RU2754307C1 - Негальваническое соединение для планарных радиочастотных устройств - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к радиочастотной (РЧ) системе, включающей в себя планарные РЧ устройства, связанные друг с другом посредством негальванического соединения. Техническим результатом является снижение сложности и уменьшение размеров, а также повышение надежности и технологичности соединения между элементами РЧ системы. Технический результат достигается тем, что два планарных РЧ устройства отделены друг от друга слоем диэлектрика, причем каждое из РЧ устройств включает в себя множество расположенных на поверхности проводящих площадок, окруженных общим электродом, функционирующим в качестве заземленного металлического экрана, причем проводящие площадки первого РЧ устройства и проводящие площадки второго РЧ устройства обращены друг к другу, реализуя емкостную связь между проводящими площадками. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиочастотной (RF, РЧ) системе, включающей в себя два планарных радиочастотных устройства, связанных друг с другом посредством негальванического соединения.

Уровень техники

В настоящее время антенны миллиметрового диапазона длин волн находят все более широкое применение в различных областях, например, в системах связи новых и перспективных стандартов систем передачи данных, таких как 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (субтерагерцовый диапазон), в системах беспроводной передачи мощности на дальние расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24 ГГц), в автомобильных радарных устройствах (диапазоны 24 ГГц, 79 ГГц) и т.д.

Во всех упомянутых применениях к антенным решеткам предъявляются следующие требования, обеспечивающие возможность их массового производства и эксплуатации:

- точная сборка радиочастотной интегральной схемы (RFIC);

- низкие потери в соединениях;

- дешевая и компактная конструкция;

- простая процедура сборки;

- компактная система питания;

- высокая эффективность и т.д.

В существующих технологиях для осуществления соединения между RFIC и антенной решеткой (антенной) миллиметрового диапазона длин волн, а также для их монтажа на печатной плате используется гальванический контакт. Наиболее типичными примерами осуществления такого гальванического контакта являются BGA (ball grid array, массив шариков) и flip-chip (метод поверхностного монтажа). Технология flip-chip также известна как C4 (controlled collapse chip connection - соединение чипа методом самовыравнивающейся пайки).

BGA представляет собой тип корпусирования интегральных микросхем, монтируемых на несущую печатную плату (PCB, printed circuit board) с помощью технологий поверхностного монтажа.

Flip chip - это метод корпусирования интегральных схем, при котором кристалл микросхемы устанавливается на выводы, выполненные непосредственно на его контактных площадках.

Упомянутые технологии подвержены повреждениям гальванических соединений, например, между соединяемыми компонентами (RFIC и антенна или RFIC и PCB) вследствие вибраций, теплового расширения, механических напряжений и т.д. Кроме того, вследствие неточности в процессе сборки или вследствие неравномерного теплового расширения соединяемых компонентов при нагреве контактные площадки соединяемых компонентов могут быть смещены относительно друг друга. Это приводит к изменению параметров радиочастотного перехода между соединяемыми компонентами и к росту потерь, либо к полной неработоспособности полученного соединения. Таким образом, известные технологии демонстрируют недостаточную надежность и точность, особенно для СВЧ.

При этом стремление к повышению функциональности на единицу объема и массы оборудования диктует увеличение количества коммутационных выводов, снижение длины проводниковых трасс и уменьшение шага контактов, что опять-таки ведет к повышению требований к точности и надежности контактов между компонентами в радиочастотном оборудовании.

Другим недостатком упомянутых технологий является то, что после того как микросхема припаяна, очень тяжело определить дефекты пайки. Обычно применяют рентгеновские снимки или специальные микроскопы, которые были разработаны для решения данной проблемы, но они обладают высокой стоимостью.

Из уровня техники известна структура корпуса, раскрытая в документе US 20170345761 A1, включающая в себя первый кристалл, второй кристалл, третий кристалл, заливочный компаунд, первый перераспределительный слой, антенну и электропроводящие элементы. Первый кристалл, второй кристалл и третий кристалл залиты компаундом. Первый перераспределительный слой расположен на заливочном компаунде и электрически соединен с первым кристаллом, вторым кристаллом и третьим кристаллом. Антенна расположена на заливочном компаунде и электрически соединена с первым кристаллом, вторым кристаллом и третьим кристаллом, при этом электрическая длина тракта между первым кристаллом и антенной меньше или равно электрической длине тракта между вторым кристаллом и антенной и длине электрического тракта между третьим кристаллом и антенной. Электропроводящие элементы соединены с первым перераспределительным слоем, при этом первый перераспределительный слой расположен между проводящими элементами и заливочным компаундом. Гальванические соединения между интегральной схемой управления и печатной платой антенны в данном решении обладают чувствительностью к качеству их выполнения во время сборки, что может повлиять на работу устройства.

Решение, раскрытое в документе US 20090289869 A1, описывает антенную структуру для передачи электромагнитной энергии между кристаллом и элементом вне кристалла, включая первую резонансную структуру, расположенную на кристалле или внутри него. Первая резонансная структура имеет первую резонансную частоту. Антенная структура также включает в себя вторую резонансную структуру, расположенную на элементе вне кристалла или внутри него. Вторая резонансная структура имеет вторую резонансную частоту, по существу, такую же, как первая резонансная частота. Первая резонансная структура и вторая резонансная структура находятся в ближней зоне друг для друга, чтобы сформировать связанную антенную структуру, которая сконфигурирована для передачи электромагнитной энергии между кристаллом и элементом вне кристалла. Энергия электромагнитного поля передается на заданной длине волны в диапазоне длин волн от микроволн до субмиллиметровых волн. Негальваническое соединение между элементами в данном решении по существу представляет собой индуктивное соединение двух резонансных катушек, обладающее узким рабочим диапазоном частот. При этом данное решение не поддерживает работу в миллиметровом диапазоне длин волн.

Документ WO 2018/097556 A1 раскрывает антенное устройство, включающее в себя: антенную подложку, на которой размещена антенная решетка, включающая по меньшей мере один излучающий элемент; и крышку, отстоящую от антенной подложки по меньшей мере на заранее определенное расстояние и дополнительно включающую по меньшей мере один излучающий элемент, расположенный так, чтобы соответствовать упомянутому по меньшей мере одному излучающему элементу. Упомянутые излучающие элементы обладают достаточно большим размером, обеспечивающим излучение электромагнитных волн. Данное решение не решает проблему соединения RFIC и антенны и подвержено технологическим проблемам Flip-chip и BGA технологий.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в разработке технологии, обеспечивающей простое, надежное, технологичное негальваническое соединение между элементами РЧ системы, например, между радиочастотной интегральной микросхемой (RFIC) управления и антенной решеткой.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.

В соответствии с настоящим изобретением предложена радиочастотная система, включающая в себя два планарных радиочастотных устройства, отделенных друг от друга слоем диэлектрика, причем каждое из радиочастотных устройств включает в себя множество расположенных на поверхности проводящих площадок, окруженных общим электродом, функционирующим в качестве заземленного металлического экрана, причем проводящие площадки первого радиочастотного устройства и проводящие площадки второго радиочастотного устройства обращены друг к другу, реализуя емкостную связь между проводящими площадками и общими электродами, причем радиочастотная система выполнена с возможностью передачи сигнала между упомянутыми радиочастотными устройствами через проводящие площадки.

Согласно одному варианту осуществления РЧ системы первое радиочастотное устройство включает в себя первую печатную плату, содержащую часть РЧ тракта РЧ системы, причем упомянутая часть РЧ тракта включает в себя линии передачи, соединенные с проводящими площадками посредством металлизированных отверстий (VIA), а также соединенные с общим электродом.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы второе радиочастотное устройство включает в себя вторую печатную плату, содержащую другую часть РЧ тракта РЧ системы, причем упомянутая другая часть РЧ тракта включает в себя линии передачи, соединенные с проводящими площадками посредством металлизированных отверстий (VIA), а также соединенные с общим электродом.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы первое радиочастотное устройство содержит антенную решетку, а второе радиочастотное устройство содержит радиочастотную интегральную микросхему (RFIC) управления.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы VIA смещены относительно центра проводящих площадок.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы VIA первого радиочастотного устройства смещены относительно VIA второго радиочастотного устройства.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы на конце линии передачи, контактирующем с VIA, реализован согласующий трансформатор.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы согласующий трансформатор представляет собой четвертьволновой трансформатор, выполненный в виде концевого участка линии передачи, имеющего ширину, превышающую ширину остальной части линии передачи.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы проводящие площадки первого радиочастотного устройства и проводящие площадки второго радиочастотного устройства совмещены относительно друг друга.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы линия передачи реализована в виде одного из следующей группы: симметричная микрополосковая линия, несимметричная микрополосковая линия, коаксиальная линия, интегрированный в подложку волновод, волновод с диэлектрическим заполнением и без него, копланарная линия, заземленная копланарная линия.

Согласно другому варианту осуществления РЧ система дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную печатную плату, расположенную между первым и вторым радиочастотным устройством, причем упомянутая по меньшей мере одна дополнительная печатная плата содержит на обеих своих поверхностях проводящие площадки, которые располагаются над проводящими площадками первого и второго радиочастотных устройств, причем проводящие площадки на противоположных поверхностях упомянутой по меньшей мере одной дополнительной печатной платы соединены между собой посредством VIA и линий передачи.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы радиочастотные устройства отделены друг от друга слоем воздуха, причем зазор между радиочастотными устройствами обеспечен посредством проставок.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы проставки выполнены из диэлектрического материала.

Согласно другому варианту осуществления РЧ системы радиочастотные устройства отделены друг от друга слоем твердого диэлектрического материала.

Настоящее изобретение обеспечивает простое, компактное, надежное, эффективное и технологичное негальваническое соединение элементов РЧ системы, имеющее широкую рабочую полосу частот.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

На фиг. 1 изображено поперечное сечение РЧ системы в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 изображено (а) поперечное сечение фрагмента РЧ системы в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, включающего в себя по одной проводящей площадке на каждой из печатных плат, и (б) направление распространения сигнала в упомянутом фрагменте.

На фиг. 3 изображена эквивалентная схема фрагмента РЧ системы, изображенного на фиг. 2а.

На фиг. 4 схематично изображены емкостные связи между компонентами единичного перехода РЧ системы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 изображены возможные варианты геометрической формы проводящих площадок и расположения VIA.

Подробное описание

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Настоящее изобретение, в сущности, представляет замену гальваническому контакту между двумя планарными радиочастотными устройствами (например, между печатной платой антенны и несущей управляющей печатной платой с RFIC).

В общем случае настоящее изобретение представляет собой РЧ систему, состоящую из двух планарных радиочастотных устройств, связанных друг с другом посредством негальванического соединения. В данном изобретении описан переход между частями РЧ тракта, выполненными на двух планарных структурах, которые могут быть изготовлены по разным технологиям. В различных примерных вариантах осуществления настоящего изобретения РЧ система может представлять собой одно из следующего:

- соединение частей антенного тракта, которые с конструктивной точки зрения целесообразно выполнять на различных платах;

- соединение антенной решетки и системы фазового управления элементами;

- соединение элементов распределения мощности (делителей) и системы излучателей, выполненных по разным технологиям, и т.д.

В соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения, изображенным на фиг.1, РЧ система представляет собой антенное устройство (1) и включает в себя две печатные платы (2, 3), отделенные друг от друга слоем диэлектрика, причем первая печатная плата (2) содержит часть РЧ тракта системы и антенный излучатель или систему нескольких антенных излучателей (антенную решетку) (4), а вторая печатная плата (3) содержит другую часть РЧ тракта системы и управляющую микросхему RFIC (5). Обе печатные платы (2, 3) включают в себя несколько расположенных на поверхности проводящих площадок (6), окруженных общим электродом, причем проводящие площадки первой печатной платы (2) и проводящие площадки второй печатной платы (3) расположены напротив и обращены друг к другу, т.е. проводящие площадки (6) и общий электрод печатной платы (2) располагаются над соответствующими проводящими площадками (6) общим электродом печатной платы (3). Таким образом упомянутые проводящие площадки (6) и общие электроды реализуют емкостную связь друг с другом. При этом проводящие площадки первой печатной платы (2) соединены с РЧ трактом первой печатной платы (2) посредством переходных металлизированных отверстий (VIA) (7) и проводящие площадки (6) второй печатной платы (3) аналогичным образом соединены с РЧ трактом второй печатной платы (3) посредством VIA (7) и в итоге образуют единый РЧ тракт. Таким образом, сигнал к проводящим площадкам (6) и от них передается через VIA (7).

В соответствии с упомянутым примерным вариантом осуществления изобретения данный негальванический переход выполнен с возможностью работать в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Зазор между печатными платами может быть обеспечен посредством проставок (спейсеров) и заполнен воздухом. Проставки могут иметь любую форму, позволяющую обеспечивать необходимую величину зазора. Проставки могут быть выполнены из диэлектрического материала и размещены в любом месте между упомянутыми печатными платами. Альтернативно, проставки могут быть выполнены из проводящего материала и должны располагаться на расстоянии от проводящих площадок. В дальнейшем зазор между печатными платами (и другие компоненты устройства) может быть залит компаундом для защиты от внешних воздействий. В альтернативном варианте осуществления зазор между печатными платами может быть выполнен в виде твердого диэлектрического материала, который также может выполнять связующую функцию между печатными платами. В соответствии с настоящим изобретением слой диэлектрика между печатными платами предотвращает гальванический контакт между частями РЧ тракта системы, и таким образом настоящее изобретение позволяет избежать недостатков, присущих такому гальваническому соединению.

Наилучшие характеристики перехода в соответствии с настоящим изобретением (минимальные потери, максимальная рабочая полоса) будут обеспечиваться при минимальной величине зазора, которую можно обеспечить технологически. Это обеспечит максимальную емкость и минимальный импеданс в переходе. В случае воздушного заполнения зазора его высота не должна превышать половину диаметра или половину максимального продольного размера проводящей площадки, что обеспечит электрическую емкость между площадками достаточную для возможности согласования в полосе частот; в случае заполнения диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε>1, высота зазора может быть увеличена.

На фиг. 2а изображено поперечное сечение фрагмента РЧ системы в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, включающего в себя по одной проводящей площадке на каждой из печатных плат, т.е. поперечное сечение единичного негальванического перехода в РЧ системе. Проводящая площадка (62) на поверхности первой печатной платы (2) находится над проводящей площадкой (63) на поверхности второй печатной платы (3). Проводящая площадка (62) на поверхности первой печатной платы (2) окружена общим электродом (92) и отделена от него некоторым зазором. Проводящая площадка (63) на поверхности второй печатной платы (3) окружена общим электродом (93) и отделена от него некоторым зазором. При этом проводящая площадка (62) соединена посредством VIA (72) и линии передачи (82) с первым портом, откуда поступает сигнал в настоящем примерном варианте осуществления. Аналогичным образом проводящая площадка (63) соединена посредством VIA (73) и линии передачи (83) со вторым портом, куда передается сигнал.

Стоит отметить, что VIA (72) и VIA (73) на фиг. 2а смещены относительно друг друга. В альтернативном варианте осуществления они могут быть совмещены.

Сами проводящие площадки (62, 63) могут быть совмещены относительно друг друга (например, расположены соосно), либо могут быть расположены со смещением относительно друг друга.

Поверхности печатных плат разделены слоем диэлектрика и не имеют гальванического соединения, таким образом, формируя негальваническое РЧ соединение.

Интерфейс соединения на фиг. 2а содержит в каждой из печатных плат линию передачи, общий электрод, согласующий трансформатор (описан далее), VIA между линией передачи и слоем сигнального электрода и проводящую площадку. Проводящие площадки на каждой печатной плате представляют собой связанные емкостным образом электроды.

На фиг. 2а линия передачи представляет собой симметричную передающую линию, выполненную между двумя заземленными слоями металлизации. В общем случае линия передачи может быть любого типа (описано далее).

Каждое сигнальное VIA окружено дополнительными экранирующими VIA, соединяющими заземленные слои металлизации, что предотвращает распространение паразитного излучения (утечки) в подложке.

На фиг. 2б изображено направление распространения сигнала во фрагменте антенного устройства, изображенного на фиг. 2а, а также распределение электромагнитного поля в упомянутом фрагменте. Как изображено на фиг. 2б посредством прерывистой линии, сигнал распространяется от первого порта через линию передачи (82), VIA (72), проводящую площадку (62), слой диэлектрика, проводящую площадку (63), VIA (73) и линию передачи (83) во второй порт. При этом передача сигнала осуществляется с минимальными потерями. Стоит отметить, что сигнал аналогичным образом может передаваться в обратном направлении.

На фиг. 3 изображена эквивалентная схема фрагмента РЧ системы, изображенного на фиг. 2а.

На фиг. 3 L1 и L2 обозначают индуктивность VIA и участка линии передачи в первой печатной плате и второй печатной плате, соответственно, C_pad представляет емкость между двумя проводящими площадками, C_GND представляет емкость в зазоре между общими электродами вокруг проводящих площадок, расположенными на первой печатной плате и второй печатной плате, соответственно, R_утечки - сопротивление утечки излучения в слое диэлектрика.

L1 и L2 могут регулироваться посредством выбора диаметра VIA и ширины участка линии передачи.

Большая площадь (а, следовательно, и емкость) заземления предотвращает утечку электромагнитной мощности из соединения в зазор между поверхностями печатных плат.

Для надлежащего функционирования заявляемой системы во фрагменте, изображенном на фиг. 2а, должно соблюдаться условие резонанса с необходимой центральной частотой. Параметры компонентов, входящих в упомянутый фрагмент, подбираются с учетом этого условия.

Математическое моделирование 1.

Авторами настоящего изобретения было проведено математическое моделирование работы единичного перехода в соответствии с настоящим изобретением для передачи сигнала с частотой 140 ГГц (соответствует возможному диапазону частот для стандарта связи 6G). В соответствии с исходными данными для моделирования VIA в противоположных печатных платах расположены по центру проводящей площадки (т.е. находятся напротив друг друга), зазор шириной 50 мкм между печатными платами заполнен диэлектрическим материалом с ε=2,25. Моделирование показало, что потери сигнала в упомянутом переходе составляют около 1,2 дБ, а относительная рабочая полоса частот перехода составляет около 15%. Относительная рабочая полоса частот вычисляется как отношение ширины рабочего диапазона частот к центральной частоте диапазона ΔF/F₀.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет реализовать негальваническое соединение между управляющим компонентом и антенной решеткой, а, следовательно, повысить надежность, эффективность и технологичность антенного устройства, снизить сложность и длительность процесса сборки, что благоприятно влияет на стоимость полученного устройства. Антенное устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет широкую рабочую полосу частот, компактные размеры и сниженные потери.

Стоит отметить, что расположение VIA относительно соответствующей проводящей площадки влияет на распределение электромагнитного поля в каждом переходе. Например, если длина периметра площадки составит порядка половины длины волны щелевой линии (проводящая площадка и общий электрод являются электродами), то свойства перехода нагруженного такой щелевой линией резко изменяются вследствие возможного преобразования открытого перехода в замкнутый по линии передачи с такой электрической длиной (половина длины волны периметра в силу симметрии нагрузит порт двумя отрезками по ¼ длины волны), что эффективно нагрузит подводящую линию низким сопротивлением и приведет к рассогласованию. Также возможны более сложные эффекты, обусловленные тем, что в структуре полного перехода будет линия с 4 электродами (2 щелевые линии, разделенные воздушным зазором), а добиться геометрической симметрии структуры (симметрии относительно оси нормальной к плоскости электродов) практически невозможно, что может привести к возбуждению различных типов волн в такой структуре.

Среди многообразия возможных вариантов взаимного расположения VIA в переходе следует выделить следующие варианты:

- оба VIA смещены в противоположных направлениях;

- оба VIA расположены по центру;

- оба VIA смещены в одном направлении.

Математическое моделирование 2.

Авторами настоящего изобретения дополнительно было проведено математическое моделирование работы единичного перехода в соответствии с настоящим изобретением в полосах частот V (40-75 ГГц) и W (75-110 ГГц). Единичный переход в данном моделировании отличается от единичного перехода, моделируемого в описанном выше математическом моделировании 1, тем, что VIA смещены в противоположных направлениях. Моделирование показало, что потери сигнала в таком переходе также составляют около 1,2 дБ, при этом относительная рабочая полоса частот перехода составляет более 40%.

Математическое моделирование 3.

Дополнительно проводилось моделирование различных вариантов расположения линий передачи и смещения VIA в переходе. Моделировались следующие ситуации, не исключающие других положений VIA и линий передачи относительно перехода:

- 2 линии передачи расположены с противоположных сторон перехода, 2 VIA смещены в противоположные стороны перехода,

- 2 линии передачи расположены с одной стороны перехода, 2 VIA смещены в ту же сторону перехода,

- 2 линии передачи расположены с одной стороны перехода, 2 VIA расположены по центру,

- 2 линии передачи расположены с одной стороны перехода, 2 VIA смещены на противоположную сторону.

Моделирование показало значительное влияние положения VIA на s-параметры перехода. В соответствии с пояснениями, приведенными выше, наихудшее согласование соответствует расположению VIA и подводящих линий с одной стороны площадки, когда ненагруженная сторона перехода рассогласует порты перехода через четвертьволновые отрезки, а наилучшее соответствует расположению VIA и линий передачи на противоположных сторонах перехода, когда один из портов нагружает линию и ее импеданс на противоположном конце увеличивается и перестает рассогласовывать противоположный порт.

Однако, геометрия конкретного разрабатываемого перехода (выбранные материалы печатных плат, размеры элементов переходов, типы используемых линий передачи) может отразиться на его параметрах и параметры смещения VIA могут давать отличные результаты, от описанных выше.

Дополнительно стоит учитывать, что в месте разрыва сигнальной линии в переходе возникает паразитная емкость C_p между сигнальной линией и заземлением (см. фиг. 4). Это приводит к снижению импеданса перехода. Для компенсации снижения импеданса на конце сигнальной линии и повышения упомянутого импеданса до первоначального значения импеданса Z_in и Z_out на входном и выходном порте, соответственно, требуется согласующий трансформатор (согласующий элемент) на конце линии передачи. В примерном варианте осуществления согласующий трансформатор представляет собой четвертьволновой трансформатор в виде концевого участка линии передачи, имеющего ширину, превышающую ширину остальной части линии передачи. Таким образом, VIA соединено с упомянутым четвертьволновым трансформатором, являющимся конечной частью линии передачи. Введение трансформатора позволяет согласовать переход с импедансом линии передачи (например, 50 Ом), что делает этот переход универсальным и позволяет использовать его в любой точке антенного тракта.

Согласующий трансформатор лучше всего располагать ближе к переходу. VIA и проводящая площадка также могут подстраивать импеданс перехода. Однако в большинстве дизайнов (например, для диапазона частот ~60ГГц) это удобнее делать с помощью согласующего трансформатора в линии передачи, так как диаметр VIA выбирается из стандартных значений сверла и может оказаться больше или меньше нужных значений.

В альтернативном варианте осуществления настоящее изобретение может быть применено к архитектуре типа «антенна на кристалле» (“Antenna-on-chip”). В таком случае антенна располагается непосредственно на кристалле управляющего компонента. Т.е. вместо второй печатной платы, содержащей управляющий компонент, в данном варианте осуществления используется непосредственно сам кристалл управляющего компонента. На кристалле формируются проводящие площадки, которые при сборке соосно располагаются над проводящими площадками первой печатной платы, содержащей антенную решетку. Это позволяет еще более упростить конструкцию антенного устройства.

В настоящем изобретении могут применяться различные формы проводящих площадок и различные варианты расположения VIA относительно них в зависимости от конструктивных, функциональных и иных требований к антенному устройству. Несколько примерных вариантов форм проводящих площадок и положений VIA изображены на фиг. 5.

Кроме того, стоит отметить, что линия передачи в соответствии с настоящим изобретением может быть реализована в виде одного из следующей группы: симметричная микрополосковая линия (как раскрыто в описанных выше вариантах осуществления), несимметричная микрополосковая линия, коаксиальная линия, интегрированный в подложку волновод (Substrate integrated waveguide, SIW), волновод с диэлектрическим заполнением и без него, копланарная линия, заземленная копланарная линия и т.д.

Возможен вариант, когда линия передачи отсутствует, например, когда вывод RFIC представляет собой непосредственно проводящую площадку.

Элементы, входящие в единичный переход на каждой печатной плате (линия передачи, VIA, проводящая площадка), могут иметь отличающиеся размеры.

В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления РЧ система может иметь по меньшей мере одну дополнительную печатную плату, расположенную между первой и второй печатными платами, причем упомянутая по меньшей мере одна дополнительная печатная плата содержит на обеих своих поверхностях проводящие площадки, которые совмещаются соответственно с проводящими площадками первой и второй печатной платы. Проводящие площадки на противоположных поверхностях упомянутой по меньшей мере одной дополнительной печатной платы соединены между собой посредством VIA и линии передачи. Компоновка проводящих площадок, VIA и линий передачи в упомянутой по меньшей мере одной дополнительной печатной плате аналогична компоновке этих элементов, используемой в первой и второй печатных платах. Такое решение позволяет расширить возможности адаптации заявляемого антенного устройства к различным конструкторским, функциональным и иным требованиям на стадии разработки и производства.

Математическое моделирование 4.

Дополнительно авторами настоящего изобретения было смоделировано взаимное влияние двух соседних единичных переходов в соответствии с настоящим изобретением друг на друга. При шаге между соседними единичными переходами равном 1 мм в диапазонах волн V и W коэффициент связи между соседними переходами составляет менее -23 дБ. При шаге между соседними единичными переходами равном 0,6 мм для рабочей частоты 140 ГГц коэффициент связи составляет менее -26 дБ. Такие результаты позволяют сделать вывод о возможности применения массива таких переходов для передачи сигналов.

Математическое моделирование 5.

Также дополнительно было проведено моделирование устойчивости характеристик описанного перехода при изменении некоторых его геометрических параметров, таких как изменение высоты зазора и смещение печатных плат (а также проводящих площадок) друг относительно друга. Такие изменения неизбежно возникают в результате ограниченной точности изготовления печатных плат и сборки. Обычно производитель гарантирует точность лучше 10% на соблюдение заданной толщины слоев (соблюдения толщины проставок) и, например, точность вытравливания проводящих площадок переходных металлизированных отверстий. Эти параметры были проверены при моделировании.

Моделирование работы перехода в полосе 57-71ГГц при смещении первой печатной платы относительно второй печатной платы на 10% относительно размера проводящих площадок для случаев смещения вдоль и поперек питающих линий показало, что эта полоса остается рабочей даже при указанном смещении плат относительно друг друга. Учитывая широкополосность описываемого перехода, стоит отметить, что для некоторых систем такое смещение (или даже большее 10% относительно размера проводящих площадок в зависимости от требуемой рабочей полосы устройства) может быть специально заложено в конструкцию перехода.

Моделирование работы описанного перехода при изменении высоты зазора на 20% относительно заданной высоты показало, что полоса согласования перехода остается стабильной при таких изменениях.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простое, компактное, надежное, эффективное и технологичное антенное устройство, имеющее широкую рабочую полосу частот.

Настоящее изобретение может использоваться в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G, WiGig, Beyond 5G, 6G и т.д.

При использовании в радарных устройствах в робототехнике и в автономных транспортных средствах можно использовать предложенное устройство для обнаружения/избежания препятствий.

Настоящее изобретение также может найти применение в системах беспроводной передачи мощности, таких как LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях.

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.

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.

В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютере либо комбинации вышеозначенного.

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 более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации раскрытые в различных частях описания могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Claims (13)

1. Радиочастотная система, включающая в себя два планарных радиочастотных (РЧ) устройства, отделенных друг от друга слоем диэлектрика, причем каждое из радиочастотных устройств включает в себя множество расположенных на поверхности проводящих площадок, окруженных общим электродом, функционирующим в качестве заземленного металлического экрана, причем проводящие площадки первого радиочастотного устройства и проводящие площадки второго радиочастотного устройства обращены друг к другу, реализуя емкостную связь между проводящими площадками и общими электродами, причем радиочастотная система выполнена с возможностью передачи сигнала между упомянутыми радиочастотными устройствами через проводящие площадки,

причем каждое из радиочастотных устройств включает в себя печатную плату, содержащую часть РЧ тракта РЧ системы, причем упомянутая часть РЧ тракта включает в себя линии передачи, соединенные с проводящими площадками посредством металлизированных отверстий (VIA), а также соединенные с общим электродом, и

VIA первого радиочастотного устройства смещены относительно VIA второго радиочастотного устройства или VIA первого радиочастотного устройства совмещены с VIA второго радиочастотного устройства.

2. Радиочастотная система по п. 1, в которой первое радиочастотное устройство содержит антенную решетку, а второе радиочастотное устройство содержит радиочастотную интегральную микросхему (RFIC) управления.

3. Радиочастотная система по п. 1 или 2, в которой VIA смещены относительно центра проводящих площадок.

4. Радиочастотная система по любому из пп. 1-3, в которой на конце линии передачи, контактирующем с VIA, реализован согласующий трансформатор.

5. Радиочастотная система по п. 4, в которой согласующий трансформатор представляет собой четвертьволновой трансформатор, выполненный в виде концевого участка линии передачи, имеющего ширину, превышающую ширину остальной части линии передачи.

6. Радиочастотная система по любому из предыдущих пунктов, в которой проводящие площадки первого радиочастотного устройства и проводящие площадки второго радиочастотного устройства совмещены относительно друг друга.

7. Радиочастотная система по любому из пп. 1-6, в которой линия передачи реализована в виде одного из следующей группы: симметричная микрополосковая линия, несимметричная микрополосковая линия, коаксиальная линия, интегрированный в подложку волновод, волновод с диэлектрическим заполнением и без него, копланарная линия, заземленная копланарная линия.

8. Радиочастотная система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая по меньшей мере одну дополнительную печатную плату, расположенную между первым и вторым радиочастотным устройством, причем упомянутая по меньшей мере одна дополнительная печатная плата содержит на обеих своих поверхностях проводящие площадки, которые совмещаются соответственно с проводящими площадками первого и второго радиочастотных устройств, причем проводящие площадки на противоположных поверхностях упомянутой по меньшей мере одной дополнительной печатной платы соединены между собой посредством VIA и линий передачи.

9. Радиочастотная система по п. 1, в которой радиочастотные устройства отделены друг от друга слоем воздуха, причем зазор между радиочастотными устройствами обеспечен посредством проставок.

10. Радиочастотная система по п. 9, в которой проставки выполнены из диэлектрического материала.

11. Радиочастотная система по п. 1, в которой радиочастотные устройства отделены друг от друга слоем твердого диэлектрического материала.

Images