TW202331752A - 自支撐帶線結構 - Google Patents

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Abstract

用於包括具有複數個短截線的中心導體的自支撐帶線結構的方法和設備。相對的第一接地平面和第二接地平面形成中心導體所位於的空腔。相對的第一橫向結構和第二橫向結構包圍空腔側部。該等短截線中的第一個連接到第一橫向結構以將中心導體在空腔內固定就位。

Description

自支撐帶線結構
本發明關於自支撐帶線結構。
如本領域已知的，存在多種連接技術來將一個電子部件互連到另一個。示例連接類型包括同軸電纜、帶線、微帶線、波導等。每種連接類型都基於各種參數(例如工作頻率、連接長度、成本、尺寸、功率處理等)而各有優缺點。
隨著對更高頻率的需求增加，互連可成為限制因素。例如，隨著主動電性掃描陣列(Active Electronically Scanned Arrays；AESA)工作頻率的增加和整體封裝尺寸的減小，互連可變成為封裝整體尺寸的重要考慮因素。已經嘗試盡可能地縮小電纜尺寸，這會變得更有損耗並降低功率處理能力。縮小連接器尺寸可能會增加損耗，但也可能會保持相對較大。整合波導可提供一些優勢，但體積相對較大。
本公開的示例實施例提供了用於帶線配置的方法和設備，其由連接到橫向基板的一系列短截線自支撐，其也實現期望的頻率性能特性。藉由這種佈置，帶線結構可以在多個頻帶中表現良好，並且比波導小得多。在一些實施例中，自支撐帶線實施例可以整合到消除針對電纜需要的現有結構中。此外，帶線短截線可以改善針對組件的散熱特性。
在一個態樣中，一種系統，包含：帶線結構，包含：具有複數個短截線的中心導體；形成空腔的相對的第一接地平面和第二接地平面，其中該中心導體位於該空腔中；以及相對的第一橫向結構和第二橫向結構，其中該第一橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第一側並且該第二橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第二側，其中該等短截線中的第一個連接到該第一橫向結構，以將該中心導體在該空腔內固定就位。
一種系統更可以包括以下特徵中的一個或多個：該等短截線中的該第一個電連接到該第一橫向結構，該等短截線中的第二個連接到該第二橫向結構以將該中心導體在該空腔內固定就位，該等短截線中的該第二個電連接到該第二橫向結構，該第一接地平面和該第二接地平面以及該第一橫向結構和該第二橫向結構包含相同的材料，該材料是鋁，該帶線結構是鑄造的，該帶線結構被印刷，該空腔中的電介質材料是空氣，該等短截線的數量、該等短截線的位置和該等短截線的幾何形狀確定該帶線結構的頻率響應，該等短截線中的該第一個與該第一橫向結構的連接提供散熱路徑，該系統更包括由該帶線結構連接的第一電性裝置和第二電性裝置，和/或該系統包括複數個天線元件。
在另一態樣中，一種方法，包含：使用帶線結構連接第一電性裝置和第二電性裝置，其中該帶線結構包含：具有複數個短截線的中心導體；形成空腔的相對的第一接地平面和第二接地平面，其中該中心導體位於該空腔中；以及相對的第一橫向結構和第二橫向結構，其中該第一橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第一側並且該第二橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第二側，其中該等短截線中的第一個連接到該第一橫向結構，以將該中心導體在該空腔內固定就位。
一種方法更可以包括以下一個或多個特徵：用該帶線結構代替同軸電纜或波導，該第一電性裝置和該第二電性裝置包含電路板。
在另一態樣中，一種方法，包含：提供帶線結構，包含：具有複數個短截線的中心導體；形成空腔的相對的第一接地平面和第二接地平面，其中該中心導體位於該空腔中；以及相對的第一橫向結構和第二橫向結構，其中該第一橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第一側並且該第二橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第二側，其中該等短截線中的第一個連接到該第一橫向結構，以將該中心導體在該空腔內固定就位，藉由選擇該等短截線中的多個用於該帶線結構的給定頻率響應。
一種方法更可以包括選擇該等短截線的位置用於該帶線結構的該給定頻率響應，選擇該等短截線的長度用於該帶線結構的該給定頻率響應，和/或選擇該等短截線的的寬度用於該帶線結構的該給定頻率響應。
在描述本公開的示例實施例之前，提供一些資訊。帶線電路包括典型地平行的接地平面之間的導電帶。導電帶可以由形成電介質的絕緣材料包圍和支撐。導電帶的特性，如厚度和基板電介質常數，決定了形成傳輸線的導電帶的特性阻抗。接地平面被短路連接在一起，例如藉由導電通孔，以防止不需要的模式傳播。帶線電路是非散佈的，並提供良好的走線隔離特性和增強的抗擾度。由於波傳播僅在基板中，帶線導體的有效電介質常數等於電介質基板的相對電介質常數。
調諧短截線可用在帶線電路中以實現某些性能特徵。短截線是指僅在一端連接並且可以保持開路或短路，即接地狀態的一段傳輸線或波導。忽略傳輸線損耗，調諧短截線的輸入阻抗實質上是被動的。也就是說，短截線是電容性或是電感性取決於短截線的電長度及其連接(開路或短路)。短截線可以被認為是頻率相關的電容器和頻率相關的電感器。
圖1A和圖1B顯示示例的帶線結構100，其具有藉由一系列短截線106機械附接到橫向的基板104a、基板104b的中心導體102。短截線106機械地支撐空腔108內的中心導體102。在實施例中，第一接地平面110和第二接地平面112彼此相對並且限定空腔108的側部。
如本文所用，自支撐帶線是指其中中心導體藉由對基板的機械支撐在空腔內固定就位，而不依賴於空腔中的電介質材料這樣的帶線結構。
在實施例中，由於短截線將中心導體固定就位，所以空氣可以是空腔中的電介質。在其他實施例中，諸如電介質液體的流體可以在轉變或不轉變為固態的情況下填充全部或部分空腔。
在實施例中，至少一些短截線106電連接(即，短路)到橫向的基板104a、基板104b以提供頻率響應調諧，以及針對中心導體的機械支撐。在一些實施例中，短截線可以是開路的，即，不電連接到橫向基板104，但在結構上連接到橫向基板，如藉由電介質黏合劑。
應當理解，以與橫向基板機械和/或電連接的任何組合的任何適當的配置之任何實際數量的短截線可以被使用來滿足特定應用的需要。例如，一些短截線可僅提供機械連接，一些短截線可僅提供電連接(開路或短路但沒有機械連接)，而一些短截線可同時提供機械和電連接。此外，每個短截線可具有相對於其他短截線的唯一參數以滿足特定應用的需要。在示例實施例中，對於單獨的短截線或數量或者對於中心導體任一側上的多個短截線的配置，不需要任何種類的短截線對稱性。此外，雖然中心導體被顯示為扁平且細長的，但應當理解，中心導體可以具有配置成滿足特定應用的需要的任何幾何形狀。
圖1C顯示了圖1A的自支撐帶線配置的示例尺寸。雖然尺寸可以在一個或多個圖中顯示，但應當理解，尺寸是示例值以便於理解說明性實施例並且不應被解釋為以任何方式進行限制。
圖2A是自支撐帶線實施例200的示例實施例和具有截止頻率204的可比較的習知波導202的模式S(1，2)頻率響應與dB的關係的圖形表示。可以看出，在所示實施例中如圖所示，自支撐帶線實施例200具有多個頻帶206以提供多頻帶性能。
圖2B是自支撐帶線實施例200的示例實施例的模式S(1,2)200和模式S(1,1)250頻率響應與dB的關係圖。圖2A的模式S(1,2)頻率響應200與模式S(1,1)響應一起被更詳細地顯示。
圖3A和圖3B顯示了具有示例尺寸的另一個自支撐帶線實施例300。應當理解，自支撐帶線實施例300將具有與圖1A-1C的實施例100不同的頻率響應。可以看出，0.53英寸的寬度大於圖1A-1C的實施例100的0.18英寸的寬度。中心導體的寬度也更大。自支撐帶線實施例300可適用於X頻帶應用並且可提供可組裝成完整帶線的方塊。圖4顯示了一系列自支撐帶線方塊400，其具有連接在一起的自支撐中心導體402以實現期望的長度。圖5顯示了3D列印的自支撐帶線實施例500的示例實施例。
應當理解，方塊被設計成在任何實際數量下都表現良好。也就是說，構建方塊被設計一次就可以很好地執行，並且可以將任意數量的構建方塊串在一起以實現類似的性能，無論是否進一步最佳化或設計。
圖6顯示了將第一電路板602連接到第二電路板604的示例性的自支撐帶線實施例600。在所示實施例中，去除了頂部電路板604的一部分以更好地顯示連接。頂部電路板602和/或底部電路板604可以由合適的結構606支撐，如3D列印的鋁外殼，以促進連接到自支撐帶線實施例600。在實施例中，自支撐帶線實施例被整合到3D列印的外殼606印刷。
圖7顯示了在第一電路板704和第二電路板706之間具有同軸電纜連接702的現有技術組件700。眾所周知，同軸電纜702的每一端都需要分立的連接器。
在實施例中，例如，自支撐帶線實施例600可以替代高度整合的RF子組件中的現有電纜組件702。
在實施例中，可以針對期望的性能特徵來選擇和最佳化多個參數。針對自支撐帶線結構的示例輸入參數包括短截線數量、短截線位置、短截線長度、短截線寬度、短截線厚度等。示例性能特徵包括頻率響應，例如頻帶和寬度。
圖8顯示了使用一組輸入參數的最佳化來產生自支撐帶線結構以實現期望的頻率響應的一組示例步驟。在步驟800中，選擇用於自支撐帶線結構的一組輸入參數。示例參數包括多個短截線、短截線位置、短截線長度、短截線寬度、短截線厚度、短截線的數量等。可以理解，可以選擇任何實際數量的短截線參數來滿足特定應用的需要。
在步驟802中，所選擇的參數可以用給定值初始化。在步驟804中，自支撐帶線結構的期望的頻率響應可以被接收。在步驟806中，執行最佳化過程以順序地修改該組參數以與期望的頻率響應進行比較。合適的市售程式是本領域眾所周知的。Keysight Advanced Design System, Optimization Tool提供了一個示例最佳化程式。
在可選的步驟808中，可以在步驟806中的附加最佳化之前添加另外的參數。例如，第一組參數可以用以實現用於自支撐帶線結構的粗略配置，並且第二組參數可以用以微調該自支撐帶線結構的配置。在可選的步驟810中，在步驟806中的額外最佳化之前，可以以某種方式修改一個或多個參數，例如增加或減少權重。在步驟812中，用於自支撐帶線結構的輸出配置可以是用於製造的輸出。
應當理解，可以使用任何合適的材料，例如自支撐帶線結構，包括金屬，例如鋁和銅。更應當理解，可以使用任何合適的電介質材料，例如空氣、電介質流體等。因為帶線是自支撐的，所以電介質不需要作為結構支撐。這允許使用非結構電介質，例如氣體(例如，空氣、氬氣、氮氣等)、液體(液氮、水、矽樹脂、油等)、粉末(例如，粉末狀特氟隆(Powdered Teflon)、粉末狀聚醚醯亞胺(Powdered Ultem)、等)，泡沫(開孔或閉孔等)。此外，固體電介質也可以鑄型到自支撐帶線中，例如環氧樹脂，或者機加工並壓入適配到位。
在實施例中，從短截線到橫向基板的機械連接提供散熱路徑。
圖9顯示了可以執行這裡描述的處理的至少一部分的示例性計算機900。例如，計算機900可以執行至少一部分處理以對自支撐帶線配置的一組輸入參數執行最佳化以實現選定的頻率響應，例如圖6中的步驟。計算機900包括處理器902、揮發性記憶體904、非揮發性記憶體906(例如硬碟)、輸出裝置907和圖形使用者界面(graphical user interface；GUI)908(例如滑鼠、鍵盤、例如顯示器)。非揮發性記憶體906儲存計算機指令912、操作系統916和資料918。在一個示例中，計算機指令912由處理器902在揮發性記憶體904之外執行。在一個實施例中，物品920包括非暫態計算機可讀指令。
處理可以以硬體、軟體或兩者的組合來實現。處理可以在可程式化計算機/機器上執行的計算機程式中實現，每個可程式化計算機/機器包括處理器、儲存媒體或處理器可讀的其他製品(包括揮發性和非揮發性記憶體和/或儲存元件)、至少一台輸入裝置、一台或多台輸出裝置。程式碼可以應用於使用輸入裝置輸入的資料以執行處理並產生輸出資訊。
該系統可以至少部分地經由計算機程式產品(例如，在機器可讀儲存裝置中)執行處理，以藉由資料處理設備(例如，可程式化處理器、一台計算機或多台計算機)執行或控制資料處理設備的操作。每個這樣的程式都可以用高階程序或物件導向的程式化語言來實現，以與計算機系統通訊。然而，程式可以用組合語言或機器語言來實現。該語言可以是編譯語言或解釋語言，並且可以以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為模組、部件、子例程或適合在計算環境中使用的其他單元。計算機程式可以部署為在一台計算機上或在一個站點的多台計算機上執行，或者分佈在多個站點並藉由通訊網路互連。計算機程式可以儲存在通用或專用可程式化計算機可讀的儲存媒體或裝置(例如，RAM/ROM、CD-ROM、硬碟或磁碟)上，以便在儲存媒體或裝置被計算機讀取時用於配置和操作計算機。
處理也可以實現為機器可讀儲存媒體，配置有計算機程式，其中在執行時，計算機程式中的指令使計算機運行。
處理可以由一個或多個可程式化處理器執行一個或多個計算機程式以執行系統的功能。系統的全部或部分可以實現為專用邏輯電路(例如，現場可程式化閘陣列(field programmable gate array；FPGA)、通用圖形處理單元(general purpose graphical processing units；GPGPU)和/或專用積體電路(application-specific integrated circuit；ASIC))。
已經描述了本公開的示例性實施例，現在對於本領域的普通技術人員來說顯而易見的是，結合了它們的概念的其他實施例也可以使用。此處包含的實施例不應限於公開的實施例，而應僅受所附請求項的精神和範圍限制。本文引用的所有公開物和參考文獻均藉由引用以其整體明確併入本文。
本文描述的不同實施例的元件可以組合以形成上面未具體闡述的其他實施例。在單個實施例的上下文中描述的各種元件還可以單獨地或以任何合適的子組合提供。此處未具體描述的其他實施例也在所附請求項的範圍內。
100:帶線結構 102:中心導體 104a:基板 104b:基板 106:短截線 108:空腔 110:第一接地平面 112:第二接地平面 200:自支撐帶線實施例、模式S(1,2)、模式S(1,2)頻率響應 202:習知波導 204:截止頻率 206:頻帶 250:模式S(1,1) 300:自支撐帶線實施例 400:自支撐帶線方塊 402:自支撐中心導體 500:自支撐帶線實施例 600:自支撐帶線實施例 602:第一電路板、頂部電路板 604:第二電路板、頂部電路板、底部電路板 606:結構、外殼 700:現有技術組件 702:同軸電纜連接、同軸電纜 704:第一電路板 706:第二電路板 800:步驟 802:步驟 804:步驟 806:步驟 808:步驟 810:步驟 812:步驟 902:處理器 904:揮發性記憶體 906:非揮發性記憶體 907:輸出裝置 908:圖形使用者界面 912:計算機指令 916:操作系統 918:資料
本公開的前述特徵以及本公開本身可以從以下圖式的描述中得到更充分的理解，其中：
[圖1A]是自支撐帶線實施例的立體圖。[圖1B]是圖1A的帶線實施例的剖視圖，和[圖1C]顯示具有示例尺寸的圖1A的帶線實施例；
[圖2A]是示例帶線實施例和可比較的習知波導的頻率響應的圖形表示；
[圖2B]是例如帶線實施例的模式S(1,1)和模式S(2,1)頻率響應的圖形表示；
[圖3A]是具有示例尺寸的示例帶線實施例的等角視圖，並且[圖3B]是圖3A的帶線實施例的剖面等角視圖；
[圖4]是具有一系列方塊的示例帶線實施例的等角視圖；
[圖5]是3D列印的示例帶線實施例的圖式；
[圖6]為顯示自支撐帶線結構連接第一電路板與第二電路板的示意圖。
[圖7]為現有第一電路板與第二電路板同軸連接示意圖。
[圖8]是顯示用於確定示例帶線配置以從一組輸入參數實現示例頻率響應的示例步驟序列的流程圖；以及
[圖9]是可以執行這裡描述的處理的至少一部分的示例計算機的示意圖。
100:帶線結構
102:中心導體
104a:基板
104b:基板
106:短截線
110:第一接地平面
112:第二接地平面

Claims (20)

  1. 一種系統，包含： 帶線結構，包含： 具有複數個短截線的中心導體； 形成空腔的相對的第一接地平面和第二接地平面，其中該中心導體位於該空腔中；以及 相對的第一橫向結構和第二橫向結構，其中該第一橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第一側並且該第二橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第二側， 其中該等短截線中的第一個連接到該第一橫向結構，以將該中心導體在該空腔內固定就位。
  2. 根據請求項1之系統，其中該等短截線中的該第一個電連接到該第一橫向結構。
  3. 根據請求項2之系統，其中該等短截線中的第二個連接到該第二橫向結構以將該中心導體在該空腔內固定就位。
  4. 根據請求項3之系統，其中該等短截線中的該第二個電連接到該第二橫向結構。
  5. 根據請求項1之系統，其中該第一接地平面和該第二接地平面以及該第一橫向結構和該第二橫向結構包含相同的材料。
  6. 根據請求項5之系統，其中該材料是鋁。
  7. 根據請求項1之系統，其中該帶線結構是鑄造的。
  8. 根據請求項1之系統，其中該帶線結構被印刷。
  9. 根據請求項1之系統，其中該空腔中的電介質材料是空氣。
  10. 根據請求項1之系統，其中該等短截線的數量、該等短截線的位置和該等短截線的幾何形狀確定該帶線結構的頻率響應。
  11. 根據請求項1之系統，其中該等短截線中的該第一個與該第一橫向結構的連接提供散熱路徑。
  12. 根據請求項1之系統，其中該系統更包括由該帶線結構連接的第一電性裝置和第二電性裝置。
  13. 根據請求項12之系統，其中該系統包括複數個天線元件。
  14. 一種方法，包含： 使用帶線結構連接第一電性裝置和第二電性裝置，其中該帶線結構包含： 具有複數個短截線的中心導體； 形成空腔的相對的第一接地平面和第二接地平面，其中該中心導體位於該空腔中；以及 相對的第一橫向結構和第二橫向結構，其中該第一橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第一側並且該第二橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第二側， 其中該等短截線中的第一個連接到該第一橫向結構，以將該中心導體在該空腔內固定就位。
  15. 根據請求項14之方法，更包括用該帶線結構代替同軸電纜或波導。
  16. 根據請求項14之方法，其中該第一電性裝置和該第二電性裝置包含複數個電路板。
  17. 一種方法，包含： 提供帶線結構，該帶線結構包含： 具有複數個短截線的中心導體； 形成空腔的相對的第一接地平面和第二接地平面，其中該中心導體位於該空腔中；以及 相對的第一橫向結構和第二橫向結構，其中該第一橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第一側並且該第二橫向結構從該第一接地平面和該第二接地平面延伸以包圍該空腔的第二側，其中該等短截線中的第一個連接到該第一橫向結構，以將該中心導體在該空腔內固定就位，藉由 選擇該等短截線中的多個用於該帶線結構的給定頻率響應。
  18. 根據請求項17之方法，更包括選擇該等短截線的位置用於該帶線結構的該給定頻率響應。
  19. 根據請求項18之方法，更包括選擇該等短截線的長度用於該帶線結構的該給定頻率響應。
  20. 根據請求項19之方法，更包括選擇該等短截線的的寬度用於該帶線結構的該給定頻率響應。
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