相控阵天线的制作方法

本发明涉及一种相控阵天线，并且尤其涉及一种2d大规模mimo波束控制天线。更具体地，本发明涉及一种具有用于波束控制和发射/接收功能的集成电子器件的rf/微波/毫米波天线。天线的典型应用领域是电信、汽车雷达、用于军事应用或卫星应用的雷达。

背景技术：

自20世纪60年代末以来，已经开发出了主要用于军事雷达应用的相控阵天线。从那以后，由于所有电子器件(也在毫米波频率上)的集成度都已大大提高，因此，建造可负担得起的相控阵天线的可能性已经达到了也适合商业应用的成本水平。现有系统以两种原理不同的方式建造，通常分别称为“砖砌(brick)”和“平铺(tile)”。

砖砌系统使用垂直于天线平面安装的发射/接收模块，这以简化的方式增加了电子器件的可用空间并增加了冷却可能性。在砖砌建造实践中，最大的问题是与天线的连接，该连接通常是通过同轴连接器进行的，而这些连接器昂贵、笨重并且容易受到公差的影响。因此，这种建造方式仅用于高成本、高性能的军事雷达系统。

由于平铺建造实践没有垂直的天线连接，使得将天线与电子器件集成在一起的方式更简单，因此平铺建造实践似乎是理想的。然而，建造天线的这种方式同样存在若干缺点。主要问题是：电子器件的可用空间有限，这是因为要求相邻天线元件之间的最大距离为半个波长(例如，在30ghz下为5mm)、需要屏蔽墙以在信道之间进行隔离；在发射/接收路径中用于增加滤波功能的空间有限；由于当电子器件过于拥挤时每单位面积的高功率所导致的热限制等。这些限制或边界条件将对平铺天线的使用限制在不使用滤波的低功率设备上，并且限制为有限的扫描范围。

因此，需要一种新型相控阵天线，该新型相控阵天线可以相对成本有效地生产，并且可以减轻以上讨论的问题中的至少一些问题。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种新型相控阵天线，该新型相控阵天线可以相对成本有效地生产，并且可以减轻以上讨论的问题中的至少一些问题。

该目的通过根据所附权利要求的相控阵天线来实现。

根据本发明的第一方面，提供了一种相控阵天线，该相控阵天线包括：

基底层，该基底层包括具有多个突出柱的基板，所述柱用于阻止波沿所述基底层传播；

印刷电路板(pcb)，该印刷电路板布置在所述基底层上，并且在该pcb的面向该基底层和这些突出柱的第一侧上包括至少一个相控阵射频(rf)集成电路(ic)，该pcb进一步包括用于将rf信号从该(这些)相控阵rfic传输到该pcb的相反第二侧的馈源；

辐射层，该辐射层包括用于从该相控阵天线发射和/或接收rf信号的多个辐射元件；以及

馈电层，该馈电层用于传输rf信号，并且布置在该pcb的第二侧上的馈源与该辐射层的辐射元件之间。

该新型相控阵天线通过使用一层或若干层间隙波导技术解决了先前在平铺天线建造实践中遇到的许多固有问题。

换言之，本发明提供了一种新型天线，该新型天线包括低损耗的多层间隙波导结构并且包括用于微波/毫米波部件的板，具有高效的电联接并且内置有用于冷却电子器件的高效热路径。将使用间隙柱/针技术来抑制天线中的信道内部或之间的传播。

电子器件(即，至少一个相控阵射频(rf)集成电路(ic))安装在pcb(比如微带板)上，这些电子器件与该pcb的另一侧上的馈电结构联接。具有突出柱的基底层能够实现非常高效的馈送，从而抑制波沿基底层的传播。因此，突出柱形成间隙人工磁导体(artificialmagneticconductor，amc)表面。具有突出柱的基底层优选地覆盖pcb的整个区域。此基底层的作用是完全抑制任何波沿pcb或在pcb内部传播，这带来了一个很大的优点，即，可以省去原本一直存在的用于将相邻信道解除联接的所有屏蔽墙，从而使得可以非常高效地使用pcb区域。这也最小化了该板中的布线问题。

间隙波导结构(即，包括突出柱的结构)优选地包括金属表面，并且最优选地完全由金属制成。例如，这些结构可以通过压铸或注射成型(例如使用铝或锌)来制造。

具有突出柱的基底层(特别是当由金属制成时)还带来另一个很大的优点，即，安装在pct上的微波电路将具有非常有效的背离该板的热路径，从而高效地冷却天线。这带来了非常高的功率处理能力，进而使天线具有更高的输出功率。这在例如电信系统或雷达系统中非常重要。具有突出柱的基底层还将用作需要从顶侧冷却的电路(例如，通常用于系统的低功率部件和数字部件的bga封装型cmos电路)的冷却表面。

使用突出柱来形成抑制波沿不希望的方向传播的表面尤其从同一申请人的wo10/003808、wo13/189919、wo15/172948、wo16/058627、wo16/116126、wo17/050817和wo17/052441中是本身已知的，并且所述文档中的每一个均通过引用以其整体并入本文。

使用突出柱来形成对波在不希望的方向上的抑制可以被称为间隙波导技术，该技术是一种用于在平行导电板之间的狭窄间隙中控制波传播、或者用于形成抑制波传播的表面的技术。通过在两个平行导电表面中的一个或两个导电表面中使用周期性元件(比如金属柱(也被称为针))来阻止波传播，并且在要形成波导的情况下，波沿着例如布置在这两个导电表面之一上的金属脊被引导。这两个平行导电表面之间不需要金属连接。场主要存在于这两个表面之间的间隙内，而不是存在于纹理或层结构本身中，因此损耗很小。对于频率如此高以至于现有的传输线和波导损耗太高或无法在所需的公差范围内成本有效地制造的情况，这种类型的微波波导技术是特别有利的。

这些辐射元件可以是延伸穿过该辐射层的槽口，并且优选地是矩形槽口。槽口优选地相对较短，并且沿着平行线布置在辐射层中，每条线包括多个槽口。然而，也可以使用更长的槽口，比如在辐射层的几乎整个宽度上延伸的槽口。

代替辐射层中的上述槽口，也可以使用其他辐射元件，比如辐射片等。

根据一系列实施例，辐射元件是蝶形天线。蝶形天线非常高效，生产成本也很低廉。蝶形天线从例如同一申请人的wo14/062112、wo17/086853和wo17/086855中是本身已知的，并且所述文档中的每一个均通过引用以其整体并入本文。

该馈电层可以是间隙波导层，该间隙波导层包括用于在该pcb的馈源与这些辐射元件之间传输rf信号的间隙波导。如上所述，这样的间隙波导尤其从同一申请人的wo10/003808、wo13/189919、wo15/172948、wo16/058627、wo16/116126和wo17/050817中是本身已知的，并且所述文档中的每一个均通过引用以其整体并入本文。在馈电层中使用间隙波导提供了另外惊人的优点。间隙波导实现了低损耗与非常低的制造成本的组合。在此，安装在pcb上的电子器件可以例如从槽口中的开口端微带线联接至间隙波导。因此，该pcb的馈源可以是与该间隙波导层中的相应开口连接的通孔，该pcb的通孔由该pcb的第一侧上的微带线进行馈送。然后，通过先前讨论的具有突出柱的基底层实现了非常高效的联接，这有效地迫使场进入槽中，从而避免了其他解决方案需要使用的、非常占用空间的四分之一波长短路。

进一步地，由于间隙波导层的存在，因此安装在pcb上的微波电路还将直接在pcb的接地侧具有另外的非常有效的热路径，从而带来甚至更高的功率处理能力，进而使天线具有甚至更高的输出功率。当间隙波导结构由金属制成时，这种效果尤其明显。

间隙波导馈电层的使用还使得能够在发射/接收路径中结合低损耗滤波器，例如通过在pcb与馈电层之间添加额外的间隙波导结构层。滤波通常是例如电信系统中用于抑制噪声和干扰的关键功能，并且在其他建造实践(比如微带基板或带状线基板)中很难以低损耗结合这一功能。

该间隙波导层(即，具有间隙波导的馈电层)优选地包括由突出柱围绕的脊状馈电结构，这些突出柱被布置成阻止波沿除了所述脊以外的其他方向传播。

基底层和馈电层中的至少一个、并且优选地两个(特别是当结合有间隙波导时)由金属制成、并且优选地由铝制成。

在具有间隙波导的基底层和馈电层中的至少一个、并且优选地两个中，突出柱的最大截面尺寸小于在工作频率下空气中波长的一半，和/或这些突出柱之间的间隔小于在工作频率下空气中波长的一半。进一步地，这些突出柱优选地以周期性或准周期性的模式布置并且固定地连接至该基底层/馈电层。优选地，这些突出柱至少经由所述基底层/馈电层在其基底处彼此电连接。

为了改善热路径，可以将至少一些并且优选地所有的突出柱布置成与该印刷电路板机械接触。然而，可替代地，pcb可以与突出柱间隔开较短的间隔间隙。进一步地，该基底层可以具有足以覆盖该pcb的整个区域的延伸部。更进一步地，该基底层可以由金属形成，并且优选地可以由铝形成。

在一个实施例中，该天线进一步包括布置在该pcb与该馈电层之间的滤波器层。该滤波器层可以被实现为形成谐振腔的第二间隙波导层。

优选地，该天线的所有层都具有基本上相同的宽度尺寸和长度尺寸。因此，提供了紧凑的天线，并且该天线具有优异的屏蔽特性和散热特性。然而，也可以使某些层(比如辐射层和/或基底层)比其他层稍大一些。

根据对本发明的当前优选实施例的以下详细描述，本发明的进一步实施例和优点将变得显而易见。

附图说明

出于例示的目的，下面将参考附图中展示的实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的相控阵天线的分解视图；

图2是从不同方向看的根据本发明的实施例的天线的一部分的详细视图，该部分形成从pcb层到间隙波导馈电层的过渡部；

图3是根据本发明的实施例的天线的一部分的详细截面视图，该部分形成从pcb层到间隙波导馈电层的过渡部、并且在这两个层之间具有滤波器层；

图4是根据本发明的实施例的pcb层和基底层的详细立体图；

图5是根据本发明的另一实施例的基底层的详细立体图；

图6是从用于本发明的实施例的蝶形天线的上方看的详细立体图；

图7是从用于本发明的另一实施例的蝶形天线的上方看的详细立体图；

图8是从用于本发明的实施例的蝶形天线阵列的上方看的详细立体图；并且

图9是根据本发明的天线的另一实施例的示意性截面视图。

具体实施方式

参考图1，根据第一实施例的相控阵天线1包括基底层2。该基底层包括具有多个突出柱22的基板21，该多个突出柱用于阻止波沿该基底层传播。这些突出柱可以以周期性或准周期性的模式布置，并且优选地这些突出柱的最大截面尺寸小于在工作频率下空气中波长的一半，并且这些突出柱之间的间隔小于在工作频率下空气中波长的一半。这些突出柱固定地连接至基板，并且还经由所述基板彼此电连接。基板和突出柱具有导电金属表面，并且优选地完全由金属制成。例如，基底层可以由铝或锌压铸或注射成型。突出柱22可以例如具有矩形或圆形的截面形状。

印刷电路板(pcb)3布置在基底层上。pcb优选地包括：包括电子部件、并且更具体地包括至少一个相控阵射频(rf)集成电路(ic)的一侧(部件侧)以及包括接地层的另一侧。此处，部件侧被布置成朝向基底层和突出柱。

pcb进一步包括用于将rf信号从(多个)相控阵rfic传输到pcb的相反侧的馈源31。此处，馈源包括穿过pcb的槽口。安装在pcb上的电子器件例如从延伸到槽口中的开口端微带线联接至槽口。

可以在pcb层3上布置可选的滤波器层4。滤波器优选地提供低损耗的波导滤波。滤波器层可以包括间隙波导，该间隙波导形成用于对电磁波进行滤波的谐振腔。间隙波导可以被实现为由突出柱42围绕的脊41，这些突出柱用于以与前面讨论的相同方式阻止或抑制沿除预期方向之外的其他方向的波。

馈电层5布置在滤波器层4上，或者在省略了滤波器层的情况下直接布置在pcb3上。馈电层5包括将来自pcb的馈源的rf信号(可能经由可选的滤波器层)传输到辐射层的辐射元件，或者以相反的方式传输。在这个实施例中，馈电层被实现为间隙波导结构，该间隙波导结构包括：脊51，信号将沿该脊传播；以及突出柱52，这些突出柱被布置成以与前面讨论的相同方式阻止或抑制波沿其他方向的传播。突出柱优选地沿着每个波导路径在两侧上布置成至少两个平行的行。然而，对于某些应用，单行可能就足够了。进一步地，在许多实施例中还可以有利地使用多于两个的平行行，比如三个、四个或更多个平行行。

pcb层的馈源31以及馈电层5中或滤波器层4(假如提供了这样的层的话)中的相应开口/输入端可以沿着被布置成靠近pcb的两个相反侧的两条线布置。这将在馈电层中以平行线从馈电层的两侧朝向中心馈送信号。然而，可替代地，馈源可以沿着一条或多条中心线布置，或者可以沿着相对靠近中心布置的一条或若干条线布置。这将在馈电层中以平行线从中心向外并朝向两侧馈送信号。还可以提供馈源31的三条或四条平行线，这些平行线分开布置并且分布在pcb上。然而，馈源的其他布置也是可行的。

辐射层6被布置在馈电层5上，并且包括以阵列布置的多个辐射元件61。辐射元件被布置成发射和/或接收rf信号。辐射层优选地形成平面的辐射表面。

在这个实施例中，辐射元件是延伸穿过辐射层的槽口，并且被布置成联接至馈电层5的间隙波导。槽口优选地相对较短，并且沿着平行线布置在辐射层中，每条线包括多个槽口。

天线元件之间的间隔(例如，呈槽的形式)优选地小于在工作频率下空气中的一个波长。

在图2中，更详细地展示了从pcb层到间隙波导馈电层的过渡部。间隙波导包括脊51，该脊形成波的传播路径并且由突出柱52围绕。波通过基板中的开口53被馈送。开口53联接至pcb3上的微带线32的开口端。进一步地，具有突出针的基底层2被布置在pcb的另一侧上。在图2中，仅示出了基底层2和pcb的很小的部分。

如上所讨论的，假如使用了滤波器层4，则可以以相同的方式馈送到滤波器层中。这在图3中进行了展示，其示出了将信号/波从pcb3馈送到滤波器层中。此处的馈送在pcb3的一侧上的开口31处进行。信号/波然后沿着脊间隙波导传播，并且然后经由开口53被传输到馈电层5的脊间隙波导中。在此，信号/波被引导朝向天线层6的槽口61。该描述的信号传播用于从天线发射信号。对于接收信号，遵循相同的路径，但采用相反的顺序和方向。

(多个)相控阵rfic优选地包括多个相控馈源和/或幅控馈源。(多个)相控阵rfic可以被布置成向辐射层的天线元件中的一个或若干个天线元件提供具有不同相位/振幅的信号，从而以本身已知的方式提供波束控制。(多个)相控阵rfic可以例如被布置成单独地控制布置在不同列或行中的天线元件的相位，以提供沿一个方向的波束控制。然而，可替代地，可以将其布置成单独地控制分布在辐射层的宽度方向和长度方向两者上的部分的天线元件，以提供沿两个正交方向的波束控制。还可以将其布置成单独地控制每个天线元件。

如图4中最佳可见，基底层2的突出柱22被布置在pcb3的有源部件上方/下方。突出柱22可以被布置成与pcb及其上的部件相距很小的距离。然而，可替代地，突出柱可以被布置成与pcb和/或设置在pcb上的部件32直接接触，从而使散热更加高效。

突出柱可以全都具有相同的高度。也可以使用高度略有不同的突出针。例如，直接在部件32上方/下方的突出柱可以具有较低的高度。因此，可以在由突出柱呈现的表面中形成凹入区域，在该凹入区域中插入集成电路等。

在基底层的不同部分中也可以具有不同高度的突出柱。图5中示意性地展示了这样的实施例。在此，第一部分的突出柱22’高于另一部分的突出柱22”。例如，当在pcb的不同部分上使用不同频率的信号时，这个实施例是有用的，从而使得每个部分的屏蔽更加高效。

代替辐射层中的上述槽口，也可以使用其他辐射元件，比如辐射片等。

根据一系列实施例，辐射元件是蝶形天线。蝶形天线非常高效，生产成本也很低廉。蝶形天线从例如同一申请人的wo14/062112、wo17/086853和wo17/086855中是本身已知的，并且所述文档中的每一个均通过引用以其整体并入本文。

蝶形天线是自接地天线，其被布置在接地平面上。此接地平面进一步增强了天线的散热。已知蝶形天线易于生产且生产成本低廉，并且体积小且紧凑。

如图6中所展示的，每个蝶形天线元件可以包括布置在接地平面611上的多个天线瓣610。接地平面611可以是天线阵列中所有天线元件的公共接地平面。优选地，提供两个或四个天线瓣，并且这些天线瓣以对称的方式围绕馈源布置。每个天线瓣包括朝向中央端部613逐渐变细的臂部分612，并且由导电材料制成。每个天线瓣从中央端部呈弓形延伸到较宽的外端614，该外端连接至接地平面611。

中央端部613可以导电地连接至接地平面611，并且可以布置在天线馈源(例如，呈开口615的形式)附近。因此，天线瓣类似于所谓的tem喇叭的功能。例如在wo2017/086855中讨论了这种类型的蝶形天线。开口615可以以与针对先前讨论的呈槽口形式的天线元件的方式类似的方式联接至馈电层中的开口。

在替代性实施例中，如图7所示，每个天线瓣的中央端部连接至一个或若干个天线馈源。特别地，端部可以具有适于连接至馈送端口的端部尖端部分，其中，为每个天线瓣提供特定的端口。例如在wo2014/062112以及还在wo2017/086855中讨论了这种类型的蝶形天线。

不管是第一类型还是第二类型，蝶形天线都可以作为天线元件阵列布置在辐射层的表面上，如图8中所展示的。

对于第二类型的蝶形天线，如以上关于图7所讨论的，相控阵天线的馈电结构可能略有不同。在这种情况下，可以将例如呈通道孔、同轴电缆等形式的导线布置成穿过馈电层，以将来自pcb层的馈送输出与辐射层的馈送输入相连接。

图9中示意性地展示了这样的实施例。在此，辐射层6’包括呈关于图7所讨论、并且如图8所示类型的蝶形天线形式的天线元件61’的阵列。pcb层3’包括馈送输出，该馈送输出连接至引导穿过馈电层4’的导线41’。馈电层可以例如形成为金属层(比如铝层)，其中，同轴连接线被布置在金属层的通孔中。

以与以上讨论的实施例中的方式类似的方式，还可以在馈电层与pcb层之间提供可选的滤波器层。

在pcb层3’的另一侧上布置了具有突出柱的基底层2，并且此处该基底层可以以与先前讨论的实施例中的方式相同的方式构造、并且执行相同的功能。

以上讨论的相控阵天线的实施例具有非常好的性能，并且可以在高达非常高的频率下工作。该天线优选地适于在高频率下使用。特别地，优选地，该天线适于在频率高于300mhz、并且优选地高于1ghz的工作频率/波区域中使用。该天线还可以在甚至更高的频率下使用，比如超过10ghz、超过20ghz、或超过30ghz、或超过100ghz。特别地，关于图1所讨论的首先讨论的实施例可以在高于10ghz的频率下工作，而关于图9所讨论的后来讨论的实施例可以在至少高达6ghz的频率下工作。

进一步地，相控阵天线可以用作独立天线。但是，相控阵天线也可以与其他部件集成。还可以将以上讨论的类型的多个相控阵天线组装成更大的阵列，并根据公共源进行同步，以提供更大的功率。

本发明的天线可以用于电磁波的发射或接收、或用于两者。

天线优选地是扁平的，并且具有基本上矩形的形状。然而，其他形状也是可行的，比如圆形、椭圆形也是可行的。该形状也可以是六边形、八边形或其他多边形的形式。天线表面也可以是非平面的，比如是凸形的。

出于机械原因，天线的波导和/或突出柱之间的空间可以填充有介电材料，比如介电泡沫。然而，优选地至少一些、并且优选地所有波导和/或突出柱之间的所有空间都充满空气，并且不填充有介电材料。

突出柱可以具有任何截面形状，但是优选地具有正方形、矩形或圆形截面形状。进一步地，突出柱的最大截面尺寸优选地小于在工作频率下空气中波长的一半。优选地，最大尺寸远小于此。最大截面尺寸在圆形截面的情况下是直径，或者在正方形或矩形截面的情况下是对角线。该多个突出柱也可以被称为针栅阵列。

突出柱优选地全部固定并电连接至一个导电表面。然而，至少一些、并且优选地所有突出元件可以进一步与布置在突出柱上方的表面直接或间接机械接触。

除了以上讨论的层之外，相控阵天线还可以包括另外的层(比如支撑层、间隔层等)，这些另外的层布置在先前讨论的层布置之上或之下、或者布置在这些层中的任何层之间。还可以提供多于一个pcb层，这些层例如以夹层结构布置在彼此的顶部上、或在这些层之间布置其他层。

此类和其他明显的修改必定被认为在如所附权利要求限定的本发明的范围内。应注意的是，上述实施例展示而不限制本发明，并且本领域技术人员在不背离所附权利要求的范围的情况下能够设计许多替代性实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记都不应解释为对权利要求进行限制。词语“包括(comprising)”不排除存在除权利要求中列出的元件或步骤之外的其他元件或步骤。在元件前的词语“一个(a)”或“一个(an)”并不排除存在多个此类元件。进一步地，单个单元可以执行权利要求中陈述的若干装置的功能。