JP2021502769A - ミリメータ波伝送線アーキテクチャ - Google Patents

Abstract

回路及び方法が、基板表面上の導電性クラッドから形成された伝送線を含む。伝送線は、基板表面上に同一平面上に配置された追加的な複数の基準導体を含む。基準導体は、伝送線と各基準導体との間のギャップを含む。伝送線及び基準導体は、２つの基板の間に少なくとも部分的に封止（例えば、サンドイッチ）されている。絶縁境界が、基板の対向する表面上の、例えば、伝送線の上方及び下方の接地平面として含まれてもよく、例えば基板を通る垂直方向のファラデー壁として含まれてもよい。種々の電磁信号によって生成される電流密度は、伝送線と基準導体との間に（三導体配置として）分布され、さらに絶縁（接地）境界に部分的に分布されてもよい。

Description

本発明は、無線周波数回路、電磁回路の製造方法及び伝送線アセンブリに関する。本出願は、2018年6月29日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第62/691,810号「MILLIMETER WAVE TRANSMISSION LINE ARCHITECTURE」、2017年11月10日に出願された米国仮特許出願第62/584,260号「SPIRAL ANTENNA and Related FABRICATION TECHNIQUES」、2017年11月10日に出願された米国仮特許出願第62/584,264号「ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY （AMT） LOW PROFILE RADIATOR」、2017年11月10日に出願された米国仮特許出願第62/584,300号「LOW PROFILE PHASED ARRAY」、2018年2月28日に出願された米国仮特許出願第62/636,364号「SNAP-RF INTERCONNECTIONS」及び2018年2月28日に出願された米国特許仮出願番号62/636,375号「Additive Manufacturing TECHNOLOGY （AMT） LOW PROFILE DIVIDER」の、特許法第119条（e）に基づく利益を主張する。これらの各出願は、本明細書に参照して援用する。

無線周波数及び電磁回路は、従来のプリント回路基板プロセスを用いて製造することができる。従来のPCB製造プロセスは、積層、電気メッキ、マスキング、エッチングその他の複雑なプロセスステップを含むことがある。また、複数のステップ、高価な及び／又は危険な材料、複数回の反復、大規模な労力などを必要とすることがあり、これら全てによって、コストが高くなり、ターンアラウンド時間が遅くなる。さらに、従来のPCB製造プロセスは、伝送線路（例えば、ストリップ線路）の寸法、及び導体間の誘電体材料の寸法（例えば、誘電体の厚さ、ビア間の間隔など）のような小さな特徴サイズを可能にする能力が限られており、それによって、そのような回路によって支持され得る最高周波数信号の範囲が制限される。

本明細書に記載される態様及び実施形態は、回路内で電気信号、特に無線周波数信号を伝達するための簡略化された回路構造体及びその製造方法を提供する。本明細書の記載に従った回路の様々な実施形態は、例えば、積層基板又は誘電体基板から構成されてもよく、回路特徴、信号層、接地平面、又はそれらの間の他の回路構造体を有してもよい。さらに、種々の信号導体及び回路構造体が、従来の技術よりも簡単に、かつ、より小さなフィーチャサイズで製造することができる。このような回路構造体は、従来のマイクロ波範囲と同様に、ミリ波範囲への高周波動作に適している。本明細書に記載される回路、構造体及び製造方法は、より小さなサイズ及びより高い周波数の動作を達成するために、サブトラクティブ及びアディティブ製造技術を使用する。

本開示の一態様に従った無線周波数回路は、 第１表面を有する第１誘電体基板； 第２表面を有する第２誘電体基板であり、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板は、前記第２表面が前記第１表面に面するように互いに対して配置される、第２誘電体基板； 前記第１表面上に配置された導電クラッドから形成された伝送線であり、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板との間で少なくとも部分的に封止されている、伝送線； 一対の基準導体であり、前記一対の基準導体の各々は、伝送線に隣接して伝送線との同一平面上に配置され、かつ、前記一対の基準導体の各々と前記伝送線との間にギャップが存在するように間隔が空けられ、前記一対の基準導体の各々は、前記第１表面又は前記第２表面上に配置され、第１誘電体基板と第２誘電体基板との間で少なくとも部分的に封止される、一対の基準導体；を含む。

無線周波数回路の実施形態は、さらに、一対の接地平面を備え、該一対の接地平面の各々は、前記伝送線及び前記一対の基準導体の前記同一平面に実質的に平行に配置されてもよい。無線周波数回路は、さらに、前記一対の接地平面に対して、及び前記伝送線と前記一対の基準導体との前記同一平面に対して実質的に垂直に配置された一対の境界壁を備え、前記一対の境界壁が、電気的に連続しており、前記一対の接地平面と電気的に接触しており、それにより前記一対の境界壁と前記一対の接地平面が、前記伝送線の周囲に少なくとも２次元で導電性電磁境界を形成してもよい。前記一対の境界壁が、前記一対の基準導体に電気的に接触してもよい。無線周波数回路は、さらに、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板のうちの少なくとも1つにある孔を通して配置され、前記伝送線と電気的に接触している導電体を備えてもよい。無線周波数回路は、さらに、前記導電体と電気的に接触し、前記導電体を介して前記伝送線との間で電磁信号を送受信するように構成された電気部品を含んでよく、前記電気部品は、端子、コネクタ、ケーブル及び電磁放射器のうちの少なくとも１つであってよい。前記伝送線は、70GHzでインチ当たり1.2デシベル以下の挿入損失を生成してもよい。前記一対の基準導体は、前記第１誘電体基板上に配置された前記導電クラッドから形成されてもよい。

本開示の他の特徴に従った電磁回路を製造する方法は、 第１表面上に配置された導電クラッドを有する第１誘電体基板を提供するステップ； 伝送線を形成するために導電性クラッドの一部を除去するように導電性クラッドを機械加工するステップであり、除去された部分が前記伝送線と前記導電性クラッドの残りの部分との間にギャップを形成し、前記導電性クラッドの残りの部分の少なくとも一部が前記伝送線の両側で前記伝送線と同一平面上に一対の基準導体を形成するステップ；及び 第２表面を有する第２誘電体基板を提供するステップであり、前記第２表面が前記第１表面に面するように前記第２誘電体基板を配置し、それにより、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板との間に、前記伝送線及び前記一対の基準導体を少なくとも部分的に封止するステップ；を含む。

本方法の実施形態は、さらに、前記第１誘電体基板に第３表面上に配置された第１接地平面を提供するステップであり、前記第３表面は、前記第１表面に対して対向し、かつ、実質的に平行な表面である、ステップ；及び 前記第２誘電体基板に第４表面上に配置された第２接地平面を提供するステップであり、前記第４表面は、前記第２表面に対して対向し、かつ、実質的に平行な表面であり、前記第１接地平面及び前記第２接地平面の各々は、互いに実質的に平行であり、かつ、前記伝送線と前記一対の基準導体との前記同一平面に実質的に平行である、ステップ；を含んでよい。本方法は、さらに、 前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板を機械加工して、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板を通るトレンチを形成するステップであり、前記トレンチは、前記第１接地平面と前記第２接地平面との間に延び、これらの接地平面に実質的に垂直である、ステップ；及び 前記トレンチを導電性材料で充填するステップであり、前記導電性材料は、前記第１接地平面及び前記第２接地平面の各々と電気的に接触するように配置される、ステップ；を含んでよい。前記導電性材料は、前記一対の基準導体と電気的に接触するように構成されてもよい。本方法は、さらに、 前記伝送線の一部へのアクセスを提供するために、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板のうちの少なくとも１つに孔をあけるステップ；及び 前記孔を通して配置される電気導体を提供するステップであり、前記電気導体は前記伝送線と電気的に接触するように配置される、ステップ；を含んでよい。本方法は、さらに、前記電気導体を電気部品に電気的に結合するステップを含み、 前記電気導体は、前記伝送線と前記電気部品との間で信号を伝達するように構成され、前記電気部品は、端子、コネクタ、ケーブル及び電磁放射器のうちの少なくとも1つであってよい。本方法は、さらに、 前記伝送線に、24GHz〜75GHzの範囲の周波数を有する電磁信号を伝送するステップを含んでよい。

本開示の他の特徴に従った伝送線アセンブリは、 一対の誘電体基板； 該一対の誘電体基板の間に少なくとも部分的に埋め込まれた電気導体； 一対の誘電体基板の間に少なくとも部分的に埋め込まれ、前記電気導体と同一平面に位置され、前記電気導体からギャップによって離間されている、一対の基準導体； 一対の接地平面であり、該一対の接地平面の各々が、前記一対の誘電体基板のうちの１つの外方表面に隣接して配置され、互いに対して実質的に平行であり、前記電気導体と前記一対の基準導体との同一平面に対して実質的に平行に配置される、一対の接地平面；及び 前記一対の誘電体基板を通して配置され、前記一対の接地平面の間に実質的に延在し、前記一対の接地平面と電気的に連通する電気的に連続した導体から形成される一対の電磁境界；を含む。

実施形態において、伝送線アセンブリは、 前記電気導体の第１端部に電気的に結合された第１電気部品と、前記電気導体の第２端部に電気的に結合された第２電気部品とをさらに備え、 前記電気導体は、前記第１電気部品と前記第２電気部品との間で24GHzを超える電磁気信号を伝達するように構成されてもよい。前記一対の電磁境界は、前記一対の基準導体と電気的に連通していてもよい。 前記電気導体は第１電気導体であり、 前記第１電気導体と電気的に連通する第２電気導体をさらに備え、 前記第２電気導体は、前記一対の誘電体基板のうちの少なくとも1つを通して配置されてもよい。伝送線アセンブリは、 前記第２電気導体と電気的に接触し、前記第２電気導体を介して前記第１電気導体との間で電磁信号を送受信するように構成された電気部品をさらに備え、 前記電気部品は、端子、コネクタ、ケーブル及び電磁放射器のうちの少なくとも１つであってもよい。

さらに他の態様、例、及び利点は、以下で詳細に議論される。本明細書に開示された実施形態は、本明細書に開示された原理の少なくとも１つと矛盾しない任意の方法で他の実施形態と組み合わせることができ、「一実施形態」、「いくつかの実施形態」、「代替の実施形態」、「種々の実施形態」、「１つの実施例」などへの言及は、必ずしも相互に排他的ではなく、記載された特定の特徴、構造、又は特徴が少なくとも1つの実施形態に含まれ得ることを示すことを意図している。本明細書におけるこのような用語の外観は、必ずしも同一の実施形態を指すものではない。ここに記載される種々の態様及び実施形態は、記載される方法又は機能のいずれかを実施するための手段を含み得る。

少なくとも1つの実施形態の種々の態様が、添付の図面を参照して後述されるが、これらは、縮尺通りに描かれることを意図されていない。図面は、種々の態様及び実施形態の説明及びさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するが、本開示の限定の定義として意図されるものではない。図面において、種々の図に示されている同一又はほぼ同一の各構成要素は、同様の数字で表すことができる。明瞭にするために、全ての構成要素が全ての図においてラベル付けされているわけではない。

ファラデー壁を含む電磁回路部の一例の概略図である。 図１の電磁回路部の一製造段階の概略図である。 図１の電磁回路部の別の製造段階の概略図である。 図１の電磁回路部の別の製造段階の概略図である。 図１の電磁回路部の別の製造段階の概略図である。 図1の電磁回路部の別の図を示す概略図である。 伝送線を製造する方法のフロー図である。

本明細書に記載される態様及び実施例は、ミリ波信号の封じ込め（containment）及び伝達（conveyance）のための種々の回路内の基準表面及び導体を有する信号導体（例えば、伝送線、信号トレース、ストリップ線）を提供する。本明細書に記載される伝送線構造体は、特性インピーダンスを維持し、伝送線に沿って信号損失を最小化しながら、信号電流を効率的に分配する。本明細書に記載される伝送線構造体は、無線周波数回路の実施形態を含む種々の回路基板製造に好適であり、有利には、サブトラクティブ及びアディティブ製造技術を適用する。このような技術は、マイクロ波及びミリ波の範囲、例えば、28GHz〜70GHz、及び300GHzまで又はそれ以上の範囲で、無線周波数信号の搬送及び封じ込め（containment）が可能な構造を提供することができる。

従来の伝送線路ーキテクチャは、中心導体に大きく依存しており、その結果、中心導体上にかなりの濃度の無線周波数電流を生成する。その結果生じる電流濃度は、周波数依存性の表皮効果と組み合わさって、挿入損失を生じ、これは周波数に関して指数関数的に増加する。その結果、従来の伝送線は、著しい損失を生じ、高周波数、例えば、ミリ波範囲内で使用された場合に、無線周波数エネルギを搬送するというそれらの目的を無効にし始める。導波路もまた、可能な従来のアプローチとして考えられてきたが、例えば、E平面壁上に高い電流密度を示した。

本明細書に記載される構造及び方法に従った伝送線アーキテクチャは、無線周波数電流をより大きな表面積にわたって分布させることによって、上記の制限要因を克服し、その結果、信号損失メカニズムは、内在する表皮効果に適応しながら克服される。様々な実施形態では、本明細書に記載される伝送線アーキテクチャは、直線分散、低挿入損失、及び固定特性インピーダンスを有する横方向電磁波（TEM）伝搬の特性を保持する。幾何学的形状は、複数の導電性表面、及び導電性表面に直交する電場を配向する構成を使用する。本明細書の記載に従った伝送線及び方法は、接地平面（例えば、水平）及び他のファラデー境界（例えば、垂直）と組み合わせて、３つの主導体にわたって信号電流を分配する。

いくつかの実施形態では、伝送線（例えば、導体）は、基板の表面からクラッド（例えば、電気メッキ銅）の一部を機械加工除去（例えば、ミリング）することによって、誘電体基板上に形成されてもよい。

いくつかの実施形態では、ワイヤ導体は、回路内の層間（例えば、伝送線へ／伝送線から）の「垂直方向」信号を伝送し、導波管、放射器（例えば、アンテナ）、コネクタその他の回路構造体などの様々な他の層又は回路構成要素へと／から信号を供給するために使用することができる。そのような「垂直方向」の層間信号供給は、１つ又は複数の誘電体基板の孔を機械加工除去し、ハンダを１つ又は複数の導体表面に適用し、ワイヤのセグメント（例えば、銅線）を孔内に挿入し、ハンダを機械的及び電気的に固定するためにリフローすることによって形成することができる。

いくつかの実施形態では、連続導電構造体は、トレンチを機械加工除去し、電磁境界を形成するために、3-D印刷技術を用いて塗布される導電性インクのような導体でトレンチを充填することによって、１つ以上の誘電体基板内に形成されてもよい。そのような電磁境界は、電磁信号の境界条件を強制することができ、例えば、信号及び／又は特性インピーダンスのモードを制御又は制限することができ、あるいは、信号を電磁回路の領域、例えば、ファラデー境界に閉じ込めることにより、回路のある領域における信号が回路の別の領域、例えば、遮蔽に影響を及ぼすことを防止することができる。

本明細書に記載される製造プロセスは、適切なサブトラクティブ（例えば、機械加工除去、ミリング、孔あけ、切断、スタンピング）及びアディティブ添加剤（例えば、充填、流動、3次元印刷）製造装置を使用して、8〜75GHz以上、例えば300GHz又はそれ以上の範囲の電磁気信号をサポートする能力がある物理的に小さな特徴を有する回路構造体の製造に特に適している。本明細書に記載されるシステム及び方法に従う電磁回路構造体は、ミリ波通信、センシング、レンジングなどを含む28〜70GHzシステムでの適用に特に適している。記載される態様及び実施形態は、Sバンド（2〜4GHz）、Xバンド（8〜12GHz）その他のような、より低い周波数範囲にも適している。

本明細書に記載された方法及び装置の実施形態は、以下の説明に記載した、又は添付の図面に例示した構成及び構成要素の配置の詳細に適用することに限定されないことを理解されたい。方法及び装置は、他の実施形態で実施可能であり、実施可能であるか、又は種々の方法で実行可能である。具体的な実施例は、例示的な目的のためだけに本明細書で提供されており、限定することを意図したものではない。また、本明細書中で使用される表現及び用語は制限的に理解されるべきではない。本明細書における「含む」、「備える」、「有する」、「含有する」、「包含する」及びそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目及びそれらの同等物ならびに追加の項目を包含することを意味する。「又は」への言及は、「又は」を使用して記載される用語が単一の、複数の、及び記載される用語のすべてを示すことができるように、「又は」への言及は包括的であると解釈され得る。前後、左右、頂部底部、上方下方、端部、側面、垂直、水平などへの言及は、本システム及び方法又はそれらの構成要素を、いずれか１つの位置又は空間方向に限定するのではなく、説明の便宜のために意図されたものである。

本明細書中で使用される用語「無線周波数」は、明示的に記述され、かつ／又は、文脈によって具体的に示されない限り、特定の周波数、周波数の範囲、バンド、スペクトルなどに限定されることを意図するものではなく、同様に、用語「無線周波数信号」及び「電磁信号」は、互換的に使用され、任意の特定の実装のために、情報伝送信号の伝搬のための種々の適切な周波数の信号を指すことができる。このような無線周波数信号は、一般に、キロヘルツ範囲の周波数によってローエンドで拘束され、数百ギガヘルツまでの周波数によってハイエンドで拘束され、マイクロ波又はミリ波範囲の信号を明示的に含む。一般に、本明細書の記載に従ったシステム及び方法は、光学分野で従来取り扱われている周波数以下、例えば赤外線信号よりも低い周波数で、非電離放射線を取り扱うのに適している。

無線周波数回路の種々の実施形態は、種々の周波数で動作するように選択される寸法及び／又は公称に製造される寸法を有するように設計され得る。適切な寸法の選択は、一般的な電磁原理から行うことができ、本明細書では詳細に示さない。

本明細書に記載される方法及び装置は、従来のプロセスが可能であるよりも小さな配置及び寸法を支持することができる。従来の回路基板は、約30GHz未満の周波数に制限することができる。本明細書に記載される方法及び装置は、より安全でより複雑でない製造を用い、より低いコストで、より高い周波数で動作することを意図される無線周波数回路に適した、より小さな寸法の電磁回路の製造を可能にし、又はこれを収容することができる。

本明細書の記載に従った電磁回路及び製造方法は、従来の回路及び方法よりも、低プロファイルで、低コストで、低サイクル時間で、及び低設計リスクで、より高い周波数を取り扱うことが可能な電磁回路及び部品を製造するための、種々のアディティブ及びサブトラクティブ製造技術を含む。技術の例としては、伝送線（例えば、信号導体、ストリップ線）又は開口部を形成するために基板の表面から導電性材料を機械加工除去（例えば、ミリング）して、従来のPCBプロセスによって許容されるよりもかなり小さい寸法とすることができ、トレンチを形成するために1つ以上の基板を機械加工除去すること、連続的電気境界（例えば、ファラデー壁）を形成するために、印刷された導電性インクをトレンチ内に堆積させるために、3次元印刷技術を用いること（それらの間の間隔を最小にする一連の接地ビアとは対照的に）、基板の一部を通る孔を機械加工除去（例えば、ミリング、ドリリング、又はパンチング）して形成される「垂直送出」信号経路であって、導体（例えば、ワイヤセグメント）が配置され、及び／又は、導電性インクが印刷され、基板（又は、対向する基板）の表面に配置された伝送線に電気接触させること、及び抵抗性構成要素を形成するために、印刷された抵抗性インクを堆積させるために、3次元印刷技術を用いることが挙げられる。

上記の例示的な技術及び／又は他の技術（例えば、ハンダ付け及び／又はハンダリフロー）のいずれかを組み合わせて、種々の電磁構成要素及び／又は回路を作製してもよい。このような技術の態様及び例は、電磁回路の層に沿って、一次元において、及び任意に、別の次元において、回路の他の層へ垂直に、電磁信号を封じ込め、伝達するための無線周波数伝送線に関して本明細書に記載され、図示されている。ここに記載される技術は、種々の電磁構成要素、コネクタ、回路、アセンブリ、及びシステムを形成するために使用され得る。

図１は、より大きな電磁回路の一部であってよい電磁回路構造体100の一例を示す。回路構造体100は、互いにボンディングされ、それらの間に封入された伝送線120を有する、一対の誘電体基板110を含む。伝送線路120は、回路内、例えば回路構造体100内で電磁信号を伝送するように構成された導電体であり、電気メッキされた銅のようなクラッドを基板110のいずれかの表面から機械加工除去することによって形成することができる。伝送線路120によって伝達される信号は、さらなる導体を参照して、電界及び磁界によって規定されてもよい。例えば、伝送線路120は、同一平面導体である基準導体126によって外接され、伝送線路120によって伝送される信号のための二次的導体又は「帰還経路」導体を提供する。いくつかの例において、「伝送線路」という用語は、伝送線路120（第１導体）とその関連基準導体126（第２導体）との組み合わせを含むことができる。種々の例において、基準導体126は、接地基準に結合されてもよい。伝送線路120は、様々な周波数の信号に対する特性インピーダンスを示し、特性インピーダンスは、伝送線路120のサイズ（例えば、高さ及び幅）、伝送線路120と基準導体126との間のギャップのサイズ、及び基板110とギャップの材料特性に依存し得る。様々な実施形態では、伝送線路120と基準導体126との間のギャップは、例えば、基板110を互いにボンディングするために使用される接着剤などのボンディング材料で満たされてもよい。

また、伝送線路120は、基板110b内の機械加工除去された孔内に配置され得る「垂直送出」（vertical launch）導体130への、ハンダなどによる電気的接続を有し得る。したがって、導体130及び伝送線路120は、電気的に連続した信号伝達を形成することができ、各々は、図１に示された部分の範囲を越えて信号を伝達し、提供することができる。いくつかの例では、導体130は、銅ワイヤのようなワイヤのセグメントであってもよい。種々の例において、導体130は、固体、中空、剛体、可撓性体、直線体、コイル、螺旋体等の種々の形態のいずれであってもよい。垂直送出体及びその製造の少なくとも1つの例の追加の詳細が、2018年5月24日に出願された米国特許出願第15/988,296号（ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY MICROWAVE VERTICAL LAUNCH）に開示されており、これは、全ての目的のために本明細書に参照して援用される。

いくつかの実施形態において、接地平面140が提供され、それは基板110aの「底部」表面上に配置された導電性クラッド（conductive cladding）から形成されてもよい。追加の接地平面150が、基板110bの「頂部」表面上に設けられてもよい。例えば、接地平面150は、基板110b上に配置された導電クラッドによって形成されてもよい。導電性クラッドの一部は、機械加工除去（例えば、ミリング（milling））によって除去されて、接地平面150として作用するのに適した適切な物理的寸法、形状、又は範囲を有する接地平面を提供することができる。

従来のPCB製造技術は、信号トレース又はストリップ線路のための基準導体として接地平面を組み込むことができ、したがって、例えば、信号トレースによって伝達される信号の特性インピーダンスを確立するために、接地平面間の距離及びそれらの間の信号トレースに必要条件を課すことができる。対照的に、伝送線路120は、基準導体126を備え、それにより、接地平面140、150が特性インピーダンスにほとんど、又は全く影響を及ぼさず、代わりに、他の回路構成要素からの分離又は遮蔽として機能し、従来要求よりもさらに離れてもよい。

したがって、伝送線路120、及び伝送線路120と基準導体126との間のギャップは、例えばミリメートル波信号を収容するために、２ミル（0.002インチ）以下のように、特に小さくすることができる。したがって、伝送線路120のインピーダンスは、接地平面140、150の存在の影響を受けにくくすることができ、これにより、基板110の厚さを、別の懸念（例えば、強度、剛性など）に基づいて設計又は選択することができる。

さらに、伝送線路120によって伝送される電磁信号は、伝送線路120、基準導体126及びそれらの間のギャップの組み合わせによって伝送され、それにより、電流密度は、導体間（少なくとも伝送線路120及び基準導体126）に分配され、その結果、PCB製造技術を使用する従来の伝送線路よりも低い電流密度となる。したがって、伝送距離当たりの信号損失は、従来のPCB伝送線路構造体及び製造技術と比較して、低減することができる。

回路構造体100はまた、基板110を通る「垂直」電磁境界としてシールド又は絶縁を提供する導体であるファラデー壁160を含む。ファラデー壁160は、基板110を通って接地平面140まで溝又はトレンチ（trench）を機械加工除去し、導電性材料、例えば、三次元印刷のようなアディティブ製造技術で適用される導電性インクを溝に充填することによって形成することができる。導電性インクは、セットされた場合、実質的に電気的に連続した導体を形成することができる。図示のように、ファラデー壁160が形成されているトレンチは、接地平面140を突き抜けたり、貫通したりすることがない。したがって、ファラデー壁160は、接地平面140と電気的に接触していてもよい。さらに、ファラデー壁160の「頂部」は、接地平面150と電気的に接触してもよく、これは、導電性インクと接地平面150との間の接触を確実にするために機械加工除去されたトレンチのわずかな過充填によって、及び／又は、例えば、ハンダの適用によって達成することができる。ファラデー壁及びその製造の少なくとも１つの例の追加の詳細が、2018年5月18日に出願された米国仮特許出願第62/673,491号「ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY （AMT） FARADAY BOUNDARIES IN RADIO FREQUENCY CIRCUITS」に開示されており、これは、全ての目的のために本明細書に参考として援用される。

図１に示すように、接地平面140、接地平面150、及びファラデー壁160は、伝送線路120及び関連する基準導体126によって伝送される信号に対する絶縁境界を提供する実質的に電気的に連続した導体を共に形成する。いくつかの実施形態において、接地平面140、150、及びファラデー壁160の寸法配置は、伝送線路120によって伝搬される信号の伝搬モードを制御又は制限するため、かつ／或いは伝送線路120によって伝搬される信号の特性インピーダンスを確立するために、選択することができる。特定の実施形態では、接地平面140、150、及びファラデー壁160は、横電磁気（TEM）信号モードのみが伝送線路120に沿って伝搬できるように配置することができる。他の実施形態では、ファラデー壁160は、特定の伝搬モードを強制せず、かつ／或いは特定の信号のインピーダンスに寄与せずに、回路の一部分を回路の別の部分から絶縁するように配置することができる。

上述したように、構造体100は、電磁回路を備えることができる構造体の単なる一例及び一部である。図示の基板のさらなる範囲は、種々の回路構成要素を収容することができ、追加の回路構成要素を収容するための追加の層を有する追加の基板を、種々の実施形態において提供することができる。典型的には、回路の一部は、特定の層上に配置されてもよく、上方及び／又は下方の接地平面を含んでもよく、全回路（又はシステム）の他の部分は、同じ層の異なる領域又は他の層上に存在してもよい。

図２は、本願明細書に記載されるシステム及び方法の態様及び実施形態に従った、製造の一段階における回路構造体100のうちの部分構造体100aを示す。部分構造体100aは、様々な表面上に導電性（例えば、銅）クラッドを備えることができる基板110aを含む。この実施例では、基板110aは、一方の表面上に、伝送線路120及び基準導体126が形成される導電性材料として機能する導電性クラッド112を有する。また、この実施例では、基板110aは、接地平面140として機能するために、対向する表面上に導電性クラッドを有する。伝送線路120は、クラッド112の少なくとも一部分122を機械加工して取り除き、それによって導電材料の一部分を残して、クラッド112の他の部分とは異なる伝送線路120として機能させることによって、形成することができる。

図３は、別の製造段階における回路構造体100の別の部分構造体100bを示す。部分構造体100bについては、基板110bは、互いに結合されるべき基板110aに整合される。幾つかの例では、一時的なボンディング又は付着を適用することができ、ボンディングの硬化又は永久性を確保するために加熱又はベーキング（baking）を必要とするボンディングのような、後に永久的なボンディングステップを適用することができる。種々の例は、例えば、図１に示す導体130を収容するために、伝送線路120の一部に整合するように配置された、基板110b内の孔を備えることができる。様々な実施形態では、基板110bの「頂部」表面は、導電性クラッドを含んでもよく、これは、必要に応じて、接地平面を提供するために使用され得る。クラッド112と同様に、基板110b上の任意のクラッドの部分を機械加工除去して、所望の形状又は範囲を有する種々の他の構造、コンポーネント、又は接地平面を形成してもよい。

図２を参照すると、伝送線路120が導電性クラッド112から形成される（例えば、部分１２２を整合して除去することにより）。導電性クラッド112は、基板110aと関連する代わりに、基板110bと等価的に関連し、例えば、図３に関して「底部」側に関連することができる。換言すれば、伝送線路120を設ける導電性材料は、基板110のいずれかに関連する導電性クラッドであってよい。さらに、伝送線路120及び／又は基準導体126は、様々な実施形態において、異なる材料及び／又は他の手段から提供されてもよい。

図４は、別の製造段階における回路構造体100の別の部分構造体100cを示す。部分構造体100cについては、トレンチ162が基板110を通してミリング（mill）される。この例では、トレンチ162は、基板110及びクラッド112の一部を通して、接地平面140を形成する導電クラッドまでミリングされる。トレンチ162を形成するために材料を機械加工で除去することは、例えば、クラッド112のさらなる部分を分離し、導電性材料の一部を残して基準導体126を形成することもでき、クラッド112の残りとは異なる基準導体126として機能させることができる。様々な実施形態では、トレンチ162は、接地平面140を貫通することなく、接地平面140までミリングダウンされる。いくつかの実施形態では、無傷の接地平面140は、トレンチが空である間、構造体100cの部分に構造的支持を提供することができる。

図５は、別の製造段階における回路構造体100の別の部分構造体100dを示す。部分構造体100dでは、トレンチ162は導電性充填物164で満たされ、ファラデー壁160を形成する。導電性充填物164は、接地平面140と電気的に接触して、実質的に電気的に連続した接地境界を形成してもよい。図１に関して上述したように、さらなる接地平面150が含まれてもよく、導電性充填物164は、物理的接触によって、及び／又はファラデー壁160に沿った位置でのハンダのさらなる適用によって、接地平面150と電気的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、無傷の接地平面140及び硬化（例えば、冷却、固化）された導電性充填物164は、例えば、トレンチ162を形成するために機械加工除去された材料の代わりに、構造体100dに構造的支持を提供することができる。

図６は、伝送線路120と、伝送線路120を基準導体126から分離するギャップ（gap）とのための一組の寸法の一例を示す。この例では、クラッドの0.75ミル幅の部分を機械加工除去して、2.7ミル幅の伝送線路120を提供する。したがって、基準導体126のエッジは、互いに4.2ミル離れており、伝送線路120と基準導体126の各々との間に0.75ミルのギャップ（例えば、クラッドの機械加工除去部分の幅）が残されている。

図面に示される寸法情報は、例示的な目的のためのものであり、特定の用途に望ましい、或いは適切であり得るいくつかの寸法を表し、本明細書に記載される方法で達成可能ないくつかの寸法を例示することができる。様々な実施形態では、寸法は、製造に使用されるサブトラクティブ及びアディティブ装置の能力に応じて、及び特定の回路の設計及び用途に応じて、有意に小さくても、又は大きくてもよい。

図７は、本明細書に記載される態様及び実施例に従ってミリ波伝送線路を作製する方法700を示す。方法700は、伝送線を形成するために導電性材料（例えば、クラッド）を機械加工除去するステップ（ブロック710）を含み、機械加工除去された領域は、ギャップを形成する。基準導体は、伝送線と同一平面上にあるさらなる導電性材料（例えば、クラッド）を機械加工により除去することによって形成される（ブロック720）。導電性材料を除去して共平面基準導体を形成する機械加工除去（ブロック720におけるように）は、１つ又は複数の基板を通るトレンチを機械加工除去することの一部であってもよく、その機械加工除去は同時に１つの基板のクラッドを除去する。様々な導電性材料を設けることができ（ブロック730）、伝送線路120及び基準導体126を回路又はシステムの他の部分から隔離することができる１つ又は複数の電気的バリアを形成できる。例えば、導電性材料でトレンチを埋めることで、電気的境界を形成することができ、及び／又は、1つ以上の基板上にクラッドを含むことで、例えば、接地平面として電気的境界を形成することができる。

本明細書に記載されるシステム及び方法のさらなる利点を実現することができる。例えば、従来のPCBの製造は、伝送線の幅のような回路の特徴サイズに制限を課し、かくして、従来の電磁回路が好適であり得る最高周波数を制限してしまう。さらに、基板の厚さは、トレースの幅に関連して、特性インピーダンス（例えば、対向する表面上に配置された接地平面までの距離により）に影響を与える。したがって、従来のPCBプロセスで必要とされるより広いトレースは、（特定の特性インピーダンスを維持するために）より厚い基板の選択を引き起こし、したがって、回路の製造可能な薄さを制限する。例えば、従来のPCB製造における一般的な推奨事項には、約60ミル（0.060インチ）の全厚が含まれる。対照的に、アディティブ製造技術を使用して、本明細書に記載された態様及び実施形態に従った電磁回路は、約10ミル以下の厚さまでの低プロファイルを有する回路基板という結果となり、信号線トレースは、約4.4ミル又は2.7ミル又はそれ以下の幅を有し、回路基板の表面と実質的に同一平面に相互接続することができる。

接地ビアは、従来、接地平面間の電気的接続性を提供し（例えば、基板の対向する表面上で）、トレース上の信号を近傍にあり得る他のトレースからある程度分離することを提供する。従来の接地ビアは、直径が約8ミル以上のドリル孔であり、基板の構造的完全性を維持するために、最小距離が必要である。したがって、接地ビアは漏洩構造であり、特に高周波数で電磁信号の損失を示す。種々の用途で、より高い周波数の信号を支持する必要があるため、接地ビア間の最小間隔は、比較的小さな波長の電磁エネルギが逃げる大きな開口のように作用する。

比較すると、電磁回路及び本明細書に記載される態様及び実施形態に従う方法は、アディティブな製造技術を使用し、電気的に連続したファラデー境界を可能にし、これはさらに接地平面に電気的に結合されてもよい。したがって、電磁場を閉じ込める「ファラデー壁」を形成するために、１つ以上の基板（例えば、基板の対向する表面間）を通して、電気的に連続した構造が提供され、垂直に配置される。様々な実施形態では、かかるファラデー壁は、２つ以上の接地平面を電気的に結合することができる。さらに、様々な実施形態では、かかるファラデー壁は、電磁場を隣接する回路構成要素から閉じ込め、隔離することができる。いくつかの実施形態では、そのようなファラデー壁は、電磁信号を局所的に横方向電磁場（TEM）であるように制限する、例えば、信号伝搬をTEMモードに制限するという、境界条件を強制することができる。

種々の実施形態では、種々のサブトラクティブ（機械加工除去、ミリング、孔あけ）、アディティブ（印刷、充填）、及び接着（接着）ステップを、必要に応じて、種々の順序で、ハンダ付け及びリフロー操作を行って、１つ又は任意の数の基板層を有する電磁回路を形成することができ、この電磁回路は、本明細書に記載される１つ又は複数のファラデー境界を含み得る。

種々の電磁回路のいずれかを製造するための一般化された方法は、回路特徴を形成するために基板上に配置された導電性材料をミリングすることを含む。この方法は、例えば抵抗性インクで形成された抵抗器のような付加的な回路特徴を印刷（又は、例えば、3-D印刷、アディティブ製造技術を介して堆積）することを含んでもよい。本方法は、必要に応じて、任意の特徴上にハンダを堆積することを含んでもよい。本方法はまた、空隙又はトレンチのような開口を形成するために基板材料（及び／又は導電性材料）を通してミリング（又はドリル加工）することを含むことができ、例えばファラデー壁又は垂直信号送出（例えば銅）を形成するために、空隙／トレンチに導電性材料（例えば導電性インク又はワイヤ導体）を堆積又は印刷（例えば、3-D印刷、アディティブ製造技術）することを含む。これらのステップのいずれも、所与の回路設計のために必要に応じて、異なる順序で行われ、反復され、又は省略され得る。いくつかの実施形態では、複数の基板が電磁回路の製造に関与することができ、本方法は、必要に応じてさらなる基板をボンディングし、さらなるミリング及び充填動作、ならびにさらなるハンダ付け及び／又はリフロー作業を含む。

少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様及び電磁回路を製造するための方法を説明してきたが、使用される種々のミリング及びアディティブ製造装置の許容範囲及び精度に応じて、上述の説明を使用して、全体の厚さが10ミル（0.010インチ、254ミクロン）以下の種々の電磁回路を製造することができ、4.4ミル（111.8ミクロン）、2.7ミル（68.6ミクロン）、又は1.97ミル（50ミクロン）のようなトレースなどの伝送線を含むことができる。したがって、本明細書の記載に従った電磁回路は、28GHz以上70GHzまで又はそれ以上の周波数を収容することができる様々な実施形態を有する、S-バンド、X-バンド、K-バンド及びより高い周波数を含むマイクロ波及びミリ波用途に好適であり得る。いくつかの実施形態は、300GHz以上の周波数範囲に適している。
加えて、本明細書の記載に従った電磁回路は、宇宙空間に配置されたときに展開される折畳み構造を含む、宇宙空間用途に適した十分に低いプロファイル（例えば、10ミル以下の厚さ）を有することができる。

さらに、本明細書の記載された方法に従って製造される電磁回路は、腐食性化学薬品、マスキング、エッチング、電気メッキ等の必要性なしに、より安価でより高速なプロトタイピングに対応する。一方又は両方の表面（側面）に予めメッキされた導電性材料を有する単純な基板が、コア出発材料を形成することができ、電磁回路の全ての要素が、ミリング（サブトラクティブ、ドリリング）、充填（アディティブ、導電性及び／又は抵抗性インクの印刷）、及び1つ以上の基板のボンディングによって形成することができる。単純なハンダリフロー操作及び単純な導体（例えば、銅線）の挿入が、本明細書に記載される方法及びシステムによって対応される。

さらに、本明細書に記載される方法に従って製造される電磁回路は、非平坦表面上への展開、又は非平坦表面を要求する設計に対応することができる。本明細書に記載されるような薄型で、低プロファイルの電磁回路及びその他の回路は、例えば、表面（車両のような）に接着するために、或いは複雑なアレイ構造を支持するために、任意の所望の輪郭を有する電磁回路を生成するために、本明細書に記載されるようなミリング、充填、及びボンディング技術を用いて製造され得る。

したがって、少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明したが、当業者には、種々の変更、修正及び改良が容易に生じることが理解されるであろう。このような変更、修正及び改良は、本開示の一部であることが意図されており、本開示の範囲内であることが意図されている。したがって、前述の記載及び図面は例示の目的のみである。

Claims (20)

1. 無線周波数回路であって:
   第１表面を有する第１誘電体基板；
   第２表面を有する第２誘電体基板であり、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板は、前記第２表面が前記第１表面に面するように互いに対して配置される、第２誘電体基板；
   前記第１表面上に配置された導電クラッドから形成された伝送線であり、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板との間で少なくとも部分的に封止されている、伝送線；
   一対の基準導体であり、前記一対の基準導体の各々は、伝送線に隣接して伝送線との同一平面上に配置され、かつ、前記一対の基準導体の各々と前記伝送線との間にギャップが存在するように間隔が空けられ、前記一対の基準導体の各々は、前記第１表面又は前記第２表面上に配置され、第１誘電体基板と第２誘電体基板との間で少なくとも部分的に封止される、一対の基準導体；
   を含む無線周波数回路。
2. 請求項1に記載の無線周波数回路であって、前記一対の基準導体は、前記第１誘電体基板上に配置された前記導電クラッドから形成される、無線周波数回路。
3. 請求項1に記載の無線周波数回路であって、さらに、一対の接地平面を備え、該一対の接地平面の各々は、前記伝送線及び前記一対の基準導体の前記同一平面に実質的に平行に配置される、無線周波数回路。
4. 請求項３に記載の無線周波数回路であって、さらに、前記一対の接地平面に対して、及び前記伝送線と前記一対の基準導体との前記同一平面に対して実質的に垂直に配置された一対の境界壁を備え、前記一対の境界壁が、電気的に連続しており、前記一対の接地平面と電気的に接触しており、それにより前記一対の境界壁と前記一対の接地平面が、前記伝送線の周囲に少なくとも２次元で導電性電磁境界を形成する、無線周波数回路。
5. 請求項４に記載の無線周波数回路であって、前記一対の境界壁が、前記一対の基準導体に電気的に接触している、無線周波数回路。
6. 請求項４に記載の無線周波数回路であって、さらに、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板のうちの少なくとも1つにある孔を通して配置され、前記伝送線と電気的に接触している導電体を備える無線周波数回路。
7. 請求項６に記載の無線周波数回路であって、さらに、前記導電体と電気的に接触し、前記導電体を介して前記伝送線との間で電磁信号を送受信するように構成された電気部品を含み、前記電気部品は、端子、コネクタ、ケーブル及び電磁放射器のうちの少なくとも１つである、無線周波数回路。
8. 請求項４に記載の無線周波数回路であって、前記伝送線は、70GHzでインチ当たり1.2デシベル以下の挿入損失を生成する、無線周波数回路。
9. 電磁回路を製造する方法であって：
   第１表面上に配置された導電クラッドを有する第１誘電体基板を提供するステップ；
   伝送線を形成するために導電性クラッドの一部を除去するように導電性クラッドを機械加工するステップであり、除去された部分が前記伝送線と前記導電性クラッドの残りの部分との間にギャップを形成し、前記導電性クラッドの残りの部分の少なくとも一部が前記伝送線の両側で前記伝送線と同一平面上に一対の基準導体を形成するステップ；及び
   第２表面を有する第２誘電体基板を提供するステップであり、前記第２表面が前記第１表面に面するように前記第２誘電体基板を配置し、それにより、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板との間に、前記伝送線及び前記一対の基準導体を少なくとも部分的に封止するステップ；
   を含む方法。
10. 請求項９に記載された方法であって、さらに、
    前記第１誘電体基板に第３表面上に配置された第１接地平面を提供するステップであり、前記第３表面は、前記第１表面に対して対向し、かつ、実質的に平行な表面である、ステップ；及び
    前記第２誘電体基板に第４表面上に配置された第２接地平面を提供するステップであり、前記第４表面は、前記第２表面に対して対向し、かつ、実質的に平行な表面であり、前記第１接地平面及び前記第２接地平面の各々は、互いに実質的に平行であり、かつ、前記伝送線と前記一対の基準導体との前記同一平面に実質的に平行である、ステップ；
    を含む方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、
    前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板を機械加工して、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板を通るトレンチを形成するステップであり、前記トレンチは、前記第１接地平面と前記第２接地平面との間に延び、これらの接地平面に実質的に垂直である、ステップ；及び
    前記トレンチを導電性材料で充填するステップであり、前記導電性材料は、前記第１接地平面及び前記第２接地平面の各々と電気的に接触するように配置される、ステップ；
    を含む方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、前記導電性材料は、前記一対の基準導体と電気的に接触するように構成される、方法。
13. 請求項１１に記載の方法であって、さらに、
    前記伝送線の一部へのアクセスを提供するために、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板のうちの少なくとも１つに孔をあけるステップ；及び
    前記孔を通して配置される電気導体を提供するステップであり、前記電気導体は前記伝送線と電気的に接触するように配置される、ステップ；
    を含む方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、さらに、
    前記電気導体を電気部品に電気的に結合するステップを含み、
    前記電気導体は、前記伝送線と前記電気部品との間で信号を伝達するように構成され、前記電気部品は、端子、コネクタ、ケーブル及び電磁放射器のうちの少なくとも1つである、
    方法。
15. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、
    前記伝送線に、24GHz〜75GHzの範囲の周波数を有する電磁信号を伝送するステップ；
    を含む方法。
16. 伝送線アセンブリであって：
    一対の誘電体基板；
    該一対の誘電体基板の間に少なくとも部分的に埋め込まれた電気導体；
    一対の誘電体基板の間に少なくとも部分的に埋め込まれ、前記電気導体と同一平面に位置され、前記電気導体からギャップによって離間されている、一対の基準導体；
    一対の接地平面であり、該一対の接地平面の各々が、前記一対の誘電体基板のうちの１つの外方表面に隣接して配置され、互いに対して実質的に平行であり、前記電気導体と前記一対の基準導体との同一平面に対して実質的に平行に配置される、一対の接地平面；及び
    前記一対の誘電体基板を通して配置され、前記一対の接地平面の間に実質的に延在し、前記一対の接地平面と電気的に連通する電気的に連続した導体から形成される一対の電磁境界；
    を含む伝送線アセンブリ。
17. 請求項１６に記載の伝送線アセンブリであって、
    前記一対の電磁境界は、前記一対の基準導体と電気的に連通している、伝送線アセンブリ。
18. 請求項１６に記載の伝送線アセンブリであって、
    前記電気導体の第１端部に電気的に結合された第１電気部品と、前記電気導体の第２端部に電気的に結合された第２電気部品とをさらに備え、
    前記電気導体は、前記第１電気部品と前記第２電気部品との間で24GHzを超える電磁気信号を伝達するように構成される、
    伝送線アセンブリ。
19. 請求項１６に記載の伝送線アセンブリであって、
    前記電気導体は第１電気導体であり、
    前記第１電気導体と電気的に連通する第２電気導体をさらに備え、
    前記第２電気導体は、前記一対の誘電体基板のうちの少なくとも1つを通して配置される、
    伝送線アセンブリ。
20. 請求項１９に記載の伝送線アセンブリであって、
    前記第２電気導体と電気的に接触し、前記第２電気導体を介して前記第１電気導体との間で電磁信号を送受信するように構成された電気部品をさらに備え、
    前記電気部品は、端子、コネクタ、ケーブル及び電磁放射器のうちの少なくとも１つである、
    伝送線アセンブリ。

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