高级通信阵列的制作方法

高级通信阵列
1.政府权利
2.不适用。
技术领域

背景技术：

3.通信阵列设计目前采用标准pcb工艺，该工艺依赖于多个工艺步骤、昂贵的材料和慢循环周转时间。传统的pcb制造工艺步骤可以包括层压、电镀、掩模、蚀刻和其他复杂的工艺步骤，并且可能需要多个步骤、昂贵和/或危险的材料、多次迭代、大量劳动力等，所有这些都导致更高的成本和更慢的周转时间。此外，传统的pcb制造工艺在允许小特征尺寸，诸如传输线(例如，带状线)尺寸、以及导体之间的电介质材料(例如，电介质厚度、通孔间距等)尺寸方面的能力有限，因此限制了这种电路可以支持的最高频率信号的范围。多个工艺步骤是高成本和缓慢周转时间的驱动因素。
4.随着组件从一个工艺转移到下一个工艺(层压、导电通孔回填等)，劳动力成本就会被添加到整个组件中。添加的劳动力成本增加了周期时间，这导致延长任何故障排除阶段的长构建时间。此外，典型的pcb工艺不允许生产尺寸为30ghz和更大的毫米波(mmw)频率的阵列所需的小特征尺寸。新开发的阵列利用pcb限制在5g通信市场中出现。由这种现有工艺制造的典型通信阵列通常在图1中以10表示。


技术实现要素：

5.本技术的一个方面涉及一种通信阵列，包括：配置为阵列元件的支撑结构，以及由所述支撑结构支撑的多个阵列元件。每个阵列元件由高级制造技术(amt)工艺制造。
6.通信阵列的实施例还可以包括从印刷电路板(pcb)或类似的电介质材料制造支撑结构。所述多个阵列元件中的每个阵列元件可以包括使用amt工艺制造的辐射器。所述支撑结构可以包括其上设置有导电材料的表面。在支撑结构的表面中可以铣削出具有方形形状的孔。所述多个阵列元件中的每个阵列元件可以包括使用amt工艺制造的波束成形器。所述波束成形器可以包括多个接收器和相配的输出信号迹线。所述多个阵列元件可以包括具有64个阵列元件的8x8阵列。每个阵列元件可以是正方形的，并且包括大约1.69英寸的长度和宽度。每个阵列元件可以包括0.210英寸的总长度和宽度，其中，所述阵列元件具有0.90英寸的长度和宽度。处理面板可用于制造通信阵列。所述通信阵列还可以包括铜垂直连线(copper vertical launch，cvl)。所述cvl可以包括将铜线插入形成在所述支撑结构中的孔中。所述通信阵列还可以包括电磁边界。所述电磁边界可以包括机加工穿过所述支撑结构的沟槽并且用导电材料填充所述沟槽。所述导电材料可以包括通过amt工艺施加的导电油墨。所述通信阵列的重量可以不超过0.7oz(20克)。
附图说明
7.下面参考附图讨论至少一个实施例的各个方面，附图不旨在按比例绘制。附图被包括以提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分，但不旨在作为对本技术的限制的定义。在附图中，各个附图中所示的每个相同或几乎相同的部件可以用相同的数字表示。为清楚起见，并非每个部件都可以在每个图中标记。从以下附图的描述中可以更充分地理解上述特征，其中：
8.图1是具有传统通信阵列的设备的立体图；
9.图2是本技术实施例的通信阵列的立体图；
10.图3是图2所示通信阵列的平面图；
11.图4是用于处理通信阵列的处理面板的平面图；
12.图5是通信阵列的电路布局的平面图；
13.图6是设置在通信阵列中的铜垂直连线(cvl)的立体图；以及
14.图7是设置在通信阵列中的法拉第壁的立体图。
具体实施方式
15.本文描述的方面和示例提供了在诸如蜂窝电话的各种设备内提供的通信阵列结构。本文所述的通信阵列结构有效地分配信号电流，同时保持特征阻抗并使信号损失最小化。本文所述的通信阵列结构适用于各种电路板制造，包括射频电路实施例，并有利地应用减材和增材制造技术。这种技术可以提供能够在例如28ghz的微波和毫米波范围中发送和容纳射频信号的结构。
16.本文描述的概念、系统和技术针对通过使用增材制造技术制造的通信阵列结构。本文所述的制造工艺可以特别适用于制造具有能够支持8至75ghz或更高范围内的电磁信号的物理上小的特征的电路结构，例如，使用合适的减材(例如，机加工、铣削、钻孔、切割、冲压)和更重要的增材(例如，填充、流动、3d打印)制造设备。根据本文描述的系统和方法的电磁电路结构可以是特别适用于28ghz系统的应用，包括毫米波通信、传感、测距等。
17.应当理解，本文所讨论的方法和装置的实施例在应用中不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。该方法和装置能够在其他实施例中实现并且能够以各种方式实施或执行。本文提供具体实施方式的示例仅用于说明目的并且不旨在进行限制。此外，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应被视为限制。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变体意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。对“或”的提及可以被解释为包含性的，因此使用“或”描述的任何术语可以指示单个、多个和所有描述的术语中的任何一个。任何对前和后、左和右、顶和底、上和下、端部、侧面、竖直和水平等的提及旨在方便描述，而不是将本系统和方法或其部件限制于任何一个位置或空间方向。
18.除非上下文明确说明和/或具体指示，本文所使用的术语“射频”不旨在限于特定频率、频率范围、频带、频谱等。类似地，术语“射频信号”和“电磁信号”可互换使用，并且可以指代用于任何特定实施方式的信息承载信号传播的各种合适频率的信号。这种射频信号通常在低端到千赫(khz)范围内的频率，并在高端到高达数百吉赫(ghz)的频率，并且明确包括微波或毫米波范围中的信号。一般而言，根据本文所述的那些系统和方法可适用于处
理频率低于光学领域中常规处理的频率(例如低于例如红外信号的频率)的非电离辐射。
19.射频电路的各种实施例可以设计为具有选定的尺寸和/或标称地制造以在各种频率下操作。合适尺寸的选择可以从一般的电磁原理中得出，在此不再赘述。
20.本文所述的方法和装置可以支持比常规工艺能够支持的更小的布置和尺寸。传统的电路板可能被限制在低于大约30ghz的频率。本文所述的方法和装置可以允许或适应更小尺寸的电磁电路的制造，其适用于旨在以更低的成本使用更安全和较不复杂的制造的以更高频率操作的射频电路。
21.根据本文所述的那些的电磁电路和制造方法包括各种增材和减材制造技术，以生产(与传统电路和方法相比)能够处理更高频率，具有更小的轮廓，并且成本、周期时间和设计风险更低的电磁电路和部件。技术的示例包括从基板表面机加工(例如，铣削)导电材料以形成发射波相控阵，其尺寸可以比传统pcb工艺所允许的小得多；机加工一个或多个基板以形成沟槽；使用3d打印技术将打印的导电油墨沉积到沟槽中以形成(与其间具有最小间距的一系列接地通孔相对的)连续的电势垒(例如，法拉第壁)；通过机加工(例如铣削、钻孔或冲孔)穿过基板的一部分并在其中放置导体(例如导线的段)和/或打印导电油墨的孔来形成“垂直连线”信号路径，以与设置在基板(或相对基板)表面上的传输线电接触；以及使用3d打印技术来沉积打印的电阻性油墨以形成电阻部件。
22.任何上述示例技术和/或其他技术(例如，焊接和/或回流焊)可以组合以制造各种电磁部件和/或电路。本文中关于波相控阵列描述和图示了这种技术的方面和示例，以包含并传送沿一个维度中的电磁电路的层并且可选地在另一维度中垂直地穿过电路的其他层的电磁信号。本文所述的技术可用于形成各种电磁部件、连接器、电路、组件和系统。
23.本技术的实施例的通信阵列结构利用高级制造技术(amt)为5g通信市场构建商业上可行的相控阵。可以实现amt方法的设计可以显著降低生产成本，可以快速制作原型并进行定制以满足设计需求。该通信阵列使用amt来缩小部件尺寸，以适应在所需频率(例如，28ghz)下操作所需的阵列尺寸。这突破了标准光刻或印刷电路板(pcb)制造工艺的当前限制。
24.本文公开的通信阵列结构通过提供使用amt提供的能力的设计来解决与传统pcb制造工艺相关联的问题。amt机器的铣削和打印能力允许以所需频率操作的阵列所需的更小的特征尺寸。尺寸可以缩小到用于迹线宽度的0.002英寸和用于通孔直径的0.005英寸。打印导电法拉第壁用于限制电场，并且可以在与铣削其他特征相同的制造步骤中生产。这节省了大量的劳动力成本，从而降低了组件的总成本。最后，定制打印连接器接口可用于标准同轴和集成芯片(1c)连接。
25.通信阵列结构使用amt技术，例如法拉第壁、铜垂直连线(cvl)连接、单步铣削(single-step mill)和填充操作以及铣削的铜迹线。它表示使用amt可靠地制造的阵列，以生产具有成本效益的方式的阵列。其他阵列设计不具有微型特征尺寸、打印导电性元件、快速原型制作能力以及连接标准连接器的组合。
26.参考附图，并且更具体地参考图2和3，本技术的实施例的通信阵列总的以20表示。在一个实施例中，通信阵列20包括由印刷电路板(pcb)或类似的电介质材料制成的支撑结构22。支撑结构的示例可以包括玻璃纤维、聚四氟乙烯(ptfe)或通常用于电路卡的其他电介质材料。虽然通常是平面的、刚性的和直线的，但支撑结构可以是保形的和/或柔性的。支
撑结构可以是单片的或多层的。通信阵列20还包括元件阵列，每个元件以24表示，包括但不限于可以使用根据本技术示例实施例的增材制造技术形成的辐射器、波束成形器、电路层和/或微带层。在图示实施例中，通信阵列20配置为包括64个阵列元件24的8x8阵列。在一些实施例中，通信阵列20是方形的，并且包括大约1.69英寸的长度和宽度。在一些实施例中，每个阵列元件24包括0.210英寸的总长度和宽度，其中阵列元件具有0.90英寸的长度和宽度。
27.例如，在一个实施例中，阵列元件24可以包括使用增材制造技术(amt)制造工艺制造的辐射器。支撑结构22可以配置为包括第一电介质基板，其设置在第二电介质基板上并且粘合(或以其他方式耦接)到第二电介质基板。提供第一基板的表面，其具有设置在其上的导电材料(例如，铜或等效导电材料)。将具有方形形状的孔径天线元件(或更简单的“孔径”)铣入第一电介质基板的表面以形成辐射器。在某些实施例中，方形孔通过amt铣削操作形成，amt铣削操作从基板表面移除导电材料以形成方形孔径。在一些实施例中，导电材料被提供为设置在基板表面上、具有0.0007英寸厚度的铜(即，1/2盎司(oz)铜)。因此，根据各种因素，包括但不限于所需的操作频率(或操作的频率带宽)、提供辐射器的基板的厚度和孔径的特定形状，来选择特定的孔径宽度。
28.在另一个实施例中，阵列元件24可以包括使用增材制造技术(amt)制造工艺制造的波束成形器。可以使用增材制造技术(amt)制造工艺来制造通常可以称为电磁电路结构的波束成形器。波束成形器可以被制造成具有多个接收器和相配的输出信号迹线。
29.参考图4，用于制造通信阵列的处理面板通常以40表示。处理面板40配置为促进通信阵列的小型化、低成本和快速原型制作。通过采用amt技术，通信阵列可以实现28+ghz频率的小型化特征尺寸和小的轮廓。具体地，amt减小了阵列特征尺寸，降低了商业上可行的相控阵的制造成本，提供铣削和打印壁以提供隔离，允许阵列轮廓(厚度)适应平台限制，并允许给应用提供具有宽带宽的贴片辐射器几何形状。amt进一步促进了开发和生产的短周期时间，例如5周的制造和组装。
30.参考图5，其图示了有源电路布局50的示例，可以制造通信阵列20以实现产生小于12.5w的平均损耗的小尺寸要求。例如，电路布局50可以实现目前使用传统pcb制造方法无法实现的2.0mil迹线宽度。
31.参考图6，通信阵列可以制造成包括铜垂直连线(cvl)，其通常以60表示。垂直互连或通孔提供物理电子电路中的层之间的电连接，物理电子电路延伸穿过一个或多个相邻层的平面。当需要非常小的通孔时，通孔可以通过钻孔以外的工艺(诸如激光或等离子钻孔)产生。在某些实施例中，通过印刷电路板钻孔。传统方法涉及通过电镀或插入中空金属孔眼使孔导电，以连接板的各层。cvl 60可以通过将铜线插入孔中来产生。在一些已知的实施例中，通孔部件的引线插入孔中并通过例如波峰焊工艺来焊接。目前，cvl已取代电镀导电通孔。
32.参考图7，通信阵列可以被制造成包括电磁边界，例如法拉第壁，其通常以70表示。这种电磁边界70可以强制施加电磁信号的边界条件例如以控制或限制信号和/或特征阻抗的模式，或者可以提供隔离以将信号限制到电磁电路的区域。提供法拉第墙或边界以替代孔栅并防止电路的一个区域处的信号影响电路的另一区域，例如屏蔽。在一个实施例中，法拉第壁是提供“垂直”穿过一个或多个基板的电磁边界的导体。法拉第壁可以通过机加工穿
过基板到接地平面的沟槽并用导电材料(诸如施加有增材制造技术(例如3-d打印)的导电油墨)填充沟槽来制造。导电油墨在凝固时可以形成基本上电连续的电导体。
33.在一些实施例中，通信阵列可以配置为轻量的(例如0.7oz(20g))、具有低损耗、并在直流电源下工作。
34.在一些实施例中，通信阵列可以配置为单个扫描波束，例如，rhcp极化天线。
35.在一些实施例中，通信阵列可以配置为实现60
°
锥形扫描体积。
36.在一些实施例中，通信阵列提供低成本、低损耗、轻量级的相控阵，以在5g通信市场中工作。
37.在一些实施例中，通信阵列适用于广泛的地面用途和环境。
38.在一些实施例中，通信阵列使用amt工艺制造，包括基于机器人的cad驱动工艺。
39.在一些实施例中，可以在组装到通信阵列之前对电路进行特征化，从而允许更高的总良品率和更少的有缺陷的零件报废。
40.如本文所用，amt是指用于生产物体的制造工艺、设备和材料。例如，amt可以包括用于生产3d物体的3d打印工艺。可以实施其他工艺，例如喷射、熔合、挤压、沉积和层压工艺。决定采用哪种工艺的因素包括但不限于生产速度、成本、材料的使用和几何限制。
41.使用amt技术消除了与传统印刷电路板工艺相关的大部分成本昂贵的操作。此外，减少了构建时间和劳动力。与使用rf电缆相比，与本技术的实施例的辐射器和波束成形器设计相关联的材料和工艺是便宜的。amt技术使打印法拉第墙能够在没有电镀通孔的情况下提供出色的隔离。
42.下面详细讨论其他方面、示例和优点。本文公开的实施例可以以与本文公开的原则中的至少一个一致的任何方式与其他实施例结合，并且提及“一实施例”、“一些实施例”、“替代实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”等不一定是相互排斥的，并且旨在表明所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施例中。本文出现的这种术语不一定都是指同一实施例。本文描述的各个方面和实施例可以包括用于执行任何描述的方法或功能的装置。
43.可以实现本文描述的系统和方法的进一步优点。例如，与本文所述的系统和方法相比，传统的pcb制造可能对电路特征尺寸(诸如信号迹线的宽度)施加限制，因此限制了传统制造的电磁电路可以适用的最高频率。此外，(例如，由于与设置在相对表面上的接地平面的距离，)基板厚度会影响与迹线宽度相关的特征阻抗。因此，传统pcb工艺所需的较宽迹线导致选择较厚的基板(以保持特定的特征阻抗)，从而限制了电路可以制造到多薄。例如，传统pcb制造下的一般建议包括大约60mil(0.060英寸)的总厚度。相比之下，根据所描述的各方面和实施例，通信阵列中使用的电磁电路使用增材制造技术，可导致电路板具有低至约10mil或更小的厚度、信号线迹线具有约4.4mil或2.7mil或更小的宽度、并且互连几何形状大体上与电路板表面齐平。
44.根据本文所述的方面和实施例的使用增材制造技术的通信阵列和方法允许电连续结构连接接地平面。因此，提供电连续结构并垂直设置穿过(例如，在基板的相对表面之间的)一个或多个基板以形成限制电场的“法拉第壁”。在各种实施例中，这种法拉第壁可以电耦接两个或更多个接地平面。此外，在各种实施例中，这种法拉第壁可以限制和隔离来自相邻电路部件的电磁场。在一些实施例中，这种法拉第壁可以施加边界条件以将通信阵列
中使用的电磁信号限制为局部横向电-磁(tem)场，例如，将信号传播限制为tem模式。
45.在各种实施例中，可以以各种顺序执行各种减材(铣削、钻孔)、增材(打印、填充)和粘附(粘合)步骤，并根据需要进行焊接和回流操作，以形成具有一个或任意数量的基板层的电磁电路，其中可以包括如本文所述的一个或多个互连特征。
46.用于制造用于通信阵列的各种电磁电路中的任何一种的通用方法包括铣削设置在基板上的导电材料以形成，例如，电路特征、打印(或沉积，例如，经由3-d打印、增材制造技术)附加电路特征(诸如由电阻性油墨形成的电阻器)。该方法可以包括根据需要在任何特征上(例如在终端焊盘352上)沉积焊料。该方法还可以包括铣削(或钻孔)穿过基板材料(和/或导电材料)以形成诸如空隙、通孔或沟槽的开口，并且包括(例如，经由3-d打印、增材制造技术)沉积或打印导电材料(诸如导电墨水或导线)进入空隙/沟槽，例如以形成法拉第壁或垂直信号连线(例如，铜)。这些步骤中的任何一个都可以以不同的顺序进行、重复进行、或者根据给定的电路设计的需要而省略，并且可以包括如本文所述的互连结构。在一些实施例中，在电磁电路的制造中可能涉及多个基板，并且该方法包括根据需要粘合另外的基板，以及进一步的铣削和填充操作。
47.已经描述了至少一个实施例的几个方面以及用于制造用于通信阵列的电磁电路的方法，以上描述可用于生产具有10mil(0.010英寸，254微米)或更小的总厚度的各种电磁电路,并且可以包括信号迹线，诸如窄至4.4mil(111.8微米)、2.7mil(68.6微米)或甚至窄至1.97mil(50微米)的迹线，这取决于使用的各种铣削和增材制造设备的公差和精度。因此，根据本文所述的那些电磁电路可以适用于x波段和更高频率，并且在某些情况下高达70ghz或更高。
48.此外，根据本文所述的用于通信阵列的电磁电路可以具有足够小的轮廓(例如，10mil或更小的厚度)，并具有相应的轻量级，以适用于外部空间应用，包括当定位在外部空间中时通过展开部署的折叠结构。
49.此外，根据本文所述的方法制造的电磁电路可适应更便宜和更快的原型制作，而无需腐蚀性化学品、掩模、蚀刻、电镀等。在一个或两个表面(侧面)上设置有预镀导电材料的简单基板可以形成核心起始材料，并且电磁电路的所有元件都可以通过铣削(减材、钻孔)、填充(增材、打印导电和/或电阻性油墨)、并粘合一个或多个基板来形成。简单的焊料回流操作和简单导体(例如，铜线)的插入通过本文描述的方法和系统而适用。
50.此外，根据本文所述的方法制造的电磁电路可以适应在非平面表面上的部署或需要非平面表面的设计。可以使用如本文所述的铣削、填充和粘合技术来制造诸如本文所述的和其他的薄的、小轮廓的电磁电路，以生产具有任何所需外形的电磁电路，从而例如粘附到表面(诸如车辆)或支持复杂的阵列结构。
51.如本文所公开的，制造是非常可重复的并且现场组装被简化。与同轴电缆相比，amt技术减少了带状线的损耗。可以生产用于随机同步rx波束的子阵列波束成形方法。可扩展设计由互锁部件构成。相同部件用于各种输入配置。rf波束成形器电路由互锁pwb构成。增加最大电路尺寸。无环氧树脂、无胶和无层压组装程序。从组件中取消了传统的rf连接器。
52.在描述了用于说明作为本专利主题的各种概念、结构和技术的优选实施例之后，现在对于本领域普通技术人员来说可见，可以使用结合这些概念、结构和技术的其他实施
例。此外，本文描述的不同实施例的元件可以组合以形成上文未具体阐述的其他实施例。
53.因此，认为本专利的范围不应限于所描述的实施例，而应仅受所附权利要求的精神和范围的限制。