專(zhuān)利名稱(chēng)：毫米波信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及毫米波信號(hào)轉(zhuǎn)換器，更具體講涉及用于在兩個(gè)不同的幾何平面之間轉(zhuǎn)換毫米波信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
近些年對(duì)汽車(chē)的自動(dòng)巡航控制(ACC)正得到普及。ACC允許用戶(hù)對(duì)他/她的機(jī)動(dòng)車(chē)輛設(shè)置期望的速度和最小跟蹤距離。然后系統(tǒng)控制用戶(hù)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的速度，以確保維持最小跟蹤距離。這類(lèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵是雷達(dá)系統(tǒng)的有效執(zhí)行，這些雷達(dá)系統(tǒng)典型的是工作在77GHz范圍。這種系統(tǒng)必須能夠發(fā)送、接收和操作毫米波(mm-wave)信號(hào)。當(dāng)使用大多數(shù)電子設(shè)備時(shí)，就具有持續(xù)不斷的壓力來(lái)縮小這種系統(tǒng)，以減少它們的空間和材料需要量。因此，這些系統(tǒng)的電路正變得更加緊湊和復(fù)雜，它們通過(guò)使用諸如堆棧電路工藝的技術(shù)來(lái)減少規(guī)模。采用堆棧電路，當(dāng)工作在毫米波區(qū)域時(shí)就通常需要在電路襯底之間發(fā)送信號(hào)。例如，在ACC系統(tǒng)的應(yīng)用中，收發(fā)器和天線(xiàn)被設(shè)置在厚支承板的兩側(cè)。這就必須在相對(duì)厚的金屬支承板的兩端上在兩個(gè)微波傳輸帶之間發(fā)送毫米波信號(hào)。發(fā)送是由本文使用的“信號(hào)轉(zhuǎn)換器(signal transition)”或“轉(zhuǎn)換器”來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)這種轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能很關(guān)鍵。
在電子電路中信號(hào)轉(zhuǎn)換的目的是采用最小的干擾和損耗將射頻(RF)能量從一端傳送到另一端。優(yōu)良信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵要求是高回程損耗和低插入損耗。需要注意，一般這兩個(gè)規(guī)格是彼此獨(dú)立的，但必須同時(shí)獲得滿(mǎn)足。換句話(huà)說(shuō)，使用特定的信號(hào)轉(zhuǎn)換可以獲得相對(duì)好的回程損耗，但不具備低的插入損耗，毫米波能量在轉(zhuǎn)換中會(huì)被吸收，因而減少了整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于增加的導(dǎo)體和輻射損耗，低插入損耗在高頻中尤其重要。
現(xiàn)在本發(fā)明將更加詳細(xì)敘述設(shè)計(jì)為將電子信號(hào)從微波傳輸帶線(xiàn)路的橫平面轉(zhuǎn)送到與第一平面平行的另一個(gè)采用垂直連接的平面的轉(zhuǎn)換器，這是因?yàn)楸景l(fā)明將涉及這種結(jié)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)多層印刷電路板(PCB)技術(shù)中應(yīng)用的通孔是這種轉(zhuǎn)換器非常好的實(shí)例。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是垂直連接的電長(zhǎng)度。隨著垂直連接長(zhǎng)度的增加，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)就變得更賦予挑戰(zhàn)性，這是由于增加了附加的電感。目前具有許多將信號(hào)從一個(gè)橫向平面板傳送到另一個(gè)橫向平面板的已報(bào)告的進(jìn)展。例如，隨著它的變型使用垂直波導(dǎo)部分的微波傳輸帶到縫隙的轉(zhuǎn)換器是為實(shí)現(xiàn)這種目的多種常用技術(shù)中的一種。但是，這種方法具有很多缺點(diǎn)。首先，這種轉(zhuǎn)換器依賴(lài)共振現(xiàn)象來(lái)獲得良好的匹配。因此，它特別敏感在轉(zhuǎn)換器中幾何形狀的變化。另外，由于轉(zhuǎn)換器不具有反向短路，它會(huì)由于輻射而遭受相對(duì)高的插入損耗。由于可能出現(xiàn)在這種轉(zhuǎn)換器中的雜散輻射可以增加在毫米波系統(tǒng)中的串話(huà)或影響在毫米波系統(tǒng)中的天線(xiàn)模式，因此這就特別重要。另一種替換的方式，可以采用具有反向短路的E-平面探針通過(guò)波導(dǎo)部分來(lái)傳送能量的轉(zhuǎn)換。盡管這種方法在文獻(xiàn)資料中被很好制定，但是它具有在毫米波頻率中的明顯缺點(diǎn)。特別是，在這些頻率，必須按照在77GHz應(yīng)用中分毫米的次序設(shè)定在容差內(nèi)在微波傳輸帶探針上的反向短路。這很顯然是一項(xiàng)對(duì)大量制造的昂貴工序。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要能夠克服前面所述背景技術(shù)中存在的困難的毫米波轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明除其它優(yōu)點(diǎn)外，實(shí)現(xiàn)了上述的這種需要。
本發(fā)明提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)中問(wèn)題的毫米波信號(hào)轉(zhuǎn)換器。具體講，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器使用變換器來(lái)在橫電磁波模式(TEM)和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)，而不依賴(lài)精確定位與波導(dǎo)有關(guān)的發(fā)送線(xiàn)來(lái)沿著波導(dǎo)發(fā)射信號(hào)。通過(guò)使用變換器，在TEM和波導(dǎo)模式之間的靈敏信號(hào)的轉(zhuǎn)換就在單一、模塊化的單元中被執(zhí)行，這通過(guò)使用公知的技術(shù)就可以自身提供大量的制造。一旦執(zhí)行在TEM和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)的精確操作，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以相對(duì)容易的被發(fā)送到正交配置的發(fā)送線(xiàn)或波導(dǎo)。如果為滿(mǎn)足需要，信號(hào)可以接著被轉(zhuǎn)換回TEM模式或波導(dǎo)模式的信號(hào)，用于沿著不同正交配置的發(fā)送線(xiàn)或波導(dǎo)來(lái)發(fā)送。這就允許在相對(duì)遠(yuǎn)距離的電路之間在各種類(lèi)型的發(fā)送線(xiàn)上進(jìn)行信號(hào)的有效發(fā)送。
這種方法提供相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)方法在制造和性能方面的很多優(yōu)點(diǎn)。如上所述，由于TEM/波導(dǎo)模式的轉(zhuǎn)換在變換器(transducer)中執(zhí)行，這就可以使用公知的技術(shù)進(jìn)行分離的制造，這就減輕在轉(zhuǎn)換器的其它元件之間對(duì)于緊容差配置的需要，從而促進(jìn)了大規(guī)模制造技術(shù)和模塊化的實(shí)現(xiàn)。例如，波導(dǎo)不需要精密的與轉(zhuǎn)換線(xiàn)排列成行，而是可以通過(guò)支承板建立在相對(duì)寬松的鉆孔上。這個(gè)鉆孔可以適用于接收分離制造的、模塊化的波導(dǎo)填料，以幫助波導(dǎo)模式信號(hào)的傳播。另外，通過(guò)在模塊化轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換TEM/波導(dǎo)模式，就不需要通過(guò)軟焊或其它耗時(shí)并且易于產(chǎn)生故障和性能變化的焊接技術(shù)來(lái)互連探針或類(lèi)似的設(shè)備。變換器不僅簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換的裝配，而且在其優(yōu)選的實(shí)施例中，它是平面的并消除了反向短路的需要，從而簡(jiǎn)化了它的制造。因此，本發(fā)明在轉(zhuǎn)換器中對(duì)變換器的使用提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的顯著制造優(yōu)勢(shì)。
除了本發(fā)明在制造方面的優(yōu)勢(shì)之外，它也提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的重要性能優(yōu)勢(shì)。特別是，通過(guò)在相對(duì)簡(jiǎn)單、模塊化單元中在TEM和波導(dǎo)模式之間的轉(zhuǎn)換，就消除了復(fù)雜的元件配置和附帶的低效和偏差。這就使得轉(zhuǎn)換器能提供具有低插入損耗和低反射損耗的一致性能。此外，由于通過(guò)轉(zhuǎn)換信號(hào)的模式而執(zhí)行在正交發(fā)送線(xiàn)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過(guò)可以相對(duì)低的縱向中空波導(dǎo)損耗就限制了可以通信連接到平行發(fā)送線(xiàn)的信號(hào)的距離。這與現(xiàn)有技術(shù)裝置大不相同，現(xiàn)有技術(shù)裝置在發(fā)送超過(guò)10％操作信號(hào)波長(zhǎng)的平行發(fā)送之間的毫米波信號(hào)時(shí)存在困難。最后，由于轉(zhuǎn)換器不使用探針或類(lèi)似天線(xiàn)的裝置將信號(hào)發(fā)射到波導(dǎo)中，因此輻射損耗就非常低，也不需要反向短路。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種使用變換器將毫米波信號(hào)從一個(gè)平面發(fā)送到另一個(gè)平面的轉(zhuǎn)換器。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該轉(zhuǎn)換器包括(a)位于平行平面中的第一和第二發(fā)送線(xiàn)；(b)與第一和第二發(fā)送線(xiàn)相正交的第三發(fā)送線(xiàn)，其中所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送TEM模式信號(hào)，而第三發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送中空波導(dǎo)模式信號(hào)；或者第三發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送TEM模式信號(hào)，而第一和第二發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送波導(dǎo)模式信號(hào)；以及(c)第一和第二變換器，第一變換器連接在所述第一和第三發(fā)送線(xiàn)之間，第二變換器連接在第二和第三發(fā)送線(xiàn)之間，每個(gè)變換器適用于轉(zhuǎn)換在TEM和中空波導(dǎo)模式之間的信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種通過(guò)使用包含變換器的轉(zhuǎn)換器將毫米波信號(hào)從第一平面發(fā)送到第二平面的方法。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該方法包括(a)在第一平面中沿著第一發(fā)送線(xiàn)發(fā)送毫米波信號(hào)；(b)使用一變換器將所述信號(hào)從TEM模式和波導(dǎo)模式中的一個(gè)模式轉(zhuǎn)換成所述TEM模式和所述波導(dǎo)模式中的另一個(gè)模式；(c)在所述另一個(gè)模式中沿著與所述第一發(fā)送線(xiàn)相正交的第三發(fā)送線(xiàn)將所述信號(hào)發(fā)送到與所述第一平面相平行的第二平面；(d)將所述信號(hào)轉(zhuǎn)換回所述一個(gè)模式；以及(e)在所述第二平面中沿著第二發(fā)送線(xiàn)發(fā)送在所述一個(gè)模式中的所述信號(hào)。
本發(fā)明的再一個(gè)方面提供一種可自身提供大規(guī)模制造的制造轉(zhuǎn)換器的方法。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該方法包括(a)提供支承板；(b)在所述支承板中鉆孔以形成波導(dǎo)；(c)在所述孔中插入波導(dǎo)填料；(d)提供所述第一和第二毫米波板，每個(gè)板包括集成的發(fā)送線(xiàn)和具有波導(dǎo)部分的變換器；(e)將所述第一和第二毫米波板固定在所述支承板的每一側(cè)，以使轉(zhuǎn)換線(xiàn)與波導(dǎo)正交，波導(dǎo)與每個(gè)變換器的波導(dǎo)部分在軸向排列成行。
本發(fā)明另外一個(gè)方面是提供一種結(jié)合本發(fā)明轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括采用上述轉(zhuǎn)換器的ACC系統(tǒng)。


現(xiàn)在將參照相應(yīng)附圖敘述本發(fā)明的實(shí)施例。在優(yōu)選的實(shí)施例中，系統(tǒng)包括具有上面敘述的轉(zhuǎn)換器的ACC系統(tǒng)。
圖1顯示本發(fā)明轉(zhuǎn)換的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
圖2顯示圖1轉(zhuǎn)換器的襯底。
圖3顯示用于圖1轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)填料。
圖4a和4b顯示用于圖1轉(zhuǎn)換器的性能數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，顯示本發(fā)明信號(hào)轉(zhuǎn)換器1的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。作為本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)換器”是指可用于從一個(gè)橫平面?zhèn)魉秃撩撞ㄐ盘?hào)到另一個(gè)橫平面的任何裝置，這些裝置不論是整體、整型或是分離元件的集成。作為本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“毫米波信號(hào)”是指可以以多種不同形式傳播的高頻電子信號(hào)，包括例如以橫電磁(TEM)模式或以波導(dǎo)模式傳播的高頻電子信號(hào)。作為本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“TEM模式”集合性地指真TEM模式和準(zhǔn)TEM模式。TEM、準(zhǔn)TEM和中空波導(dǎo)領(lǐng)域的概念已經(jīng)非常公知，這里將不特別專(zhuān)注。進(jìn)行以下敘述就足夠了，在真TEM模式中電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波形傳播的方向都彼此正交，然而在準(zhǔn)TEM模式中，盡管存在很小的縱向電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，但是電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波形傳播的方向大體上來(lái)講都彼此正交。本文使用的術(shù)語(yǔ)“中空波導(dǎo)模式”是指磁場(chǎng)能量在波導(dǎo)中傳播的模式。使用術(shù)語(yǔ)“中空”表示波導(dǎo)并沒(méi)有作為同軸波導(dǎo)中的中心導(dǎo)體。然而，它可以具有電介質(zhì)填料以改變傳播的特性。因此，波導(dǎo)的類(lèi)型可以不支持TEM模式傳播。中空波導(dǎo)模式也很公知，它依賴(lài)于信號(hào)所預(yù)定傳播的波導(dǎo)類(lèi)型。例如，矩形波導(dǎo)的基本模式是TE10模式，而圓形波導(dǎo)的基本模式是TE01模式。
轉(zhuǎn)換器1包括第一和第二平行發(fā)送線(xiàn)2a、2b和與第一和第二發(fā)送線(xiàn)2a、2b正交的第三發(fā)送線(xiàn)4。在該特定實(shí)施例中，第一和第二發(fā)送線(xiàn)結(jié)合在第一和第二毫米波板6，7中，它們是在不同的橫向板上。第一和第二發(fā)送線(xiàn)2a、2b適用于發(fā)送TEM模式的信號(hào)，而第三發(fā)送線(xiàn)4是配置在支承板5中的波導(dǎo)4a，它適用于發(fā)送波導(dǎo)模式的信號(hào)。轉(zhuǎn)換器1也包括分別在第一和第二毫米波板6，7上的第一和第二變換器3a、3b。第一變換器3a連接在第一和第三發(fā)送線(xiàn)2a、4之間，而第二變換器3b連接在第二和第三發(fā)送線(xiàn)2b、4之間。每個(gè)變換器在TEM模式和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。這些元件將在下文進(jìn)行更詳細(xì)的敘述。
在圖1的實(shí)施例中，本發(fā)明的第一和第二發(fā)送線(xiàn)2a、2b適用于分別發(fā)送到達(dá)和來(lái)自第一和第二變換器3a、3b的TEM模式信號(hào)，而第三發(fā)送線(xiàn)4是適用于發(fā)送在變換器之間波導(dǎo)模式信號(hào)的波導(dǎo)4a。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，發(fā)送線(xiàn)的功能可以被倒置，即第一和第二發(fā)送線(xiàn)來(lái)代替波導(dǎo)，同時(shí)第三發(fā)送線(xiàn)是適用于支持在兩個(gè)變換器之間TEM模式信號(hào)的一般發(fā)送線(xiàn)。發(fā)送線(xiàn)的特定配置依賴(lài)于期望的應(yīng)用。例如，由于微波傳輸帶線(xiàn)(例如，準(zhǔn)TEM波導(dǎo))被用于載波這種系統(tǒng)中的RF信號(hào)，由于第一和第二發(fā)送線(xiàn)在用于產(chǎn)生、接收和操作/解釋信號(hào)的其它電路中的預(yù)期結(jié)合，因此前者通常優(yōu)先選用在使用ACC系統(tǒng)中的裝配中。為了說(shuō)明目的，討論將集中在使用波導(dǎo)在平行發(fā)送線(xiàn)之間發(fā)送毫米波信號(hào)的實(shí)施例上。
用于發(fā)送TEM和波導(dǎo)模式信號(hào)的發(fā)送線(xiàn)已經(jīng)非常公知。發(fā)送TEM信號(hào)的發(fā)送線(xiàn)的實(shí)例包括同軸線(xiàn)、電介質(zhì)條狀線(xiàn)、微波傳輸帶線(xiàn)、共面波導(dǎo)(CPW)和翅片條。優(yōu)選的，至少一個(gè)適用于發(fā)送TEM信號(hào)的發(fā)送線(xiàn)是共面發(fā)送線(xiàn)，特別是微波傳輸帶。更優(yōu)選的，第一和第二發(fā)送線(xiàn)都是微波傳輸帶。
參照?qǐng)D2，所示的第一毫米波板6包括第一發(fā)送線(xiàn)2a和第一變換器3a，優(yōu)選的，但并不是必須的，包括第二發(fā)送線(xiàn)2b和第二變換器3b的第二毫米波板7與第一毫米板相同，以使一個(gè)毫米板的配置可以應(yīng)用于兩個(gè)面板。第一發(fā)送線(xiàn)2a包含微波傳輸帶21。如上所述，微波傳輸帶的配置已經(jīng)非常公知，它包括蝕刻在第一襯底26上的導(dǎo)電通路21。當(dāng)導(dǎo)電通路21結(jié)合在ACC系統(tǒng)或其它基于毫米波的系統(tǒng)中時(shí)，它將外部電路連接或耦合到轉(zhuǎn)換器1。因此，短長(zhǎng)度的導(dǎo)電通路21可以是傳送通信信號(hào)到達(dá)或來(lái)自毫米板上或分離電路板上的傳送線(xiàn)路的擴(kuò)展。
微波傳輸帶可以包括所有熟知的導(dǎo)體，諸如銅、金、銀或鋁。微波傳輸帶的大小可以根據(jù)應(yīng)用和所使用的材料來(lái)改變。例如，在具有2.2介電常數(shù)的5密耳(mil)厚Duroid 5880材料上，50-Ohm微波傳輸帶發(fā)送線(xiàn)是15密耳寬。
襯底26可以是提供支持導(dǎo)電通路21的平臺(tái)的任何結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，襯底也適用于支持其它電和光的元件，諸如變換器(transducer)。導(dǎo)電通路21和其它元件可以設(shè)置在襯底中或襯底上，或者可以整體成形或與襯底集成。作為約定的方式，當(dāng)提到關(guān)于襯底的元件位置時(shí)，術(shù)語(yǔ)“上”、“中”，“結(jié)合在”和“整體成形”在整個(gè)公開(kāi)內(nèi)容中都是可交換的使用。優(yōu)選的，襯底26是剛性的以提供對(duì)固定到它的電子元件的穩(wěn)定平臺(tái)，盡管本文也可以考慮使用可調(diào)的襯底。另外，襯底優(yōu)選為但并不必須為平面的。
除了它的物理配置之外，襯底通常是發(fā)送線(xiàn)或變換器的整體元件，因此，它的電子性能很重要。適用于襯底的材料包括具有介電常數(shù)大約2和10之間的電介質(zhì)。適用于材料的例子包括氧化鋁，諸如砷化鎵和硅的單晶半導(dǎo)體，單晶藍(lán)寶石，玻璃，石英和諸如Teflon的塑料。滿(mǎn)意的結(jié)果是所獲得的Duroid5880(基于Teflon的材料，通過(guò)Rogers股份有限公司可商業(yè)獲得)的襯底，它具有有效的2.2介電常數(shù)。
襯底將被設(shè)置成足夠大小，以提供對(duì)第一導(dǎo)電通路21最好是第一變換器3a的充分基座，盡管可以認(rèn)識(shí)到變換器和發(fā)送線(xiàn)可以由分離的襯底和經(jīng)過(guò)適用于連接在相同平面上不同發(fā)送線(xiàn)之間的TEM模式信號(hào)的其它轉(zhuǎn)換器來(lái)支承(公知)。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以確定對(duì)于特定襯底材料的厚度。
在圖1顯示的實(shí)施例中，第三發(fā)送線(xiàn)4是用于發(fā)送波導(dǎo)形式的信號(hào)的波導(dǎo)4a。波導(dǎo)是公知內(nèi)容，它包括各種形狀、橫截面和長(zhǎng)度的中空、實(shí)心和填充的波導(dǎo)。優(yōu)選的，波導(dǎo)是已知容易制造的填充矩形波導(dǎo)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解盡管本文敘述的是矩形波導(dǎo)，但本發(fā)明也可以應(yīng)用具有不是直線(xiàn)的幾何形狀橫截面的波導(dǎo)，例如圓形橫截面的波導(dǎo)。
參照?qǐng)D1，波導(dǎo)是由通過(guò)支承板5的管道或內(nèi)徑孔所確定的中空矩形波導(dǎo)。除了確定波導(dǎo)之外，支承板5可以根據(jù)需要添加剛性，以使它更堅(jiān)固。例如，在圖1顯示的實(shí)施例中，支承板5包括相對(duì)厚、硬的材料，諸如金屬板5a，用于支持第一和第二毫米波板6，7。
在圖1顯示的實(shí)施例中，內(nèi)徑孔被填充了獨(dú)立準(zhǔn)備的具有如圖3中所示的矩形橫截面的介電質(zhì)填料31。該介電質(zhì)填料31具有厚材料敷層10和介電材料11。在填料31中使用的介電材料11可以從很寬范圍的材料中選擇。合適的材料傾向于具有大約2.2到大約12.9范圍的介電常數(shù)，和大約0.001到大約0.1范圍的損耗因數(shù)。合適材料的例子包括陶瓷、特氟綸(Teflon)、GaAs和硅，它們是通常使用的毫米波板材料或用于單片微波電路的襯底。例如，所獲得的合適結(jié)果是使用具有9.6介電常數(shù)和0.001損耗因數(shù)的氧化鋁。對(duì)于該應(yīng)用，板背面金屬將會(huì)相對(duì)厚。例如，所獲得的合適結(jié)果是使用17密耳的氧化鋁材料和8密耳的氧化鋁。重要的是選擇正確的介電厚度，以匹配變換器4波導(dǎo)部分的特性阻抗(下文敘述)。這通過(guò)使用全波電磁模擬器能夠容易的實(shí)現(xiàn)。
在通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程確定介電的厚度和填料材料的背面金屬之后，它們被切割成直角棱鏡的形狀，以形成完全的介電襯底填料31，并投入到以前在金屬板5a中準(zhǔn)備的矩形孔口中。采用這種方式，矩形介電填料的波導(dǎo)4就形成在金屬板5a中，它用于從金屬板5a的一側(cè)向另一側(cè)傳送毫米波能量。
波導(dǎo)4的長(zhǎng)度可以與支承板5的厚度相同，或等于在第一和第二發(fā)送線(xiàn)2a、2b之間的縱向距離。這意味著波導(dǎo)可以具有大于毫米波信號(hào)的波長(zhǎng)的10％的長(zhǎng)度。例如，如果波長(zhǎng)是2.8毫米(77GHz)，波導(dǎo)長(zhǎng)度可以大于0.28毫米。該長(zhǎng)度已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中被證明有問(wèn)題，但是由于本發(fā)明使用了填充的波導(dǎo)部分來(lái)傳送毫米波能量，因此就可以通過(guò)采用相對(duì)低損耗的較厚支承板來(lái)傳送能量。在優(yōu)選的實(shí)施例中，波導(dǎo)部分的長(zhǎng)度至少是0.25毫米，更佳的是至少1毫米，甚至是更好的1.5毫米。
第一和第二變換器3a、3b的作用是在TEM模式和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。使用變換器的原理在美國(guó)專(zhuān)利No.6,087,907中有討論，在此結(jié)合它的內(nèi)容作為參考。參照?qǐng)D2，第一變換器3a將在對(duì)第一毫米波板6中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳述，可以理解第二變換器3b優(yōu)選與第一變換器相同，這樣本文的討論也可應(yīng)用于第二變換器。
出于簡(jiǎn)明的目的，第一變換器3a可以分離成三個(gè)不同的部分發(fā)送部分23，轉(zhuǎn)換部分24，波導(dǎo)部分25。變換器3a的發(fā)送部分23被電連接到第一發(fā)送線(xiàn)2a的導(dǎo)電通路21?？梢哉J(rèn)識(shí)到變換器和發(fā)送線(xiàn)路可以被蝕刻到與發(fā)送線(xiàn)路相同的襯底上，因而就不會(huì)存在在這兩者之間的清楚界線(xiàn)。然而，這里出于充分討論的目的，在某些點(diǎn)22(可能假設(shè))，導(dǎo)電通路21不再是發(fā)送線(xiàn)2a的部分，而是變換器3a的發(fā)送部分23的一部分。
發(fā)送部分23連接到轉(zhuǎn)換部分24。轉(zhuǎn)換部分24包括多個(gè)印制在第一襯底26上的導(dǎo)電轉(zhuǎn)換翅片28。翅片的作用是最小化變換器的反射損耗。每個(gè)翅片28被設(shè)置與TEM模式的傳播方向相垂直。在圖2中顯示的實(shí)施例中，每個(gè)翅片28被設(shè)置與它的那對(duì)翅片成直線(xiàn)，并位于轉(zhuǎn)換軌跡27的相反側(cè)，該轉(zhuǎn)換軌跡27與TEM軸在軸向上排列成行。在該實(shí)施例中，具有四對(duì)轉(zhuǎn)換翅片28。每個(gè)翅片28等于或大于操作頻率的四分之一波長(zhǎng)，其中翅片的波長(zhǎng)是從TEM軸到每個(gè)翅片末端來(lái)確定。例如，在提供的實(shí)施例中，中心操作頻率是77GHz。因此，在77GHz中心操作頻率處具有2.2介電常數(shù)的Duroid襯底中的四分之一波長(zhǎng)的微波傳輸帶是大約40密耳。因此，在轉(zhuǎn)換軌跡27的相反側(cè)使用翅片28的轉(zhuǎn)換軌跡27的寬度總計(jì)大約等于或大于80密耳。替換的實(shí)施例根據(jù)期望的電子性能，也包括較少對(duì)的翅片28以及附加對(duì)的翅片28或包括轉(zhuǎn)換部分24的發(fā)送線(xiàn)。
在操作中，可以認(rèn)為翅片28是作為發(fā)送線(xiàn)進(jìn)行電工作。在操作頻率，合適長(zhǎng)度的發(fā)送線(xiàn)電形成了看上去接近斷路，但由于大約四分之一波長(zhǎng)大小遠(yuǎn)離TEM軸的中心。然而，也可以通過(guò)使用集總元件等效電路代替翅片28來(lái)仿真發(fā)送線(xiàn)，例如，使用在操作頻率具有合適值的平行電感和電容的組合。在替換的實(shí)施例中，不需要將每對(duì)中的翅片28設(shè)置為彼此成直線(xiàn)，或者在轉(zhuǎn)換軌跡27的任一側(cè)上設(shè)置相同數(shù)量的翅片28。但是，改動(dòng)這些特性將會(huì)改變性能特性。因此，這些特性可以用于最優(yōu)化對(duì)特定應(yīng)用的變壓器的性能。
轉(zhuǎn)換部分靠近變換器3a的波導(dǎo)部分25。波導(dǎo)部分25包括第一襯底26和確定第一波導(dǎo)周長(zhǎng)部分的U形導(dǎo)電隔層29。隔層29可以以周知的方式形成，包括在襯底蝕刻或機(jī)械加工溝道或凹陷組，并采用諸如金、銀、銅或鋁的導(dǎo)電材料填充或形成溝道或凹陷。勝于在襯底中形成連續(xù)溝道的方式，最好使用緊密間隔的圓通孔來(lái)近似溝道壁。這種方法更適用于于印刷電路板。然而，連續(xù)溝道將明顯提高在相鄰轉(zhuǎn)換器之間的隔離。
波導(dǎo)模式信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換部分而進(jìn)入到波導(dǎo)部分。具體講，由于相鄰散熱器28電相互靠近，通過(guò)翅片的電流都近似同相。通過(guò)翅片的電流會(huì)引起在空氣中破壞性干擾而在電介質(zhì)中建設(shè)性干擾的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。因此，絕大多數(shù)能量都被傳送到波導(dǎo)部分25的第一襯底26。
可以通過(guò)使用商業(yè)上可用的全波電磁模擬器來(lái)確定變換器和波導(dǎo)的特殊配置。例如，設(shè)計(jì)過(guò)程可以使用例如Ansoft HFSS的全波3D電磁模擬器進(jìn)行對(duì)合適配置結(jié)構(gòu)的模擬和優(yōu)化。模擬器的優(yōu)化特征允許對(duì)不同材料特性、大小和操作頻率的轉(zhuǎn)換器大小進(jìn)行改變。
參照?qǐng)D1和2，現(xiàn)在敘述轉(zhuǎn)換器1的操作。TEM模式信號(hào)通過(guò)第一發(fā)送線(xiàn)2a傳送到第一變換器3a的發(fā)送部分23。在變換器中，信號(hào)被轉(zhuǎn)換到波導(dǎo)模式，特別是TE10模式，用于進(jìn)入到形成在第一襯底26中的第一變換器3a的矩形波導(dǎo)部分25。然后，通過(guò)第一變換器3a的波導(dǎo)部分25傳播的信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)管連接器被傳送到第三發(fā)送線(xiàn)4、波導(dǎo)4a上。在毫米波信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)4a之后，它被連接到在第二襯底上的第二變換器3b的波導(dǎo)部分(未顯示)，并被轉(zhuǎn)換回TEM模式信號(hào)，并且被發(fā)送到第二變換器3b的發(fā)送部分(未顯示)。TEM模式信號(hào)最終連接到與第一發(fā)送線(xiàn)2a相平行的第二發(fā)送線(xiàn)2b。這就完成了毫米波信號(hào)從第一發(fā)送線(xiàn)2a到第二發(fā)送線(xiàn)2b的傳送。
可以認(rèn)識(shí)到盡管上面敘述變換器的功能是關(guān)于將輸入到其發(fā)送部分的TEM模式信號(hào)轉(zhuǎn)換為通過(guò)其波導(dǎo)部分輸出的波導(dǎo)模式信號(hào)，但變換器也可以進(jìn)行相反的工作。特別是，在優(yōu)選的實(shí)施例中，可以使用相同的變換器將輸入到其波導(dǎo)部分的波導(dǎo)模式信號(hào)轉(zhuǎn)換成通過(guò)其轉(zhuǎn)換器部分輸出的TEM模式信號(hào)。
如上所述，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器配置提供了更好的可制造性。特別是，該設(shè)計(jì)避免了現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器技術(shù)中所需要的緊容差，諸如微波傳輸帶到縫隙和E-平面探針的轉(zhuǎn)換器。通過(guò)依靠在TEM和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)的變換器，可以有效實(shí)現(xiàn)模塊元件的轉(zhuǎn)換，并且可以避免在元件和波導(dǎo)之間復(fù)雜的校準(zhǔn)。因此，可以使用提供大量和自動(dòng)裝配的制造方法。特別是，由于發(fā)送線(xiàn)到波導(dǎo)的位置并不很關(guān)鍵，可以將波導(dǎo)與轉(zhuǎn)換器分離，即不需要與轉(zhuǎn)換器整體的形成。這就允許使用大量生產(chǎn)制造技術(shù)對(duì)它進(jìn)行生產(chǎn)。例如，在圖1顯示的實(shí)施例中，通過(guò)首先在對(duì)應(yīng)波導(dǎo)橫截面區(qū)域的襯底中鉆孔開(kāi)口，波導(dǎo)能夠形成在支承板5、金屬底座5a中。在優(yōu)選的實(shí)施例中，波導(dǎo)是矩形，因此，開(kāi)口是矩形。該矩形部分的尺寸大于轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)部分所需的尺寸。然而，實(shí)際的波導(dǎo)功能是通過(guò)獨(dú)立準(zhǔn)備的進(jìn)入該開(kāi)口的金屬電介質(zhì)來(lái)形成。開(kāi)始在基底中準(zhǔn)備較大開(kāi)口的原因是為了方便大量制造的需要，這是由于低容差的要求而導(dǎo)致直接在金屬板中機(jī)械加工實(shí)際的波導(dǎo)尺寸會(huì)非常困難。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器不僅提供自身大量制造技術(shù)，也能夠提供改善的性能。例如，參照?qǐng)D4，顯示對(duì)圖1毫米波轉(zhuǎn)換器的模擬響應(yīng)。注意到轉(zhuǎn)換器的反射損耗在65和85GHz之間優(yōu)于(better than)15dB。插入損耗在相同頻率范圍內(nèi)優(yōu)于(better than)0.6dB。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以使用在任何傳送毫米波信號(hào)從一個(gè)平面到另一個(gè)平面的裝配中。這種裝配的實(shí)例包括ACC系統(tǒng)，LMDS系統(tǒng)和HRR系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于將毫米波信號(hào)從一個(gè)平面發(fā)送到另一個(gè)平面的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括位于平行平面上的第一和第二發(fā)送線(xiàn)；與所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)相正交的第三發(fā)送線(xiàn)，其中所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送TEM模式信號(hào)，而所述第三發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送波導(dǎo)模式信號(hào)；或者所述第三發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送TEM模式信號(hào)，而所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送波導(dǎo)模式信號(hào)；以及第一和第二變換器，所述第一變換器連接在所述第一和第三發(fā)送線(xiàn)之間，所述第二變換器連接在所述第二和第三發(fā)送線(xiàn)之間，每個(gè)所述變換器適用于在TEM和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中所述第三發(fā)送線(xiàn)是波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一或第二發(fā)送線(xiàn)是微波傳輸帶。
4.如權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)和所述第一和第二變換器分別設(shè)置在第一和第二毫米波板上。
5.如權(quán)利要求4的轉(zhuǎn)換器，其中所述毫米波板是重疊的。
6.如權(quán)利要5的轉(zhuǎn)換器，其中所述毫米波板被隔開(kāi)至少10％的操作信號(hào)波長(zhǎng)的距離。
7.如權(quán)利要求4的轉(zhuǎn)換器，其中至少一個(gè)所述毫米波板包括電路。
8.如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一變換器將信號(hào)從TEM模式轉(zhuǎn)換到波導(dǎo)模式，所述第二變換器將信號(hào)從波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換到TEM模式。
9.如權(quán)利要求8的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)模式是矩形波導(dǎo)模式。
10.如權(quán)利要求9的轉(zhuǎn)換器，其中所述矩形波導(dǎo)模式是TE10模式。
11.如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中每個(gè)變換器包括發(fā)送部分，連接到變換器的相應(yīng)發(fā)送線(xiàn)；波導(dǎo)部分，配置為促進(jìn)通過(guò)其中的波導(dǎo)模式信號(hào)在與發(fā)送部分相正交的平面上的傳播；以及轉(zhuǎn)換部分，電連接在所述發(fā)送部分和所述波導(dǎo)部分之間，所述轉(zhuǎn)換部分配置為在TEM模式和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。
12.如權(quán)利要求11的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換部分包括至少一個(gè)與TEM模式信號(hào)的傳播方向相垂直的翅片。
13.如權(quán)利要求11的轉(zhuǎn)換器，其中所述發(fā)送部分、所述波導(dǎo)部分和所述轉(zhuǎn)換部分共用一個(gè)公共襯底。
14.如權(quán)利要求13的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)包括在所述襯底中設(shè)定的導(dǎo)電隔層。
15.如權(quán)利要求14的轉(zhuǎn)換器，其中所述導(dǎo)電隔層是金屬壁。
16.如權(quán)利要求14的轉(zhuǎn)換器，其中所述導(dǎo)電隔層是穿孔金屬壁。
17.如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一和第二變換器相同。
18.如權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)是中空波導(dǎo)。
19.如權(quán)利要求18的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)是矩形波導(dǎo)。
20.如權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)具有至少為0.25毫米的長(zhǎng)度。
21.如權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)包括金屬電介質(zhì)填料。
22.如權(quán)利要求11的轉(zhuǎn)換器，其中所述波導(dǎo)包括具有匹配所述波導(dǎo)部分的阻抗的金屬電介質(zhì)填料。
23.如權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器，還包括位于所述第一和第二襯底之間的支承板，所述波導(dǎo)通過(guò)該支承板。
24.如權(quán)利要求23的轉(zhuǎn)換器，其中所述支承板是剛性的。
25.如權(quán)利要求24的轉(zhuǎn)換器，其中所述支承板是金屬。
26.如權(quán)利要求24的轉(zhuǎn)換器，其中所述支承板包括接納所述波導(dǎo)的鉆孔。
27.如權(quán)利要求24的轉(zhuǎn)換器，其中所述支承板至少是1毫米厚。
28.一種包括權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器的ACC系統(tǒng)。
29.一種利用轉(zhuǎn)換器將毫米波信號(hào)從第一平面發(fā)送到第二平面的方法，該方法包括在第一平面中沿著第一發(fā)送線(xiàn)發(fā)送毫米波信號(hào)；使用一變換器將所述信號(hào)從TEM模式和波導(dǎo)模式中的一個(gè)模式轉(zhuǎn)換成所述TEM模式和所述波導(dǎo)模式中的另一個(gè)模式；在所述另一個(gè)模式中沿著與所述第一發(fā)送線(xiàn)相正交的第三發(fā)送線(xiàn)將所述信號(hào)發(fā)送到與所述第一平面相平行的第二平面；將所述信號(hào)轉(zhuǎn)換回所述一個(gè)模式；以及在所述第二平面中沿著第二發(fā)送線(xiàn)發(fā)送在所述一個(gè)模式中的所述信號(hào)。
30.如權(quán)利要求29的方法，其中所述信號(hào)在大約65到大約85GHz之間。
31.如權(quán)利要求29的方法，其中反射損耗優(yōu)于15dB，插入損耗優(yōu)于0.6dB。
32.如權(quán)利要求29的方法，其中所述第三發(fā)送線(xiàn)大于所述信號(hào)波長(zhǎng)的10％。
33.一種制造所述轉(zhuǎn)換器的方法，該方法包括提供一支承板；在所述支承板中鉆孔；在所述孔中插入波導(dǎo)填料；提供所述第一和第二毫米波板，每個(gè)板包括集成的發(fā)送線(xiàn)和具有波導(dǎo)部分的變換器；將所述第一和第二毫米波板固定在所述支承板的每一側(cè)，以使所述轉(zhuǎn)換線(xiàn)與所述波導(dǎo)正交，所述波導(dǎo)與每個(gè)變換器的所述波導(dǎo)部分在軸向排列成行。
全文摘要
一種用于將毫米波信號(hào)從一個(gè)平面發(fā)送到另一個(gè)平面的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括(a)位于平行平面中的第一和第二發(fā)送線(xiàn)；(b)與第一和第二發(fā)送線(xiàn)相正交的第三發(fā)送線(xiàn)，其中所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送TEM模式信號(hào)，而所述第三發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送波導(dǎo)模式信號(hào)；或者所述第三發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送TEM模式信號(hào)，而所述第一和第二發(fā)送線(xiàn)適用于發(fā)送波導(dǎo)模式信號(hào)；以及(c)第一和第二變換器，所述第一變換器連接在所述第一和第三發(fā)送線(xiàn)之間，所述第二變換器連接在第二和第三發(fā)送線(xiàn)之間，每個(gè)所述變換器適用于在TEM和波導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。
文檔編號(hào)H01P5/107GK1619331SQ20041008993
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
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