RU2744994C1 - Wireless board-to-board connection for high speed data transfer - Google Patents
Wireless board-to-board connection for high speed data transfer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744994C1 RU2744994C1 RU2020134900A RU2020134900A RU2744994C1 RU 2744994 C1 RU2744994 C1 RU 2744994C1 RU 2020134900 A RU2020134900 A RU 2020134900A RU 2020134900 A RU2020134900 A RU 2020134900A RU 2744994 C1 RU2744994 C1 RU 2744994C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- printed circuit
- ebg
- circuit board
- waveguide
- antennas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
- H05K1/0216—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference
- H05K1/0236—Electromagnetic band-gap structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
- H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
- H01P3/08—Microstrips; Strip lines
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
- H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
- H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/12—Supports; Mounting means
- H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
- H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
- H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
- H01Q1/242—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for hand-held use
- H01Q1/243—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for hand-held use with built-in antennas
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
- H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
- H01Q9/285—Planar dipole
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
- H05K1/0237—High frequency adaptations
- H05K1/0243—Printed circuits associated with mounted high frequency components
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/11—Printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
- H05K1/111—Pads for surface mounting, e.g. lay-out
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/11—Printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
- H05K1/115—Via connections; Lands around holes or via connections
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокоскоростной беспроводной передаче данных между разными печатными платами или между участками одной печатной платы.The present invention relates to radio engineering, and more specifically to high-speed wireless data transmission between different printed circuit boards or between portions of the same printed circuit board.
Уровень техникиState of the art
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий в области связи и в смежных областях. В настоящее время ведется активная разработка систем, использующих связь в миллиметровом диапазоне волн, таких как системы передачи данных 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц). Все эти и подобные системы нуждаются в высокоэффективных, функциональных и при этом простых и надежных компонентах, пригодных для массового производства.The ever-increasing needs of users determine the rapid development of technologies in the field of communications and related fields. Currently, active development of systems using communication in the millimeter wave range is underway, such as data transmission systems 5G (28 GHz), WiGig (60 GHz), Beyond 5G (60 GHz), 6G (sub-THz). All of these and similar systems require highly efficient, functional yet simple and reliable components suitable for mass production.
Одним из таких компонентов является соединение (или соединитель) для передачи данных на короткое расстояние между разными печатными платами (PCB) или между участками одной печатной платы. Основные требования, предъявляемые к таким соединениям, заключаются в следующем: соединение предпочтительно должно быть беспроводным, должно обладать низкими потерями и компактной системой подачи сигнала, несложной, дешевой, компактной, повторяемой аппаратной конструкцией, применимой для массового производства; предпочтительно, чтобы соединение не было отдельным компонентом, а было частью печатной платы или встроенной антенны; при этом должен поддерживаться стабильный прием при высокой скорости передачи данных (> 2 Гбит/с); предпочтительна также поддержка высокопроизводительных антенн на базе многослойных печатных плат. Однако существующие в уровне техники решения при попытке их адаптации к миллиметровому диапазону волн оказываются непригодными для того, чтобы максимально удовлетворить вышеперечисленные требования, поскольку они либо слишком дорогие, либо слишком громоздкие, либо требуют изоляции, либо требуют точной механической сборки, либо не обеспечивают указанную скорость передачи данных.One such component is a connection (or connector) for transferring data over a short distance between different printed circuit boards (PCBs) or between sections of the same printed circuit board. The main requirements for such connections are as follows: the connection should preferably be wireless, should have a low loss and compact signal delivery system, uncomplicated, cheap, compact, repeatable hardware design, applicable for mass production; it is preferable that the connection is not a separate component, but is part of a printed circuit board or built-in antenna; at the same time, stable reception should be supported at a high data transfer rate (> 2 Gbit / s); support for high performance multilayer PCB antennas is also preferred. However, prior art solutions, when trying to adapt them to the millimeter wavelength range, turn out to be unsuitable in order to maximize the above requirements, since they are either too expensive or too cumbersome, or require isolation, or require precise mechanical assembly, or do not provide the specified speed. data transmission.
В частности, известные электрические способы межплатного соединения для передачи данных на короткое расстояние можно условно разделить на две группы: проводное соединение (традиционное гальваническое соединение с помощью металлических проводников) и беспроводное соединение, которое, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: соединение на основе радиосвязи и соединение на основе оптической связи.In particular, the known electrical methods of board-to-board communication for data transmission over a short distance can be conditionally divided into two groups: wired connection (traditional galvanic connection using metal conductors) and wireless connection, which, in turn, can be divided into two subgroups: based on radio communication and connection based on optical communication.
В качестве примера гальванического соединения, известны соединители SMD (поверхностного монтажа), компоненты которых устанавливаются или размещаются непосредственно на поверхности печатной платы. В качестве другого примера, известны RF (радиочастотные) соединители, которые устанавливаются на поверхность печатной платы и обеспечивают соединение печатных плат между собой. Такие способы соединения печатных плат требуют гальванического контакта для обеспечения перехода в радиочастотном канале. Эти подходы имеют проблемы, связанные, например, с низкой частотой передачи: SMD соединители работают на частотах до 20 ГГц, а RF соединители - до 65 ГГц. Они весьма чувствительны к механическим и термическим нагрузкам, а также к неровностям сборки и пайки, что приводит к низкой надежности контактов, к изменению параметров ВЧ-перехода, к увеличению потерь и в конечном итоге к раннему выходу контактов из строя. Поэтому требуется затрачивать большое время на сборку и монтаж и выдерживать минимальное расстояние между платами > 8 мм.As an example of a galvanic connection, SMD (surface mount) connectors are known, the components of which are mounted or positioned directly on the surface of a printed circuit board. As another example, RF (radio frequency) connectors are known, which are mounted on the surface of a printed circuit board and provide a connection between the printed circuit boards. Such methods of connecting printed circuit boards require a galvanic contact to provide a transition in the RF channel. These approaches have problems associated with, for example, low transmission frequencies: SMD connectors operate at frequencies up to 20 GHz, and RF connectors at up to 65 GHz. They are very sensitive to mechanical and thermal loads, as well as to assembly and soldering irregularities, which leads to low contact reliability, to a change in the parameters of the HF transition, to an increase in losses and, ultimately, to early contact failure. Therefore, a lot of assembly and installation time is required and a minimum distance between boards> 8 mm must be maintained.
В качестве примера беспроводного соединения на основе радиосвязи, известна передача данных с помощью NFC (связи в ближнем поле). Существующие технологии NFC имеют проблемы с экранировкой магнитного поля, из-за которых требуется использовать ферритовый экран, что увеличивает занимаемое пространство. Подобные решения обладают узкой полосой пропускания и низкой скоростью передачи данных (до 2,1 Мбит/с), поскольку несущая частота данной технологии 13,56 МГц.As an example of wireless communication based on radio communication, data transmission using NFC (Near Field Communication) is known. Existing NFC technologies have magnetic field shielding issues requiring the use of a ferrite shield, which increases the footprint. Such solutions have a narrow bandwidth and low data transfer rate (up to 2.1 Mbit / s), since the carrier frequency of this technology is 13.56 MHz.
Что касается беспроводного соединения на основе оптической связи, существующим оптическим технологиям присущи проблемы с необходимостью прямой видимости между передатчиком и приемником, а также с управлением лучом, которое является обязательным, поскольку размер приемника невелик по сравнению с габаритами устройства. Из-за этого требуется использовать сложную точную механику и настройку, что увеличивает занимаемое пространство, серьезно меняет параметры оптической связи и увеличивает потери.With regard to wireless communication based on optical communication, existing optical technologies have inherent problems with the need for a line of sight between the transmitter and the receiver, as well as with beam steering, which is required because the size of the receiver is small compared to the size of the device. This requires the use of sophisticated precision mechanics and tuning, which increases the footprint, dramatically alters the optical communication parameters and increases losses.
Говоря о конкретных технических решениях в области передачи данных на высоких частотах, в той или иной степени близких к настоящему изобретению, можно отметить, например, документ US 2019/0379426 A1 (12.12.2019), в котором раскрываются передатчик и приемник, расположенные на отдельных подложках или носителях, которые позиционируются друг относительно друга таким образом, что антенны пары передатчик/приемник во время работы разнесены на такое расстояние, что на длинах волн несущей частоты передатчика достигается связь в ближнем поле. В данном документе не решена проблема совместной интеграции RFIC (радиочастотной интегральной схемы) и антенны, так как антенные элементы, интегрированные в RFIC, расположены на отдельных платах.Speaking about specific technical solutions in the field of data transmission at high frequencies, to one degree or another close to the present invention, one can note, for example, document US 2019/0379426 A1 (12.12.2019), which discloses a transmitter and a receiver located on separate substrates or carriers, which are positioned relative to each other in such a way that the antennas of the transmitter / receiver pair during operation are spaced such a distance that near-field communication is achieved at the wavelengths of the transmitter carrier frequency. This document does not address the issue of joint integration between RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit) and the antenna, as the antenna elements integrated in the RFIC are located on separate boards.
В US 2017/0250726 A1 (31.08.2017) раскрывается беспроводной соединитель, который включает в себя первое устройство связи и второе устройство связи. Первое устройство связи выполнено с возможностью беспроводной передачи путем излучения модулированного сигнала, содержащего сигнал несущей, модулированный цифровым сигналом. Второе устройство связи выполнено с возможностью приема этого модулированного сигнала. Первое и второе устройства связи связаны по меньшей мере через одно проводное соединение, которое передает сигнал, используемый для демодуляции модулированного сигнала. В данном решении для демодуляции требуется как минимум одно гальваническое соединение.US 2017/0250726 A1 (08/31/2017) discloses a wireless connector that includes a first communication device and a second communication device. The first communication device is configured to transmit wirelessly by emitting a modulated signal comprising a carrier signal modulated with a digital signal. The second communication device is configured to receive this modulated signal. The first and second communication devices are connected through at least one wire connection that carries a signal used to demodulate the modulated signal. This solution requires at least one galvanic connection for demodulation.
В US 8,041,227 B1 (18.10.2011) раскрывается устройство связи, имеющее возможность оптической связи и связи в ближнем поле. Устройство включает в себя схему оптического приемопередатчика, изготовленную на кристалле интегральной схемы и сконфигурированную для передачи и приема сигналов дальнего поля. Схема приемопередатчика ближнего поля также изготовлена на кристалле интегральной схемы и сконфигурирована для передачи и приема электромагнитных сигналов ближнего поля. Также обеспечена схема управления для выборочного включения схемы оптического приемопередатчика и схемы приемопередатчика ближнего поля, реагирующая на внешний управляющий сигнал. Предложенная в этом решении инфракрасная передача данных не имеет высокой скорости, и кроме того, необходим дополнительный канал для сопряжения.US 8,041,227 B1 (18.10.2011) discloses a communication device capable of optical communication and near-field communication. The device includes an optical transceiver circuit fabricated on an integrated circuit chip and configured to transmit and receive far-field signals. The near-field transceiver circuitry is also fabricated on an integrated circuit chip and configured to transmit and receive near-field electromagnetic signals. Also provided is a control circuit for selectively enabling an optical transceiver circuit and a near field transceiver circuit responsive to an external control signal. The infrared data transmission proposed in this solution does not have a high speed, and in addition, an additional channel for interfacing is required.
В US 2009/0289869 A1 (26.11.2009) раскрывается антенная структура для передачи электромагнитной энергии между кристаллом и элементом вне кристалла, включающая в себя первую резонансную структуру, расположенную на кристалле или внутри него и имеющую первую резонансную частоту. Антенная структура также включает в себя вторую резонансную структуру, расположенную в или на элементе вне кристалла и имеющую вторую резонансную частоту, по существу, такую же, как первая резонансная частота. Первая резонансная структура и вторая резонансная структура взаимно расположены на расстоянии ближнего поля друг от друга, чтобы сформировать связанную антенную структуру, которая сконфигурирована для передачи электромагнитной энергии между кристаллом и элементом вне кристалла. Электромагнитная энергия имеет выбранную длину волны в диапазоне длин волн от микроволн до субмиллиметровых волн. Такое решение является узкополосным и не поддерживает миллиметровые волны и суб-ТГц (субтерагерцовый) диапазон.US 2009/0289869 A1 (11/26/2009) discloses an antenna structure for transmitting electromagnetic energy between a crystal and an element outside the crystal, including a first resonant structure located on or inside the crystal and having a first resonant frequency. The antenna structure also includes a second resonant structure located in or on an element outside the crystal and having a second resonant frequency substantially the same as the first resonant frequency. The first resonant structure and the second resonant structure are mutually spaced at a near-field distance from each other to form an associated antenna structure that is configured to transfer electromagnetic energy between the crystal and the element outside the crystal. Electromagnetic energy has a selected wavelength in the wavelength range from microwaves to submillimeter waves. This solution is narrowband and does not support millimeter waves and sub-THz (sub-terahertz) range.
Другим известным техническим решением в данной области является публикация N. Bayat-Makou, A. Kishk. Contactless Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Volume: 66, Issue: 6, June 2018). В этом документе впервые введена бесконтактная альтернатива реализованному в печатной плате волноводу со штырьевыми стенками (SIW, substrate integrated waveguide) с воздушным заполнением (AF-SIW, air filled SIW). Обычная конфигурация AF-SIW требует точного и безупречного соединения покрывающих слоев с промежуточной подложкой. Для эффективной работы на высоких частотах это требует сложного и дорогостоящего процесса изготовления. В данной конфигурации (Фиг. 1А-1B) волновод представляет собой верхний и нижний проводящие слои, между которыми содержится среда с воздушным заполнением, а по бокам расположены печатные платы. Верхний и нижний слои этих встроенных печатных плат модифицированы так, чтобы получить условия искусственного магнитного проводника (AMC, artificial magnetic conductor). Поверхности AMC с обеих сторон подложки волновода выполнены в виде периодической структуры с особым типом элементарных ячеек. Образованные тем самым пластины AMC, лежащие в области подложки параллельно проводящим слоям, предотвращают утечку за пределы волновода. Однако данная структура демонстрирует относительно высокие потери на требуемых частотах и нуждается в доработке.Another known technical solution in this area is the publication of N. Bayat-Makou, A. Kishk. Contactless Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Volume: 66, Issue: 6, June 2018). This document introduces for the first time a non-contact alternative to the substrate integrated waveguide (SIW) with air filled SIW (AF-SIW) implemented in a printed circuit board. The typical AF-SIW configuration requires precise and flawless bonding of the cover layers to the intermediate substrate. This requires a complex and expensive manufacturing process to operate efficiently at high frequencies. In this configuration (FIGS. 1A-1B), the waveguide is the upper and lower conductive layers, between which the air-filled medium is contained, and the printed circuit boards are located on the sides. The top and bottom layers of these embedded PCBs are modified to accommodate artificial magnetic conductor (AMC) conditions. The AMC surfaces on both sides of the waveguide substrate are made in the form of a periodic structure with a special type of unit cells. The AMC plates thus formed, which lie parallel to the conductive layers in the substrate region, prevent leakage outside the waveguide. However, this structure shows relatively high losses at the required frequencies and needs to be improved.
Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании соединения для передачи данных, в котором были бы устранены следующие недостатки существующих решений:Thus, in the prior art, a need has arisen for creating a data connection, which would eliminate the following disadvantages of existing solutions:
- высокие потери;- high losses;
- низкая скорость передачи данных;- low data transfer rate;
- большие размеры;- big sizes;
- высокая сложность изготовления;- high complexity of manufacturing;
- сильная зависимость от качества контакта между проводящими элементами.- strong dependence on the quality of the contact between conductive elements.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание устройства для передачи данных на базе печатной платы для работы в миллиметровом диапазоне.In order to overcome at least some of the aforementioned disadvantages of the prior art, the present invention is directed to a printed circuit board-based data transmission device for millimeter-wave operation.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для передачи сигналов, содержащее:According to a first aspect of the present invention, there is provided an apparatus for transmitting signals, comprising:
- волновод, содержащий:- a waveguide containing:
первое проводящее основание и второе проводящее основание, расположенные параллельно друг другу, иa first conductive base and a second conductive base parallel to each other, and
расположенные между первым проводящим основанием и вторым проводящим основанием боковые стенки, содержащие по меньшей мере одну EBG-структуру (electromagnetic band gap, структуру по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной); иlocated between the first conductive base and the second conductive base side walls containing at least one EBG-structure (electromagnetic band gap, structure like an electromagnetic crystal with a band gap); and
- по меньшей мере две направленные антенны, расположенные друг напротив друга по оси излучения, причем каждая антенна выполнена на основе печатной платы и содержит:- at least two directional antennas located opposite each other along the radiation axis, each antenna being made on the basis of a printed circuit board and containing:
EBG-структуру, расположенную на верхнем и нижнем слоях печатной платы и выполненную с возможностью предотвращения обратного излучения, иAn EBG structure located on the top and bottom layers of the printed circuit board and configured to prevent back radiation, and
по меньшей мере один согласующий элемент;at least one matching element;
при этом по меньшей мере часть каждой из антенн расположена внутри волновода, так что он полностью охватывает область между антеннами, образуя в этой области беспроводной канал для передачи электромагнитных сигналов,wherein at least part of each of the antennas is located inside the waveguide, so that it completely covers the area between the antennas, forming in this area a wireless channel for transmitting electromagnetic signals,
при этом упомянутый по меньшей мере один согласующий элемент расположен вблизи беспроводного канала и выполнен с возможностью согласования антенны с беспроводным каналом.wherein said at least one matching element is located near the wireless channel and is configured to match the antenna with the wireless channel.
В одном из вариантов осуществления EBG-структура содержит множество ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки, причем каждая ячейка содержит:In one embodiment, the EBG structure contains a plurality of cells adjacent to each other in a two-dimensional periodic lattice, each cell containing:
расположенные параллельно друг другу проводящие участки в рамках первого и второго проводящих слоев печатной платы, иparallel conductive portions within the first and second conductive layers of the printed circuit board, and
проводящий элемент, проходящий сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы и соединяющий между собой упомянутые проводящие участки;a conductive element passing through the thickness of the dielectric layer of the printed circuit board and connecting said conductive portions to each other;
причем по меньшей мере в рамках одного из первого и второго проводящих слоев печатной платы упомянутые проводящие участки соседних ячеек электрически не связаны между собой.wherein at least within one of the first and second conductive layers of the printed circuit board, said conductive portions of adjacent cells are not electrically connected to each other.
В одном из вариантов осуществления EBG-структура отделена по меньшей мере от одного из оснований диэлектрическим зазором,In one embodiment, the EBG structure is separated from at least one of the bases by a dielectric gap,
при этом устройство дополнительно содержит:the device additionally contains:
разделители, расположенные между EBG-структурой и основанием в области упомянутого зазора, которые фиксируют EBG-структуру и обеспечивают упомянутый зазор, при этом разделители расположены так, чтобы не замыкать между собой соседние ячейки EBG-структуры.spacers located between the EBG structure and the base in the region of the said gap, which fix the EBG structure and provide the said gap, while the spacers are located so as not to close adjacent cells of the EBG structure with each other.
В одном из вариантов осуществления разделители являются проводящими, при этом расстояние от разделителей до границы между EBG-структурой и упомянутым беспроводным каналом составляет более трех ячеек EBG-структуры.In one embodiment, the spacers are conductive, with the spacer distance from the boundary between the EBG structure and said wireless channel being more than three cells of the EBG structure.
В одном из вариантов осуществления проводящий элемент ячейки EBG-структуры выполнен в виде сквозного металлизированного отверстия (VIA, Vertical Interconnect Access), а проводящий участок ячейки EBG-структуры выполнен в виде контактной площадки.In one embodiment, the conductive element of the EBG-structure cell is made in the form of a through metallized hole (VIA, Vertical Interconnect Access), and the conductive section of the EBG-structure cell is made in the form of a contact pad.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна из антенн содержит в рамках многослойной печатной платы по меньшей мере две EBG-структуры и SIW-волновод (реализованный в печатной плате волновод со штырьевыми стенками), заключенный между упомянутыми по меньшей мере двумя EBG-структурами,In one embodiment, at least one of the antennas comprises, within the multilayer printed circuit board, at least two EBG structures and an SIW waveguide (implemented in a printed circuit board, a pin wall waveguide), enclosed between said at least two EBG structures,
причем проводящие участки соседних ячеек EBG-структур в рамках тех проводящих слоев печатной платы, которые образуют верхнее и нижнее основание SIW-волновода, электрически связаны между собой,moreover, the conductive sections of adjacent cells of EBG structures within those conductive layers of the printed circuit board that form the upper and lower base of the SIW waveguide are electrically connected to each other,
проводящие участки соседних ячеек EBG-структур в рамках крайних проводящих слоев печатной платы электрически не связаны между собой.the conductive sections of adjacent cells of EBG structures within the outermost conductive layers of the printed circuit board are not electrically connected to each other.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере часть EBG-структур боковых стенок волновода и упомянутая по меньшей мере одна из антенн составляют единую EBG-структуру в рамках единой печатной платы.In one embodiment, at least a portion of the EBG structures of the sidewalls of the waveguide and said at least one of the antennas constitute a single EBG structure within a single printed circuit board.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере часть волновода и по меньшей мере одна из антенн интегрированы в единую печатную плату.In one embodiment, at least a portion of the waveguide and at least one of the antennas are integrated into a single printed circuit board.
В одном из вариантов осуществления антенны выполнены с возможностью передавать и принимать через беспроводной канал два типа волны, перпендикулярных друг другу.In one embodiment, the antennas are configured to transmit and receive over a wireless channel two wave types perpendicular to each other.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна из антенн содержит интегрированную в печатную плату свернутую патч-антенну, которая запитывается микрополосковым волноводом.In one embodiment, at least one of the antennas comprises a coiled patch antenna integrated into the printed circuit board and fed by a microstrip waveguide.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна из антенн содержит интегрированную в печатную плату дипольную антенну.In one embodiment, at least one of the antennas comprises a dipole antenna integrated into the printed circuit board.
В одном из вариантов осуществления антенны расположены в волноводе таким образом, что ось излучения параллельна основаниям.In one embodiment, the antennas are positioned in the waveguide such that the radiation axis is parallel to the bases.
В одном из вариантов осуществления антенны расположены в волноводе таким образом, что ось излучения перпендикулярна основаниям.In one embodiment, the antennas are positioned in the waveguide such that the radiation axis is perpendicular to the bases.
В одном из вариантов осуществления первое основание волновода, боковые стенки и по меньшей мере одна из антенн интегрированы в первую печатную плату, а второе основание и по меньшей мере одна другая из антенн интегрированы во вторую печатную плату.In one embodiment, the first waveguide base, side walls and at least one of the antennas are integrated into the first printed circuit board, and the second base and at least one other of the antennas are integrated into the second printed circuit board.
В одном из вариантов осуществления боковые стенки содержат по меньшей мере две EBG-структуры и дополнительно содержат проводящую пластину, содержащую вырез в области беспроводного канала, причем первое основание волновода, по меньшей мере одна из EBG-структур боковых стенок и по меньшей мере одна из антенн интегрированы в первую печатную плату, а второе основание, по меньшей мере одна другая из EBG-структур боковых стенок и по меньшей мере одна другая из антенн интегрированы во вторую печатную плату.In one embodiment, the side walls comprise at least two EBG structures and further comprise a conductive plate comprising a cutout in the wireless channel region, the first waveguide base, at least one of the EBG structures of the side walls, and at least one of the antennas integrated into the first printed circuit board, and the second base, at least one other of the EBG side wall structures and at least one other of the antennas are integrated into the second printed circuit board.
В одном из вариантов осуществления боковые стенки содержат множество расположенных друг над другом EBG-структур, разделенных между собой проводящими пластинами, не входящими в контакт с EBG-структурами.In one embodiment, the side walls comprise a plurality of EBG structures arranged one above the other, separated from each other by conductive plates not in contact with the EBG structures.
Технический результатTechnical result
Настоящее изобретение обеспечивает устройство, которое способно работать в мм-диапазоне и суб-ТГц-диапазоне, является упрощенным в изготовлении, более компактным и недорогим, демонстрируя при этом улучшенные характеристики по сравнению с решениями, известными из уровня техники.The present invention provides a device that is capable of operating in the mm-band and sub-THz band, is simplified to manufacture, more compact and inexpensive, while exhibiting improved performance over prior art solutions.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
На Фиг. 1А-1B показан известный бесконтактный AF-SIW-волновод.FIG. 1A-1B show a prior art AF-SIW non-contact waveguide.
На Фиг. 2 показано схематическое представление вида в перспективе в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.FIG. 2 is a schematic cross-sectional perspective view of a signal transmission device according to the present invention.
На Фиг. 3 показано схематическое представление вида сбоку в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.FIG. 3 is a schematic cross-sectional side view of a signal transmission device according to the present invention.
На Фиг. 4 показано схематическое представление вида сверху в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.FIG. 4 is a schematic cross-sectional top view of a signal transmission device according to the present invention.
На Фиг. 5 показаны направления допустимых отклонений во взаимном позиционировании элементов устройства при сборке.FIG. 5 shows the directions of permissible deviations in the relative positioning of the device elements during assembly.
На Фиг. 6 показано еще одно схематическое представление вида сбоку в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.FIG. 6 is another schematic cross-sectional side view of a signal transmission device according to the present invention.
На Фиг. 7 показана эквивалентная схема предложенного устройства для случая плоскопараллельного волновода без боковых стенок.FIG. 7 shows the equivalent circuit of the proposed device for the case of a plane-parallel waveguide without side walls.
На Фиг. 8 представлено распределение потока мощности в антенне.FIG. 8 shows the distribution of the power flow in the antenna.
На Фиг. 9A-9B показаны примерные диаграммы распределения электромагнитного поля в плоскопараллельном волноводе.FIG. 9A-9B show exemplary electromagnetic field distribution diagrams in a plane-parallel waveguide.
На Фиг. 10 показаны результаты моделирования предложенного устройства для случая плоскопараллельного волновода без боковых стенок.FIG. 10 shows the simulation results of the proposed device for the case of a plane-parallel waveguide without side walls.
На Фиг. 11 показана конструкция элементарной ячейки EBG-структуры.FIG. 11 shows the structure of the unit cell of the EBG structure.
На Фиг. 12 показана эквивалентная схема EBG-структуры.FIG. 12 shows an equivalent diagram of an EBG structure.
На Фиг. 13 приведена частотная характеристика волновода с EBG-структурой.FIG. 13 shows the frequency response of a waveguide with an EBG structure.
На Фиг. 14 показан принцип получения новой компоновки EBG-структуры.FIG. 14 shows the principle of obtaining a new layout of the EBG structure.
На Фиг. 15 показана конструкция элементарной ячейки усеченной EBG-структуры.FIG. 15 shows the structure of a truncated EBG unit cell.
На Фиг. 16 показана эквивалентная схема усеченной EBG-структуры.FIG. 16 shows an equivalent diagram of a truncated EBG structure.
На Фиг. 17 приведена частотная характеристика волновода с усеченной EBG-структурой.FIG. 17 shows the frequency response of a truncated EBG waveguide.
На Фиг. 18 показан дополнительный вариант осуществления EBG-структуры.FIG. 18 shows a further embodiment of the EBG structure.
На Фиг. 19 показано схематическое представление электрического поля в беспроводном канале.FIG. 19 is a schematic representation of an electric field in a wireless channel.
На Фиг. 20 показан график распределения электрического поля в волноводе.FIG. 20 shows a graph of the distribution of the electric field in the waveguide.
На Фиг. 21 показан примерный вариант конструкции для моделирования вариаций воздушного зазора.FIG. 21 shows an exemplary design for simulating air gap variations.
На Фиг. 22A-22C показаны результаты моделирования вариаций воздушного зазора.FIG. 22A-22C show simulation results for air gap variations.
На Фиг. 23A-23E показан принцип формирования антенны на основе SIW-волновода между усеченными EBG-структурами.FIG. 23A-23E show the principle of forming a SIW antenna between truncated EBG structures.
На Фиг. 24 показано схематическое представление тестовой установки для моделирования антенны на основе SIW-волновода, заключенного в усеченные EBG-структуры.FIG. 24 is a schematic diagram of a test setup for simulating an antenna based on a SIW waveguide enclosed in truncated EBG structures.
На Фиг. 25 показаны результаты моделирования для случая по Фиг. 24.FIG. 25 shows the simulation results for the case of FIG. 24.
На Фиг. 26 показан пример свернутой патч-антенны.FIG. 26 shows an example of a folded patch antenna.
На Фиг. 27 показана диаграмма излучения для случая со свернутой патч-антенной.FIG. 27 shows the radiation diagram for the case with a folded patch antenna.
На Фиг. 28 показаны результаты моделирования для случая со свернутой патч-антенной.FIG. 28 shows the simulation results for the case with a folded patch antenna.
На Фиг. 29 показан пример дипольной антенны.FIG. 29 shows an example of a dipole antenna.
На Фиг. 30 показана диаграмма излучения для случая с дипольной антенной.FIG. 30 shows the radiation pattern for the case with a dipole antenna.
На Фиг. 31 показаны результаты моделирования для случая с дипольной антенной.FIG. 31 shows the simulation results for the case with a dipole antenna.
На Фиг. 32 показан пример интеграции антенны и боковых стенок в единой печатной плате.FIG. 32 shows an example of integrating antenna and sidewalls into a single printed circuit board.
На Фиг. 33, 34, 35, 36A и 36B показаны варианты осуществления с передачей сигналов перпендикулярно плоскости оснований.FIG. 33, 34, 35, 36A and 36B show embodiments with signaling perpendicular to the plane of the bases.
На Фиг. 37 показана передача сигналов в дуплексном режиме.FIG. 37 shows signaling in full duplex mode.
На Фиг. 38 показана многослойная EBG-структура.FIG. 38 shows a multilayer EBG structure.
Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.It should be understood that the figures may be presented schematically and not to scale and are intended primarily to enhance the understanding of the present invention.
Подробное описаниеDetailed description
Общее описание устройстваGeneral description of the device
На Фиг. 2-4 показано схематическое представление устройства 100 для передачи сигналов согласно настоящему изобретению. Устройство 100 содержит волновод 110 (не изображен отдельно на чертежах) и расположенные внутри него направленные антенны (или адаптеры) 120 и 121.FIG. 2-4 show a schematic diagram of a
Верхнее и нижнее основания волновода 110 образованы проводящими (например, металлическими) пластинами 111 и 112, расположенными параллельно друг другу, то есть они формируют плоскопараллельный волновод. Боковые стенки волновода 110 образованы EBG-структурами (electromagnetic band gap, структурами по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной) 113, расположенными между основаниями, за счет чего стенки вместе с основаниями формируют прямоугольный волновод, в котором могут распространяться электромагнитные волны. Каждая EBG-структура отделена от одного из оснований или от обоих оснований диэлектрическим (например, воздушным) зазором и вместе с тем формирует условия искусственного магнитного проводника (AMC) и блокирует утечку волн из волновода во внешнее пространство.The upper and lower bases of the waveguide 110 are formed by conductive (eg, metal)
Антенны 120 и 121 расположены друг напротив друга по оси излучения. Кроме того, антенны 120 и 121 выполнены на основе реализованного в печатной плате волновода со штырьевыми стенками (SIW). В качестве примера на Фиг. 2-4 показано, что первая антенна является частью первой печатной платы 130, а вторая антенна является частью второй печатной платы 131. Далее в данном документе будут показаны и другие компоновки печатных плат, антенн и EBG-структур, поэтому следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами.
Таким образом, между антеннами внутри волновода остается заполненная воздухом или иным диэлектриком область, в которой образуется беспроводной канал 140 для передачи электромагнитных сигналов 150 между антеннами. Чтобы обеспечить условия для свободного распространения сигнала 150 в беспроводном канале 140, расстояние между основаниями составляет не менее λ/2 (половины длины волны) для передаваемого сигнала. С другой стороны, для предотвращения паразитного излучения и утечек за пределы беспроводного канала 140 расстояние между внутренними границами боковых стенок должно быть не более λ, расстояние между краями антенн должно быть не менее λ/4 (четверти длины волны) и не более λ, а расстояние между основаниями должно быть не более λ, то есть максимальным размером беспроводного канала 140 является куб λхλхλ. Кроме того, размер зазора между EBG-структурой и основанием не должен превышать λ/4.Thus, between the antennas inside the waveguide, an area filled with air or other dielectric remains, in which a
Высокочастотный сигнал 150 от RFIC (радиочастотной интегральной схемы), расположенной на стороне первой печатной платы 130, поступает на вход 160 устройства 100 (который является входом первой антенны 120), излучается ею в беспроводной канал 140, из беспроводного канала принимается антенной 121 и с выхода 170 (который является выходом второй антенны 121) передается на RFIC, расположенную на стороне второй печатной платы 131. Следует понимать, что указания «вход» и «выход» являются условными, и при необходимости сигнал может быть передан в обратном направлении.A
В каждой антенне (например, в SIW-волноводе) может иметься один или более согласующих элементов 180 и 181 (Фиг. 6), расположенных вблизи беспроводного канала 140. Согласующий элемент позволяет излучать электромагнитную волну из SIW-волновода в беспроводной канал 140 с минимальными обратными потерями.Each antenna (for example, in the SIW waveguide) may have one or more
Рассматривая работу устройства 100, можно отметить следующее. Если представить, что первая антенна представляет собой изотропный излучатель, то она излучает во все направления электромагнитную энергию одинаковой интенсивности без потерь. Диаграмма направленности такой антенны является круговой во всех сечениях. Если принять, что апертура второй, приемной антенны имеет размер a x b и расположена на расстоянии R от первой антенны, то в самом общем случае при отсутствии препятствий вокруг изотропного излучателя излучение происходит полностью в трехмерном пространстве, и принятая мощность на второй антенне составитConsidering the operation of the
В случае если вокруг первой антенны разместить плоскопараллельный волновод из двух параллельных оснований на расстоянии a друг от друга, то излучение будет происходить только в плоскости, но во всех направлениях, и тогда принятая мощность на второй антенне вырастет в (2R)/b раз.If a plane-parallel waveguide of two parallel bases is placed around the first antenna at a distance a from each other, then the radiation will occur only in the plane, but in all directions, and then the received power on the second antenna will increase (2R) / b times.
Размещая вокруг первой антенны боковые стенки в виде EBG-структур, можно обеспечить излучение только по прямой линии, но в двух направлениях, то есть принятая мощность на второй антенне вырастет в πR/a раз.By placing side walls in the form of EBG structures around the first antenna, it is possible to provide radiation only in a straight line, but in two directions, that is, the received power at the second antenna will increase by a factor of πR / a.
И, наконец, в силу того, что на самом деле первая антенна в настоящем изобретении является направленной, обеспечивается излучение только по прямой линии в одном направлении, и следовательно, принятая мощность на второй антенне составитFinally, since the first antenna in the present invention is in fact directional, only a straight line radiation in one direction is provided, and therefore the received power at the second antenna will be
, ,
то есть вся мощность источника при отсутствии потерь в компоновке согласно настоящему изобретению должна поступить на приемник.that is, all the power of the source in the absence of losses in the arrangement according to the present invention must go to the receiver.
Соответственно, с помощью предложенного устройства 100 сигнал передается с высокой эффективностью и малыми потерями, при этом оно является пригодным для передачи сигналов данных с высокой скоростью вплоть до 2 Гбит/с и более.Accordingly, with the proposed
Следует отметить, что параллельно расположенные проводящие пластины по умолчанию присутствуют во многих электронных устройствах, а технология производства печатных плат является широко используемой, развитой и дешевой. То есть можно создать предложенную волноводную структуру, просто разместив проводящие основания поблизости или в контакте с печатными платами, содержащими антенны и EBG-структуры. Предложенное устройство 100 не требует наличия гальванического контакта не только между двумя печатными платами, между которыми необходимо передавать сигналы, но и вообще между различными элементами устройства. Более того, как показано на Фиг. 5, все элементы устройства не имеют строгих допусков на сборку (~ 1 мм в плоскости между основаниями, ~ 500 мкм перпендикулярно основаниям). Чтобы не загромождать чертеж лишними стрелками, для удобства понимания на Фиг. 5 показаны лишь стрелки, указывающие направления допустимых отклонений, тогда как позиционные обозначения соответствующих элементов можно найти на Фиг. 4, которая изображает тот же вид сверху, что и Фиг. 5. Таким образом, в настоящем изобретении обеспечивается упрощение сборки и изготовления, так как такая структура существенно упрощает процесс производства и снижает требования к точности и технологическим допускам.It should be noted that parallel conductive plates are present by default in many electronic devices, and the technology for manufacturing printed circuit boards is widely used, developed and cheap. That is, it is possible to create the proposed waveguide structure simply by placing conductive bases nearby or in contact with printed circuit boards containing antennas and EBG structures. The proposed
Далее элементы устройства 100 для передачи сигналов будут описаны более подробно.Hereinafter, the elements of the
Плоскопараллельный волноводPlane-parallel waveguide
В настоящем изобретении плоскопараллельный волновод используется для сосредоточения электромагнитного поля в беспроводном канале между печатными платами. На Фиг. 6 пунктирной линией со стрелкой показано, что электромагнитная волна может возбуждаться как первой антенной для передачи во вторую, так и второй антенной для передачи в первую.In the present invention, a plane-parallel waveguide is used to concentrate an electromagnetic field in a wireless channel between printed circuit boards. FIG. 6, the dotted line with an arrow shows that the electromagnetic wave can be excited by both the first antenna for transmission to the second, and the second antenna for transmission to the first.
Чтобы электромагнитная волна передавалась без потерь, в беспроводном канале должно соблюдаться условие резонанса с требуемой центральной частотой. На Фиг. 7 показана эквивалентная схема предложенного устройства 100 для помощи в расчетах. На ней изображено, что на границе раздела двух сред между антенной и беспроводным каналом возникает индуктивная связь по типу трансформатора. Поскольку плоскопараллельный волновод не имеет боковых стенок, вокруг беспроводного канала присутствует открытое пространство, в которое может уходить часть излучения антенны. Поэтому каждая среда (первая антенна, беспроводной канал, вторая антенна) имеет некоторое собственное сопротивление Rантенны#1, Rутечки, Rантенны#2. Чтобы получить условие резонанса, необходимо использовать в каждой антенне согласующий элемент, обладающий емкостными свойствами. Согласующие элементы в первой антенне и во второй антенне имеют емкость C1 и C2, соответственно, как проиллюстрировано на Фиг. 7. Далее необходимо произвести соответствующие расчеты. Принципы подобных расчетов известны специалисту в данной области техники и не будут подробно раскрываться в данном документе.For the electromagnetic wave to be transmitted without loss, the condition of resonance with the required center frequency must be met in the wireless channel. FIG. 7 shows an equivalent diagram of the proposed
На Фиг. 8 представлено распределение потока мощности в антенне. Позиционные обозначения элементов вновь не показаны для удобства понимания и могут быть найдены на других чертежах, например, на Фиг. 3 и 6. Возможные направления распространения волн включают в себя передачу, отражение, а также утечку в волновод. Примерные диаграммы распределения электромагнитного поля в плоскопараллельном волноводе показаны на Фиг. 9A-9B, на виде сбоку и виде сверху, соответственно. Достаточно большая часть излучения, возбуждаемого первой антенной, через область беспроводного канала поступает во вторую антенну, а часть распространяется в стороны от нее, то есть происходит некоторая утечка.FIG. 8 shows the distribution of the power flow in the antenna. Item reference numbers are again not shown for ease of understanding and may be found in other drawings, such as FIG. 3 and 6. Possible directions of wave propagation include transmission, reflection, and leakage into the waveguide. Exemplary diagrams of the distribution of the electromagnetic field in a plane-parallel waveguide are shown in FIG. 9A-9B, side and top views, respectively. A fairly large part of the radiation excited by the first antenna enters the second antenna through the region of the wireless channel, and a part spreads to the sides of it, that is, some leakage occurs.
Авторы настоящего изобретения произвели моделирование случая плоскопараллельного волновода без боковых стенок на частоте 60 ГГц и получили соответствующие графики потерь, изображенные на Фиг. 10. В частности, были получены следующие S-параметры: коэффициент потерь при передаче в рабочей полосе частот составил около -7 дБ, коэффициент потерь на отражение составил около - 22 дБ. Как можно видеть, большая часть сигнала (около 75%) передается из одной антенны в другую антенну без высоких потерь на отражение и утечку, при том что согласование антенны не ухудшено. Потери составляют около 25% излучаемой мощности. Соответственно, плоскопараллельный волновод действительно позволяет сосредоточить электромагнитное поле в беспроводном канале между антеннами. Таким образом, происходит изоляция излучения в одной плоскости и уже достигается относительно высокая энергоэффективность. Далее будет показано, за счет чего в настоящем изобретении достигается уменьшение потерь.The present inventors simulated the case of a plane-parallel waveguide without sidewalls at 60 GHz and obtained the corresponding loss plots shown in FIG. 10. In particular, the following S-parameters were obtained: the transmission loss factor in the operating frequency band was about -7 dB, the return loss factor was about -22 dB. As you can see, most of the signal (about 75%) is transmitted from one antenna to another antenna without high return loss and leakage, while the antenna matching is not degraded. The losses are about 25% of the radiated power. Accordingly, a plane-parallel waveguide really allows you to focus the electromagnetic field in the wireless channel between the antennas. Thus, the radiation is isolated in one plane and a relatively high energy efficiency is already achieved. It will now be shown how the loss reduction is achieved in the present invention.
Боковые стенки волновода с EBG-структурамиSidewalls of a waveguide with EBG structures
Для предотвращения утечки в открытое пространство используются боковые стенки, образованные EBG-структурами. Вместе с основаниями они образуют прямоугольный волновод.To prevent leakage into open space, side walls formed by EBG structures are used. Together with the bases, they form a rectangular waveguide.
EBG-структура выполнена на базе двухсторонней печатной платы и содержит множество ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки. Конструкция элементарной ячейки EBG-структуры показана на Фиг. 11. Элементарная ячейка содержит расположенные параллельно друг другу проводящие участки (например, контактные площадки) верхнего и нижнего проводящих слоев печатной платы, соединенные между собой проводящим элементом, проходящим сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы - например, сквозным металлизированным отверстием (VIA). Размеры и форма проводящих участков выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. В общем случае проводящие участки соседних ячеек электрически не связаны между собой, а сама EBG-структура отделена от оснований диэлектрическим (например, воздушным) зазором.The EBG structure is made on the basis of a double-sided printed circuit board and contains many cells located next to each other in the form of a two-dimensional periodic lattice. The unit cell structure of the EBG structure is shown in FIG. 11. The unit cell contains parallel conductive portions (eg, contact pads) of the upper and lower conductive layers of the printed circuit board, interconnected by a conductive element passing through the thickness of the dielectric layer of the printed circuit board - for example, a plated through hole (VIA). The size and shape of the conductive sections are selected to meet the requirements of the specific application. In the general case, the conductive sections of neighboring cells are not electrically connected to each other, and the EBG structure itself is separated from the bases by a dielectric (for example, air) gap.
Эквивалентная схема такой EBG-структуры показана на Фиг. 12. В частности, заполненные воздухом области между основаниями и проводящими участками имеют емкостные свойства, области между проводящими участками соседних ячеек тоже характеризуются емкостными свойствами, а области VIA имеют индуктивные свойства. Таким образом, образуется высокодобротный резонатор.An equivalent diagram of such an EBG structure is shown in FIG. 12. In particular, the air-filled regions between the bases and the conductive portions have capacitive properties, the regions between the conductive portions of adjacent cells are also capacitive, and the VIA regions have inductive properties. Thus, a high-Q resonator is formed.
Соответственно, EBG-структура блокирует распространение волн (утечку) на требуемых частотах из беспроводного канала во внешнее пространство за счет формирования, в рабочем диапазоне частот, зоны запирания (bandgap) в области беспроводного канала между основаниями и боковыми стенками. Авторы настоящего изобретения произвели моделирование EBG-структуры на базе печатной платы, для которой потребовалось применить подложку из СВЧ-материала Rogers RO4003®, и получили соответствующие графики, изображенные на Фиг. 13. Как видно из представленного на Фиг. 13 графика зависимости частоты пропускаемого через EBG-структуру сигнала от сдвига фазы, реализованного в каждой ячейке этой структуры, в определенном диапазоне частот (в зоне запирания, которая располагается между двумя параллельными линиями на вертикальной оси) в данной структуре невозможно распространение волн. Так, первая мода распространяется на частотах до 54 ГГц, остальные моды - на частотах от 71 ГГц. Таким образом, за счет EBG-структуры мощность в рабочем диапазоне частот (например, около 60 ГГц) не должна вытекать за пределы волновода, а полностью должна поступать через беспроводной канал в приемную антенну.Accordingly, the EBG structure blocks the propagation of waves (leakage) at the required frequencies from the wireless channel to the external space due to the formation, in the operating frequency range, of a bandgap in the region of the wireless channel between the bases and side walls. The present inventors simulated a PCB based EBG structure that required a Rogers RO4003® microwave backing and obtained the corresponding plots shown in FIG. 13. As shown in FIG. 13 is a graph of the dependence of the frequency of the signal transmitted through the EBG structure on the phase shift realized in each cell of this structure, in a certain frequency range (in the blocking zone, which is located between two parallel lines on the vertical axis), wave propagation is impossible in this structure. Thus, the first mode propagates at frequencies up to 54 GHz, the remaining modes - at frequencies from 71 GHz. Thus, due to the EBG structure, the power in the operating frequency range (for example, about 60 GHz) should not flow out of the waveguide, but should completely enter the receiving antenna through the wireless channel.
То есть при компактных размерах предложенное устройство обладает очень низкими потерями, и при этом его сборка не требует прочного и надежного контакта между слоями.That is, with a compact size, the proposed device has very low losses, and at the same time, its assembly does not require strong and reliable contact between the layers.
Хотя такая компоновка EBG-структуры и является достаточно эффективной, каждое изменение геометрии приводит к необходимости пересчета всей EBG-структуры для сохранения требуемой полосы частот. Это позволяет сконструировать только одномодовый волновод из-за ограничения по высоте волновода. При попытке пропускания волн в широком диапазоне частот часть волн может утекать в зазоры между VIA и в зазоры между основаниями и проводящими участками EBG-структуры. Кроме того, подобная компоновка требует использования высококачественных радиочастотных материалов наподобие того, который указывался выше. Поэтому, несмотря на высокую эффективность, данная компоновка EBG-структуры имеет относительно узкую область применения.Although this arrangement of the EBG structure is quite effective, each change in geometry leads to the need to recalculate the entire EBG structure to maintain the required bandwidth. This makes it possible to design only a single-mode waveguide due to the limitation on the height of the waveguide. When trying to transmit waves in a wide frequency range, some of the waves can leak into the gaps between the VIAs and into the gaps between the bases and the conductive sections of the EBG structure. In addition, this arrangement requires the use of high quality RF materials such as the one discussed above. Therefore, despite its high efficiency, this arrangement of the EBG structure has a relatively narrow field of application.
Для повышения универсальности предлагается использовать новую компоновку EBG-структуры. В частности, как показано на Фиг. 14, предлагается разделить каждую ячейку на две части в области VIA и замкнуть VIA на земляную пластину. В результате конструкция элементарной ячейки усеченной EBG-структуры приобретает вид, показанный на Фиг. 15. В данном случае элементарная ячейка содержит расположенные параллельно друг другу проводящие участки (например, контактные площадки) верхнего и нижнего проводящих слоев печатной платы, соединенные между собой проводящим элементом, проходящим сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы - например, сквозным металлизированным отверстием (VIA). Проводящие участки соседних ячеек в одном слое электрически не связаны между собой, а в другом слое электрически связаны между собой (фактически, они все вместе объединены в земляной слой). С той стороны, где проводящие участки соседних ячеек электрически не связаны между собой, усеченная EBG-структура может быть отделена от близлежащего основания диэлектрическим (например, воздушным) зазором.To increase the versatility, it is proposed to use the new EBG structure layout. Specifically, as shown in FIG. 14, it is proposed to split each cell into two in the VIA area and short the VIA to the ground plate. As a result, the structure of the unit cell of the truncated EBG structure takes the form shown in FIG. 15. In this case, the unit cell contains parallel to each other conductive sections (for example, contact pads) of the upper and lower conductive layers of the printed circuit board, connected to each other by a conductive element passing through the thickness of the dielectric layer of the printed circuit board - for example, through a plated hole (VIA) ... The conductive sections of neighboring cells in one layer are not electrically connected to each other, but in the other layer they are electrically connected to each other (in fact, they are all combined into the ground layer). On the side where the conductive portions of adjacent cells are not electrically connected to each other, the truncated EBG structure can be separated from the nearby base by a dielectric (eg, air) gap.
Эквивалентная схема такой усеченной EBG-структуры показана на Фиг. 16. В частности, заполненные воздухом области между основанием и проводящими участками имеют емкостные свойства, область между проводящими участками соседних ячеек тоже характеризуется емкостными свойствами, а области VIA имеют индуктивные свойства. Таким образом, имеется лишь один воздушный зазор, что требует меньшей индуктивности, а значит, приводит к более низкой добротности, чем в предыдущей компоновке.An equivalent diagram of such a truncated EBG structure is shown in FIG. 16. In particular, the air-filled regions between the base and the conductive portions have capacitive properties, the region between the conductive portions of adjacent cells is also capacitive, and the VIA regions have inductive properties. Thus, there is only one air gap, which requires less inductance, and therefore results in a lower Q factor than in the previous arrangement.
Авторы настоящего изобретения произвели моделирование усеченной EBG-структуры, и в данном случае для печатной платы потребовалось применить подложку из обычного материала FR4. Соответствующие графики изображены на Фиг. 17. Как видно из представленного на Фиг. 17 графика зависимости частоты пропускаемого через усеченную EBG-структуру сигнала от сдвига фазы, первая мода распространяется на частотах до 47 ГГц, остальные моды - на частотах от 75 ГГц. Таким образом, применение усеченной EBG-структуры позволяет отвязать верхнюю и нижнюю контактные площадки друг от друга, уменьшает индуктивность и расширяет рабочую полосу пропускания. Как и в предыдущем варианте, при компактных размерах предложенное устройство обладает очень низкими потерями, и при этом его сборка не требует прочного и надежного контакта между слоями. Более того, данная компоновка позволяет использовать обычные широко применяемые материалы для печатных плат, что дополнительно упрощает изготовление устройства.The present inventors have simulated a truncated EBG structure, and in this case, the PCB required a conventional FR4 substrate. The corresponding graphs are shown in FIG. 17. As shown in FIG. 17 is the graph of the dependence of the frequency of the signal transmitted through the truncated EBG structure on the phase shift, the first mode propagates at frequencies up to 47 GHz, the remaining modes - at frequencies from 75 GHz. Thus, the use of a truncated EBG structure allows the top and bottom pads to be decoupled from each other, reduces inductance and expands the operating bandwidth. As in the previous version, with a compact size, the proposed device has very low losses, and at the same time its assembly does not require strong and reliable contact between the layers. Moreover, this arrangement allows the use of commonly used PCB materials, further simplifying the fabrication of the device.
На Фиг. 18 показан дополнительный вариант осуществления EBG-структуры согласно настоящему изобретению. Две усеченные EBG-структуры расположены зеркально относительно своих земляных пластин, и VIA первой усеченной EBG-структуры расположены соосно и соединены с соответствующими VIA второй усеченной EBG-структуры. Таким образом, EBG-структуры могут располагаться как на внешнем, так и на внутреннем слоях печатной платы. Между земляными пластинами (слоями) этих двух усеченных EBG-структур может располагаться промежуточный слой, например, в виде подложки печатной платы, сквозь толщу которого и соединяются между собой первые VIA и вторые VIA. Соединение также может быть реализовано в виде VIA. Расстояние между земляными пластинами двух усеченных EBG-структур, а также расстояние между соседними VIA должно быть менее половины длины волны в материале подложки, чтобы предотвратить утечку высокочастотной мощности в этот промежуточный слой. Минимальное количество рядов ячеек EBG-структуры, достаточное для предотвращения утечки, составляет 2. При необходимости можно использовать несколько промежуточных диэлектрических слоев, разделенных между собой земляными слоями, при условии соблюдения вышеуказанных размеров между VIA и между земляными слоями. Все это позволяет без серьезных ограничений варьировать размеры конструкции (например, увеличивать толщину). Такая структура EBG позволяет проектировать как горизонтальную волноводную структуру, так и вертикальную волноводную структуру.FIG. 18 shows a further embodiment of an EBG structure according to the present invention. The two truncated EBG structures are mirrored with respect to their ground plates, and the VIAs of the first truncated EBG structure are aligned and connected to the corresponding VIAs of the second truncated EBG structure. Thus, EBG structures can be located on both the outer and inner layers of the PCB. Between the ground plates (layers) of these two truncated EBG structures, an intermediate layer can be located, for example, in the form of a printed circuit board substrate, through the thickness of which the first VIAs and the second VIAs are interconnected. The connection can also be implemented as VIA. The distance between the ground plates of the two truncated EBG structures, as well as the distance between adjacent VIAs, must be less than half the wavelength in the substrate material to prevent RF power from leaking into this intermediate layer. The minimum number of rows of EBG cells sufficient to prevent leakage is 2. If required, multiple intermediate dielectric layers separated by ground layers can be used, provided the above dimensions are maintained between VIAs and between ground layers. All this makes it possible to vary the dimensions of the structure without serious restrictions (for example, to increase the thickness). This EBG structure allows both horizontal waveguide structure and vertical waveguide structure to be designed.
Авторы настоящего изобретения произвели моделирование данной EBG-структуры, в результате чего был получен график распределения электрического поля в волноводе вокруг EBG-структуры. Схематическое представление электрического поля в беспроводном канале показано на Фиг. 19, а смоделированный график показан на Фиг. 20. Тонкими короткими стрелками показаны минимумы значений электрического поля, а жирными длинными стрелками показаны максимумы значений электрического поля. Как можно заметить, утечка практически отсутствует, и все поле концентрируется в области беспроводного канала.The present inventors have simulated this EBG structure, resulting in a graph of the electric field distribution in the waveguide around the EBG structure. A schematic representation of an electric field in a wireless channel is shown in FIG. 19 and a simulated graph is shown in FIG. 20. Thin short arrows show the minima of the electric field values, and bold long arrows indicate the maxima of the electric field values. As you can see, there is practically no leakage, and the entire field is concentrated in the area of the wireless channel.
Между EBG-структурой и основанием в области воздушного зазора могут быть расположены разделители, которые фиксируют EBG-структуру и обеспечивают этот зазор. Разделители могут быть отдельными элементами, или частью платы с EBG-структурой, или частью оснований. Например, в одном варианте осуществления разделители могут быть выполнены как выступы на основании волновода и на слоях печатных плат, а в другом варианте осуществления разделители могут быть отдельными элементами, которые вставляются между слоями в процессе изготовления. Тем самым, обеспечивается дополнительная универсальность конструкции и упрощение изготовления. Разделители могут быть как проводящими, так и непроводящими, но не должны замыкать соседние элементы EBG-структуры. Если необходимо использовать проводящие разделители, то расстояние от них до границы между EBG-структурой и беспроводным каналом должно составлять более трех ячеек EBG-структуры, чтобы предотвратить нежелательные явления в волноводе.Spacers can be located between the EBG structure and the base in the air gap area, which fix the EBG structure and ensure this gap. The dividers can be separate elements, or part of an EBG board, or part of the bases. For example, in one embodiment, the spacers can be formed as protrusions on the waveguide base and on the layers of the printed circuit boards, and in another embodiment, the spacers can be separate elements that are inserted between the layers during manufacture. This provides additional design versatility and ease of manufacture. Spacers can be either conductive or non-conductive, but must not short-circuit adjacent EBG elements. If conductive spacers are to be used, the distance from them to the boundary between the EBG structure and the wireless channel must be more than three cells of the EBG structure to prevent unwanted phenomena in the waveguide.
В дополнительных вариантах осуществления все или некоторые разделители могут выполнять не только функцию создания воздушного зазора между EBG-структурой и основанием, но и функцию крепежного средства. Так, например, в качестве разделителей или их части могут быть использованы капли клея, или через разделители могут проходить крепежные элементы, такие как винты для стяжки конструкции. В других вариантах осуществления крепление элементов конструкции волновода и антенны может выполняться иными средствами, в том числе не в рамках разделителей. Каждая из этих возможностей также позволяет увеличить универсальность конструкции.In additional embodiments, all or some of the spacers may not only function as an air gap between the EBG structure and the base, but also function as a fastener. For example, glue drops can be used as spacers or part of them, or fasteners such as screws to tie the structure can pass through the spacers. In other embodiments, the fastening of the structural elements of the waveguide and antenna can be performed by other means, including not within the spacers. Each of these possibilities also allows for increased design versatility.
Несмотря на то, что с целью обеспечения наилучших характеристик выше в настоящем документе предлагается отделять EBG-структуры от оснований разделителями для формирования между ними воздушного зазора, на самом деле вариации размера воздушного зазора между ними вполне допустимы. В качестве примера авторы настоящего изобретения произвели моделирование вариаций зазора для случая 60 ГГц (Фиг. 21). Длина волны λ при этом составляет 5 мм. Расстояние между основаниями выбрано равным 2,27 мм, толщина EBG-структуры выбрана равной 1,5 мм, расстояние между EBG-структурами выбрано равным 4 мм. Вертикальное положение EBG-структуры в волноводе изменялось в интервале 0 мм… 0,77 мм, т.е. от гальванического контакта с нижним основанием волновода до гальванического контакта с верхним основанием волновода (следует напомнить, что максимально допустимым зазором является четверть длины волны передаваемого сигнала, то есть в данном случае 1,25 мм, поэтому значение 0,77 мм является допустимым). Как показано на графиках на Фиг. 22A-22C, параметры воздушного зазора hz не оказывают существенного влияния на параметры устройства в целом: разброс параметров (коэффициента отражения, коэффициента передачи и групповой задержки) невелик во всем исследованном диапазоне размеров воздушного зазора. Таким образом, можно еще раз отметить, что предложенная конструкция устройства в целом является чрезвычайно универсальной и не требующей высокой точности изготовления.Although it is suggested in this document to separate the EBG structures from the bases with spacers to form an air gap in order to provide the best performance above, in fact, variations in the size of the air gap between them are quite acceptable. As an example, the present inventors have simulated gap variations for the 60 GHz case (FIG. 21). In this case, the wavelength λ is 5 mm. The distance between the bases was chosen equal to 2.27 mm, the thickness of the EBG structure was chosen equal to 1.5 mm, the distance between the EBG structures was chosen equal to 4 mm. The vertical position of the EBG structure in the waveguide varied in the range 0 mm ... 0.77 mm, i.e. from galvanic contact with the lower base of the waveguide to galvanic contact with the upper base of the waveguide (it should be recalled that the maximum allowable gap is a quarter of the wavelength of the transmitted signal, that is, in this case, 1.25 mm, therefore 0.77 mm is acceptable). As shown in the graphs in FIG. 22A-22C, the parameters of the air gap hz do not have a significant effect on the parameters of the device as a whole: the spread of parameters (reflection coefficient, transmission coefficient and group delay) is small in the entire investigated range of air gap sizes. Thus, it can be noted once again that the proposed design of the device as a whole is extremely versatile and does not require high manufacturing accuracy.
Соответственно, получена широкополосная EBG-структура с независимым изменением толщины, которая может быть многослойной при необходимости увеличения толщины и для преодоления технологических ограничений. То есть обеспечивается изоляция излучения в ненужном направлении, изменяемая толщина сборки, расширение полосы пропускания, снижение чувствительности к точности сборки, расширение возможной области применения, возможность использования обычных материалов для изготовления печатных плат.Accordingly, a broadband EBG structure with an independent change in thickness is obtained, which can be multilayer if necessary to increase the thickness and to overcome technological limitations. That is, it provides isolation of radiation in an unnecessary direction, variable thickness of the assembly, widening the bandwidth, reducing the sensitivity to assembly accuracy, expanding the possible field of application, and the possibility of using conventional materials for manufacturing printed circuit boards.
АнтеннаAntenna
Далее более подробно описываются примерные варианты осуществления антенн в предложенном устройстве.The following describes in more detail exemplary embodiments of antennas in the proposed device.
Антенна реализована на базе печатной платы и содержит по меньшей мере один согласующий элемент и резонансную структуру. Резонансная структура расположенная на верхнем и нижнем слоях для предотвращения обратного излучения. Согласующие элементы предназначены для уменьшения потерь, например, путем согласования антенны с беспроводным каналом, как показано выше. Антенна по меньшей мере частично размещается внутри волновода с резонансной структурой. Питание антенны может быть различным: с помощью микрополосковой линии, полосковой линии, SIW-волновода и другим. В случае использования SIW-волновода питание подается между резонансной структурой в средних слоях печатной платы.The antenna is implemented on the basis of a printed circuit board and contains at least one matching element and a resonant structure. Resonant structure located on the top and bottom layers to prevent back radiation. Matching elements are designed to reduce losses, for example, by matching the antenna to the wireless channel, as shown above. The antenna is at least partially housed within the resonant waveguide structure. Antenna power supply can be different: using a microstrip line, a strip line, SIW-waveguide and others. In the case of a SIW waveguide, power is supplied between the resonant structure in the middle layers of the PCB.
Переходя, в частности, к случаю использования SIW-волновода, он может быть заключен между двумя усеченными EBG-структурами. Для этого не все VIA усеченных EBG-структур должны соединяться между собой, а только крайние, с тем чтобы в полости между ними сформировать SIW-волновод, как показано в общем на Фиг. 3 и как более подробно показано на Фиг. 23A-23E. Такая антенна является частью печатной платы, и EBG-структура служит здесь в качестве изолятора обратного излучения. Обеспечивается высокоэффективное излучение в заданном направлении в беспроводном канале, и никакие внешние детали, помимо собственно печатной платы, которая содержит сразу все элементы, не требуются.Turning in particular to the case of using a SIW waveguide, it can be enclosed between two truncated EBG structures. For this, not all VIAs of truncated EBG structures should be connected to each other, but only the extreme ones, in order to form a SIW waveguide in the cavity between them, as shown generally in FIG. 3 and as shown in more detail in FIG. 23A-23E. This antenna is part of the printed circuit board, and the EBG structure serves here as a back-light insulator. Provides highly efficient radiation in a given direction in the wireless channel, and no external parts, except for the actual printed circuit board, which contains all the elements at once, are not required.
Авторы настоящего изобретения произвели моделирование данной компоновки предложенного устройства, в котором между основаниями размещены EBG-структуры, а между основаниями и EBG-структурами помещена антенна, которая, в свою очередь, содержит SIW-волновод, заключенный между усеченными EBG-структурами. Схематическое представление тестовой установки показано на Фиг. 24 с пояснениями в виде стрелок, как распространяется передаваемая волна, отраженная волна и как может происходить утечка. Смоделированный график показан на Фиг. 25. В частности, были получены следующие S-параметры: коэффициент потерь при передаче в рабочей полосе частот составил около -1 дБ, коэффициент потерь на отражение составил около -21 дБ, изоляция составила около -37 дБ. Как можно видеть, сигнал с минимальными потерями передается из антенны в беспроводной канал, то есть без высоких потерь на отражение и утечку, при том что согласование антенны не ухудшено, то есть EBG-структуры, встроенные в антенну, позволили дополнительно уменьшить утечку. Потери снизились до около 20% излучаемой мощности. Соответственно, предложенное устройство позволяет сосредоточить электромагнитное поле в беспроводном канале между антеннами, происходит изоляция излучения строго в заданном направлении и достигается повышение энергоэффективности.The authors of the present invention have simulated this arrangement of the proposed device, in which EBG structures are placed between the bases, and an antenna is placed between the bases and EBG structures, which, in turn, contains a SIW waveguide enclosed between truncated EBG structures. A schematic representation of the test setup is shown in FIG. 24 with arrow explanations of how the transmitted wave propagates, the reflected wave propagates, and how leakage can occur. A simulated graph is shown in FIG. 25. In particular, the following S-parameters were obtained: the transmission loss ratio in the operating frequency band was about -1 dB, the return loss ratio was about -21 dB, the isolation was about -37 dB. As you can see, the signal is transmitted from the antenna to the wireless channel with minimal loss, that is, without high reflection and leakage losses, while the antenna matching is not degraded, that is, the EBG structures built into the antenna made it possible to further reduce the leakage. The losses have been reduced to about 20% of the radiated power. Accordingly, the proposed device makes it possible to concentrate the electromagnetic field in the wireless channel between the antennas, the radiation is isolated strictly in a given direction, and an increase in energy efficiency is achieved.
Как указывалось выше, возможны и другие реализации антенны. Например, антенна может содержать интегрированную в печатную плату свернутую патч-антенну, которая запитывается микрополосковым волноводом (Фиг. 26). Диаграмма излучения такой антенны показана на Фиг. 27, а график S-параметров - на Фиг. 28.As indicated above, other antenna implementations are possible. For example, the antenna may comprise a coiled patch antenna integrated into a printed circuit board and powered by a microstrip waveguide (FIG. 26). The radiation pattern of such an antenna is shown in FIG. 27, and the S-parameter graph is in FIG. 28.
В другом варианте осуществления антенна может содержать интегрированную в печатную плату дипольную антенну, а именно, размещенную на краю печатной платы (Фиг. 29). Диаграмма излучения такой антенны показана на Фиг. 30, а график S-параметров - на Фиг. 31.In another embodiment, the antenna may comprise a dipole antenna integrated into the printed circuit board, namely located at the edge of the printed circuit board (FIG. 29). The radiation pattern of such an antenna is shown in FIG. 30, and the S-parameter plot is in FIG. 31.
Возможен также вариант осуществления, в котором первая антенна 120 и по меньшей мере часть (например, половина) EBG-структур 113 боковых стенок волновода составляют единую EBG-структуру в рамках единой печатной платы. Аналогичным образом, в единую печатную плату может быть встроена и вторая антенна 121 и по меньшей мере часть (например, другая половина) EBG-структур 113 боковых стенок волновода. Еще в одном варианте антенна вместе с обеими боковыми стенками целиком встроена в одну печатную плату, а другая антенна стыкуется с этой конструкцией для образования беспроводного канала. В таких случаях дополнительно упрощается изготовление предложенного устройства.An embodiment is also possible in which the
Выше в данном документе описывались только примеры, в которых антенны расположены в волноводе таким образом, что ось излучения параллельна основаниям. Однако возможны также и варианты осуществления, в которых антенны расположены в волноводе таким образом, что ось излучения перпендикулярна основаниям.Above in this document, only examples have been described in which the antennas are located in the waveguide in such a way that the radiation axis is parallel to the bases. However, embodiments are also possible in which the antennas are located in the waveguide in such a way that the radiation axis is perpendicular to the bases.
В частности, антенны 120 и 121 могут располагаться друг над другом - например, в разных модулях, как показано на Фиг. 33-36.In particular,
При этом резонансные структуры (EBG-структуры 113), ограничивающие излучение, могут являться отдельными элементами и располагаться по краям от антенн между двумя модулями с воздушным зазором между EBG-структурами и основаниями (Фиг. 33).In this case, the resonant structures (EBG structures 113), limiting the radiation, can be separate elements and are located at the edges of the antennas between two modules with an air gap between the EBG structures and the bases (Fig. 33).
В другом варианте осуществления EBG-структуры 113 интегрированы в те же платы 130 и 131, в которых реализованы антенны 120 и 121, и охватывают эти антенны, а расстояние между EBG-структурами таково, чтобы обеспечить передачу и не допустить утечку (Фиг. 34).In another embodiment,
В другом варианте осуществления EBG-структуры 113 интегрированы в те же платы 130 и 131, в которых реализованы антенны 120 и 121, и охватывают эти антенны. Второй модуль покрыт земляным слоем 190, который служит в качестве одного из оснований для EBG-структуры первого модуля, а расстояние между EBG-структурой первого модуля и внешним земляным слоем второго модуля таково, чтобы обеспечить передачу и не допустить утечку (Фиг. 35).In another embodiment,
В другом варианте осуществления EBG-структуры 113 интегрированы в те же платы 130 и 131, в которых реализованы антенны 120 и 121, и охватывают эти антенны. Между EBG-структурами дополнительно имеется промежуточная проводящая пластина 191, содержащая вырез в области беспроводного канала (Фиг. 36A, 36B).In another embodiment,
Выше в данном документе описывались по умолчанию примеры, в которых через беспроводной канал передается один тип волны. Однако предложенное устройство является настолько универсальным, что позволяет передавать и принимать через беспроводной канал два типа волны, перпендикулярных друг другу (Фиг. 37). Расстояние между основаниями волновода должно быть достаточно для распространения дополнительных мод. При этом обеспечивается высокая изоляция между модами, что позволяет передавать и получать данные одновременно, то есть в дуплексном режиме.Above in this document, the default examples were described in which one type of wave is transmitted over the wireless channel. However, the proposed device is so versatile that it allows two types of waves to be transmitted and received via a wireless channel, perpendicular to each other (Fig. 37). The distance between the bases of the waveguide must be sufficient for the propagation of additional modes. At the same time, high isolation between modes is provided, which allows you to transmit and receive data simultaneously, that is, in full duplex mode.
Как указывалось выше, размеры, форма и расположение проводящих участков ячеек EBG-структуры выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. Проводящие участки ячеек EBG-структуры могут быть выполнены в форме восьмиугольника, квадрата, круга, треугольника и т.д. Проводящие участки не обязательно должны быть центрированы относительно VIA и могут быть смещены. Принципы формирования размеров структуры электромагнитного кристалла с запрещенной зоной известны специалистам в данной области техники и не являются предметом данного изобретения. Основным требованием является лишь то, что структура должна быть периодической. Решетка при этом может быть квадратной, прямоугольной, треугольной и т.п. Таким образом, обеспечивается гибкость размещения ячеек и простая адаптация волновода ко внутренним структурам устройства, в котором он должен применяться, а также удобная регулировка требуемых электрических характеристик.As indicated above, the size, shape and location of the conductive sections of the EBG cells are selected according to the requirements of a particular application. The conductive sections of the cells of the EBG structure can be made in the form of an octagon, square, circle, triangle, etc. The conductive sections do not need to be centered with respect to the VIA and can be offset. The principles of sizing the structure of an electromagnetic crystal with a band gap are known to those skilled in the art and are not the subject of this invention. The main requirement is only that the structure must be periodic. In this case, the lattice can be square, rectangular, triangular, etc. Thus, the flexibility of the placement of the cells and the simple adaptation of the waveguide to the internal structures of the device in which it is to be used, as well as the convenient adjustment of the required electrical characteristics are provided.
При необходимости любые из раскрытых в настоящем изобретении EBG-структур могут быть наложены слоями друг на друга. В таком случае их может разделять промежуточный земляной слой (Фиг. 38).If desired, any of the EBG structures disclosed in the present invention can be layered on top of each other. In this case, they can be separated by an intermediate earth layer (Fig. 38).
Полезный эффектUseful effect
Таким образом, устройство для передачи сигналов согласно настоящему изобретению обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известным уровнем техники. В частности, оно обеспечивает беспроводной канал с повышенной энергоэффективностью, пониженной утечкой высокочастотной мощности, а также упрощение сборки и изготовления. Скорость передачи данных увеличена до 2 Гбит/с и более (экспериментальные тесты показывают, что можно передавать данные со скоростью 2,3 Гбит/с без значительного джиттера). Геометрия устройства является более устойчивой к механическим перекосам. Внешнее экранирование не требуется. Минимальное расстояние между платами уменьшено и составляет менее 1 мм. Обеспечивается повышенная надежность контактов и сниженные требования к технологическим допускам за счет использования бесконтактной механики. При этом не требуется управление лучом. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает упрощенную интеграцию с технологиями печатных плат, расширение рабочей полосы частот, увеличение компактности и возможность варьирования размерами устройства, отсутствие необходимости гальванического соединения между элементами устройства. Предложенное устройство является масштабируемым, компактным и широкополосным и обладает малыми потерями и может успешно использоваться для приложений в миллиметровом и в суб-ТГц диапазонах.Thus, the signal transmission apparatus according to the present invention provides many advantages over the prior art. In particular, it provides a wireless channel with improved energy efficiency, reduced RF power leakage, and simplified assembly and fabrication. The data transfer rate has been increased to 2 Gbps or more (experimental tests show that it is possible to transfer data at 2.3 Gbps without significant jitter). The geometry of the device is more resistant to mechanical distortion. No external shielding required. The minimum distance between the boards is reduced to less than 1 mm. Provides increased contact reliability and reduced requirements for technological tolerances due to the use of non-contact mechanics. This does not require beam steering. In addition, the present invention provides a simplified integration with PCB technologies, an increase in the operating frequency band, an increase in compactness and the ability to vary the size of the device, the absence of the need for a galvanic connection between the elements of the device. The proposed device is scalable, compact and broadband and has low losses and can be successfully used for applications in the millimeter and sub-THz ranges.
Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры устройства для передачи ВЧ-сигналов. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.It should be understood that this document shows the principle of construction and basic examples of an apparatus for transmitting RF signals. A person skilled in the art using these principles will be able to obtain other embodiments of the invention without any creative effort.
ПрименениеApplication
Устройство для передачи сигналов согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется передача ВЧ-сигналов на короткое расстояние, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц), для автомобильных радарных систем (24 ГГц, 79 ГГц), для связи на коротком расстоянии (60 ГГц), для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.The signal transmission device according to the present invention can be used in electronic devices that require transmission of RF signals over a short distance, for example, in the millimeter-wave range for mobile networks 5G (28 GHz), WiGig (60 GHz), Beyond 5G (60 GHz) ), 6G (sub-THz), for automotive radar systems (24 GHz, 79 GHz), for short-range communication (60 GHz), for smart home systems and other mm-range adaptive intelligent systems, for automotive navigation , for the Internet of Things (IoT), wireless charging, etc.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.It should be understood that while terms such as "first", "second", "third" and the like may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or sections, these elements, components , areas, layers and / or sections should not be limited by these terms. These terms are used only to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. Thus, a first element, component, region, layer, or section may be called a second element, component, region, layer, or section without departing from the scope of the present invention. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the respective listed positions. Elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless otherwise specified.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.The functionality of an item referred to in the specification or claims as a single item may be practiced by several device components, and vice versa, the functionality of items specified in the specification or claims as several separate items can be implemented in practice by a single component.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного устройства находятся в общем корпусе, могут быть размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.In one embodiment, the elements / blocks of the proposed device are located in a common housing, can be placed on the same frame / structure / printed circuit board and are connected to each other structurally by means of assembly (assembly) operations and functionally by means of communication lines. The mentioned lines or channels of communication, unless otherwise indicated, are standard communication lines known to those skilled in the art, the material implementation of which does not require creative efforts. The communication line can be a wire, a set of wires, a bus, a track, a wireless communication line (inductive, radio frequency, infrared, ultrasonic, etc.). Communication protocols over communication lines are known to those skilled in the art and are not specifically disclosed.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.The functional connection of elements should be understood as a connection that ensures the correct interaction of these elements with each other and the implementation of one or another functionality of the elements. Specific examples of functional communication can be communication with the ability to exchange information, communication with the ability to transmit electric current, communication with the ability to transmit mechanical movement, communication with the ability to transmit light, sound, electromagnetic or mechanical vibrations, etc. The specific type of functional relationship is determined by the nature of the interaction of these elements, and, unless otherwise indicated, is provided by widely known means using principles widely known in the art.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.The design of the elements of the proposed device is known to specialists in this field of technology and is not described separately in this document, unless otherwise indicated. The elements of the device can be made of any suitable material. These component parts can be manufactured using known methods, including, by way of example only, machining, investment casting, crystal growth. Assembly, joining, and other operations in accordance with the above description also correspond to the knowledge of a person skilled in the art and, therefore, will not be explained in more detail here.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.While exemplary embodiments have been described in detail and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are illustrative only and are not intended to limit the present invention, and that the present invention should not be limited to the specific arrangements and structures shown and described, since to a person skilled in the art, based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art, various other modifications and embodiments of the invention may be apparent without departing from the spirit and scope of the invention.
Claims (31)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020134900A RU2744994C1 (en) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | Wireless board-to-board connection for high speed data transfer |
KR1020210028200A KR20220054156A (en) | 2020-10-23 | 2021-03-03 | Wireless board-to-board interconnect for high rate wireless data transmission |
PCT/KR2021/004916 WO2022085881A1 (en) | 2020-10-23 | 2021-04-20 | Wireless board-to-board interconnect for high-rate wireless data transmission |
US17/235,278 US11870507B2 (en) | 2020-10-23 | 2021-04-20 | Wireless board-to-board interconnect for high-rate wireless data transmission |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020134900A RU2744994C1 (en) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | Wireless board-to-board connection for high speed data transfer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2744994C1 true RU2744994C1 (en) | 2021-03-18 |
Family
ID=74874417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020134900A RU2744994C1 (en) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | Wireless board-to-board connection for high speed data transfer |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20220054156A (en) |
RU (1) | RU2744994C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180108964A1 (en) * | 2016-10-17 | 2018-04-19 | The Regents Of The University Of California | Integrated antennas and phased arrays with mode-free electromagnetic bandgap materials |
WO2018209422A1 (en) * | 2017-05-15 | 2018-11-22 | Valorbec Societe En Commandite | Contactless air-filled substrate integrated waveguide devices and methods |
RU2696676C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-08-05 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Ridge waveguide without side walls on base of printed-circuit board and containing its multilayer antenna array |
RU2703604C1 (en) * | 2016-02-12 | 2019-10-21 | Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) | Transient device comprising a contactless transition or connection between siw and a waveguide or antenna |
-
2020
- 2020-10-23 RU RU2020134900A patent/RU2744994C1/en active
-
2021
- 2021-03-03 KR KR1020210028200A patent/KR20220054156A/en active Search and Examination
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703604C1 (en) * | 2016-02-12 | 2019-10-21 | Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) | Transient device comprising a contactless transition or connection between siw and a waveguide or antenna |
US20180108964A1 (en) * | 2016-10-17 | 2018-04-19 | The Regents Of The University Of California | Integrated antennas and phased arrays with mode-free electromagnetic bandgap materials |
WO2018209422A1 (en) * | 2017-05-15 | 2018-11-22 | Valorbec Societe En Commandite | Contactless air-filled substrate integrated waveguide devices and methods |
RU2696676C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-08-05 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Ridge waveguide without side walls on base of printed-circuit board and containing its multilayer antenna array |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
FREDERIC PARMENT, High performance multilayer Substrate Integrated Waveguide (SIW) technics for low-cost millimeter-wave circuits, Optics/Photonic, Universite Grenoble Alpes, 2016. * |
NHU-HUAN NGUYEN et al., Dielectric Slab Air-Filled Substrate Integrated. Waveguide (SAFSIW) Bandpass Filters, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.30, NO.4, April 2020. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20220054156A (en) | 2022-05-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11626652B2 (en) | Ridge gap waveguide and multilayer antenna array including the same | |
EP3867970B1 (en) | A contactless microstrip to waveguide transition | |
US20190007103A1 (en) | Integrated artificial magnetic launch surface for near field communication system | |
US6952143B2 (en) | Millimeter-wave signal transmission device | |
US20190007101A1 (en) | Launch Topology for Field Confined Near Field Communication System | |
KR101638678B1 (en) | Integrated circulator for phased arrays | |
WO2009142983A1 (en) | Broadband patch antenna and antenna system | |
KR20080023630A (en) | Communication system and communication apparatus | |
CN110098485A (en) | Small spacing micro-strip antenna array | |
US11870507B2 (en) | Wireless board-to-board interconnect for high-rate wireless data transmission | |
RU2744994C1 (en) | Wireless board-to-board connection for high speed data transfer | |
CN115764269A (en) | Holographic antenna, communication equipment and preparation method of holographic antenna | |
CN112467389B (en) | Electronic equipment | |
US20230178480A1 (en) | Wireless interconnect for high-rate data transfer | |
US10651524B2 (en) | Planar orthomode transducer | |
RU2782439C1 (en) | Wireless connection for high-speed data transmission | |
RU2802170C1 (en) | Ebg cells and antenna array containing ebg cells | |
RU2796642C1 (en) | Resonant mw termination integrated in a printed circuit board substrate | |
RU2780558C1 (en) | Data transmission/reception antenna embedded in a printed circuit board | |
RU2817507C1 (en) | Microwave signal power divider and antenna array | |
US20230178884A1 (en) | Printed circuit board integrated antenna for transmitting / receiving data | |
WO2023106860A1 (en) | Wireless interconnect for high-rate data transfer | |
CN220400877U (en) | Feed structure | |
Cui et al. | A Metallic 3D Printed Modularized Dual-Stopband AMC-Loaded Waveguide Slot Filtering Antenna. | |
US12003045B2 (en) | Wireless interconnect for high rate data transfer |