波导组件的制作方法

本发明属于高频和波导技术领域。更具体地，本发明属于波导组件以及电磁信号传输和高频部件耦合的方法的领域。

背景技术：

在高频技术领域，需要将不同的部件互连，例如将印刷电路板(pcb)与其它pcb或天线互连。通常，这种互连是通过带有相应焊接连接器的同轴线缆来实现的。然而，该解决方案需要多个部件以及精细的处理步骤(包括焊接)，因此相对复杂和昂贵。此外，同轴线缆的中心导体会造成显著损耗。

作为通过同轴线缆进行电流(galvanic)互连的替代，已知可以用于互连目的的柔性波导线缆。然而，将波导的终止部附接至波导线缆的端部是非常关键的，并且需要精确且小心地处理多个部件。特别地，由仅具有薄(且非常脆的)金属部的固体介电芯(大多数波导是空心金属管)形成的波导使得可靠的机械连接变得困难。

技术实现要素：

本发明的总体目标是改善关于高频部件互连的情况。有利地，可以全部或部分地改善现有技术的缺点。

一般而言，该总体目标是通过独立权利要求的主题实现的。从属权利要求和本文件的公开内容作为一个整体来限定示例性且特别有利的实施方式。随着描述的进行，与所有实施方式或一些实施方式相关的特定优点和有利特性将变得更加明显。

根据一个方面，该总体目标是通过波导组件实现的。波导组件包括细长波导元件和连接器本体。连接器本体连接到波导元件的端部。连接器本体具有平坦或大致平坦的底面以及相反的顶面，并且由单件部分金属化的电介质制成。连接器本体具有与波导元件相邻的波导耦合元件。连接器本体还包括电磁带隙元件(electromagneticbandgapelement)的布置结构。该电磁带隙元件的布置结构被布置为与波导耦合元件相邻。单个电磁带隙元件通常具有相同的设计。

电磁带隙元件的布置结构通过连接器本体的三维结构化来实现，这会导致顶面不是平面连续的。

在操作配置中，连接器本体的底面附接至或安装在带有其它集成波导的其它高频器件(例如印刷电路板pcb或区域天线)的配对面上。

波导耦合元件是连接器本体的一部分，细长波导元件的端部连接至连接器本体。波导耦合元件是连接器本体的实心部分，并且从细长波导元件贯穿至底面。

波导耦合元件在工作时将细长波导元件与其它高频器件的另一波导耦合，从而实现双向信号传输。电磁波穿过波导耦合元件的电介质，其中电磁带隙元件的布置结构防止不希望的将导致损耗的横向波传播。在顶视图中，通过与波导耦合元件相邻的电磁带隙元件的布置结构，波导耦合元件至少部分地被电磁带隙元件所包围。顶视图是顶面的视图，其具有朝向底面的观察方向。波导耦合元件中除底面之外被金属化。

根据本公开的波导组件特别是连接器本体可以被大规模且低成本地有效制造，这是因为其设计是源自用作电介质的单件塑料。如下面将进一步详细解释的，连接器本体可以通过许多不同的技术(特别是许多不需要焊接的技术)连接到诸如pcb之类的其它部件。进一步发现，具有电磁带隙元件布置结构的电磁带隙结构允许相对较大的公差，并具有低信号劣化和良好的屏蔽性能。

有利地，根据本公开的波导组件可用于1ghz至250ghz的频率范围，例如60ghz。有利地，通过数值模拟和试验，针对期望的目标频率优化连接器本体的设计，特别是电磁带隙元件的特定设计和尺寸。

理想地，电磁带隙元件的数量应该尽可能多。出于实际目的，电磁带隙元件的数量可以处于例如8至40的范围内，通常采用下面进一步描述的布置结构。应注意，连接器本体的覆盖区(footprint)(底视图)以及因此在例如pcb的配对面上占据的横向区域将随着电磁带隙元件数量的增加而增加，如将随着描述的进行所理解的那样。特别是在细长波导元件的附接区域中，多个电磁带隙元件可能不完整，而是部分地切除。

例如，连接器本体可以成型为矩形覆盖区的盒或盘，其具有大致平行的顶面和底面，并且其高度小于盒的侧面。覆盖区的侧面可以具有3mm至8mm范围的长度，并且高度可以在0.5mm至1.5mm的范围内。例如，对于约60ghz频率下的应用，覆盖区可以是6.2mm×4.4mm或4.35mm×3.5mm，高度为0.8mm。通常，尺寸可以与波长呈线性比例，即，尺寸与频率呈倒数关系，导致在相对较低的频率(例如，几ghz)时有非常大的尺寸。在一些实施方式中，即使顶面和底面是大致平行的，波导耦合元件也可以在顶面上方突出。

有利地，下述连接器本体和可选的细长波导元件可通过注塑成型或3d打印来实现。塑料材料(特别是各种热塑性材料)，如聚四氟乙烯(ptfe)、聚烯烃、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚醚醚酮(peek)或液晶聚合物(lcp)，可以用作电介质。

对于部分金属部，可以使用多种金属，例如银(ag)、铜(cu)、铝(al)或金(au)。由于趋肤效应(skineffect)，金属部可以相对较薄，例如1微米(1μm)或更小。

在一些实施方式中，提供附加的非导电绝缘涂层，其覆盖金属部并防止与其它部件的潜在短路。

在实施方式中，电磁带隙元件是凹部。凹部在连接器本体中从顶面朝向底面延伸。

电磁带隙元件的凹部从顶面延伸并且在顶面开口，这导致顶面是非平面的并且是凹陷的。凹部朝向底面延伸，但其深度小于顶面与底面之间的距离，这导致底面是没有凹部且连续贯通的。通常，沿着从顶面朝向底面的延伸，凹部的截面是恒定的。通常，针对所有电磁带隙元件，凹部的设计和尺寸是相同的。进一步地，凹部通常会消减(shave)平坦或平面的底部。通常，凹部并排布置。凹部彼此分开，并且是由金属化的电介质分开的。像(凹部之间的)顶面一样，凹部的底部和外周壳体表面是金属化的。在凹部之间存在的金属化电介质形成与凹部互补的波导结构。在实施方式中，凹部彼此平行地延伸。

在具有凹部的一些实施方式中，凹部具有方形、圆形或十字形的截面。当通过注塑成型制造根据本公开的连接器本体时，连接器本体的凹部作为下凹元件(negativeelement)与模具的上凸元件(positiveelement)相对应。

因此，凹部的圆形截面或圆柱形形状需要相应间隔开的销或杆作为模具的一部分的布置结构，这从制造的观点来看是不利的。因此，模具可以代替地通过随后互连(例如，通过铣削)的钻孔的布置结构来形成，从而在模具中形成连续的下凹结构。模具的剩余材料形成注塑成型的连接器本体的凹部。模具的下凹结构规定了连接器本体的上述波导结构。该结构可以被认为是通过连接元件互连的多个柱。在这种布置结构中，连接元件在连接器本体的两个横向尺寸上分隔相邻的凹部。因此，两个连接元件在两个横向方向上从各柱处延伸。

通常，凹部沿其延伸方向具有恒定的截面，然而，这不是必需的。由于凹部与柱和连接元件互补，后者也可具有恒定的截面。

在具有凹部的一些实施方式中，以行和列的图案来布置凹部，这些行和列通常是等距的。两个横向尺寸的距离可以通过它们的中心距离来测量，该中心距离也与柱的中心距离相对应。因此，凹部布置成矩阵，其中矩阵的行和列与连接器本体的两个(大致垂直的)横向延伸方向相对应。

在具有凹部的一些实施方式中，凹部垂直于底面延伸。对于作为凹部的互补结构的柱和连接元件也是如此。对于具有平行的顶面和底面的连接器本体的总体设计，柱连接元件和凹部也因此垂直于顶面延伸。

在实施方式中，细长波导元件由金属化电介质制成。特别地，它可以由与连接器本体相同的材料制成，并且可以完全地或部分地与后者一体成型，并且可以有利地具有共同的金属部。对于这种类型的实施方式，细长波导元件的端部连续地延至连接器本体的波导耦合元件中。细长波导元件和连接器本体可以共同地并且在单个步骤中形成，通常通过注塑成型，但也可以通过例如3d打印。通常，细长波导元件可以是平面的，但也可以根据具体应用要求在空间上是弧形或弯曲的。

在替代实施方式中，细长波导元件与连接器本体分开制造(例如，来自相同或不同类型的电介质)，并且以允许电磁波转移的方式附接(例如，通过粘合)至连接器本体。在连接器本体和细长波导元件分开制造的情况下，与前面提到的相同的制造技术可用于单个零件中的任一个零件，特别是用于连接器本体。

在实施方式中，连接器本体中除底面之外是完全金属化的。在可操作配置中，将连接器本体附接至配对面的底面未被金属化，以允许电磁波转移。可选地，如果需要，底面的一些(非功能)区域(即横向远离电磁波转移的区域)可被金属化。

特别是在细长波导元件的附接区域中，可以省略多个电磁带隙元件。此外，可以部分地切除一些带隙元件。

在实施方式中，细长波导元件连接到连接器本体，使得其垂直于底面和/或顶面突出。关于电磁信号耦合，这种类型的设计是特别有利的，因为它允许电磁耦合被电磁带隙元件完全包围。有利地，该布置结构是对称的，其中波导耦合元件被布置在顶面的中心区域中。然而，该类型的设计的有利的电磁特性与大量空间消耗(特别是在高度方向上)相关。这种类型的设计特别适用于空间消耗不重要的情况，或者例如用于耦合两个并联的pcb。

在另一实施方式中，细长波导元件的端部连接到连接器本体，使得它从连接器本体的外周侧面或壳体表面垂直地突出。它从与底面和/或顶面相切的连接器本体突出。外周侧面连接顶面和底面。对于这种类型的实施方式，波导耦合元件延伸至连接器本体的侧面。关于电磁信号耦合，这种类型的实施方式通常稍微不太有利，因为它不允许细长波导元件与连接器组件之间的连接区域被电磁带隙元件完全包围。然而，关于空间消耗，这种类型的实施方式在许多应用中是有利的。它允许特别扁平的设计，其中总高度不会延伸到连接器本体的高度。在通常的布置结构中，细长波导元件可以垂直方式到达侧表面。有利地，细长波导元件的中心线或对称轴与连接器本体的对称轴对齐。有利地，波导耦合元件的三个侧面与电磁带隙结构相邻。

在实施方式中，波导组件还包括细长固定元件的布置结构。细长固定元件从底面突出。例如，细长固定元件可以是杆形卡扣连接元件，以与其它高频器件(例如pcb或天线)建立卡扣连接。作为卡扣连接元件的替代，可以使用可塑性变形的杆形元件，该杆形元件在被组装至作为配对元件的其它高频器件的相应孔中时发生塑性变形。在这方面，在任何情况下都需要用于平滑电磁波转移的稳定面接触。举例来说，细长固定元件可以布置在矩形覆盖区的每个角中。在替代设计中，固定元件的布置结构可以是相反的，并且连接器本体可以具有盲孔或贯穿孔，该盲孔或贯穿孔在组装时与从其它高频器件突出的细长固定元件接合。

在实施方式中，波导组件还包括非导电粘合元件。非导电粘合元件覆盖底面的至少一部分。在一些实施方式中，非导电粘合元件覆盖整个底面或大致整个底面。例如，粘合元件可以通过粘合剂实现，通常是通过双面粘合剂、薄板或金属薄片实现。另选地，它可以被实现为底面的粘合涂层。在操作中，当电磁波从连接器本体转移到另外的高频器件时，其会穿过粘合元件，反之亦然。如果需要，除了另外的固定装置之外，还可以提供非导电粘合元件，例如前述的细长固定元件。

也可以作为前述布置结构的替代或除前述布置结构之外，使用将连接器本体与其它高频器件进行连接的其它方式。在实施方式中，通过压紧和/或使用钻孔机(punch)的方式将连接器本体的底面按压在其它高频器件的配对面上，从而确保如前所述的面接触。此外，连接器本体和其它高频器件可以通过螺纹和/或钩环紧固件(例如)的方式连接。如果需要，可以提供诸如对准销和/或对准边缘之类的对准元件。

在实施方式中，波导组件还包括导电粘合元件。导电粘合元件覆盖底面的区域。特别地，导电粘合元件可以用于如前所述的细长波导元件连接到外周侧面或壳体表面的实施方式中。此处，导电粘合元件可以布置在底面的边缘区域中，使得在顶视图中，导电粘合元件在细长波导元件和连接器本体的连接区域下方的底面上延伸。例如，导电粘合元件可以实现为导电胶带条或通过选择性涂覆来实现。导电粘合元件电流耦合至连接器本体的金属部。

在实施方式中，细长波导元件是分支的。以这种方式，可以实现信号分配/分离。在这样的实施方式中，连接器本体可以连接到每个分支的端部或仅连接到一个或多个分支端部。在具有多个连接器本体的实施方式中，所有连接器本体可以具有相同的设计或根据不同的实施方式进行设计。特别地，一些或所有连接器本体可以是根据本公开的连接器本体。

通常，细长波导元件与连接器本体一样由金属化电介质制成。为专门用作波导导体，细长波导导体的壳体表面被完全金属化或被涂覆金属。在一些实施方式中，金属部是不连续的并且具有例如条形中断部作为非金属化区域。经由这种非金属化区域，电磁波可以离开和/或进入细长波导，从而用作发射天线和/或接收天线。

在实施方式中，波导组件还包括具有板集成波导(board-integratedwaveguide)或天线的印刷电路板(pcb)。连接器本体的底面以平面方式安装在印刷电路板或天线上，使得在细长波导元件与板集成波导之间经由连接器本体引导电磁波。

pcb是通常如前所述的其它高频器件。可以通过本领域公知的各种技术来实现板集成波导，例如作为基片集成波导、共面波导(cpwg)、接地共面波导(gcpwg)，微带线、带状线或悬挂带状线。

经由连接器本体，细长波导元件与板集成波导在工作时耦合，以用于电磁信号传输。通常，在工作时的耦合是双向的。

代替pcb，其它高频器件可以是不同类型的，例如，可以是用于附接连接器本体的具有平面配对面的阵列天线。

根据另一方面，总体目标通过用于电磁信号传输的方法来实现。该方法包括如下步骤：经由根据如上所述和/或下面进一步描述的任何实施方式的波导组件来传输电磁信号。

附图说明

图1以侧视图示出了根据本公开的波导组件的实施方式；

图2以截面图示出了图1的实施方式；

图3以详细的顶视图示出了图1的实施方式；

图4以详细的底视图示出了图1的实施方式；

图5以顶视图示出了根据本公开的波导组件的另一实施方式；

图6以截面图示出了图1的实施方式；

图7以详细的立体底视图示出了图5的实施方式；

图8以详细的底视图示出了根据本公开的波导组件的又一实施方式；

图9以详细的分解立体图示出了图5的实施方式以及其它元件；

图10示出了与图9相对应的侧视图；

图11示出了根据本公开的波导组件的又一实施方式；

图12示例性地例示了根据本公开的波导组件的高频传输性能。

具体实施方式

在下文中，首先参考图1至图4，其示出了根据本公开的波导组件的第一实施方式。图1示出了侧视图，图3和图4分别示出了详细的顶视图和底视图。图2示出了沿图1所示的线d-d的截面图。

在图2中示出了笛卡尔坐标系，其指示在说明书中使用的方向。类似地，如下面进一步描述的另一实施方式的图6中示出了笛卡尔坐标系。从底部至顶部的方向与y方向相对应，并且与y方向垂直的x方向和z方向被称为横向方向(lateraldirections)。应注意，诸如左、右、顶部或底部、上方或下方这样的方向术语旨在帮助读者理解，并不暗示在使用情况下的任何特定方向。对于上述发明内容中的这些术语的使用也是如此。

波导组件包括细长(elongated)波导元件1(部分示出)和连接器本体2。连接器本体2基本呈盘形，其具有方形顶视图和底视图(图3、图4)。如在图1和图2中清晰可见的，连接器本体2具有波导耦合元件21，该波导耦合元件21被实现为实心块，该波导耦合元件21延伸至底面24并且被布置在连接器本体2的中心。波导耦合元件21的顶面连接至细长波导元件1的端部11。

如在图3中清晰可见的，在顶视图中，波导耦合元件21在其所有四个侧面上均被电磁带隙元件的布置结构包围。电磁带隙元件作为示例性十字形截面的凹部(recesses)27从顶面23朝向底面24延伸。凹部27示例性地布置成5×5矩阵并且彼此等距间隔，其中单行与单列之间的距离恒定。然而，由于波导耦合元件21的原因，连接器本体2的中心处的多个凹部被省略。

存在于凹部27之间的电介质形成具有基本圆形截面的柱22以及薄壁26形式的连接元件的布置结构，薄壁26在两个横向方向上连接相邻的柱22。

如在图2和图3中清晰可见的，凹部27具有在底面上方的凹部底部27a。因此，适配器本体2具有薄盘形基部2'，柱22和壁26从该基部2'垂直地突出到顶面23。如图3中清晰可见的，柱22的行与列、壁26以及凹部以彼此为中心。连接器本体2的外周侧面或壳体表面25是光滑的且不会晃动也没有波纹。

如图2和图4中清晰可见的，四个细长固定元件从底面24突出，其中在连接器本体2的每个角中都布置一个固定元件。细长固定元件被示例性地实现为卡扣连接(snapfit)元件3，将卡扣连接元件3设计为卡扣连接至作为其它高频器件(未示出)的pcb的相对应的洞或孔中，从而在底面24与pcb的作为配对面(countersurface)的顶面之间建立具有按压接触的紧密连接。

在该示例中，细长波导元件1和连接器本体2以整体方式由单件塑料实现。因此，细长波导元件1的端部11连续地延至波导耦合元件21中。

除了底面24之外，连接器本体2被完全金属化，底面24是非金属化的，以允许电磁波转移。具体地，波导耦合元件21的表面、凹部27的内表面和底部、以及顶面23和外周表面25是金属化的。

在下文中，另外参考图5、图6、图7、图9和图10，其示出了根据本公开的波导组件的另一实施方式。图5示出了顶视图。图6示出了沿图5所示的线d-d的截面图。图7示出了连接器本体2的详细的立体底视图。图9和图10示出了连同下面进一步讨论的其它元件的立体分解图和详细的侧视图。

在该实施方式中，连接器本体2与前述实施方式相比设计略有不同，其中下面的描述着重于不同之处。此外，在该实施方式中，相同设计的连接器本体2示例性地布置于细长波导元件的两个端部11处。

在该实施方式中，细长波导元件1或其端部11连接至外周表面25。波导耦合元件21进一步延伸至外周表面25，使得细长波导元件1连续地延至波导耦合元件21中。

如图5和图9中清晰可见的，波导耦合元件21的三个侧面与前述电磁带隙结构相邻，在剩余的第四侧面处，细长波导元件1的端部11与波导耦合元件21连接。

与图1至图4的实施方式相比，此整体设计相应更为狭细，其中总高度由连接器本体2的高度限定。

因为没有电磁带隙元件能够被布置在连接器本体2的、布置有波导耦合元件21并且连接有细长波导元件1的一侧处，所以可以预见替代措施以确保期望的电磁波引导并且防止不期望的波传播。沿着在波导耦合元件21下方延伸的底面24的边缘来布置导电粘合条4形式的导电粘合元件。连接器本体2的金属部延伸至与导电粘合条4接触的区域中；有利地，整个接触部分被金属化，以确保与金属部62进行良好的面电流耦合。相比之下，底面24的未被粘合导电条4覆盖的剩余区域未被金属化。

注意，代替导电粘合元件，可以提供其它电流耦合方式。举例来说，底面24可以在波导耦合元件21的区域中被金属化，并且其与pcb的电流耦合可以通过底面24与pcb6之间的按压接触来建立。波导耦合元件21的区域中可以存在底面24与pcb6之间的导电弹簧元件和/或底面24的微构造。

在图9的分解图和图10的侧视图中，细长波导元件1、连接器本体2与作为示例性其它高频器件的pcb6一起示出。通常，如本领域中已知的那样设计pcb6，该pcb6包括载体61(例如，载体61可以由fr4制成)，以及在载体61顶面上的结构化金属部62。结构化金属部62包括狭缝63，该狭缝63与一般描述中所解释的板集成(board-integrated)波导(不可见)的端部相对应。狭缝63和板集成波导的端部对齐地布置在波导耦合元件21下方。因此，电磁波可以从连接器本体2的底面或波导耦合元件21射出，并经由狭缝63进入板集成波导，或者反过来也可以。通过电磁带隙结构和导电粘合元件4来防止不期望的横向波传播。

为了确保连接器本体2的底面24与pcb6或其金属部62之间的良好面接触，在底面24与金属部62之间提供非导电粘合层5形式的非导电粘合元件。有利地，非导电粘合层5具有与导电粘合条4相同的厚度，并且桥接底面24与金属部62之间的原本由于前述粘合条4的存在而导致的间隙。电磁波可透过非导电粘合层5。

另外，除了卡扣连接元件3之外，非导电粘合层5用于将连接器本体2固定在pcb6上。在变型例中，可以省略卡扣连接元件3，而仅是将连接器本体2粘合固定在pcb6上。

在其它实施方式中，例如，也可以将具有大致相同设计的pcb6与图1至图4所示的连接器本体一起使用。

在下文中，另外参考图7，其示出了根据另一示例性实施方式的连接器本体2的详细的立体底视图。该实施方式大体类似于前述实施方式。然而，与后者相反，细长固定元件被实现为可塑性变形的杆3'，该可塑性变形的杆3'在被插入配对面的相应孔或洞中时发生塑性变形。那些可塑性变形的杆3'也可以用在其它实施方式中，例如用在大体在图1至图4中示出的实施方式中。在变型例中，杆3'是导电的并且在波导耦合元件区域中建立了底面24的金属部与pcb金属部62的电流耦合。那些导电的杆可以替换如前所述的导电粘合条4，或者代替如前所述的导电粘合条4而存在。

在下文中，另外参考图11。图11示出了根据本公开的波导组件的另一实施方式。在所示的示例中，根据前面讨论的图5至图10来设计连接器本体2。然而，也可以根据另一实施方式(例如，图1至图4的实施方式)来设计连接器本体2。图11的实施方式与前面讨论的实施方式的不同之处在于，细长波导元件1是分支的，其具有四个分支1a、1b、1c、1d。虽然仅示出了分支1d连接到连接器本体2，但是其它分支1a、1b、1c中的一些或全部分支也可以各自连接到连接器本体。然而，分支也可以以不同的方式连接到其它高频部件。进一步举例来说，细长波导元件1的金属部(未单独参照)是不连续的，其中在分支1a的条形区域12中省略了金属部。通过非金属化区域12，电磁波可以进入和/或离开分支1a，从而作为天线使用。

在下文中，另外参考图12。图12示例性地例示了波导组件的高频传输性能，该波导组件附接至具有在根据本公开的图9中解释的狭缝63的pcb上的微带传输线。在图12中，曲线a和曲线b参照图左侧的分贝刻度示出了50ghz至70ghz频率范围内的在两个方向上的回波损耗。曲线c参照右侧刻度示出了相同频率的传输衰减。可以看出，传输性能良好，其中在工作带宽超过20％时具有良好的匹配性和低损耗。此外，对于连接器在x、y和z方向上相对于pcb的移位，电气性能非常稳健。

附图标记

1细长波导元件

1a,1b,1c,1d细长波导元件的分支

11细长波导元件的端部

12非金属化区域

2连接器本体

2’基部

21波导耦合元件

22柱

23顶面

24底面

25外周表面/壳体表面

26壁(连接元件)

27凹部(电磁带隙元件)

27a凹部底部

3卡扣连接元件(细长固定元件)

3’可塑性变形的杆(细长固定元件)

4导电粘合元件

5非导电粘合元件

6印刷电路板

61载体

62金属部

63狭缝