БЕСПРОВОДНОЕ МЕЖПЛАТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
WIRELESS BOARD-TO-BOARD CONNECTION FOR HIGH SPEED DATA TRANSFER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокоскоростной беспроводной передаче данных между разными печатными платами или между участками одной печатной платы.
Уровень техники
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании соединения для передачи данных, в котором были бы устранены следующие недостатки существующих решений:
- высокие потери;
- низкая скорость передачи данных;
- большие размеры;
- высокая сложность изготовления;
- сильная зависимость от качества контакта между проводящими элементами.
Сущность изобретения
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.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для передачи сигналов, содержащее:
- волновод, содержащий:
первое проводящее основание и второе проводящее основание, расположенные параллельно друг другу, и
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); и
- по меньшей мере две направленные антенны, расположенные друг напротив друга по оси излучения, причем каждая антенна выполнена на основе печатной платы и содержит:
EBG-структуру, расположенную на верхнем и нижнем слоях печатной платы и выполненную с возможностью предотвращения обратного излучения, и
по меньшей мере один согласующий элемент;
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,
при этом упомянутый по меньшей мере один согласующий элемент расположен вблизи беспроводного канала и выполнен с возможностью согласования антенны с беспроводным каналом.
В одном из вариантов осуществления EBG-структура содержит множество ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки, причем каждая ячейка содержит:
расположенные параллельно друг другу проводящие участки в рамках первого и второго проводящих слоев печатной платы, и
проводящий элемент, проходящий сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы и соединяющий между собой упомянутые проводящие участки;
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.
В одном из вариантов осуществления EBG-структура отделена по меньшей мере от одного из оснований диэлектрическим зазором,
при этом устройство дополнительно содержит:
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.
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.
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.
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,
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,
проводящие участки соседних ячеек EBG-структур в рамках крайних проводящих слоев печатной платы электрически не связаны между собой.
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.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере часть волновода и по меньшей мере одна из антенн интегрированы в единую печатную плату.
В одном из вариантов осуществления антенны выполнены с возможностью передавать и принимать через беспроводной канал два типа волны, перпендикулярных друг другу.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна из антенн содержит интегрированную в печатную плату свернутую патч-антенну, которая запитывается микрополосковым волноводом.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна из антенн содержит интегрированную в печатную плату дипольную антенну.
В одном из вариантов осуществления антенны расположены в волноводе таким образом, что ось излучения параллельна основаниям.
В одном из вариантов осуществления антенны расположены в волноводе таким образом, что ось излучения перпендикулярна основаниям.
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.
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.
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.
Технический результат
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.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1А-1B показан известный бесконтактный AF-SIW-волновод.
На Фиг. 2 показано схематическое представление вида в перспективе в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 3 показано схематическое представление вида сбоку в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 4 показано схематическое представление вида сверху в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 5 показаны направления допустимых отклонений во взаимном позиционировании элементов устройства при сборке.
На Фиг. 6 показано еще одно схематическое представление вида сбоку в разрезе устройства для передачи сигналов согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 7 показана эквивалентная схема предложенного устройства для случая плоскопараллельного волновода без боковых стенок.
На Фиг. 8 представлено распределение потока мощности в антенне.
На Фиг. 9A-9B показаны примерные диаграммы распределения электромагнитного поля в плоскопараллельном волноводе.
На Фиг. 10 показаны результаты моделирования предложенного устройства для случая плоскопараллельного волновода без боковых стенок.
На Фиг. 11 показана конструкция элементарной ячейки EBG-структуры.
На Фиг. 12 показана эквивалентная схема EBG-структуры.
На Фиг. 13 приведена частотная характеристика волновода с EBG-структурой.
На Фиг. 14 показан принцип получения новой компоновки EBG-структуры.
На Фиг. 15 показана конструкция элементарной ячейки усеченной EBG-структуры.
На Фиг. 16 показана эквивалентная схема усеченной EBG-структуры.
На Фиг. 17 приведена частотная характеристика волновода с усеченной EBG-структурой.
На Фиг. 18 показан дополнительный вариант осуществления EBG-структуры.
На Фиг. 19 показано схематическое представление электрического поля в беспроводном канале.
На Фиг. 20 показан график распределения электрического поля в волноводе.
На Фиг. 21 показан примерный вариант конструкции для моделирования вариаций воздушного зазора.
На Фиг. 22A-22C показаны результаты моделирования вариаций воздушного зазора.
На Фиг. 23A-23E показан принцип формирования антенны на основе SIW-волновода между усеченными EBG-структурами.
На Фиг. 24 показано схематическое представление тестовой установки для моделирования антенны на основе SIW-волновода, заключенного в усеченные EBG-структуры.
На Фиг. 25 показаны результаты моделирования для случая по Фиг. 24.
На Фиг. 26 показан пример свернутой патч-антенны.
На Фиг. 27 показана диаграмма излучения для случая со свернутой патч-антенной.
На Фиг. 28 показаны результаты моделирования для случая со свернутой патч-антенной.
На Фиг. 29 показан пример дипольной антенны.
На Фиг. 30 показана диаграмма излучения для случая с дипольной антенной.
На Фиг. 31 показаны результаты моделирования для случая с дипольной антенной.
На Фиг. 32 показан пример интеграции антенны и боковых стенок в единой печатной плате.
На Фиг. 33, 34, 35, 36A и 36B показаны варианты осуществления с передачей сигналов перпендикулярно плоскости оснований.
На Фиг. 37 показана передача сигналов в дуплексном режиме.
На Фиг. 38 показана многослойная EBG-структура.
Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.
Подробное описание
Общее описание устройства
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.
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.
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.
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.
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.
a
b
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  x  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 составит
.
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.
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.
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 составит
,
то есть вся мощность источника при отсутствии потерь в компоновке согласно настоящему изобретению должна поступить на приемник.
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.
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.
Далее элементы устройства 100 для передачи сигналов будут описаны более подробно.
Плоскопараллельный волновод
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.
антенны#1
утечки
антенны#2
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 R, R, R. 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.
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.
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.
Боковые стенки волновода с EBG-структурами
Для предотвращения утечки в открытое пространство используются боковые стенки, образованные EBG-структурами. Вместе с основаниями они образуют прямоугольный волновод.
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.
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.
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.
То есть при компактных размерах предложенное устройство обладает очень низкими потерями, и при этом его сборка не требует прочного и надежного контакта между слоями.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Антенна
Далее более подробно описываются примерные варианты осуществления антенн в предложенном устройстве.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
В частности, антенны 120 и 121 могут располагаться друг над другом - например, в разных модулях, как показано на Фиг. 33-36.
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).
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).
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).
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).
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.
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.
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).
Полезный эффект
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.
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.
Применение
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.
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 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.
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.
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.
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.