ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ-СИГНАЛА И АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2024 года по МПК H01L23/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, в частности к делителю мощности СВЧ сигнала со встроенной резонансной бесконтактной оконечной нагрузкой, который может использоваться, например, в многоэлементных антенных решетках, содержащей такие делители мощности.

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка перспективных сетей связи 5G и 6G, поддерживающих технологию MIMO (Multiple input-multiple output), 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 лучом и фокусировка излучаемого поля в широком диапазоне углов;

- высокая изоляция между каналами;

- низкий уровень боковых лепестков;

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

Как правило, управляющие радиочастотные интегральные схемы (RFIC) имеют ограниченное количество радиочастотных каналов. Поэтому для увеличения размера апертуры антенны и, как следствие, обеспечения необходимого усиления антенны используются системы распределения мощности. Ключевым элементом этих систем является делитель мощности, распределяющий мощность от одного входного канала источника СВЧ сигнала на несколько элементов антенной решетки.

Одним из требований к делителям мощности является высокая изоляция между ветвями, которая эффективно реализуется в делителях мощности типа Уилкинсона с использованием оконечных нагрузок (резисторов). В качестве дополнительного эффекта эти оконечные нагрузки подавляют различные паразитные компоненты сигналов (и их множественные переотражения), принимаемые, например, боковыми лепестками антенной решетки. Оконечная нагрузка может быть реализована в виде согласованной нагрузки - т.н. «терминатора» - или в виде стандартного резистора. Такие оконечные нагрузки дополнительно позволяют подавлять множество отраженных волн, возникающих в делителях мощности и приводящих к искажению диаграммы направленности антенной решетки, возникновению (или повышению уровня) боковых лепестков и ухудшению характеристик антенной решетки. Однако, на сегодняшний день, для высоких частот (выше 80ГГц), не существует коммерческих резисторов и терминаторов, а стандартные компоненты не могут использоваться из-за больших реактивных параметров, нарушающих работу системы. При этом, малые размеры антенных решеток, предназначенных для работы в стандартах связи 5G и 6G, в принципе ограничивают возможность применения сосредоточенных резисторов.

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, высокой точностью изготовления, удобством интеграции на единой подложке с другими электронными узлами, возможностью достижения широкой полосы рабочих частот. Высокая плотность топологии современных устройств ведет к необходимости размещения цепей распределения мощности во внутренних слоях многослойной печатной платы, что затрудняет размещение внутри печатной платы каких-либо объемных компонентов, таких как навесные резисторы. Реализация планарных терминаторов во внутренних слоях печатной платы (printed circuit board, PCB) также является затруднительной вследствие крайне жестких допусков для оборудования, предназначенного для диапазона частот стандартов связи 5G и 6G.

Существующие подходы реализации оконечной нагрузки в многослойных PCB антенной решетки (например, посредством SMD-компонентов или технологии компоновки встроенных компонентов в печатной плате (Embedded Component Packaging Tech)) 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 100 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, описанное в документе US 10,003,115 B2, который 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.

Документ RU 2796642 C1 раскрывает оконечную нагрузку, включающую в себя фрагмент по меньшей мере одной линии передачи, промежуточный патч, верхний резонаторный патч, окруженный резистивным материалом. Посредством выбора размера верхнего патча обеспечивается поглощение возбуждаемой электромагнитной энергии резистивным материалом. При этом упомянутые патчи возбуждаются посредством возбуждающего зонда. Однако, упомянутый документ раскрывает компоновку элементарной оконечной нагрузки, но не раскрывает конкретные аспекты использования такой оконечной нагрузки как компонента делителей мощности.

Документ US 2021/0091463 A1 раскрывает систему распределения питания (фидерный тракт) антенной решетки на основе полосковых линий со встроенным резистором для использования в устройствах миллиметрового диапазона. Упомянутая система распределения питания содержит делители мощности, включающие в себя полосковые линии для передачи сигналов и резистивный элемент для поглощения энергии в виде резистивного слоя на внутреннем слое PCB. В данном решении требуется гальванический контакт между сигнальными линиями и резистивным элементом. Согласование в делителе выполняется посредством оптимизации ширины линий. Однако, покрытие внутренних слоев PCB резистивным слоем является более сложной операцией по сравнению с нанесением покрытия на внешние слои. Покрытие на внутренних слоях влияет на толщину PCB. Кроме того, согласование посредством регулировки только ширины линий не является эффективным, поскольку не учитывает фазу сигналов, отраженных от резистивного элемента, регулируемую длиной линий. Это может привести к дополнительным помехам и паразитным переотражениям сигналов в тракте антенной решетки.

Следовательно, в настоящее время существует потребность в создании компактного, надежного, простого в производстве и эффективного делителя мощности для антенной решетки, а также антенной решетки, обладающей высокими характеристиками, включая низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности и высокий коэффициент эффективности, что положительно влияет на качество работы антенной решетки (скорость и надежность передачи сигналов).

Сущность изобретения

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

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен делитель мощности СВЧ сигнала, реализованный на печатной плате и включающий в себя входное плечо, два выходных плеча и оконечную нагрузку, интегрированную в печатную плату,

причем каждое плечо делителя мощности расположено на внутреннем слое печатной платы и включает в себя линию передачи с импедансом Z0,

каждое выходное плечо делителя мощности дополнительно включает в себя основную ветвь делителя мощности и дополнительную ветвь делителя мощности,

основная ветвь делителя мощности соединяет линию передачи входного плеча и линию передачи выходного плеча и имеет длину кратную , где - длина волны в линии передачи СВЧ-устройства с учетом диэлектрических параметров материалов печатной платы,

дополнительная ветвь делителя мощности протягивается от точки соединения основной ветви делителя мощности с линией передачи выходного плеча до плоскости симметрии оконечной нагрузки и имеет длину кратную ,

дополнительные ветви делителя мощности соединены между собой в плоскости симметрии оконечной нагрузки,

оконечная нагрузка расположена над возбуждающей линией передачи, представляющей собой фрагмент соединенных дополнительных ветвей делителя мощности, и включает в себя промежуточный щелевой излучатель, расположенный ортогонально возбуждающей линии передачи между слоем, в котором расположена возбуждающая линия передачи, и внешним слоем печатной платы, и компонент поглощения мощности, расположенный на упомянутом внешнем слое печатной платы,

плоскость симметрии оконечной нагрузки расположена продольно промежуточному щелевому излучателю,

возбуждающая линия передачи и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

Согласно одному варианту осуществления делителя мощности компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч, резистивный материал, окружающий резонаторный патч, металлический слой копланарный с резонаторным патчем, причем резистивный материал заполняет зазор между резонаторным патчем и копланарным металлическим слоем, и резонаторный патч и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности резистивный материал в зазоре между резонаторным патчем и копланарным металлическим слоем выполнен в виде резистивной пленки.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности размер резонаторного патча составляет менее , где - диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы, - длина волны в свободном пространстве.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч, металлический слой копланарный с резонаторным патчем и объемный радиопоглощающий материал или радиопоглощающее покрытие, нанесенное поверх резонаторного патча и копланарного металлического слоя и выполненное с возможностью поглощения энергии, излучаемой резонаторным патчем, причем резонаторный патч и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности компонент поглощения мощности включает в себя объемный радиопоглощающий материал или радиопоглощающее покрытие, нанесенное на внешний слой печатной платы над промежуточным щелевым излучателем и выполненное с возможностью поглощения энергии, излучаемой промежуточным щелевым излучателем.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности радиопоглощающее покрытие представляет собой радиопоглощающую краску или радиопоглощающий клей.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности размер резонаторного патча составляет .

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности оконечная нагрузка по периметру окружена множеством межслойных металлизированных отверстий (VIA), расстояние между которыми не превышает .

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности длина основных ветвей делителя мощности составляет , а длина дополнительных ветвей делителя мощности составляет .

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности делитель мощности выполнен симметричным относительно плоскости симметрии оконечной нагрузки.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности каждая дополнительная ветвь делителя мощности имеет импеданс Z0, а оконечная нагрузка имеет импеданс 2*Z0.

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности промежуточный щелевой излучатель имеет форму прямоугольной щели длиной и шириной .

Согласно другому варианту осуществления делителя мощности промежуточный щелевой излучатель имеет Н-образную форму.

Согласно другому варианту осуществления делитель мощности выполнен с возможностью неравномерного распределения мощности с соотношением A=P2/P3, где P2 и P3 - мощности сигналов на выходных плечах делителя мощности, а ветви делителя мощности имеют следующие значения импеданса:

,

,

,

где и - значения импеданса основных ветвей делителя мощности, и - значения импеданса дополнительных ветвей делителя мощности,

причем импеданс ветвей делителя мощности задается посредством задания ширины ветвей делителя мощности.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена антенная решетка, включающая в себя антенные элементы, соединенные посредством системы распределения мощности, содержащей делители мощности СВЧ сигнала по настоящему изобретению, со схемой управления.

Настоящее изобретение позволяет обеспечить высокую эффективность работы антенной решетки миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, в частности - обеспечить низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, расширить сектор сканирования антенной решетки и повысить надежность и скорость беспроводной передачи сигналов за счет использования в сети распределения питания эффективных делителей мощности со встроенными поглощающими нагрузками, обладающих компактными размерами, а также простой и надежной архитектурой.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 изображает примерную структуру антенной решетки с делителями мощности (сверху) и структуру делителя мощности СВЧ сигналов с встроенной оконечной нагрузкой (снизу) в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 упрощенно изображает поперечное сечение сбоку (фиг. 2а) и вид сверху (фиг. 2б) структуры оконечной нагрузки в делителе мощности СВЧ сигналов в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 изображает эквивалентную схему делителя мощности СВЧ сигналов в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 схематично изображает режимы работы оконечной нагрузки для противофазных сигналов на портах 2 и 3 (фиг. 4а) и для синфазных сигналов на портах 2 и 3 (фиг. 4б).

Фиг. 5 изображает эквивалентную схему делителя мощности СВЧ сигналов для режимов работы оконечной нагрузки для противофазных сигналов на портах 2 и 3 (фиг. 5а) и для синфазных сигналов на портах 2 и 3 (фиг. 5б).

Фиг. 6 условно изображает процесс накопления энергии в резонаторном патче.

Фиг. 7 изображает возможный альтернативный вариант формы промежуточного щелевого излучателя в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 8 изображает возможные формы резонаторного патча в соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 изображает вид сбоку фрагмента печатной платы, содержащего оконечную нагрузку в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

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

Фиг. 11 изображает альтернативный вариант осуществления делителя мощности СВЧ сигналов.

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 решетка в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя множество антенных элементов, соединенных посредством системы распределения мощности, содержащей множество делителей мощности (таких как выделенный кружком). Структура делителя мощности сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов с встроенной оконечной нагрузкой в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения подробно изображена в нижней части фиг. 1.

Антенная решетка реализована на печатной плате. Антенные элементы представляют собой патч-излучатели, на которые подаются сигналы от схемы управления (интегральной схемы, RFIC) посредством линий передачи и делителей мощности. Передача сигналов от схемы управления к антенным элементам характерна для операции передачи сигнала антенной решеткой. Для специалиста должно быть очевидно, что антенная решетка может также выполнять операцию приема сигнала извне и в таком случае направление передачи сигнала в антенной решетке будет обратным - от антенных элементов к схеме управления.

Выполнение антенной решетки 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. 1-2 будет приведено описание делителя мощности СВЧ сигналов с интегрированной в печатную плату оконечной нагрузкой в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Делитель мощности СВЧ сигналов (для простоты далее обозначается как делитель мощности) реализован на внутреннем слое печатной платы, включает в себя три плеча (одно входное и два выходных) и оконечную нагрузку, интегрированную в печатную плату. Каждое плечо делителя мощности расположено на внутреннем слое печатной платы и включает в себя линию передачи с импедансом Z0. Каждое выходное плечо делителя мощности дополнительно включает в себя основную ветвь делителя мощности и дополнительную ветвь делителя мощности. При проведении моделирования можно считать, что ветви делителя мощности подсоединены к антенным портам посредством линий передачи с импедансом Z0. В случае передачи сигнала от схемы управления к антенным элементам на фиг. 1, порт 1 (первый порт) является входным портом для делителя мощности, а порт 2 (второй порт) и порт 3 (третий порт) являются выходными портами. В случае передачи сигнала от антенных элементов к схеме управления, порты (как и плечи делителя мощности) меняются ролями, т.е. порт 1 является выходным портом, а порт 2 и порт 3 являются входными портами, а сам делитель мощности выполняет функцию сумматора.

В соответствии с настоящим изобретением линия передачи входного плеча соединена с линией передачи каждого из выходных плеч посредством основных ветвей делителя, каждая из которых имеет длину кратную , где - длина волны в линии передачи (фидерной линии) СВЧ-устройства с учетом диэлектрических параметров материалов печатной платы.

От точки соединения основной ветви делителя с линией передачи выходного плеча до плоскости симметрии оконечной нагрузки (8) протягивается дополнительная ветвь делителя, имеющая длину кратную . Аналогичным образом от точки соединения другой основной ветви делителя с линией передачи другого выходного плеча до плоскости симметрии оконечной нагрузки протягивается другая дополнительная ветвь делителя, имеющая длину кратную . Таким образом, упомянутые дополнительные ветви делителя соединены между собой в плоскости симметрии оконечной нагрузки.

В примерном варианте осуществления длина основных ветвей делителя составляет , а длина дополнительных ветвей делителя составляет .

На фиг. 2 оконечная нагрузка изображена упрощенно, дополнительные ветви делителя мощности показаны только частично. Оконечная нагрузка (8), интегрированная в печатную плату, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг. 1 и 2, расположена над возбуждающей линией (1) передачи, представляющей собой фрагмент соединенных дополнительных ветвей делителя мощности, и включает в себя промежуточный щелевой излучатель (2), расположенный ортогонально возбуждающей линии (1) передачи, и компонент поглощения мощности, расположенный на внешнем слое печатной платы. Упомянутая возбуждающая линия (1) передачи, как и плечи делителя мощности, расположена на внутреннем слое в печатной плате между нижним слоем (6) заземления и верхним внешним слоем, на котором расположен компонент поглощения мощности. Промежуточный щелевой излучатель (2) расположен в печатной плате между слоем, в котором расположена возбуждающая линия (1) передачи, и упомянутым верхним внешним слоем.

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

Упомянутый компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч (3), резистивный материал (4), окружающий резонаторный патч (3), металлический (заземляющий) слой (5) копланарный с резонаторным патчем (3), причем резистивный материал (4) заполняет зазор между резонаторным патчем (3) и копланарным металлическим слоем (5).

Возбуждающая линия (1) передачи, промежуточный щелевой излучатель (2) и резонаторный патч (3) связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

Таким образом, промежуточный щелевой излучатель (2) не имеет гальванического контакта с возбуждающей линией (1) передачи и с компонентом поглощения мощности оконечной нагрузки (8), т.е. оконечная нагрузка (8) имеет бесконтактную структуру.

В примерном варианте осуществления оконечная нагрузка (8) и делитель мощности в целом выполнены симметричными относительно плоскости симметрии, расположенной продольно промежуточному щелевому излучателю (2). Упомянутая плоскость симметрии перпендикулярна плоскости печатной платы.

Резистивный материал (4) в данном варианте осуществления выполнен в виде резистивной пленки.

Между проводящими слоями печатной платы расположены слои (9) диэлектрика.

Дополнительные ветви делителя позволяют организовать дополнительное пространство для реализации оконечной нагрузки. Как видно из эквивалентной схемы делителя напряжения на фиг. 3 каждая дополнительная ветвь делителя имеет длину и импеданс Z0, т.е. такой же импеданс, как у линий передачи от всех портов. Оконечная нагрузка имеет импеданс 2*Z0.

Далее будет описано функционирование делителя мощности в случае подачи сигналов на порты 2 и 3.

Делитель мощности, описанный выше, обеспечивает работу устройства в двух противоположных состояниях:

- режим нагрузки для противофазных сигналов на портах 2 и 3 (фиг. 4а, 5а), что соответствует крайнему случаю приема сигналов с максимальной расфазировкой (180 градусов). Этот режим обеспечивает поглощение паразитных переотражений в тракте устройства. При этом промежуточное состояние, когда разница фаз меньше, будет осуществлено по такому же принципу (описан ниже);

- режим отражения для синфазных сигналов на портах 2 и 3 (фиг. 4б, 5б). Этот режим соответствует приему/передаче полезного сигнала, в котором отсутствует паразитная расфазировка.

В режиме нагрузки (фиг. 4а, 5а) на порты 2 и 3 делителя мощности подаются противофазные сигналы. Основная ветвь L2 делителя мощности в таком случае представляет собой закороченный шлейф. Вследствие ее длины импеданс этой ветви (виртуальная электрическая «стенка» формируется в Е-плоскости симметрии). В случае симметрии схемы ее можно существенно упростить путем (условного) рассечения по оси симметрии идеальной электрической или магнитной плоскостью. Выбор свойства плоскости (Е или Н) зависит от фазы подаваемых на симметричные порты сигналов. Если сигналы синфазны, то плоскость будет Н - магнитная, если противофазные, то Е - электрическая. В точках пересечения будут формироваться соответствующие состояния разделенных частей схемы. Так, плоскость Е будет формировать режим короткого замыкания (К.З.) (), а плоскость Н, наоборот, формирует режим холостого хода (Х.Х.) (). Волна, полностью отражается от таких точек рассечения, и фаза отраженного сигнала будет 0 и 180 градусов для случая Н плоскости (Х.Х.) и для Е плоскости (К.З.), соответственно, повторяясь через интервал . Причем на расстоянии от границы импеданс меняется на противоположный. Таким образом, в оконечной нагрузке формируются электрические поля, направленные в одну сторону (фиг. 4а). Дополнительная ветвь L1 делителя мощности является полностью согласованной, т.к. оконечная нагрузка является симметричной относительно плоскости симметрии и делится пополам. Таким образом, вся энергия из порта 2 передается в половину оконечной нагрузки (фиг. 5а) и поглощается в резистивной пленке (подробнее описано ниже). Аналогично энергия сигнала из порта 3 также передается в другую половину оконечной нагрузки и поглощается в резистивной пленке. Поскольку каждая часть виртуально разделенной нагрузки имеет импеданс Z0, то они обе оказываются согласованными с линиями L1.

В режиме отражения (фиг. 4б, 5б) на порты 2 и 3 делителя мощности подаются синфазные сигналы. Дополнительная ветвь L1 делителя мощности представляет собой разомкнутый шлейф, поскольку щелевой излучатель блокирует оконечную нагрузку (виртуальная магнитная «стенка» формируется в Н-плоскости симметрии). В таком случае импеданс дополнительной ветви в точке ее соединения с линией L2, вследствие ее длины . В оконечной нагрузке формируются противоположно направленные электрические поля (фиг. 4б). Энергия сигналов из портов 2 и 3 полностью отражается от оконечной нагрузки, т.к. щелевой излучатель не может возбуждаться полями с противонаправленными векторами. Поскольку импеданс L1 в точке соединения с L2 то его шунтирующее влияние отсутствует. Таким образом, вся мощность из порта 2 передается в порт 1 через основную ветвь L2 делителя мощности (фиг. 5б). Аналогично мощность сигнала из порта 3 также передается в порт 1 через основную ветвь делителя мощности.

Промежуточный режим, когда входные сигналы не являются точно синфазными или противофазными, также обеспечивается в делителе мощности в качестве смешанного состояния между двумя противоположными состояниями. В таком случае входные сигналы можно разделить на синфазные и противофазные составляющие, каждая из которых проходит через делитель мощности в соответствии с описанными выше режимами. Такой режим обычно возникает в делителе мощности, когда сигналы на антенные элементы антенной решетки поступают со сдвигом по фазе, либо когда смещение сигналов по фазе между разными входами делителя возникает вследствие отражений и искажений сигнала на неоднородностях в структуре линий передачи системы распределения мощности антенной решетки.

В режиме нагрузки энергия сигнала из порта 2 и порта 3 через возбуждающую линию (1) передачи возбуждает промежуточный щелевой излучатель (2). Промежуточный щелевой излучатель (2) электромагнитным образом связан с резонаторным патчем (3), который окружен резистивной пленкой (4). Энергия, концентрируемая в патче (3), поглощается резистивной пленкой (4). Таким образом, энергия противофазных сигналов поглощается оконечной нагрузкой (8).

Возбуждающая линия (1) передачи бесконтактным образом связана с промежуточным щелевым излучателем (2). Возбуждающая линия (1) передачи возбуждает резонаторный патч (3) через промежуточный щелевой излучатель (2) 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 возбуждающей линии (1) передачи, промежуточного щелевого излучателя (2) и резонаторного патча (3), приведенная на фиг. 3, изображает принцип работы предлагаемой конфигурации оконечной нагрузки. Промежуточный щелевой излучатель (2) электромагнитным образом связан с возбуждающей линией (1) передачи и резонаторным патчем (3). Эта электромагнитная связь эквивалентна работе трансформатора и не требует гальванического соединения. Резистор в эквивалентной схеме на фиг. 3 обозначает резонаторный патч (3) и резистивную пленку (4), поглощающую энергию. Вследствие оптимальных размеров промежуточный щелевой излучатель (2) и резонаторный патч (3) с резистивным слоем (4) хорошо согласованы друг с другом, и в результате электромагнитная энергия из возбуждающей линии (1) передачи полностью поглощается, поскольку резонаторный патч (3) представляет собой резонатор с низкой добротностью вследствие наличия резистивной пленки (пленочного резистора).

Резистивная пленка (4) 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/2 (Ом на квадрат). Толщина резистивной пленки (4) в примерном варианте осуществления выбирается в диапазоне 5-30 мкм. Такая толщина соизмерима с толщиной металлизации внешнего слоя печатной платы, что облегчает процесс ее нанесения в зазор между резонаторным патчем (3) и копланарным металлическим слоем (5). Вследствие эффекта резонанса, более подробно описываемого ниже, большое количество энергии аккумулируется вокруг резонаторного патча (3). Максимум напряжения распределяется по краям патча (3), перпендикулярным возбуждающей линии (1) передачи. Это напряжение между краем патча (3) и металлическим заземляющим слоем (5) вызывает протекание тока в резистивной пленке (4) и преобразование энергии протекающего тока в тепловую энергию резистивной пленкой (4).

В известных оконечных нагрузках принцип работы состоит в поглощении электромагнитной энергии в качестве диссипативных потерь в материалах с низкой проводимостью, нанесенных на керамическую подложку, выдерживающую высокотемпературную обработку, требующуюся для их 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 (4) в соответствии с настоящим изобретением не имеет паразитного реактивного сопротивления, и, следовательно, не требует согласующих схем или компонентов, требующих дополнительного пространства.

Далее со ссылкой на фиг. 6 будет описан принцип поглощения энергии оконечной нагрузкой на основе работы резонатора.

В соответствии с настоящим изобретением резонаторный патч (3) представляет собой резонатор, накапливающий энергию, передаваемую от промежуточного щелевого излучателя (2). 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. 6). 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 во избежание необходимости использования высокотемпературных паст. С другой стороны, удельное сопротивление не может быть выбрано слишком низким, т.к. добротность резонатора является функцией значения сопротивления. Следовательно, оптимальное удельное сопротивление может быть выбрано с учетом всех упомянутых параметров.

Линейный размер резонаторного патча (3) должен быть менее размера для максимально эффективного излучения (<) для предотвращения паразитного излучения ( - диэлектрическая проницаемость подложки PCB, - длина волны в свободном пространстве).

Моделирование показало, что оптимальным значением проводимости резистивной пленки является значение около 80 См/м при толщине 10-30 мкм. Это значение соответствует импедансу 800-1000 Ом/ο, что соответствует, например, материалу «Aquadag E».

Моделирование также показало, что оконечная нагрузка в делителе мощности в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает хорошую взаимную изоляцию плеч делителя и малые потери на отражение всех портов.

В примерном варианте осуществления промежуточный щелевой излучатель (2) имеет форму прямоугольной щели. Промежуточный щелевой излучатель (2) для обеспечения резонансной связи с возбуждающей линией (1) передачи и резонаторным патчем (3) имеет следующие геометрические размеры: длина , ширина . Ширина щели зачастую ограничивается технологическими возможностями производителя печатных плат.

В альтернативном варианте осуществления упомянутый щелевой излучатель (2) может иметь Н-образную форму (Н-щель) (см. фиг. 7).

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 1 и 2, резонаторный патч имеет форму квадрата с резистивной пленкой, заполняющей зазор по его периметру. Однако, стоит отметить, что в альтернативных вариантах осуществления 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. 8).

В еще одном альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 9, в компоненте поглощения мощности вместо резистивной пленки (4) зазор заполнен воздухом, а для поглощения энергии используется объемный радиопоглощающий диэлектрический материал (10), с высокими диэлектрическими или магнитными потерями (например, tg δ ≥ 0,7), слой которого наносится поверх внешнего слоя печатной платы. Таким образом, компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч, металлический слой копланарный с резонаторным патчем и объемный радиопоглощающий материал, нанесенный поверх резонаторного патча и копланарного металлического слоя. В таком варианте осуществления энергия передается посредством линии (1) передачи и промежуточного щелевого излучателя (2) к резонаторному патчу (3), излучается упомянутым патчем (3) и поглощается объемным радиопоглощающим материалом (10). В отличие от варианта осуществления с резистивной пленкой, в котором резонаторный патч (3) является резонатором с низкой добротностью и относительно малой амплитудой поля и в котором энергия поглощается пленкой, не достигнув значительной величины, в данном варианте осуществления резонаторный патч (3) является резонатором с высокой добротностью (вследствие отсутствия резистивной пленки и соответствующих потерь). В таком случае энергия может трансформироваться только посредством излучения. В результате формируется поле излучения, и излучаемая мощность поглощается радиопоглощающим материалом (10), имеющим большие потери. Происходит пространственное поглощение излучаемой энергии и выделение энергии в виде тепла. Чем больше толщина материала (10), тем больше уровень поглощения паразитной мощности.

Для обеспечения излучения энергии 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 (4) вокруг каждого резонаторного патча (3) всю поверхность покрывают объемным радиопоглощающим материалом (10). 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 таком варианте осуществления возможно выполнение оконечной нагрузки без резонаторного патча (3). Тогда компонент поглощения мощности включает в себя объемный радиопоглощающий материал (10), нанесенный на внешний слой печатной платы над промежуточным щелевым излучателем (2) и вся энергия, излучаемая промежуточным щелевым излучателем (2), поглощается объемным радиопоглощающим материалом (10).

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 10, в компоненте поглощения мощности вместо резистивной пленки (4) в зазоре для поглощения энергии используется радиопоглощающее покрытие (11) с высокими диэлектрическими или магнитными потерями (например, tg δ ≥ 0,7), которое наносится в зазор, а также поверх внешнего слоя печатной платы. Таким образом, компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч, металлический слой копланарный с резонаторным патчем и радиопоглощающее покрытие, нанесенное поверх резонаторного патча и копланарного металлического слоя и выполненное с возможностью поглощения энергии, излучаемой резонаторным патчем. 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 (3). При нанесении радиопоглощающего покрытия могут применяться гораздо менее жесткие требования по точности ее нанесения по сравнению с нанесением резистивной пленки.

В таком варианте осуществления возможно выполнение оконечной нагрузки без резонаторного патча (3). Тогда компонент поглощения мощности включает в себя радиопоглощающее покрытие (11), нанесенное на внешний слой печатной платы над промежуточным щелевым излучателем и выполненное с возможностью поглощения энергии, излучаемой промежуточным щелевым излучателем (2), и вся энергия, излучаемая промежуточным щелевым излучателем (2), поглощается радиопоглощающим покрытием (11).

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 11, делитель мощности выполнен с возможностью неравномерного распределения мощности за счет своей несимметричной структуры.

Для обеспечения соотношения мощности A=P2/P3, где P2 - мощность сигнала на порте 2, а P3 - мощность сигнала на порте 3, ветви делителя мощности должны иметь следующие значения импеданса:

,

,

,

где и - значения импеданса основных ветвей делителя, и - значения импеданса дополнительных ветвей делителя.

Как и в примерном варианте осуществления, длина основных ветвей делителя равна и длина дополнительных ветвей делителя равна . Импеданс ветвей при этом задается посредством задания соответствующей ширины ветвей. В данном варианте осуществления, хотя оконечная нагрузка выполнена симметричной, делитель мощности в целом имеет несимметричную структуру вследствие различия ширины основных ветвей делителя.

С целью подавления паразитных волн, распространяющихся в диэлектрике (9) печатной платы, в некоторых случаях целесообразно экранировать структуру оконечной нагрузки (8) посредством множества межслойных металлизированных отверстий (металлических штырей, VIA) (7), расположенных по ее периметру, если позволяют конструктивные размеры. Расстояние между VIA не должно превышать примерно . В примерном варианте осуществления на фиг. 2 VIA (7) соединяют упомянутый копланарный металлический слой (5) и слой заземления, в котором расположен щелевой излучатель (2).

Оконечная нагрузка (8) в делителе мощности в соответствии с настоящим изобретением также предназначена для поглощения паразитных сигналов, вызванных фазовыми искажениями вследствие отражений сигнала от неоднородностей.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простой, надежный и компактный делитель мощности, который не требует высокой точности сборки. При применении такого делителя мощности в антенной решетке, в том числе миллиметрового диапазона, 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 сигналов).

Делитель мощности также может использоваться и в других микроэлектронных устройствах: электроуправляемых аттенюаторах, дискретных фазовращателях, усилителях мощности, частотно-разделительных устройствах и т.д.

Делитель мощности в соответствии с настоящим изобретением является совместимым 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), автомобильных радарах (60 ГГц, 80 ГГц) для автономных транспортных средств, 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.

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.

Использование: изобретение относится к области радиотехники, в частности к делителю мощности СВЧ-сигнала со встроенной резонансной бесконтактной оконечной нагрузкой, который может использоваться, например, в многоэлементных антенных решетках, содержащей такие делители мощности. Технический результат: снижение потерь, повышение надежности работы делителя мощности, обеспечение высокой изоляции между каналами, а также повышение эффективности работы антенной решетки, содержащей такие делители мощности. Сущность: делитель мощности СВЧ-сигнала, реализованный на печатной плате, включает в себя входное плечо, два выходных плеча и оконечную нагрузку, интегрированную в печатную плату, причем каждое плечо делителя мощности включает в себя линию передачи с импедансом Z0, каждое выходное плечо делителя мощности дополнительно включает в себя основную ветвь делителя мощности и дополнительную ветвь делителя мощности, основная ветвь делителя мощности соединяет линию передачи входного плеча и линию передачи выходного плеча и имеет длину, кратную , дополнительная ветвь делителя мощности протягивается от точки соединения основной ветви делителя мощности с линией передачи выходного плеча до плоскости симметрии оконечной нагрузки и имеет длину, кратную , дополнительные ветви делителя мощности соединены между собой в плоскости симметрии оконечной нагрузки, оконечная нагрузка расположена над возбуждающей линией передачи и включает в себя промежуточный щелевой излучатель и компонент поглощения мощности, расположенный на внешнем слое печатной платы, возбуждающая линия передачи и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Делитель мощности СВЧ-сигнала, реализованный на печатной плате и включающий в себя входное плечо, два выходных плеча и оконечную нагрузку, интегрированную в печатную плату,

причем каждое плечо делителя мощности расположено на внутреннем слое печатной платы и включает в себя линию передачи с импедансом Z0,

каждое выходное плечо делителя мощности дополнительно включает в себя основную ветвь делителя мощности и дополнительную ветвь делителя мощности,

основная ветвь делителя мощности соединяет линию передачи входного плеча и линию передачи выходного плеча и имеет длину, кратную , где - длина волны в линии передачи СВЧ-устройства с учетом диэлектрических параметров материалов печатной платы,

дополнительная ветвь делителя мощности протягивается от точки соединения основной ветви делителя мощности с линией передачи выходного плеча до плоскости симметрии оконечной нагрузки и имеет длину, кратную ,

дополнительные ветви делителя мощности соединены между собой в плоскости симметрии оконечной нагрузки,

оконечная нагрузка расположена над возбуждающей линией передачи, представляющей собой фрагмент соединенных дополнительных ветвей делителя мощности, и включает в себя промежуточный щелевой излучатель, расположенный ортогонально возбуждающей линии передачи между слоем, в котором расположена возбуждающая линия передачи, и внешним слоем печатной платы, и компонент поглощения мощности, расположенный на упомянутом внешнем слое печатной платы,

плоскость симметрии оконечной нагрузки расположена продольно промежуточному щелевому излучателю,

возбуждающая линия передачи и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

2. Делитель мощности по п. 1, в котором компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч, резистивный материал, окружающий резонаторный патч, металлический слой, копланарный с резонаторным патчем, причем резистивный материал заполняет зазор между резонаторным патчем и копланарным металлическим слоем, и резонаторный патч и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

3. Делитель мощности по п. 2, в котором резистивный материал в зазоре между резонаторным патчем и копланарным металлическим слоем выполнен в виде резистивной пленки.

4. Делитель мощности по п. 2, в котором размер резонаторного патча составляет менее , где - диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы, - длина волны в свободном пространстве.

5. Делитель мощности по п. 1, в котором компонент поглощения мощности включает в себя резонаторный патч, металлический слой, копланарный с резонаторным патчем, и объемный радиопоглощающий материал или радиопоглощающее покрытие, нанесенное поверх резонаторного патча и копланарного металлического слоя и выполненное с возможностью поглощения энергии, излучаемой резонаторным патчем, причем резонаторный патч и промежуточный щелевой излучатель связаны друг с другом посредством электромагнитной связи.

6. Делитель мощности по п. 1, в котором компонент поглощения мощности включает в себя объемный радиопоглощающий материал или радиопоглощающее покрытие, нанесенное на внешний слой печатной платы над промежуточным щелевым излучателем и выполненное с возможностью поглощения энергии, излучаемой промежуточным щелевым излучателем.

7. Делитель мощности по п. 5 или 6, в котором радиопоглощающее покрытие представляет собой радиопоглощающую краску или радиопоглощающий клей.

8. Делитель мощности по п. 5, в котором размер резонаторного патча составляет .

9. Делитель мощности по п. 1, в котором оконечная нагрузка по периметру окружена множеством межслойных металлизированных отверстий (VIA), расстояние между которыми не превышает .

10. Делитель мощности по п. 1, в котором длина основных ветвей делителя мощности составляет , а длина дополнительных ветвей делителя мощности составляет .

11. Делитель мощности по п. 1, в котором делитель мощности выполнен симметричным относительно плоскости симметрии оконечной нагрузки.

12. Делитель мощности по п. 11, в котором каждая дополнительная ветвь делителя мощности имеет импеданс Z0, а оконечная нагрузка имеет импеданс 2*Z0.

13. Делитель мощности по п. 1, в котором промежуточный щелевой излучатель имеет форму прямоугольной щели длиной и шириной .

14. Делитель мощности по п. 1, в котором промежуточный щелевой излучатель имеет Н-образную форму.

15. Делитель мощности по п. 1, причем делитель мощности выполнен с возможностью неравномерного распределения мощности с соотношением A=P2/P3, где P2 и P3 - мощности сигналов на выходных плечах делителя мощности, а ветви делителя мощности имеют следующие значения импеданса:

,

,

,

где и - значения импеданса основных ветвей делителя мощности, и - значения импеданса дополнительных ветвей делителя мощности,

причем импеданс ветвей делителя мощности задается посредством задания ширины ветвей делителя мощности.

16. Антенная решетка, включающая в себя антенные элементы, соединенные посредством системы распределения мощности, содержащей делители мощности СВЧ-сигнала по любому из пп. 1-15, со схемой управления.