层印制板,其组成形式与矩形波导111类似,此处不再赘述。
具体的,通槽122设有转角,矩形波导112的波导腔124在水平面内进行了弯折,因此,矩形波导112可以在水平面内沿不同方向进行传输。
如图4所示,为了使该矩形波导112具有良好的传输特性(低反射系数),对第二印制板21上通槽122的转角进行了切角125处理,以此抵消由于转角处结构突变引起的电磁波反射,切角形式可以是斜角,也可以是多个阶梯形状的直角,此处不作具体限制。
请参考图5,本实施例还提供了一种基于印制板及其加工工艺的垂直方向传输的矩形波导113,包括一层印制板01。
具体的,在印制板01上开设通槽102,通槽102的侧壁均镀有金属层02,通槽102及其侧壁金属层02构成空气填充的矩形波导腔104,实现对电磁波信号垂直方向上的低损耗传输。
在印制板01上开设有通孔103,可用于和其他平面电路集成时的销钉对位或螺钉紧固,在印制板01上、下两个表面还覆有金属铜层03,用于作为其他平面电路的地层、屏蔽层或者用于与其他平面电路的表面进行焊接装配。
请参考图6,图6为基于印制板及其加工工艺的水平方向传输的矩形波导111与传统金属矩形波导仿真结果对比图,可以得出,在工作频段内两种波导的回波损耗小于-40dB,传输系数基本等于0dB,说明基于印制板的矩形波导具有与传统金属矩形波导相媲美的优良电磁波传输特性。
综上,本发明实施例中的矩形波导结构形成简单,方便加工,在加工效率和加工精度方面也能得到很好保证;整个波导结构基于印制板设计,有利于和其他平面电路进行一体化设计,提高系统集成度。
实施例二
本实施例中的喇叭天线可看做是不同截面尺寸的矩形波导的组合,因此,同样可以采用印制板来实现。
本发明实施例提供了一种基于印制板及其加工工艺的波导馈电喇叭天线,采用实施例一中所述的矩形波导,具体的,包括不同截面尺寸的矩形波导中的一种或多种组合,多种组合的矩形波导从喇叭辐射口方向到馈电口按截面尺寸逐渐减小,喇叭天线基于多层板加工工艺制作而成,印制板上、下表面覆有金属层。
请参考图7-9所示的喇叭天线114,包括两种不同截面尺寸的矩形波导的组合,在其他示例中,可根据对天线指标的要求,如增益、波束宽度、工作带宽等因素,选择合适数量不同截面尺寸的矩形波导进行组合。
喇叭天线114包括第四印制板41和第五印制板51,第四印制板41上开设有与馈电矩形波导尺寸相当的通槽44,通槽44的侧壁均镀有金属层49;第五印制板51位于第四印制板41下方,第五印制板51上开设相应尺寸的矩形通槽46,通槽46的侧壁均镀有金属层52,且通槽46的尺寸大于第四印制板41上的通槽44的尺寸,目的是为了改善天线输入端口阻抗匹配特性,通槽46的尺寸可仅在宽边方向增大,也可从长、宽两个方向增大,通槽46与通槽44正对且贯穿,第四印制板41位于第五印制板51的通槽46内的下表面区域敷有金属层42,以此构成阶梯形金属腔43即可向外辐射电磁波信号;在第四印制板41与第五印制板51之间为加工层压板时使用的半固化片40(P片,Prepregs)。
如图8-图9所示,在阶梯形金属腔43周围设置通孔143,通孔143侧壁均镀有金属层47,第四印制板41上表面与第五印制板51下表面分别敷有金属铜142和144,通过金属层47、142和144可抑制印制板上的表面波以及印制板内不希望的电磁波信号,在组成阵列天线时,可抑制天线单元之间的相互影响,从而改善天线性能;在喇叭天线114的四个外侧壁设置金属包边141,以此进一步抑制不希望的电磁辐射。
通孔143内填充树脂45进行塞孔,再在印制板41的上表面和印制板51的下表面电镀金属层48,进行填平处理,保证喇叭天线114表面平整度,可以提高与其他平面电路进行焊接装配时的可靠性。
请参考图10-12,图10为本示例中喇叭天线114的回波损耗曲线,从图中可以看到在频段70-90GHz内,回波损耗小于-17dB(电磁波反射率低于2%),匹配特性良好;图11为其E面(包含电场矢量和最大辐射方向的平面)、H面(包含磁场矢量和最大辐射方向的平面)方向图,可以看到两个面内的半功率波束宽度均大于70°,且对称性好;图12为本实施例中喇叭天线与传统金属喇叭天线增益曲线对比图,可以看到两者在整个频段内的增益值基本一致,且在频段75-88GHz内,增益大于7.5dB,波动小于1dB,具有平稳的增益特性。
综合以上,本发明实施例中提供的基于印制板及其加工工艺的喇叭天线,具有工作频段宽,方向图稳定,覆盖范围广的优良特性,且加工成本低,剖面低,易于和其他平面电路集成,进行一体化设计。
实施例三
请参考图13-图15,本发明实施例提供了一种基于印制板及其加工工艺的具有收发功能的片上系统(System on Chip,SoC),包括:射频前端模块、数字处理模块以及电源集成电路模块。
所述射频前端模块包括:实现电磁波发射/接收的至少一个喇叭天线单元633、实现射频信号低损耗传输的波导过度结构、用于实现射频信号生成和接收的射频集成电路封装芯片61以及用于实现对射频电路的滤波及去耦合功能的集总参数元件62,所述射频集成电路封装芯片61的封装输出为波导输出形式。
所述数字处理模块包括:用于实现信号电平转换的数字处理集成电路63和用于实现对外高速数字信号接口功能的数字接口集成电路64。
所述数字处理集成电路63连接所述射频集成电路封装芯片61。
所述电源集成电路模块66用于对所述射频前端模块和所述数字处理模块进行供电及电压变换。
还包括外部时钟模块65,用于产生时钟信号,为系统提供参考源。
所述波导过度结构包括:垂直方向传输的矩形波导611和水平方向传输的矩形波导622。
如图15所示,射频集成电路封装芯片61通过球状引脚栅格阵列(Ball GridArray,BGA)67焊接在第六印制板06上表面,射频集成电路封装芯片61的波导输出口与垂直方向传输的矩形波导611连接,也即,第六印制板06既可以作为封装芯片和其他模块的载板,也可以作为形成矩形波导传输线的介质基板,从而提高系统集成度,简化设计。
具体的,垂直方向传输的矩形波导611的一端连接射频集成电路封装芯片61的波导输出口,另一端与水平方向传输的矩形波导622的一端连接,水平方向传输的矩形波导622的另一端与喇叭天线单元633的馈电端相连。
所述射频集成电路封装芯片61、集总参数元件62、数字处理集成电路63、数字接口集成电路64、电源集成电路模块66以及外部时钟模块65分布在第六印制板06上表面。
所述水平方向传输的矩形波导622形成于第七印制板,所述喇叭天线单元633形成于第八印制板。
第七印制板在第六印制板下方,第八印制板位于第七印制板下方。
通过垂直方向传输的矩形波导611和水平方向传输的矩形波导622构成波导过度结构,实现封装芯片61与喇叭天线633之间的低损耗互联,第八印制板08上的金属化孔69可用于屏蔽印制板内不希望的电磁波信号,减小各喇叭天线单元633之间的相互影响,通孔68可用于安装过程中的销钉定位或螺钉紧固。
由于本实施例提供的片上系统中各个模块都基于印制板设计,不仅利用了在毫米波频段矩形波导和喇叭天线的优良性能,还可实现对整个片上系统进行基于印制板的一体化设计,降低设计复杂度和设计难度,提高系统集成度,有利于设备的小型化及降低生产成本,可应用于汽车自动驾驶、道路交通监测、直升飞机的高压线识别以及机场异物检测等领域。
综上所述,本发明提供的基于印制板及其加工工艺的矩形波导、喇叭天线是由印制电路板表面及其开槽侧壁上的金属层构成,因此电路板自身的介电常数及损耗正切角等材料特性对构成的波导的传输特性和喇叭天线的辐射特性几乎不影响,从而可以选择多种不同的低成本单一印制板材料(如环氧树脂板、玻璃纤维板、环氧玻璃复合板或碳氢化合物陶瓷复合板)或者多种材料组合进行加工制作,降低制造成本;目前PCB加工工艺已比较成熟,本发明实施例中的矩形波导及喇叭天线结构形成简单,方便加工,在加工效率和加工精度方面也能得到很好保证;整个波导及喇叭天线结构基于印制板设计,有利于和其他平面电路进行一体化设计,提高系统集成度;基于矩形波导和喇叭天线所提供的具有收发功能的片上系统(System on Chip,SoC)兼具有低成本、优良性能以及高集成度等优点。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种矩形波导,其特征在于,包括印制板,所述印制板上开设有通槽,所述通槽的四壁镀有金属层,所述通槽为空气填充。
2.如权利要求1所述的矩形波导,其特征在于,包括三层所述印制板,最上层为第一印制板,所述第一印制板下表面覆有所述金属层;
中间层为第二印制板,所述第二印制板上开设有所述通槽,在通槽平行于电磁波传播方向的两个侧壁镀有所述金属层;
最下层为第三印制板,所述第三印制板上表面覆有所述金属层。
3.如权利要求1所述的矩形波导,其特征在于,所述通槽周围设有多个通孔。
4.如权利要求1所述的矩形波导,其特征在于,所述通槽设有转角,所述转角包括斜角或多个阶梯形状的直角。
5.如权利要求1所述的矩形波导,其特征在于,所述印制板上、下表面均覆有金属层。
6.一种喇叭天线,采用如权利要求1-5中任一项所述的矩形波导,其特征在于,包括不同截面尺寸的矩形波导中的一种或多种组合,所述印制板上、下表面覆有金属层。
7.如权利要求6所述的喇叭天线,其特征在于,所述多种组合的矩形波导从喇叭辐射口方向到馈电口按截面尺寸逐渐减小;所述多种组合的矩形波导相对设置且贯通,构成阶梯型金属腔;小截面尺寸的矩形波导位于大截面尺寸矩形波导通槽内的下表面区域敷有金属层。
8.如权利要求7所述的喇叭天线,其特征在于,所述阶梯型金属腔周围设有多个通孔,所述通孔的内壁镀有金属层,内部填充树脂。
9.如权利要求6所述的喇叭天线,其特征在于,所述喇叭天线外侧四壁上覆有金属层。
10.一种片上系统,其特征在于,包括:射频前端模块、数字处理模块以及电源集成电路模块;
所述射频前端模块包括:至少一个喇叭天线单元、波导过度结构、射频集成电路封装芯片以及集总参数元件,所述射频集成电路封装芯片的封装输出为波导输出形式;
所述数字处理模块包括:数字处理集成电路和数字接口集成电路;
所述数字处理集成电路连接所述射频集成电路封装芯片;
所述电源集成电路模块用于对所述射频前端模块和所述数字处理模块进行供电及电压变换。
11.如权利要求10所述的片上系统,其特征在于,还包括外部时钟模块,用于产生时钟信号,为系统提供参考源。
12.如权利要求11所述的片上系统,其特征在于,所述波导过度结构包括:垂直方向传输的矩形波导和水平方向传输的矩形波导;
所述垂直方向传输的矩形波导的一端连接所述射频集成电路封装芯片的波导输出口,另一端与所述水平方向传输的矩形波导的一端连接,所述水平方向传输的矩形波导的另一端与所述喇叭天线单元的馈电端相连。
13.如权利要求12所述的片上系统,其特征在于,所述射频集成电路封装芯片、所述集总参数元件、所述数字处理集成电路、所述数字接口集成电路、所述电源集成电路模块以及所述外部时钟模块分布在第六印制板上表面;
所述水平方向传输的矩形波导形成于第七印制板,所述喇叭天线单元形成于第八印制板;
所述第七印制板在所述第六印制板下方,所述第八印制板位于所述第七印制板下方。
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