РЕЗОНАНСНАЯ ОКОНЕЧНАЯ СВЧ НАГРУЗКА, ИНТЕГРИРОВАННАЯ В ПОДЛОЖКУ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ Российский патент 2023 года по МПК H01P1/26 H01Q1/38 H01Q1/52 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, в частности к оконечной нагрузке, интегрированной в подложку печатной платы.

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка перспективных сетей связи 5G и 6G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость и объем передачи данных, энергоэффективность.

Новые приложения требуют внедрения нового класса радио систем, способных осуществлять передачу/прием данных/энергии и имеющих возможности адаптивного изменения характеристик излучаемого электромагнитного поля. Важным компонентом таких систем являются управляемые антенные решетки, которые находят свое применение в системах передачи данных, таких как 5G (28ГГц), WiGig (60ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G(субТГц), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д.

Антенные решетки миллиметрового диапазона, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:

- низкие потери и высокий коэффициент усиления;

- возможность гибкого управления лучом (направлением максимума излучения), т.е. сканирование луча и фокусировка излучаемого поля в широком диапазоне углов;

- компактная, недорогая, простая архитектура, применимая для серийного производства.

На сегодняшний день при создании излучателей миллиметрового диапазона широко используется технология печатных плат (PCB), так как данная технология позволяет получать устройства, характеризующиеся простотой конструкции и технологичностью, удобством интеграции на единой подложке с другими электронными узлами, возможностью достижения широкой полосы рабочих частот.

Дополнительными требованиями к антенным решеткам являются низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности и высокий коэффициент эффективности, улучшающие помехозащищенность системы и отношение сигнала-шум. Для этого необходимо подавлять паразитное излучение, возникающее в антенных решетках вследствие влияния, в том числе, краевых эффектов. Для подавления паразитного излучения, вызванного дифракцией поверхностной волны на краю решетки, краевые активные элементы антенной решетки окружают пассивными элементами, которые соединены с оконечной нагрузкой. Оконечная нагрузка может быть реализована в виде согласованной нагрузки - т.н. «терминатора» - или в виде стандартного резистора. Такие оконечные нагрузки также используются в пассивных питающих устройствах (например, делителях мощности), в которых плечи делителей следует соединять с терминаторами для подавления множества отраженных волн. Однако, стандартные резисторы и терминаторы не могут использоваться при крайне высоких частотах (например, выше 100 ГГц). Малые размеры антенных решеток, предназначенных для работы в стандартах связи 5G и 6G, ограничивают возможность применения сосредоточенных терминаторов. Реализация терминаторов во внутренних слоях печатной платы (printed circuit board, PCB) также является затруднительной вследствие крайне жестких допусков для оборудования, предназначенного для диапазона частот стандарта связи 6G.

Для улучшения параметров всей антенной решетки зачастую используются внешние элементы, которые соединяются с согласованными терминаторами (оконечной нагрузкой). В апертуре решетки во время работы возникают поверхностные волны. Эти волны, отражаясь от краев антенной решетки, искажают диаграмму направленности решетки, что ведет к возникновению боковых лепестков и росту уровня обратного излучения вследствие эффекта дифракции. В то же время, если антенная решетка окружена пассивными элементами с согласованными терминаторами, то поверхностные волны поглощаются упомянутыми пассивными элементами и не оказывают отрицательного воздействия на диаграмму направленности антенной решетки.

Однако, существующие подходы реализации оконечной нагрузки в многослойных PCB антенной решетки обладают рядом недостатков:

- значительное требуемое место для установки;

- сложность структуры;

- высокая стоимость производства;

- длительность процесса производства;

- невозможность реализации в структуре AiP (Antenna in Package);

- невозможность использования при рабочих частотах более 80 ГГц;

- невозможность реализации внутреннего пленочного резистора для органического диэлектрика, т.к. пленочные резисторы реализуются на базе керамических подложек (Low Temperature Co-Fired Ceramic, LTCC) с использованием специальных резистивных составов, наносимых в процессе высокотемпературной обработки.

В существующем уровне техники известно решение, раскрытое в документе US 9,905,899 B2, которое представляет собой терминатор, выполненный в виде пленочного резистора с согласующей схемой на основе микрополосковой линии. Однако, данное решение не может быть реализовано в качестве оконечной нагрузки для многослойных PCB. Кроме того, расположение согласующей схемы требует дополнительного пространства.

Документ US 10,003,115 B2 раскрывает терминатор для внутренних слоев PCB. В соответствии с данным решением электромагнитная волна принимается посредством зонда в волноводе и направляется в сосредоточенный терминатор на поверхности PCB посредством внешней полосковой линии. Однако, данное решение требует наличия сосредоточенного резистора и его монтажа, что невозможно для частот выше 100 ГГц.

Документ US 4,737,747 раскрывает процесс сборки терминатора для внутренних слоев PCB. Поглощающий резистивный элемент устанавливается на одной стороне первой PCB, а линия передачи обеспечивается на верхней стороне другой PCB. Затем обе PCB собираются вместе. Однако, данная структура должна собираться из двух PCB, что значительно ухудшает точность совмещения.

Следовательно, в настоящее время существует потребность в создании компактной, надежной, простой и недорогой оконечной нагрузки для антенной решетки, обеспечивающей низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности и высокий коэффициент эффективности, что положительно влияет на качество работы антенной решетки (скорость и надежность передачи данных).

Сущность изобретения

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

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена оконечная нагрузка, интегрированная в печатную плату, причем оконечная нагрузка включает в себя фрагмент по меньшей мере одной линии передачи, промежуточный патч, верхний резонаторный патч, верхний металлический заземляющий слой копланарный с верхним патчем, причем зазор между верхним резонаторным патчем и верхним металлическим слоем заполнен резистивным материалом, упомянутый фрагмент по меньшей мере одной линии передачи оканчивается в оконечной нагрузке в виде возбуждающего зонда, упомянутая по меньшей мере одна линия передачи расположена в печатной плате между нижним слоем заземления печатной платы и верхним слоем печатной платы, в котором расположены верхний резонаторный патч, резистивный материал и верхний металлический слой, промежуточный патч расположен в печатной плате между слоем, в котором расположена по меньшей мере одна линия передачи, и упомянутым верхним слоем, возбуждающий зонд, промежуточный патч и верхний резонаторный патч связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

В соответствии с одним вариантом осуществления оконечной нагрузки резистивный материал в зазоре между верхним резонаторным патчем и верхним металлическим слоем выполнен в виде резистивной пленки.

В соответствии с упомянутым одним вариантом осуществления оконечной нагрузки размер верхнего резонаторного патча составляет менее , где - диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы, - длина волны излучаемого/принимаемого сигнала в свободном пространстве.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложена оконечная нагрузка, интегрированная в печатную плату, причем оконечная нагрузка включает в себя фрагмент по меньшей мере одной линии передачи, промежуточный патч, верхний резонаторный патч, верхний металлический заземляющий слой копланарный с верхним патчем, упомянутый фрагмент по меньшей мере одной линии передачи оканчивается в оконечной нагрузке в виде возбуждающего зонда, упомянутая по меньшей мере одна линия передачи расположена в печатной плате между нижним слоем заземления печатной платы и верхним слоем печатной платы, в котором расположены верхний резонаторный патч и верхний металлический слой, промежуточный патч расположен в печатной плате между слоем, в котором расположена по меньшей мере одна линия передачи, и упомянутым верхним слоем, возбуждающий зонд, промежуточный патч и верхний резонаторный патч связаны друг с другом посредством электромагнитной связи, причем поверх верхнего слоя печатной платы нанесен объемный радиопоглощающий материал или радиопоглощающее покрытие.

В соответствии с одним вариантом осуществления оконечной нагрузки радиопоглощающее покрытие представляет собой радиопоглощающую краску или радиопоглощающий клей.

В соответствии с другим вариантом осуществления оконечной нагрузки размер верхнего резонаторного патча составляет примерно , где - диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы, - длина волны излучаемого/принимаемого сигнала в свободном пространстве.

В соответствии с другим вариантом осуществления оконечная нагрузка включает в себя фрагменты двух линий передачи, расположенные ортогонально друг другу.

В соответствии с другим вариантом осуществления оконечной нагрузки размер промежуточного патча составляет примерно .

В соответствии с другим вариантом осуществления оконечной нагрузки промежуточный патч имеет осесимметричную форму, выбранную из следующих вариантов: квадрат, круг, квадрат с щелью в центре.

В соответствии с другим вариантом осуществления оконечная нагрузка по периметру окружена множеством межслойных металлизированных отверстий (VIA), расстояние между которыми не превышает .

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена антенная решетка, включающая в себя активные антенные элементы и множество пассивных антенных элементов, расположенных по периметру активных антенных элементов, причем каждый из пассивных антенных элементов соединен посредством линии передачи с оконечной нагрузкой в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен делитель мощности, включающий в себя оконечную нагрузку в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение позволяет обеспечить высокую эффективность работы антенной решетки, т.е. повысить надежность и скорость беспроводной передачи данных за счет поглощения энергии паразитных сигналов в антенных решетках с помощью оконечной нагрузки, обладающей простой и надежной архитектурой и компактными размерами.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 схематично изображает примерный вариант антенной решетки.

Фиг. 2 изображает принцип поглощения поверхностных волн в антенной решетке по фиг. 1.

Фиг. 3а изображает вид сбоку фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3б изображает вид сверху фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 изображает эквивалентную схему бесконтактного соединения линии передачи, промежуточного патча и верхнего резонаторного патча.

Фиг. 5 условно изображает накопление энергии в резонаторном патче.

Фиг. 6 изображает вид сверху фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, для пояснения расчета удельного сопротивления резистивной пленки.

Фиг. 7 изображает возможные варианты формы промежуточного патча в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 8 изображает линии передачи в соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 изображает возможные формы верхнего резонаторного патча в соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 10 изображает вид сбоку фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 11 изображает вид сбоку фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 12 изображает вид сбоку фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13а изображает вид сбоку фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку с дополнительными экранирующими элементами.

Фиг. 13б изображает вид сверху фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку с дополнительными экранирующими элементами.

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.

Как изображено на фиг.1, антенная структура 1 в соответствии с примерным вариантом осуществления включает в себя печатную плату, на которой расположена по меньшей мере одна антенная решетка 2, состоящая из антенных элементов 3. Антенные элементы 3 представляют собой активные патч-излучатели, на которые подаются сигналы от схемы 5 управления (интегральной схемы, RFIC) посредством линий 4 управления. Электромагнитное поле, излучаемое от антенных элементов 3, формирует излучение с высоким коэффициентом направленности. Большая часть энергии электромагнитного поля идет на формирование луча антенной решетки. Однако, в процессе работы антенных элементов возникают также поверхностные волны, которые распространяются вдоль апертуры антенной решетки и, отражаясь от края и интерферируя с основной волной, искажают диаграмму направленности антенны - одну из важнейших ее характеристик. Вследствие этого увеличиваются боковые лепестки и снижается усиление антенны, что приводит к уменьшению дальности приема-передачи сигнала, снижению помехоустойчивости и скорости канала. Кроме того, искажение диаграммы направленности ведет к большей вероятности приема помех с нежелательных направлений.

Для предотвращения возникновения упомянутых выше нежелательных эффектов вокруг антенной решетки 2 располагают пассивные экранирующие элементы 6 (dummy elements) (см. фиг. 1 и 2). Экранирующие элементы 6 выполнены в виде патч-элементов и для обеспечения поглощения сигналов помех соединены с оконечными нагрузками 7, интегрированными в печатную плату 8. Таким образом, упомянутые поверхностные волны и помехи поглощаются экранирующими элементами 6 (см. фиг. 2) и не влияют на функционирование антенны.

Выполнение антенной структуры на печатной плате позволяет снизить сложность изготовления. Кроме того, в печатном исполнении конструкцию антенны можно легко поменять под требуемую конфигурацию печатной платы.

Далее со ссылкой на фиг. 3а-3б будет приведено описание интегрированной в печатную плату оконечной нагрузки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Оконечная нагрузка 7, интегрированная в печатную плату 8, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг.3а и 3б, включает в себя фрагмент по меньшей мере одной линии 9 передачи, промежуточный (вспомогательный) патч (печатный элемент) 10, верхний резонаторный патч 11, резистивный материал 12, окружающий верхний резонаторный патч 11, верхний металлический (заземляющий) слой 13 копланарный с верхним патчем 11, причем резистивный материал 12 заполняет зазор между верхним резонаторным патчем 11 и верхним металлическим слоем 13.

Резистивный материал 12 в данном варианте осуществления выполнен в виде резистивной пленки.

По меньшей мере одна линия 9 передачи оканчивается в оконечной нагрузке в виде возбуждающего зонда 14 (L-probe). Упомянутая по меньшей мере одна линия 9 передачи расположена в печатной плате 8 между нижним слоем заземления 15 и верхним слоем, в котором расположены верхний резонаторный патч 11, резистивная пленка 12 и верхний металлический слой 13.

Промежуточный патч 10 расположен в печатной плате 8 между слоем, в котором расположена по меньшей мере одна линия передачи, и упомянутым верхним слоем.

Как описано выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, активные элементы 3 антенной решетки 2 испускают электромагнитное излучение, которое имеет составляющую поверхностных волн, распространяющихся вдоль апертуры антенной решетки. Пассивные экранирующие элементы 6, расположенные по периметру антенной решетки 2, принимают упомянутые поверхностные волны. Экранирующие элементы 6 соединены с оконечными нагрузками 7 посредством линий 9 передачи. Энергия поверхностных волн посредством линии 9 передачи передается от экранирующего элемента 6 в возбуждающий зонд 14, который возбуждает промежуточный патч 10. Промежуточный патч 10 электромагнитным образом связан с верхним резонаторным патчем 11, который окружен резистивной пленкой 12. Энергия, концентрируемая в верхнем патче 11, поглощается резистивной пленкой 12. Таким образом, энергия паразитных поверхностных волн поглощается оконечной нагрузкой 7.

Возбуждающий зонд 14 бесконтактным образом связан с промежуточным патчем 10. Возбуждающий зонд 14 возбуждает верхний резонаторный патч 11 через промежуточный патч 10 посредством электромагнитной связи. Таким образом, в настоящем изобретении нет необходимости в использовании проводящего межслойного металлизированного отверстия (VIA), которое в известных решениях используется для передачи энергии между линией передачи на внутренних слоях PCB и оконечной нагрузкой.

Эквивалентная схема бесконтактного соединения линии 9 передачи, промежуточного патча 10 и верхнего резонаторного патча 11, приведенная на фиг. 4, изображает принцип работы предлагаемой конфигурации оконечной нагрузки. Промежуточный патч 10 электромагнитным образом связан с возбуждающим зондом 14 линии 9 передачи и верхним резонаторным патчем 11. Эта электромагнитная связь эквивалентна работе трансформатора и не требует гальванического соединения. Резисторы в эквивалентной схеме резонаторного патча на фиг. 4 обозначают резистивную пленку 12, поглощающую энергию. Вследствие оптимальных размеров промежуточный патч 10 и верхний резонаторный патч 11 с резистивным слоем 12 имеют хорошее согласование, и в результате электромагнитная энергия из линии 9 передачи полностью поглощается, поскольку верхний резонаторный патч 11 представляет собой резонатор с низкой добротностью вследствие наличия резистивной пленки (пленочного резистора).

Как описано выше со ссылкой на фиг. 3а и 3б, оконечная нагрузка 7 в соответствии с примерным вариантом осуществления включает в себя две линии 9 передачи, расположенные ортогонально друг другу. Упомянутые ортогональные линии передачи передают энергию сигнала с различной поляризацией (например, с горизонтальной и вертикальной поляризацией). Вследствие ортогонального расположения этих линий поля, возбуждаемые ими в резонаторном патче, также ортогональны друг другу и, как следствие, не связаны друг с другом. Таким образом, оконечная нагрузка может поглощать энергию сразу двух ортогональных каналов, т.е. одна оконечная нагрузка имеет возможность работать с двумя независимыми портами, что делает такое решение очень привлекательным для использования в компактных устройствах. Таким образом, предлагаемое решение позволяет снизить требуемое количество оконечных нагрузок в многоканальных устройствах и, следовательно, обеспечивает компактную, простую и недорогую структуру. В то же время, в альтернативном варианте осуществления оконечная нагрузка может включать в себя одну линию передачи, например, когда устройство предназначено для работы с сигналом с одной поляризацией.

Резистивная пленка 12 в соответствии с примерным вариантом осуществления выполнена на основе материала с низкой проводимостью, такого как, например, «Aquadag E», имеющего удельное сопротивление, равное примерно 1000 Ом/ (Ом на квадрат). Толщина резистивной пленки 12 в примерном варианте осуществления выбирается в диапазоне 5-30 мкм. Такая толщина соизмерима с толщиной металлизации верхнего слоя печатной платы, что облегчает процесс ее нанесения в зазор между верхним резонаторным патчем 11 и верхним металлическим слоем 13. Вследствие эффекта резонанса, более подробно описываемого ниже, большое количество энергии аккумулируется вокруг верхнего резонаторного патча 11. Максимум напряжения распределяется по краям патча 11, перпендикулярным линии 9 передачи. Это напряжение между краем патча 11 и верхним металлическим заземляющим слоем 13 вызывает протекание тока в резистивной пленке 12 и преобразование энергии протекающего тока в тепловую энергию резистивной пленкой 12.

В известных оконечных нагрузках принцип работы состоит в поглощении электромагнитной энергии в качестве диссипативных потерь в материалах с низкой проводимостью, которые обычно требуют керамическую подложку и высокотемпературную обработку для нанесения (обработку обжигом). В отличие от известных решений настоящее изобретение предполагает нанесение и сушку резистивного материала при низкой температуре, что позволяет использовать его для дешевых органических подложек PCB.

Кроме того, резистивная пленка в соответствии с настоящим изобретением не имеет паразитного реактивного сопротивления, и, следовательно, не требует дополнительных согласующих схем или компонентов.

Далее со ссылкой на фиг. 5 будет описан принцип поглощения энергии оконечной нагрузкой на основе работы резонатора.

В соответствии с настоящим изобретением верхний резонаторный патч 11 представляет собой резонатор, накапливающий энергию, передаваемую от промежуточного патча 10. Для аккумулирования электромагнитной энергии посредством резонатора должно выполняться следующее условие:

Г1=-Г2,

где Г1 - коэффициент отражения первого края резонатора, а Г2 - коэффициент отражения второго края резонатора.

Выполнение упомянутого выше условия обеспечивается посредством задания требуемого продольного размера резонатора (обычно половина длины волны в резонаторе) и величины связи линии с резонатором.

Энергия, аккумулируемая резонатором, составляет:

,

где P - мощность, абсорбируемая за один период, а Q - добротность резонатора, причем

,

где V - напряжение электрического поля в резонаторе, R - эквивалентное удельное сопротивление резистивной пленки.

Ввиду того, что две отраженные волны из-за противофазности не могут распространяться в одном направлении (обратно к генератору), то происходит «накачка» энергии в объеме самого резонатора. Амплитуда напряжения в нем значительно выше, чем амплитуда подводимой волны (см. фиг. 5). Процесс стабилизируется, когда подводимая мощность будет уравновешиваться мощностью потерь, так как, чем выше уровень поля в резонаторе, тем больше потери. Эту аккумулируемую мощность и поглощает резистивная пленка.

Таким образом, аккумулируемая энергия повышает поглощение, поскольку напряжение растет. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что требуемая величина P может быть реализована с любым значением R (и с неоптимальным тоже) посредством варьирования значения Q. Таким образом, для использования низкотемпературных резистивных материалов удельное сопротивление не должно быть очень высоким. С другой стороны, удельное сопротивление не может быть выбрано слишком низким, т.к. добротность резонатора является функцией значения сопротивления. Следовательно, удельное сопротивление может быть выбрано с учетом всех упомянутых параметров.

Линейный размер верхнего резонаторного патча должен быть менее размера для максимально эффективного излучения (<) для предотвращения паразитного излучения ( - диэлектрическая проницаемость подложки PCB, - длина волны излучаемого/принимаемого сигнала в свободном пространстве). Промежуточный патч имеет форму квадрата в примерном варианте осуществления и его линейный размер должен составлять примерно для обеспечения максимальной передачи энергии в верхний резонатор.

Параметры зазора между верхним патчем и верхним металлическим слоем могут быть вычислены на основании следующего условия:

Сопротивление нагрузки верхнего патча должно быть равно импедансу линии передачи, например, 50 Ом. Сопротивление каждой области А (см. фиг. 6) должно быть вдвое выше, т.е. R_A=50*2=100 Ом.

Для обеспечения этого R_A резистивная пленка должна иметь удельное сопротивление ρ, которое может быть найдено по следующей формуле:

,

где t - толщина пленки, ρ_□ - удельное сопротивление одного квадрата, причем:

, где

- число квадратов.

Например, в случае когда S=0,14 мм, W=0,75 мм, t=0,03 мм, R=100 Ом, то ρ=0,01 Ом*м, что соответствует, например, материалу «Aquadag E».

В примерном варианте осуществления промежуточный патч имеет форму квадрата. Однако, в альтернативных вариантах осуществления упомянутый патч может иметь форму круга, форму квадрата с щелью в центре или другую подходящую осесимметричную форму (см. фиг. 7).

В некоторых альтернативных вариантах осуществления может потребоваться выполнение линий передачи с большей длиной, чем в примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 3а и 3б. При этом должно обеспечиваться отсутствие гальванического контакта между упомянутыми линиями передачи. Линии передачи в таких вариантах осуществления могут быть выполнены, как это изображено на фиг. 8.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 3а и 3б, верхний резонаторный патч имеет форму квадрата с резистивной пленкой, заполняющей зазор по его периметру. Однако, стоит отметить, что в альтернативных вариантах осуществления верхний резонаторный патч и окружающий его зазор могут иметь отличную форму, например, круглый патч с зазором, имеющим форму окружности, круглый патч с зазором, имеющим форму квадрата, квадратный патч с щелью в центре и зазором, имеющим форму квадрата, и другие формы, которые могут положительно влиять на эффективность поглощения энергии и обеспечивать более широкополосное решение (см. фиг. 9).

В варианте осуществления, в котором оконечная нагрузка включает в себя одну линию передачи, вместо промежуточного патча 10 для возбуждения верхнего резонаторного патча 11 может быть использована щелевая структура 16 (см. фиг. 10). Такое возбуждение посредством щелевой структуры обеспечивает более широкую полосу рабочих частот.

В еще одном альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 11, вместо резистивной пленки 12 зазор заполнен воздухом, а для поглощения энергии используется объемный радиопоглощающий диэлектрический материал 17, с высокими диэлектрическими или магнитными потерями (например, tg δ ≥ 0,7), слой которого наносится поверх верхнего слоя оконечной нагрузки. В таком варианте осуществления энергия, поглощаемая пассивными элементами 6, передается посредством линии 9 передачи и промежуточного патча 10 к верхнему резонаторному патчу 11, излучается упомянутым патчем 11 и поглощается объемным радиопоглощающим материалом 17. В отличие от варианта осуществления с резистивной пленкой, в котором верхний резонаторный патч 11 является резонатором с низкой добротностью и относительно малой амплитудой поля и в котором энергия поглощается пленкой, не достигнув значительной величины, в данном варианте осуществления верхний резонаторный патч 11 является резонатором с высокой добротностью (вследствие отсутствия резистивной пленки и соответствующих потерь). В таком случае энергия может выделяться только посредством излучения. В результате формируется поле излучения и излучаемая мощность поглощается радиопоглощающим материалом 17, имеющим большие потери. Происходит пространственное поглощение излучаемой энергии и выделение энергии в виде тепла. Чем больше толщина материала 17, тем больше уровень поглощения паразитной мощности.

Для обеспечения излучения энергии верхним резонаторным патчем, упомянутый патч должен иметь размер для максимально эффективного излучения (), а также малые потери. Это обеспечивает высокую добротность резонатора.

Такой вариант осуществления имеет более простой процесс изготовления, т.к. вместо точного нанесения резистивной пленки вокруг каждого резонаторного патча 11 всю поверхность покрывают объемным радиопоглощающим материалом 17. Радиопоглощающий материал выбирается таким образом, чтобы иметь требуемые характеристики поглощения излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Например, в качестве объемного радиопоглощающего материала может быть использован пенистый гибкий поглотитель Eccosorb HR180620.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 12, вместо резистивной пленки 12 в зазоре для поглощения энергии используется радиопоглощающее покрытие 18 с высокими диэлектрическими или магнитными потерями (например, tg δ ≥ 0,7), которое наносится в зазор, а также поверх верхнего слоя оконечной нагрузки. Принцип поглощения энергии в данном варианте осуществления оконечной нагрузки аналогичен варианту осуществления с объемным радиопоглощающим материалом. Примером радиопоглощающего покрытия может быть радиопоглощающая краска (например, MF-500 Urethane broadband MagRAM coating) или радиопоглощающий клей (например, ЗИПСИЛ 720 РПМ-Э). При нанесении такого покрытия для поглощения энергии требуется более толстый слой по сравнению с резистивной пленкой (например, для краски с tg δ=0,7 требуемая толщина радиопоглощающего покрытия составляет t > 0,4мм). Такой вариант осуществления также имеет более простой процесс изготовления, т.к. не требует точного нанесения резистивной пленки вокруг каждого резонаторного патча 11. При нанесении радиопоглощающего покрытия могут применяться гораздо менее жесткие требования по точности ее нанесения по сравнению с нанесением резистивной пленки.

Оконечная нагрузка вследствие возможности бесконтактного подсоединения в соответствии с настоящим изобретением помимо поглощения энергии в пассивных элементах антенной решетки может применяться и для обеспечения нагрузок для других элементов, реализованных на внутренних слоях PCB, таких как делители мощности, разветвители и т.д., для подавления паразитных противофазных сигналов.

С целью подавления паразитных волн, распространяющихся в диэлектрической подложке печатной платы, в некоторых случаях целесообразно экранировать структуру оконечной нагрузки посредством множества межслойных металлизированных отверстий (металлических штырей, VIA), расположенных по ее периметру, если позволяют конструктивные размеры, как показано на фиг. 13а и 13б. Это позволяет уменьшить перекрестную связь между элементами всей антенны. Расстояние между штырями не должно превышать примерно .

В соответствии с еще одним аспектом изобретения обеспечивается антенная решетка, включающая в себя активные антенные элементы и множество пассивных антенных элементов, расположенных по периметру активных антенных элементов, причем пассивные антенные элементы соединены с описанной выше оконечной нагрузкой для поглощения энергии паразитных сигналов.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения обеспечивается делитель мощности, включающий в себя описанную выше оконечную нагрузку. Делители мощности в соответствии с данным аспектом изобретения могут устанавливаться между антенными элементами в сканирующих антенных решетках. Оконечная нагрузка в таких делителях предназначена для поглощения паразитных сигналов, вызванных фазовыми искажениями вследствие отражений сигнала от неоднородностей. Вследствие бесконтактного соединения оконечной нагрузки делитель мощности может быть реализован на внутренних слоях печатной платы. Примерами таких делителей мощности могут быть делители мощности Уилкинсона (Wilkinson power divider), кольцевой делитель мощности (rat-race power divider) и т.д.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простую, надежную и компактную оконечную нагрузку, которая при применении в антенной решетке позволяет эффективным образом осуществлять поглощение энергии паразитных сигналов, тем самым обеспечивая низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности и высокий коэффициент защитного действия, что положительно влияет на эффективность работы антенной решетки (скорость, дальность и надежность передачи данных).

Оконечная нагрузка в соответствии с настоящим изобретением является совместимой с технологией AiP (Antenna-in-Package).

Настоящее изобретение может найти применение в системах беспроводной связи стандартов 5G (28 ГГц), WiGig (60ГГц), Beyond 5G (60 ГГц) и 6G (субтерагерцовый диапазон), системах связи ближнего диапазона (60 ГГц, NFC), в беспроводной передаче данных между различными модулями в модульных устройствах, между компонентами в электронных устройствах 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.

В приведенном выше описании примеров, термины направления (такие как "над", "верх", "ниже", "низ", "верхний", "нижний" и т.д.) используются лишь для удобства ссылки на прилагаемые чертежи.

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.

Варианты осуществления настоящего изобретения 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.

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

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, компьютер либо комбинации вышеозначенного.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были 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.

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

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к оконечной нагрузке, интегрированной в подложку печатной платы. Технический результат заключается в уменьшении размеров, а также в повышении надежности и скорости беспроводной передачи данных в антенных решетках, в которых применяются оконечные нагрузки. Предложена оконечная нагрузка, интегрированная в печатную плату, а также антенная решетка и делитель мощности. Оконечная нагрузка включает фрагмент по меньшей мере одной линии передачи с концом в оконечной нагрузке в виде возбуждающего зонда, промежуточный патч, верхний резонаторный патч, верхний металлический заземляющий слой, копланарный с верхним патчем. Зазор между верхним резонаторным патчем и верхним металлическим слоем заполнен резистивным материалом. По меньшей мере одна линия передачи расположена в печатной плате между нижним слоем заземления печатной платы и верхним слоем печатной платы, в котором расположены верхний резонаторный патч, резистивный материал и верхний металлический слой, промежуточный патч расположен в печатной плате между слоем, в котором расположена по меньшей мере одна линия передачи, и упомянутым верхним слоем, возбуждающий зонд, промежуточный патч и верхний резонаторный патч связаны друг с другом посредством электромагнитной связи. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Оконечная нагрузка, интегрированная в печатную плату, причем оконечная нагрузка включает в себя фрагмент по меньшей мере одной линии передачи, промежуточный патч, верхний резонаторный патч, верхний металлический заземляющий слой, копланарный с верхним патчем,

причем зазор между верхним резонаторным патчем и верхним металлическим слоем заполнен резистивным материалом,

упомянутый фрагмент по меньшей мере одной линии передачи оканчивается в оконечной нагрузке в виде возбуждающего зонда,

упомянутая по меньшей мере одна линия передачи расположена в печатной плате между нижним слоем заземления печатной платы и верхним слоем печатной платы, в котором расположены верхний резонаторный патч, резистивный материал и верхний металлический слой,

промежуточный патч расположен в печатной плате между слоем, в котором расположена по меньшей мере одна линия передачи, и упомянутым верхним слоем,

возбуждающий зонд, промежуточный патч и верхний резонаторный патч связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

2. Оконечная нагрузка по п. 1, в которой резистивный материал в зазоре между верхним резонаторным патчем и верхним металлическим слоем выполнен в виде резистивной пленки.

3. Оконечная нагрузка по п. 1, в которой размер верхнего резонаторного патча составляет менее , где - диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы, - длина волны излучаемого/принимаемого сигнала в свободном пространстве.

4. Оконечная нагрузка, интегрированная в печатную плату, причем оконечная нагрузка включает в себя фрагмент по меньшей мере одной линии передачи, промежуточный патч, верхний резонаторный патч, верхний металлический заземляющий слой, копланарный с верхним патчем,

причем упомянутый фрагмент по меньшей мере одной линии передачи оканчивается в оконечной нагрузке в виде возбуждающего зонда,

упомянутая по меньшей мере одна линия передачи расположена в печатной плате между нижним слоем заземления печатной платы и верхним слоем печатной платы, в котором расположены верхний резонаторный патч и верхний металлический слой,

промежуточный патч расположен в печатной плате между слоем, в котором расположена по меньшей мере одна линия передачи, и упомянутым верхним слоем,

возбуждающий зонд, промежуточный патч и верхний резонаторный патч связаны друг с другом посредством электромагнитной связи,

причем поверх верхнего слоя печатной платы нанесен объемный радиопоглощающий материал или радиопоглощающее покрытие.

5. Оконечная нагрузка по п. 4, в которой радиопоглощающее покрытие представляет собой радиопоглощающую краску или радиопоглощающий клей.

6. Оконечная нагрузка по п. 4, в которой размер верхнего резонаторного патча составляет примерно , где - диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы, - длина волны излучаемого/принимаемого сигнала в свободном пространстве.

7. Оконечная нагрузка по п. 1 или 4, включающая в себя фрагменты двух линий передачи, расположенные ортогонально друг другу.

8. Оконечная нагрузка по п. 1 или 4, в которой размер промежуточного патча составляет примерно .

9. Оконечная нагрузка по п. 1 или 4, в которой промежуточный патч имеет осесимметричную форму, выбранную из следующих вариантов: квадрат, круг, квадрат с щелью в центре.

10. Оконечная нагрузка по п. 1 или 4, причем оконечная нагрузка по периметру окружена множеством межслойных металлизированных отверстий (VIA), расстояние между которыми не превышает .

11. Антенная решетка, включающая в себя активные антенные элементы и множество пассивных антенных элементов, расположенных по периметру активных антенных элементов, причем каждый из пассивных антенных элементов соединен посредством линии передачи с оконечной нагрузкой по любому из пп. 1-10.

12. Делитель мощности, включающий в себя оконечную нагрузку по любому из пп. 1-10 для поглощения паразитных сигналов.