本发明涉及新类型的微波器件，且涉及用于设计、集成并封装用于通信、雷达或传感器应用的天线系统的射频(rf)部件，以及例如构件例如波导耦合器、双工器、滤波器、天线、集成电路封装件等的技术。
本发明主要涉及高于30ghz的频率，即毫米波区，且涉及甚至高于300ghz的频率，即亚毫米波，但本发明在比30ghz低的频率下也是有利的。
背景
电子电路在今天用在几乎所有产品中，且特别是在与信息的传输有关的产品中。信息的这样的传输可沿着电线和电缆在低频下(例如结合电线的电话)进行或使用无线电波在较高频率下通过空气无线地进行，无线电波用于例如广播音频和tv的接收并用于例如在移动电话中的双向通信。在后一高频情况下，高频和低频传输线和电路都用于实现所需的硬件。高频构件用于传输并接收无线电波，而低频电路用于调制关于无线电波的声音或视频信息并用于相应的解调。因此，低频和高频电路都是需要的。本发明涉及用于实现高频构件例如发射机电路、接收机电路、滤波器、匹配网络、功率分配器和合成器、耦合器、天线等的新技术。
第一次无线电传输发生在低于100mhz的相当低的频率下，而现在无线电频谱(也被称为电磁频谱)在商业上在高达40ghz和以上被使用。对探究较高频率感兴趣的原因是大带宽可用。当无线通信普及到越来越多的用户并对越来越多的服务变得可用时，新频带必须被分配以为所有业务给予空间。主要要求是针对数据通信，即在尽可能短的时间内大量数据的传输。
已经存在以可被掩埋的光纤的形式的光波传输线并当大带宽被需要时代表无线电波的可选方案。然而，这样的光纤还需要被连接在任一端处的电子电路。甚至可能需要针对高于40ghz的带宽的电子电路以使光学传输线的巨大可用带宽的使用变得可能。本发明涉及间隙波导技术(见下文)，其被发现具有优良的特性例如低损耗，且非常适合于大量生产。
此外，存在对涉及高增益天线、预期用于消费者市场的用于特别是在60ghz和以上的快速无线通信的技术的需要，所以低成本可制造性是必备的事情。消费者市场优选平面天线，且这些只可以被实现为平面阵列，以及这些系统的宽的带宽需要全体分布网络(corporatedistributionnetwork)。这是给阵列的每个元件馈送相同的相位和振幅以实现最大增益的线路和功率分配器的完全分支的网络。
常见类型的平面天线基于在印刷电路板(pcb)上实现的微带天线技术。pcb技术非常适合于这样的紧凑轻量化的并馈天线阵列(corporate-fedantennaarray)的大量生产，特别是因为全体分布网络的构件可被微型化以连同微带天线元件一起安装在一个pcb层上。然而，这样的微带网络遭受在介电和导电部件中的大损耗。介电损耗不取决于微型化，但导电损耗由于微型化而非常高。不幸的是，微带线只可以通过增加基片厚度而变得更宽，且然后微带网络开始辐射，以及表面波开始传播，这都严重地破坏性能。
存在具有低导电损耗且没有伴随表面波和辐射的问题的一种已知的基于pcb的技术。这通过如在[1]中的两个名称“基片集成波导(siw)”或“后壁波导(post-wallwaveguide)”中的任一个被提到。我们在这里将只使用术语siw。然而，siw技术仍然有明显的介电损耗，且低损耗介电材料非常昂贵和柔软，且因此不适合于低成本大量生产。因此，存在对更好的技术的需要。
因此，存在对例如达60ghz或以上的高频的且具有减少的介电损耗和伴随辐射和表面波的问题的平面天线系统的需要。特别是，存在对用于实现不遭受介电损耗和伴随有辐射和表面波的问题的、位于60ghz或以上的全体分布网络的基于pcb的技术的需要。
间隙波导技术基于来自2008和2009[2]的prof.kildal的发明，也在介绍性论文[3]中描述并在[4]中实验性地验证。该专利申请以及论文[5]描述了可代替在高频电路和天线中的微带技术、共面波导和正常矩形波导的几种类型的间隙波导。
间隙波导在平行的金属板之间形成。借助于在一个或两个板中的纹理来控制波传播。在平行板之间的波被阻止在其中纹理是周期性或准周期性的(以阻带为特征)方向上传播，且它在其中纹理平滑的方向上(如沿着凹槽、脊和金属条)增强。这些凹槽、脊和金属条形成三种不同类型的间隙波导：凹槽间隙波导、脊间隙波导和微带间隙波导[6]，如也在原始专利申请[2]中描述的。
纹理可以是在平的金属表面上的金属柱或销的或在基片上的具有金属化通路孔的金属贴片的周期性或准周期性集合，该金属化通路孔将金属贴片连接到接地平面，如在[7]中提出并还在原始专利申请[2]中描述的。具有通路孔的贴片通常被称为蘑菇状物(mushroom)。
悬挂式(也被称为倒置)微带间隙波导在[8]中被提出且也存在于[6]和[7]中的描述中。这由被蚀刻在pcb基片上并由pcb基片悬挂的金属条组成，该pcb基片搁置在金属销的具有规则纹理的表面的顶部上。这个基片没有接地平面。传播的准tem波模式在金属条和上部平滑金属板之间形成，从而形成悬挂式微带间隙波导。
这种波导可具有低介电和导电损耗，但它不与标准pcb技术兼容。纹理化销表面可由在pcb上的蘑菇状物实现，但这然后变成两个pcb层之一以实现微带网络，由此它比只使用一个pcb层实现的间隙波导生产起来昂贵得多。另外，这项技术还有许多问题：难以找到从底部将传输线连接到它的良好的宽带方式。
由蘑菇状物制成的具有阻带-纹理的微带间隙波导在[9]中在单个pcb上实现。这个pcb型间隙波导被称为微带-脊间隙波导，因为金属条必须以与蘑菇状物相同的方式具有通路孔。
在[10]-[12]中描述了准平面倒置微带间隙波导天线。在直接位于销表面上的基片上的微带馈电网络之下制造周期性销阵列和辐射元件都是昂贵的，该辐射元件在这种情况下是紧凑的喇叭天线。
在[13]提出了具有4x4狭槽的小平面阵列。天线被实现为两个pcb，上部pcb具有被实现为具有2x2子阵列的阵列的辐射狭槽，每个子阵列由siw腔所支持的2x2狭槽组成。4个siw腔中的每个由在下部pcb的表面中的微带-脊间隙波导馈送的耦合狭槽激发，该下部pcb以一空气间隙定位在上部辐射pcb之下。实现具有足够的公差的pcb且特别是保持具有恒定高度的空气间隙是非常昂贵的。微带-脊间隙波导还需要巨大量的细的金属化通路孔，其制造起来非常昂贵。特别是，钻孔是昂贵的。
因此存在对具有良好的性能且此外生产起来有成本效益的新微波器件和特别是波导和rf封装技术的需求。
发明概述
因此，本发明的目的是缓解上面讨论的问题，且特别是提供新微波器件(例如波导或rf部件)和rf封装技术，其具有良好的性能且生产起来有成本效益，特别是在30ghz之上使用，以及例如在用于在通信、雷达或传感器应用中使用的天线系统中使用。
该目的通过根据所附权利要求的微波器件来实现。
根据本发明的第一方面，提供了一种微波器件，诸如天线系统的波导、传输线、波导电路、传输线电路或射频(rf)部件，该微波器件包括其间布置有间隙的两个导电层以及突出元件，该突出元件以周期性或准周期性图案布置并且固定地连接到所述导电层中的至少一个，由此形成纹理以阻止在除了沿着预期波导路径之外的其它方向上的操作频带中的波传播，其中所述导电层中的每一个包括与其固定连接的一组互补突出元件，所述组结合地形成所述纹理，互补突出元件的组各自均以所述图案形成并被布置成彼此对准和叠置，每组的互补突出元件形成图案中的每个突出元件的全长的部分，或者互补突出元件的组以偏移互补布置进行布置，一组的突出元件由此被布置在另一组的突出元件之间。
尽管已经发现间隙波导具有特别好的特性，特别是在高频下，但成本有效地生产这种微波器件的任务仍然存在问题。当需要很少和大的柱/销时，形成从表面突出的柱/销是相对简单的，但对于高频，需要数百或数千个非常小但相对高的柱/销，它们被布置得彼此非常接近。这种结构很难通过常规制造来生产。特别是已经认识到，柱/销变得越高且它们布置得越密集，生产成本就会越高，并且这种增加是相当显著的，因为它们越密集，公差要求就越严格。
现在已经找到了解决这个问题的有效补救措施。具体而言，已经发现用于阻止波传播的纹理可以分布在两个导电表面之间，并且仍然与先前已知的使用间隙波导技术的微波器件一样起作用。由此，例如形成为柱或销的突出元件可以制成为常规柱/销的一半高，或者有低得多的密度和在突出元件之间增加的间隔距离。具有显著减小的高度或密度的突出元件的这种纹理可以以更高的成本效率生产，从而大大降低了微波器件的整体生产成本。
突出元件优选地布置在纹理化表面中的周期性或准周期性图案中，并设计成阻止波在这两个金属表面之间、在除了沿着波导结构以外的其它方向上传播。这个被禁止的传播的频带被称为阻带，且这限定间隙波导的最大可用操作带宽。
在本申请的上下文中，术语“微波器件”用于命名能够，特别是在其中器件或它的机械细节的尺寸具有与波长相同的数量级的高频下能够传输、传送、引导和控制电磁波的传播的任何类型的器件和结构，例如波导、传输线、波导电路或传输线电路。在下文中，将关于各种实施方式例如波导、传输线、波导电路或传输线电路来讨论本发明。然而，本领域中的技术人员应认识到，关于这些实施方式中的任一个讨论的特定的有利特征和优点也可适用于其它实施方式。
所谓rf部件，在本申请的上下文中意指天线系统的在天线系统的射频发射和/或接收区段(通常被称为天线系统的前端或rf前端的区段)中使用的部件。rf部件可以是连接到天线系统的其它构件的单独部件/器件，或可形成天线系统的整体部件或天线系统的其它部件。本发明的波导和rf封装技术特别适合于实现宽带和有效的平面阵列天线。然而，它也可用于天线系统的其它部件，诸如波导、滤波器、集成电路封装等，且特别是用于这样的部件到完整rf前端或天线系统中的集成和rf封装。特别是，本发明适合于作为间隙波导或包括间隙波导的rf部件的实现。
在前面所述的间隙波导中，波主要在两个导电层之间的空气间隙中传播，其中至少一个导电层设置有表面纹理，其在这里由突出元件形成。间隙因而设置在一层的突出元件和另一导电层之间。这样的间隙波导具有非常有利的特性和性能，特别是在高频下。然而，已知的间隙波导的缺点是，它们是相对笨重的且制造起来昂贵。特别是，提供在突出元件之上的差不多恒定的高度处悬挂的第二层并同时避免在第二层和突出元件之间的接触很复杂。
然而，现在惊人地发现，即使在一些突出元件(但不一定是它们中的全部)也与另一导电层接触时，或者在间隙以分布的方式被设置在任一侧上或在突出元件的对准部件之间的情况下，也可实现与先前的间隙波导相同的有利的波导特性和性能。已经发现，在另一导电层和一些任意选择或全部的突出元件之间的机械连接不影响微波器件的有利特性和电磁性能。还已经发现，即使在一些突出元件和导电层之间存在偶尔的电接触，或即使在所有突出元件和另一导电层之间存在电接触，特性也不被影响。因此，在突出元件和上覆导电层或上覆突出元件之间的一些接触例如仅仅机械接触但没有电接触或坏的电接触或甚至良好的电接触的提供不影响器件的电磁性能。这允许部件相互支靠，这极大地便于制造，且也使微波器件更鲁棒和以后更容易调节和修理。
因此，微波器件可以通过将每个突出元件布置成两个分离的部件来制造，这些部件被布置在不同的层上并且被布置成彼此对准。部件优选地被布置成彼此接触，但是也可以在其间设置小间隙。可替代地，突出元件可以被布置为在层中的一个层上的第一组突出元件和在另一层上的第二组突出元件，这些组被布置为彼此交错。
因此，根据一系列实施方式，互补突出元件的组以所述图案形成并且彼此对准排列。在这一系列实施方式中，两组的突出元件都优选地具有相同的长度，所述长度是纹理的全长突出元件的长度的一半。这最大限度地节省了成本。然而，全长的其它细分也是可行的，使得一侧上的突出元件高于另一侧上的突出元件。此外，即使通常优选的是每个导电表面上的突出元件都具有相同的高度，但使用具有两个或更多个不同高度的突出元件并在另一导电表面的突出元件中提供互补高度差也是可行的。较短的销制造起来更容易且更成本有效，例如通过使用铣削、模具成形等。
根据另一系列实施方式，互补突出元件的组以偏移互补布置来布置。例如，每组中的突出元件可以排列成行，其中每行中的突出元件相对于相邻行以交错配置被布置，由此组中的突出元件在每行内彼此交错。因此，每组中的每个突出元件与其最近的相邻突出元件之间的距离在同一行内与在相邻行中一样都据此被增加。然而，在这两组中形成互补图案的许多其它分布也是可行的。根据另一个示例，互补突出元件的组以偏移互补布置来被布置，每组中的突出元件排列成行，其中行之间的距离是行内的相邻突出元件之间的距离的两倍，由此组中的行在彼此之间交错。因此，这里每组中的每个突出元件之间的距离在一个方向(即，横向于行的方向)上大大增加，但在一个方向(即，沿着行的方向)上保持相同。突出元件之间的增加的间隔显著降低了制造成本。
优选地，所述导电层中的每一个的所有突出元件至少通过在其上所述突出元件固定连接的所述导电层在其基部彼此电连接。
所述导电层中的至少一个还优选地设置有波导路径，优选用于单模波。波导路径优选地是导电脊和具有导电壁的凹槽之一。在一个这样的实施方式中，在导电层中的至少一个中的突出元件优选地被布置成至少部分地围绕在所述导电层之间的腔，所述腔从而形成起波导的作用的所述凹槽。
波导路径可以以被布置在导电层中的一个上但不与所述两个导电层中的另一个导电层电接触的导电元件的形式设置。因此，设置了与另一导电层之间的间隙，而周围的突出元件可与这层机械接触且也可能电接触。在这里，在以脊的形式的导电元件和上覆导电层之间的间隙优选地在突出元件的高度的1-50％的范围内，且优选地在5-25％的范围内，以及最优选地在10-20％的范围内。突出元件的高度一般小于四分之一波长。
突出元件优选地在沿着每个波导路径的两侧上布置在至少两个平行的行中。然而偶然地，例如沿着笔直通道和类似物且在一些特定的应用中，单行可能就足够了。此外，在很多实施方式中，也可有利地使用多于两个平行的行，例如三个、四个或更多平行的行。
在一个实施方式中，rf部件是波导，以及其中突出元件进一步也与另一导电层接触并优选地固定地连接到另一导电层，以及其中突出元件布置成至少部分地围绕在所述导电层之间的腔，所述腔从而起到波导的作用。因此，突出元件可布置成至少部分地提供越过导电层之间的间隙来连接所述导电层的隧道或腔的壁，所述隧道从而起到波导或波导腔的作用。因此，在这个实施方式中，平滑的上部板(导电层)也可搁置在由另一导电层的突出元件形成的网格阵列上或在它的某个部分上，以及提供支撑的突出元件/销可以例如通过在炉子中烘焙结构来焊接到上部平滑金属板(导电层)。因而，能够形成如在[1]中描述的后壁波导，所述文件特此通过引用以其整体并入，但没有在波导内部的任何基片。因此，可以这么说，siw波导在没有基片的情况下被提供。与常规siw相比，这样的矩形波导技术是有利的，因为它减少了介电损耗，这是由于在波导内部没有基片并且矩形波导也可更有成本效益地被生产，并且由于现在可减小或甚至省略昂贵的低损耗基片材料的使用。
微波器件优选地是例如用于在通信、雷达或传感器应用中使用的天线系统的射频(rf)部件。
突出元件优选地具有小于在空气中在操作频率下的波长的一半的最大横截面尺寸。进一步优选地，在阻止波传播的纹理中的突出元件被间隔开小于在空气中在操作频率下的波长的一半的间距。这意味着在纹理中的任一对相邻突出元件之间的间隔小于波长的一半。
在周期性或准周期性布置的突出元件的图案中的相邻突出元件之间的距离优选地在0.05-2.0mm的范围内，且优选地在0.1-1.0mm的范围内，这均取决于它们被设计用于哪个频带。相邻突出元件的周期(period)优选地小于半波长。在使用交错的偏移布置的情况下，在被组合以形成图案的每组内，在每行内的相邻突出元件之间或相邻行之间，周期可加倍。
优选地以柱或销的形式的突出元件可具有任何横截面形状，但优选地具有正方形、矩形或圆形横截面形状。此外，突出元件优选地具有小于在空气中在操作频率下的波长的一半的最大横截面尺寸。优选地，最大尺寸比这小得多。最大横截面/宽度尺寸是在圆形横截面的情况中的直径或在正方形或矩形横截面的情况中的对角线。
此外，每个突出元件优选地具有在0.05-1.0mm范围内且优选地在0.1-0.5mm范围内的最大宽度尺寸，其均取决于它们被设计用于的频带，并且自然总是小于周期。
图案的每个突出元件的全长，即突出元件的总突出高度，在以偏移配置布置时等于各个突出元件的高度，或者在以对准配置布置时等于上覆突出元件的组合高度。全/总的突出高度优选地大于突出元件的宽度和厚度，且优选地大于宽度和厚度的两倍。
至少一些且优选全部的突出元件还可以与所述另一导电层直接或间接机械接触。
突出元件优选地具有基本相同的高度，在任一对突出元件之间的最大高度差是由于机械公差。这取决于制造方法和操作频率，并使一些突出元件与上覆导电层机械和甚至电气接触，其它突出元件不与上覆导电层接触。公差必须足够好以确保在任何突出元件和上覆导电层之间的可能出现的间隙保持到最小值。
两个导电层可在具有导波的区之外的某一距离处为了刚度而通过机械结构连接在一起，其中机械结构可整体地和优选地单片地形成在限定导电层之一的至少一种导电材料上。
除了由脊、凹槽和纹理提供的精细结构以外，两个导电层的至少部分可以是基本上平面的。
突出元件的组优选地通过例如铣削或模具成形/压印而单片地形成在所述导电层上。
微波器件的波导元件优选由金属制成。
至少一个导电层还可设置有优选地以矩形狭槽的形式的至少一个开口，所述开口允许辐射传输到所述微波器件和/或从所述微波器件接收辐射。
此外，微波器件可包括布置在所述导电层之间的至少一个集成电路模块(例如单片微波集成电路模块)，至少一些突出元件由此用作移除在所述集成电路模块的封装内的谐振的装置。集成电路模块优选地布置在所述导电层之一上，以及其中上覆于集成电路的突出元件比非上覆于所述集成电路的突出元件短。在优选的这样的实施方式中，至少一个集成电路是单片微波集成电路(mmic)。
微波器件优选地适合于形成用于超过20ghz和优选地超过30ghz以及最优选地超过60ghz的频率的波导。
微波器件还可形成由如上所讨论的微波器件实现的包括全体分布网络的平面阵列天线。优选地，全体分布网络形成具有功率分配器和在它们之间的波导线的分支树。这可例如被实现为如在前文中讨论的间隙波导。分布网络优选是全部或部分包含功率分配器和传输线的整体(corporate)，全部或部分实现为间隙波导。
天线也可以是多个子组件的组件，由此，天线的总辐射表面由子组件的辐射子组件表面的组合形成。每个这样的子组件表面可设置有辐射狭槽开口的阵列，如在前文中讨论的。子组件表面可以例如布置在并排布置中，以形成组件的正方形或矩形辐射表面。优选地，如波纹作用的一个或更多个细长狭槽可进一步布置在子阵列之间，即在子组件表面之间，在e平面中。
天线系统还可包括连接到间隙波导的金属表面中的开口的喇叭形元件。这样的狭槽是产生与优选地并排位于上部金属板/导电层中的阵列中的喇叭形元件的阵列的耦合的耦合狭槽。每个喇叭元件的直径优选地大于一个波长。这样的喇叭阵列的示例本身在[10]中被描述，所述文件特此通过引用以其整体并入。
当几个狭槽用作在上部板中的辐射元件时，在狭槽之间的间距优选地小于在空气中在操作频率下的一个波长。
在上部板中的狭槽也可具有大于一个波长的间距。然后，狭槽是耦合狭槽，其产生从布置在纹理化表面中的分布网络的端部到这个分布网络在它之上的层中的继续部分的耦合，这将功率相等地分到共同形成狭槽的子阵列的辐射阵列的额外狭槽的阵列中，其中在每个子阵列的每个狭槽之间的间距优选地小于一个波长。因此，分布网络可布置在几个层中，从而得到非常紧凑的组件。例如，第一和第二间隙波导层可以用前面提到的方式被设置，由包括耦合狭槽的导电层分离，其中每个耦合狭槽产生从在纹理化表面上的分布网络的每个端部到这个分布网络的继续部分的耦合，这将功率相等地分到在布置在第二间隙波导的上侧处的导电层中形成的狭槽的小阵列中，其共同形成整个阵列天线的辐射子阵列。在子阵列的每个狭槽之间的间距优选地小于一个波长。可选地，所述波导层中只有一个可以是间隙波导层，由此，另一层可通过另一波导技术来布置。
分布网络在馈送点处优选地连接到包含双工器滤波器的rf前端的其余部分以分离发射频带和接收频带以及其后的发射放大器和接收放大器和其它电子器件。后者也被称为用于发射和接收的转换器模块。这些部件可位于与形成分布网络的纹理相同的表面上的天线阵列旁边或在该天线阵列下方。优选地提供从分布网络到双工器滤波器的过渡，且这可使用在下部导电层的接地平面中的孔来实现，并形成在它的背侧上的矩形波导界面。这样的矩形波导界面也可用于测量目的。
像在以前已知的间隙波导中一样，由本发明提供的波导引导主要在导电层之间的空气间隙中并沿着由突出元件界定的路径传播的波。在导电层之间形成的且不被突出元件填充的腔也可完全或部分地由介电材料填充。在纹理化表面中的周期性或准周期性突出元件优选地设置在波导路径的两侧上，并设计成阻止波在除了沿着波导结构以外的其它方向上在两个金属表面之间传播。这个被禁止的传播的频带被称为阻带，且这限定间隙波导的最大可用操作带宽。
突出元件可以以各种方式形成，其中一些本身是先前已知的。例如，突出元件可以通过钻孔、铣削、蚀刻等形成。还可能的是，通过模具成形、压印或多层模具成形来形成突出元件。
对于模具成形，模具被设置有形成突出元件的负像(negative)的多个凹部的。可成形的材料件然后被放置在模具上，并且向该可成形的材料件施加压力，从而压缩可成形的材料件以符合模具的凹部。模具可设置在一个层中，包括凹部。然而，模具可以可选地包括两层或更多层，其中的至少一些设置有通孔，其中通过将层堆叠在彼此的顶部上来形成凹部。使用这样的多层模具的压印或模具成形在这里被称为多层模具成形。假如三个、四个、五个或甚至更多个层被使用，除了可能的底层以外的每个层都具有通孔，该通孔在层被放置在彼此的顶部上时表现为凹部，且不同的层的通孔中的至少一些通孔彼此连通。可借助于钻孔、铣削、蚀刻等来形成在模具中的凹部。模具层的形成是相对简单的，且同一模具层可被重新使用很多次。此外，模具层可容易被更换，使能够重新使用模具的其余部分和生产设备以用于其它rf部件的生产。这使得生产对设计变化等具有灵活性。生产过程也是具有很好的可控制性并且所生产的rf部件具有很好的公差。此外，生产设备是相对廉价的，且同时提供高生产率。因此，生产方法和装置适合于小批量原型生产、小批定制部件的生产并适合于大批的大量生产。
模具还可包括至少一个模具层，其包括形成所述凹部的通孔。在优选实施方式中，模具包括至少两个夹在中间的包括通孔的模具层。因此，夹在中间的层可布置成提供突出元件的各种高度和/或形状。例如，这样夹在中间的模具层可用于具有变化的高度的突出元件的有成本效益的实现(诸如不同高度的突出元件的区域)或具有变化的宽度尺寸(诸如圆锥形的)、具有阶梯式降低的宽度等的突出元件的实现。它也可以用于形成脊、阶梯状过渡等。优选地，至少一个模具层被布置在套环内。
将参考在下文中所述的实施方式来在下面进一步澄清本发明的这些和其它特征和优势。特别地，本发明在前文中按照暗示发射天线的术语被描述，但自然地，相同的天线也可用于接收或接收和发射电磁波。作为互易性的结果，只包含无源构件的天线系统的部件的性能对于发射和接收二者是相同的。因此，在上面用于描述天线的任何术语应被广泛地解释，允许电磁辐射在任何或两个方向上被传送。例如，术语“分布网络”不应被解释为唯一地用于在发射天线中使用，而也可以起到用于在接收天线中使用的组合网络的作用。
附图简述
为了例示的目的，将在下文参考在附图中示出的其实施方式更详细地描述本发明，其中：
图1是示出根据本发明的一个实施方式的间隙波导的透视侧视图；
图2是示出根据本发明的另一实施方式的间隙波导的圆形腔的透视侧视图；
图3是根据本发明的另一实施方式的阵列天线的示意图，其中图3a是所述天线的子阵列/子组件的分解图，图3b是包括四个这样的子阵列/子组件的天线的透视图，以及图3c是实现图3b的天线的可选方式的透视图；
图4是根据本发明实现的且例如在图3的天线中可用的示例性分布网络的顶视图；
图5是根据本发明的另一可选实施方式的、利用倒置微带间隙波导的天线的三个不同的层的透视图和分解图；
图6是根据本发明的又一实施方式的脊间隙波导的输入端口的近视图；
图7和图8是根据本发明的另外的实施方式的部分地分离的间隙波导滤波器的透视图；
图9是根据本发明的又一实施方式的间隙波导封装的mmic放大器链的图示，以及其中图9a是从侧面看的示意性透视图而图9b是侧视图；
图10和图11是根据本发明的一系列实施方式的其中突出元件由来自两组的突出元件的组合形成的实施方式的示意图；
图12-14是根据本发明的另一系列实施方式的其中突出元件由来自两组的突出元件的组合形成的实施方式的示意图；
图15是根据本发明的一个实施方式的制造设备的示意性分解图；
图16是在图10中的模具成形层的顶视图；
图17是图10的组装模具的透视图；
图18是在组装布置中的图15的制造设备的透视图；
图19是根据本发明的另一实施方式的制造设备的示意性分解图；
图20和图21是示出在图19的实施方式中的两个模具成形层的顶视图；以及
图22是示出由图19的制造设备可生产的rf部件的透视图。
详细描述
在下面的详细描述中，将描述本发明的优选实施方式。然而，应理解的是，不同实施方式的特征在实施方式之间是可互换的并可以用不同的方式组合，除非任何其它事情被特别指示。即使在下面的描述中阐述了很多特定的细节以提供对本发明的更彻底的理解，对本领域中的技术人员将明显的是，本发明也可在没有这些特定细节的情况下被实施。在其它实例中，没有详细描述公知的结构或功能，以免使本发明模糊。
在下文中，首先将总体上讨论根据本发明的一些示例性微波器件。形成阻带的突出元件在此以最后章节中讨论的新颖方式形成。
在如图1所示的第一实施方式中，示出矩形波导的示例。波导包括第一导电层1和第二导电层2(在这里为了增强的可见性而被制造为半透明的)。导电层被布置成离彼此一段恒定距离h，从而形成在其间的间隙。
这个波导类似于具有在pcb中的金属化通路孔的常规siw，该pcb具有在两侧上的金属层(接地)、上部(顶部)和下部(底部)接地平面。然而，这里在导电层之间没有介电基片，且用从导电层中的一个或两个延伸的多个突出元件3代替金属化通路孔。突出元件3由导电材料(诸如金属)制成。它们也可由金属化塑料或陶瓷制成。
此外，第一和第二导电层可借助于围绕导电层之一的周界延伸的垫环附着到彼此。为了增加的可见性，没有示出垫环。
类似于siw波导，波导在这里在导电元件之间形成，在这里在第一端口和第二端口4之间延伸。
在这个示例中，示出非常简单的直波导。然而，可以用相同的方式实现更复杂的路径，包括曲线、分支等。
如本领域本身已知的，波导路径可以被形成为导电脊、导电凹槽或微带。
突出元件可具有圆形横截面几何形状(如图1所示)或矩形或方形横截面几何形状。其它横截面几何形状也是可行的。
图2示出间隙波导的圆形腔。这以与在图1的上面讨论的直波导中类似的方式实现，并包括其间布置有间隙的第一导电层1和第二导电层2以及突出元件，该突出元件在导电层之间延伸并连接到这些层。突出元件3在这里沿着圆形路径被布置，围住圆形腔。此外，在这个示例性实施方式中，提供馈送装置6和x形辐射狭槽开口5。
这个圆形波导腔以与圆形siw腔类似的方式起作用。
参考图3，现在将讨论平面阵列天线的实施方式。这个天线在结构上和功能上类似于在[13]中讨论的天线，所述文件特此通过引用以其整体并入。
图3a以分解图示出子组件的多层结构。子组件包括具有第一接地平面/导电层32的下部间隙波导层31，和由突出元件33和脊结构34形成的纹理，一起形成在第一接地平面32和第二接地平面/导电层35之间的间隙波导。第二接地平面35在这里布置在第二上部波导层36上，该第二上部波导层36也包括第三上部接地平面/导电层37。第二波导层也可被形成为间隙波导层。间隙因此分别在第一和第二接地平面之间以及在第二和第三接地平面之间形成，从而形成两个波导层。上层的底部第二接地平面35具有耦合狭槽38，且上部的接地平面具有4个辐射狭槽39，以及在这两个接地平面之间有间隙波导腔。图3a只示出形成大阵列的单位单元(元件)的单个子阵列。图3b示出并排布置在矩形配置中的4个这样的子阵列的阵列。可以有这样的子阵列的甚至更大的阵列以形成更具方向性的天线。
在子阵列之间，在一个方向上提供间隔，从而形成在上部金属板中的细长狭槽。突出元件/销沿着狭槽的两侧布置。这形成子阵列之间的在e平面中的波纹。
在图3c中，示出可选的实施方式，其中包括几个子阵列的上部导电层被形成为连续金属板。这个金属板优选地具有足够的厚度以允许凹槽在其中形成。因此，具有与在图3b中的狭槽类似的效应的细长波纹可替代地被实现为在单位单元之间延伸的细长凹槽。
分别在第一和第二导电层以及第二和第三导电层之间的波导层中的任一个或两个可被形成为如在前文中讨论的间隙波导，而没有在这两个金属接地平面之间的任何基片，且突出元件在这两个导电层之间延伸。然后，如在[13]中讨论的常规通路孔将替代地是在整个天线阵列的每个单位单元内在这两个金属板之间单片地形成的金属销等。
在图4中，示出在图3中的天线的下部间隙波导层中的纹理的示例的顶视图。这示出对于在两个下部导电层之间的间隙中的波的、根据[13]的脊间隙波导技术中的分布网络41。脊结构形成从一个输入端口42到四个输出端口43的分支，所谓的全体分布网络。分布网络可以比这个大得多，具有多得多的输出端口以馈送较大的阵列。与[13]的天线对比，布置成提供阻止纹理的通路孔在这里被形成为以上面所述的方式单片地形成的突出元件44。因此，没有或部分地没有基片，且通路孔由突出元件/销代替。由此，脊变成诸如在例如[4]中的脊间隙波导中所示的实心脊。可选地，脊可被绘制为由销支持的细金属条、微带。
参考图5，现在将讨论天线的另一实施方式。这个天线包括在分解图中单独地示出的三个层。上部层51(左边)包括在其中形成的辐射喇叭元件52的阵列。中间层53布置在离上层51一段距离处，使得朝着上层的间隙被提供。这个中间层53包括布置在没有接地平面的基片上的微带分布网络54。波在上部层和中间层之间且在微带路径之上的空气间隙中传播。下部层55(右边)布置在中间层53之下并与中间层53接触。这个下部层包括优选地在导电层57上被单片制造的突出元件56(诸如金属销)的阵列。导电层可被形成为单独的金属层或为pcb的上部接地平面的金属表面。突出元件以确保在所有突出元件的基部之间的金属接触的方式整体地连接到导电层。因此，这个天线在功能上和结构上类似于在[12]中公开的天线，所述文件特此通过引用以其整体并入。然而，尽管这种已知的天线是通过铣削形成倒置微带间隙波导网络来实现的，但是本示例包括以下文中讨论的方式形成的突出元件，这具有许多优点。
图6提供在下部层上的微带-脊间隙波导的输入端口的近视图，其示出穿过接地平面中的狭槽63到矩形波导的过渡。在这个实施方式中，没有介电基片存在，且常规使用的通路孔由突出元件61代替，该突出元件61优选地以在所有突出元件61之间存在电接触的方式单片地连接到导电层。因此，提供微带间隙波导。为了清楚起见，移除上部金属表面。由销支撑的微带(即微带-脊)也可以用与上面关于图4讨论的相同的方式由实心脊代替。
图7示出在结构上和功能上类似于在[14]中公开的间隙波导滤波器的间隙波导滤波器的示例性实施方式，所述文件特此通过引用以其整体并入。然而，与该文件中公开的波导滤波器相反，布置在导电层上的突出元件71(这里为了简单起见，其都布置在下部导电层上)以待在下文中讨论的方式布置。上部导电层73以与在[12]中公开的相同的方式布置在突出元件之上。因此，这然后成为凹槽间隙波导滤波器。
图8提供了也可被称为间隙-波导封装微带滤波器的波导滤波器的另一示例。这个滤波器在功能上和结构上类似于在[15]中公开的滤波器，所述文件特此通过引用以其整体并入。然而，与在[15]中公开的滤波器相反，滤波器在这里由具有突出元件的表面封装，其中设置在导电层82上的突出元件81以上面所述的方式实现。示出包括不同数量和布置的突出元件81的两个可选的盖。同样，为了简单起见，突出元件在这里示出为仅布置在其中一个表面上。
参考图9，将讨论提供用于集成电路的封装的实施方式。在这个示例中，集成电路是以链构造布置在下部板92上的mmic放大器模块91，下部板92在这里被实现为具有设置有下部接地平面93的上部主基片的pcb。提供由例如由铝或任何其它适当的金属制成的导电层95形成的盖。盖可借助于周围框架等连接到下部板92。
盖以及pcb还设置有突出元件96、97(为了简单起见，在图9中仅示出在盖上)。这个在功能上和结构上类似于[16]中公开的封装，所述文件特此通过引用以其整体并入。突出元件可具有不同的高度，使得覆盖集成电路91的元件具有较低的高度，且横向地在集成电路外部的其它区域的元件具有较大的高度。因此，在由突出元件呈现的表面中形成孔，其中集成电路被插入孔中。这个封装因此是根据本发明使用如上面讨论的间隙波导作为封装技术的示例。
如上所讨论的所有突出元件或者微波器件的某些部分或区域中的至少所有突出元件进一步被布置并分布在两个导电层上，现在将更详细地讨论其一些优选实现。
由此，每个导电层包括与其附接且固定连接并且优选为单片集成的一组突出元件。这两组彼此互补，使得这两组一起构成形成阻带的期望的周期性或准周期性图案，从而组合形成纹理以阻止在除了沿着预期波导路径以外的其它方向上的操作频带下的波传播。
在第一系列实施方式中，如图10和图11所示，互补突出元件的组各自以所述图案形成，即每个导电层包括以期望的周期性或准周期性图案布置的一组突出元件。然而，每组的突出元件的高度都太低而不能形成阻带。相反，两组中的突出元件彼此对准并被布置成彼此叠置，使得两组中的突出元件组合形成突出元件所需的全长以形成纹理。
在图10的实施方式中，第一导电层101被设置有第一组突出元件103，以及第二导电层102被设置有第二组突出元件104。在突出元件103和104之间的界面105处，可以提供狭窄的间隙。然而，可选地，突出元件可以被布置成彼此机械接触且可能甚至彼此电接触。通常将不存在对将突出元件固定在一起的任何需要。然而，如果这是期望的，则一些或全部突出元件的邻接端可以例如通过焊接、粘合或类似方式彼此连接。
通常优选的是，两组的突出元件全部具有相同的高度，使得每个突出元件具有形成期望阻带所需的突出元件总长度的一半。然而，有时或在某些区域，在两组中使用不同的高度可以是有利的。例如，一组可具有第一高度的突出元件，而另一组可具有不同的第二高度的突出元件。然而，突出元件的高度也可以在每组内变化。在图11中示意性示出这样的实施方式。
在可选系列的实施方式中，每组的互补突出元件都具有形成期望阻带的所需长度，但是每组仅包括形成预期图案的元件的子集，使得互补的突出元件的组组合地形成预期的图案。
在图12中示出这样的实施方式。这里，第一组突出元件103被布置在上部导电层101上，以及第二组突出元件104被布置在下部导电表面上。在突出元件103和104与它们未与其附接的上覆/下覆导电层之间的界面105处，可以提供窄间隙。然而，可选地，突出元件可以被布置成与另一导电层机械接触且可能甚至电接触。通常将不存在对将突出元件固定到两个导电层的任何需要。然而，如果这是期望的，则一些或全部突出元件的端部可以例如通过焊接、粘合或类似方式连接到另一导电层。
两组的突出元件优选地以互补布置偏移，使得组的突出元件或成行的突出元件在彼此之间交错。然而，将突出元件分成两个互补子集的其它方式也是可行的。
在图13中，示意性地示出了实施方式。这里，下部导电表面102的突出元件104排列成行，并且每行的突出元件相对于相邻行偏移或交错。另一导电层的突出元件103(以虚线示出)的互补子集填充突出元件104之间的间隙。
在图14中，提供了在子集之间分离突出元件的可选方式。这里，每个子集包含完整的突出元件的行，但是每隔一行被布置在第二子集中而不是第一子集中，使得行在彼此之间交错。因此，行之间的距离是行内相邻突出元件之间距离的两倍。因此，这里每组中的每个突出元件之间的距离在一个方向(即，横向于行的方向)上大大增加，但在一个方向(即，沿着行的方向)上保持相同。突出元件之间的增加的间隔显著降低了制造成本。
在实验模拟中，研究了ku和v频带，并分析了获得的阻带。模拟是在以下波导上进行的：
a)常规的间隙波导，其中所有销(突出元件)被布置在同一导电层上，并且其中小间隙被设置在销的端部和上覆的第二导电层之间。这些波导在下面被称为“常规销”。
b)根据上面讨论的图10的实施方式的间隙波导。这些波导在下面被称为“中间间隙销”。
c)根据上面讨论的图12和图13的实施方式的间隙波导。这些波导在下面被称为“交错销”。
当分别评估ku和v频带的阻带时，销的总宽度和高度在实施方式中都是相同的，并且销的周期也是相同的。更具体地说，当评估ku频带时，宽度为3mm，高度为5mm，并且周期为6.5mm。模拟分别采用1mm的相对大的间隙(“常规间隙”)、0.13mm的相对窄的间隙(“缩小间隙”)和填充有介质的0.13mm的窄间隙(“介质填充的缩小间隙”)进行。当评估v频带时，宽度为0.79mm，高度为1.31mm，并且周期为1.71mm。模拟分别采用0.26mm的相对大的间隙(“常规间隙”)、0.13mm的相对窄的间隙(“缩小间隙”)和填充有介质的0.13mm的窄间隙(“介质填充的缩小间隙”)进行。
这些实验模拟的结果如下表1和表2所示。
表1：在ku频带下的比较
表2：在v频带下的比较
由此可以推断出，在不同侧处(如在交错销实施方式中)或者在中间(如在中间间隙销实施方式中)的间隙的设置工作地非常好，并且提供了大而有效的阻带。还可以推断出，这与常规的间隙波导几乎一样好地工作，特别是当使用窄间隙时。
上面讨论的示例性实施方式例如根据本发明的微波器件的其它实现可以用各种方式被制造和生产。例如，可能使用常规制造技术，例如钻孔、铣削等。
也可以使用放电加工(edm)，其也可以被称为电火花加工、电火花腐蚀或刻模。由此，使用放电(电火花)获得期望的形状，并且通过在由介电液体分隔的两个电极之间的一系列快速反复的电流放电来将材料从工件移除。
然而，也可以使用称为模具成形的特殊技术(其也可以被称为压印或多层模具成形)。接下来将参考图15-22更详细地描述用于针对单片形成的微波器件和rf部件的这样的制造进行制造的设备和方法。
参考图15，用于生产rf部件的装置的第一实施方式包括模具，其包括设置有形成rf部件的突出元件的负像的多个凹部的模具层114。在图16中示出这样的模具层114的示例。这个模具层114包括均匀分散的通孔的网格阵列以形成突出元件的相应网格阵列。凹部在这里具有矩形形状，但也可使用其它形状，诸如圆形、椭圆形、六边形等。此外，凹部不需要在模具层的高度上具有均匀横截面。凹部可以是圆柱形的，但也可以是圆锥形的或假设具有变化的直径的其它形状。
模具还包括布置在所述至少一个模具层周围的套环113。套环和模具层优选地形成所需尺寸，使得模具层具有与套环的内部的紧密配合。在图17中，示出布置在套环内的模具层。
模具还包括基板115，模具层和套环布置在该基板115上。假如模具包括通孔，则基板将形成由通孔提供的腔的底部。
可成形的材料件112进一步布置在套环内以被压到模具层114上。压力可直接施加到可成形的材料件上，但优选地，印模111布置在可成形的材料件的顶部上，以便均匀地分布压力。印模优选地也布置成可插入套环中，并具有与套环的内部的紧密配合。在图18中，在组装布置中示出布置在套环113中的可成形的材料件的顶部上的印模111。
上面讨论的布置可布置在常规压制装置(诸如机械或液压机)中，以将压力施加到印模和模具的基板上，从而压缩可成形的材料件以符合至少一个模具层的凹部。
上面讨论的多层模具压制或压印布置可提供突出元件/销、脊和可成形的材料件中的具有相同高度的其它突出结构。例如借助于钻孔可得到通孔。假如非贯穿凹部在模具层中被使用，这个布置也可用于产生具有变化的高度的这样的突出结构。
然而，为了生产具有变化的高度的突出结构，也可能使用几个模具层，每个具有通孔。现在将参考图19-22来讨论这样的实施方式。
参考图19的分解图，这个装置包括与在前面讨论的实施方式中相同的层/构件。然而，在这里提供了两个单独的模具层114a和114b。这样的模具层的示例在图20和图21中示出。布置成最接近可成形的材料件112的模具层114a(在图20中示出)设置有多个通孔。更远离可成形的材料件112的另一模具层114b(在图21中示出)包括较少的凹部。第二模具层114b的凹部优选地与第一模具层114a中的对应凹部相关联。因此，第一模具层的一些凹部将在与第二模具层的相遇处终止以形成短突出元件，而一些凹部还将在第二模具层内延伸以形成高突出元件。因此，通过模具层的足够成形，生产各种高度的突出元件是相对简单的。
在图22中示出根据在图20和图21中所示的模具层的实施方式的具有变化的高度的突出元件的rf部件的示例。
在前文中，印模111、套环113、模具层114和基板115被例示为单独的元件，可分离地布置在彼此的顶部上。然而，在各种组合中，这些元件也可永久地或可分离地连接到彼此或被形成为集成单元。例如，基板115和套环113可被设置为组合单元，模具层可连接到套环和/或基板等。
可在室温下执行压制，其中压力被施加以形成与模具层相符的可成形材料。然而，为了便于成形，特别是当相对硬的材料被使用时，热也可被施加到可成形材料。例如，如果使用铝作为可成形材料，则可以将材料加热到几百摄氏度或甚至高达500摄氏度。如果使用锡，则材料可以被加热到100-150摄氏度。通过加热，成形可以更快，并且需要更少的压力。
为了便于在成形之后从模具/模具层移除可成形材料，凹部可被制成稍微圆锥形的或类似形状。也可能将热或冷施加到模具和可成形材料。由于不同的材料具有不同的热膨胀系数，因此当冷和/或热被施加时，模具和可成形材料将不同地收缩和膨胀。例如，锡具有比钢低得多的热膨胀系数，所以如果模具由钢制成且可成形材料由锡制成，则通过冷却将十分便于移除。可例如通过浸渍或以将模具和/或可成形材料暴露于液态氮的其它方式来进行冷却。
已经在前文中讨论了微波器件和rf部件的一些示例。然而，如上所讨论的，可以通过使用由布置在两个导电层上的互补子集制成的突出元件的图案来生产许多其它类型的例如本身已知的rf部件和微波器件。
例如，也可能使用这种技术来生产rf部件以形成平面阵列天线。例如，可以用这种方式有成本效益地生产在结构上和功能上类似于在[12]中公开的天线和/或在[13]中讨论的天线的天线，所述文档特此通过引用以其整体并入。这样的天线的一个或几个波导层可被制造为如在前文中讨论的波导，其没有在两个金属接地平面之间的任何基片，且具有在这两个导电层之间延伸的突出指状物/元件，由具有附着到基片的基部的波导元件形成。然后，常规通路孔，如在[13]中讨论的，将替代地是指状物，例如金属销等，在整个天线阵列的每个单位单元内形成在两个金属板之间的波导腔。
rf部件也可以是在结构上和功能上类似于在[14]中公开的间隙波导滤波器的间隙波导滤波器，所述文档特此通过引用以其整体并入。然而与在本文档中公开的波导滤波器相反，突出指状物/元件现在然后通过使用上面讨论的波导元件布置在下部导电层上。以这种方式可生产的波导滤波器的另一例子是在[15]中公开的滤波器，所述文档特此通过引用以其整体并入。
rf部件也可用于形成到集成电路的连接和来自集成电路的连接且特别是到mmic例如mmic放大器模块的连接和来自mmic例如mmic放大器模块的连接。
此外，突出指状物的网格也可由上面讨论的一般类型的波导元件提供，用于例如封装。可例如通过提供具有并排地在基片上的一行、两行或更多行突出指状物的波导元件来形成这样的网格。
现在已参考特定的实施方式描述了本发明。然而，在天线系统中的波导和rf封装的技术的几个变形是可行的。例如，可用于形成各种类型的波导和其它rf部件的许多不同的波导元件是可行的，这些波导元件用于用作标准化元件或用于专用目的或甚至被定制用于某些用途和应用。此外，即使借助于拾取和放置设备来组装是优选的，也可使用其它类型的表面安装技术放置，且波导元件也可以用其它方式被组装。此外，可在常规间隙波导已被使用或能被设想的很多其它天线系统和装置中使用突出元件的在这里公开的实现。这样的和其它明显的修改必须被考虑为在本发明的范围内，如由所附权利要求限定的。应注意，以上提到的实施方式示出而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下，设计很多可替换的实施方式。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考符号不应被解释为限制权利要求。词语“包括”并不排除除了在权利要求中列出的元件或步骤以外的其它元件或步骤的存在。元件之前的词语“一个(a)”或者“一个(an)”并不排除多个这种元件的存在。此外，单个单元可执行在权利要求中列举的几个装置的功能。
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