具有超表面的多层波导、其布置及生产方法与流程

1.本发明总体上涉及具有包括电磁超表面(metasurface)的层的多层波导传输线。


背景技术：

2.波导在本领域中是公知的，并且是用于将电磁波从起点传送到终点的常见部件。用最一般的术语来说，波导可以是空心的金属管。
3.对于在开放空间中传播的波，能量随着距离而损失，降低了可能的传输距离和波的质量。因此，波导是一种适于通过在至少一个维度上限制波的扩展方向来引导波的结构。其概念是限制波，迫使它在特定的方向上传播，从而减少损耗。在理想条件下，这将导致波完全不损耗能量，然而，这种情况很少或从来没有。根据波导传输线，存在损耗和泄漏，并且波耦合到波导通道的边缘，产生能量损耗。波导的概念早已为人所知，并且被用于传输例如信号、声音或光。
4.同时，无线通信的使用增加，并且市场对基于这种技术的波导和天线阵列存在需求。市场的需求进一步要求紧凑和廉价的波导。
5.一种可用的解决方案是衬底集成波导(siw)，该衬底集成波导(siw)是基于印刷电路板(pcb)技术的紧凑的波导，使用通孔(via hole)连接顶层和底层。通孔是在波导的层之间延伸的孔，连接至少顶层和底层。尽管衬底集成波导存在具有成本效益的生产方法，但是由于需要高频电介质，成本随着频率的增加而增加。
6.另一个可用的解决方案是所谓的间隙波导技术。间隙波导通常由两部分构成，其中一部分具有形成屏障的销(pin)，该屏障防止电磁波在除预期波导方向以外的方向上传播，从而减少这种结构中的泄漏。间隙波导适于一些应用，但在尺寸上有限制，销的典型高度是波长除以2至6，即λ/2至λ/6。
7.发明概述
8.尽管用于紧凑的波导的技术是可用的，但是需要紧凑的部件、具有良好降低损耗和泄漏的低损耗部件。作为一个示例，siw具有高于例如充气空心波导的相应损耗的固有插入损耗。因此，尽管它们提供了一种具有成本效益的替代方案，但仍需要其他解决方案。空心波导通常具有其他缺点，例如，磁场会穿透短的距离进入金属，从而产生泄漏，当在分割块中制造空心波导结构时，如果两层之间存在间隙，特别是如果间隙在水平方向上，则会产生大量泄漏。这是因为电磁波被严格限制，并且意味着只要穿透非常短的距离即可进入金属。
9.介电波导是减少泄漏的另一种选择，然而，由于例如非传播的倏逝波(evanescent wave)，对于这种波导来说，问题的特征是不同的。这也是这种波导需要层之间的高导电性水平以便减少泄漏的原因。高导电性水平显著增加了生产成本，并且在制造期间需要非常高的精度。另外，损耗一般仍高于充气波导。
10.间隙波导在销结构(pin texture)的设计和尺寸上都有限制，这使得它们成为有用的解决方案，但不适用于某些应用。
11.与波导的制造相关存在的另一个问题是，与诸如激光切割、蚀刻或化学蚀刻的其他方法相比，cnc铣削和模塑的当前水平通常在生产方法中提供不良公差。这使得生产波导结构变得困难和/或昂贵。该问题对于某些频率范围比对于其他频率范围更明显，例如，cnc铣削和模塑都是适用于60ghz以下的频率的波导的常见生产方法。在更高的e波段和d波段频率范围、71ghz至86ghz和110ghz至170ghz内，cnc铣削和模塑变得非常昂贵，因为与生产技术的工作方式相关的一切都非常小。因此，它在一些情况下是不合适的，并且在一些情况下甚至不可能实现期望的结果。
12.一个目的是提供一种易于生产的充气波导传输线的新的实现。
13.另一目的是提供一种生产具有成本效益的波导。
14.另一目的是提供一种可以方便地被用于天线阵列和针对天线阵列设计的波导。
15.另一目的是提供一种可以方便地被用于设计波导滤波器和双工器的波导。
16.另一目的是提供一种波导，该波导可以方便地被用于有源电子电路(即功率放大器(pa))、封装以及与诸如阵列天线的无源部件集成。
17.另一目的是提供一种具有低泄漏的堆叠的未被连接的层的多层波导。
18.另一目的是提供一种不需要层之间的流电接触(galvanic contact)来减少泄漏的多层波导。
19.本发明的另一目的是提供一种不需要层之间的连接性来减少泄漏的多层波导。
20.本发明的又一目的是提供一种与现有技术解决方案相比紧凑的多层波导。
21.因此，紧凑的并且克服现有技术的至少一些缺点的波导将是有益的。
22.因此，本解决方案涉及一种有成本效益且易于生产的多层波导传输线，该多层波导传输线具有以特定配置布置的电磁超表面。该解决方案是具有堆叠在一起的未被连接的薄层的紧凑的充气波导，并且克服了现有技术解决方案的许多缺点。该解决方案可以有利地与典型厚度为λ/10或λ/15且泄漏抑制结构的深度低于λ/20或甚至λ/30的金属层一起使用。多层波导包括被组装成多层波导的至少三个物理层。这些层是至少一个顶层、一个或更多个中间层和一个底层。多层波导还包括波导通道，该波导通道是至少一个中间层中的细长孔(elongated aperture)。至少一个层在面向第一邻接层的第一表面上具有超表面，并且该超表面围绕细长孔。该超表面包括厚部分和薄部分。
23.在不同实施例中，波导通道在层中布置有不同尺寸的细长孔，在一些实施例中，所有层具有不同尺寸的细长孔，并且在其他实施例中，一些层具有相应的孔。
24.超表面是具有亚波长厚度的纹理表面，在该特定情况下，该厚度通常低于λ/10。纹理表面包括产生纹理的薄部分和厚部分。
25.一个优点是，多层布置中的超(meta)结构通过层和超表面之间的小间隙产生了减少泄漏的效果。这种效果来自电磁带隙，但是与以前的多层波导相比，超表面结构具有尺寸更小并且生产成本仍然低廉的优点。
26.根据一个实施例，第一表面具有围绕超表面的平坦部分。厚部分具有对应于平坦部分处的层厚度的厚度，而薄部分具有小于平坦部分处的厚度的厚度。
27.根据一个实施例，中间层的第二表面面向第二邻接层，该第二邻接层具有除细长孔以外的平坦表面。
28.超表面面向平坦表面，在层的表面之间产生小的充气空间，从而产生电磁带隙结
构。
29.根据一个实施例，层是堆叠的分离层，没有元件在层之间延伸。
30.本解决方案的一个优点是，在所有层或一些层之间的小间隙是可接受的，而不会增加泄漏。
31.根据一个实施例，每个厚部分具有圆形、椭圆形、三角形、正方形、五边形、矩形、矩形、正方形、六边形或矩形形状中的任何一种形状。
32.一个优点是，厚部分的形状可以在不同的层或不同的波导之间有所不同。
33.根据一个实施例，厚部分被布置成平行于细长孔的排。
34.根据一个实施例，厚部分被布置在距细长孔的不规则距离处。
35.根据一个实施例，厚部分以围绕细长孔的随机图案被布置。
36.根据一个实施例，超表面围绕细长孔。
37.根据一个实施例，多层波导包括第一中间层、第二中间层和第三中间层，每个中间层包括细长孔，并且第二中间层还包括被布置在细长孔内的中心构件。
38.在不同的实施例中，所有或一些层具有超表面。在一个实施例中，只有中间层具有超表面，在另一实施例中，顶层和底层中的至少一个具有超表面。在一个实施例中，超表面被布置成面向邻接层的平坦表面，即，在这样的实施例中，两个超表面不会面向彼此。
39.根据一个实施例，多层波导包括第一中间层、第二中间层和第三中间层，其中第二中间层是用于集成的电子芯片组的非纹理层。
40.一个优点是，非纹理层、即没有超表面的层可以被用于集成电子芯片组。
41.根据一个实施例，超表面的厚部分和薄部分之间的厚度差小于波长除以10。
42.根据一个实施例，超表面的厚部分和薄部分之间的厚度差小于波长除以20。
43.根据一个实施例，超表面的厚部分和薄部分之间的厚度差小于波长除以30。
44.本解决方案的一个优点是，与其他可用的替代方案相比，超表面使得波导的尺寸更小，而不会增加泄漏。多层结构与超表面相结合的另一优点是，层之间泄漏显著减少。虽然较大的超表面是一种可能性，但一个明显的优点是，较小的超表面比用于相应频率的替代方案更容易生产。
45.根据一个方面，公开了一种用于生产如本文所述的多层波导的方法。
46.根据实施例，多层波导中不同层的超表面具有不对称的配置。
47.本解决方案的一个优点是，具有超表面的多层波导中的每一层的超表面不必相同。例如，超表面可以被布置成具有在层之间彼此对齐的厚部分和薄部分，或者以其中薄部分和厚部分不对齐的不对称配置进行布置。
48.根据实施例，薄部分和厚部分沿着每个层的细长孔外部的周边周期性地被布置。
49.根据一个实施例，每个层上的超表面不相同。
50.根据实施例，细长孔的中心构件通过一个跨越孔的连接突片(connection tab)连接到层的其余部分，其中连接突片是层的集成部分。
51.根据实施例，多层波导的层之间的距离在0和20微米之间。
52.根据实施例，多层波导的层之间的距离在0和50微米之间。
53.根据实施例，多层波导是被实现为天线、天线阵列和滤波器中的任何一个的传输线。
54.本解决方案的一个优点是，多层波导可以被实现为例如开槽波导天线。
55.本解决方案的另一优点是，多层波导可以被实现用于芯片组封装，诸如mmic(单片微波集成电路)的封装。
56.根据实施例，波导由一种单一材料制成。
57.根据实施例，多层波导由涂覆有金属的单一材料的层制成。
58.根据实施例，多层波导用非导电粘合剂组装。
59.根据实施例，层被直接堆叠。
60.根据实施例，层是堆叠的未被连接的薄层。
61.一个优点是，多层波导不需要层之间的任何流电连接、电连接或物理连接。即，层之间可以存在小间隙。该间隙例如可以是来自层的生产的不受控制的空气间隙。间隙也可以是微米级的，或者甚至是原子级的。
62.根据实施例，层是堆叠的未被连接的薄金属层。
63.根据实施例，多层波导的层用导电胶、隔离胶和两个螺钉中的任何一种保持在一起。
64.本解决方案的一个优点是，可以使用任何形式的结合或附接手段将层保持在一起。这样的原因是，层之间不需要导电性来抑制泄漏。然而，应当注意的是，导电性不会对性能产生负面影响。即，根据本文描述的解决方案的多层波导工作良好，而不管层之间的导电性质如何。
65.附图简述
66.现在参考附图以示例的方式描述本发明，在附图中：
67.图1示出了具有包括超表面的层的多层波导的一个实施例，其中顶层以分解图呈现。
68.图2示出了中间层的等距横截面的一个实施例。
69.图3示出了具有包括超表面的层的多层波导的一个实施例的分解图。
70.图4示出了如图3所示的实施例的横截面。
71.图5示出了中间层的一部分的横截面，其中详细示出了超表面的薄部分和厚部分。
72.图6示出了横截面，该横截面示出了多个层中的超表面的一个实施例，其中该超表面使用化学蚀刻作为制造方法来生产。
73.图7示出了一个实施例，该实施例示出了具有多个层中的超表面的同轴多层波导。
74.图8示出了同轴多层波导的一个实施例的横截面，该同轴多层波导在具有超表面的多个层之间具有平坦层。
75.图9示出了矩形多层波导的一个实施例的横截面，该矩形多层波导在底层中具有超表面。
76.图10示出了一个实施例，其中超表面部分具有圆形形状。
77.图11示出了一个实施例，其中厚部分和/或薄部分不均匀地被布置在超表面中。
78.图12示出了一个实施例，其中多个波导被布置成一个单元中的开槽波导天线。
79.图13示出了根据如图12所示的实施例的顶层的仰视图。
80.图14示出了被布置成开槽波导天线的多层波导的一个实施例。
81.图15示出了被布置成开槽波导天线的多层波导的一个实施例，其中用于减少不需
要的信号传播的沟(corrugation)被布置在波导通道的延伸方向上。
82.实施例的描述
83.在下文中，根据对附图的参考，公开了本发明的不同实施例的详细描述。本文的全部示例应视作一般描述的一部分，并且因此可以以一般术语的任何方式进行组合。各种实施例和方面的单独特征可以被组合或交换，除非这种组合或交换明显与多层波导的整体功能、其布置或生产方法相矛盾。
84.简单地描述，该解决方案涉及紧凑的多层波导，而不需要层之间的任何电接触和流电接触。多层波导在被布置为泄漏抑制结构的层中具有超表面，用于减少在波导的层之间的能量泄漏。该超表面包括围绕波导通道的多个厚部分和薄部分。
85.图1示出了具有多层波导的多个层21、2a、2b、2c、22的多层波导1的一个实施例。中间层2a、2b、2c、2d、2e各自具有细长孔7，该细长孔7单独或与其它层的细长孔一起形成波导通道77。细长孔7处于由超表面围绕的一些或所有中间层中。
86.图2示出了中间层2b的一部分的横截面。该层包括细长孔7，在图2的图示中，该细长孔7只有一部分是可见的。细长孔7被包括厚部分3a和薄部分3b的超表面3围绕。厚部分3a和薄部分3b一起形成超表面，其中，超表面以其帮助引导波并将波保持在波导通道77内的方式来抑制泄漏，细长孔7是该波导通道77的一部分。
87.图2还示出了围绕超表面3的平坦部分4。在一个实施例中，平坦部分4具有与厚部分3a相同的厚度。在如图2所示的实施例中，厚部分3a被布置成直排6a、6b、6c。在一个实施例中，直排6a、6b、6c的数量可以是在细长孔7的任何边或所有边处的一个、两个、三个或更多个。
88.图3示出了多层波导1的一个实施例，其中层被间隔开。该分解图示出了多层波导1的重要特征，即在层之间不需要流电连接、电连接或物理连接。即，层之间可以存在小间隙。该间隙例如可以是来自层的生产的不受控制的空气间隙。该间隙也可以是微米级的，或者甚至是原子级的。然而，应当注意，如图3所示的间隙的尺寸仅用于说明，层之间的间隙通常可以是在0和15微米之间的任何值。
89.图4示出了多层波导1的一个实施例的横截面，其中入口开口30和出口开口31是可见的。这些开口30、31是其中波进入和离开波导通道77的开口。图4还示出了为一个中间层2b标识的第一表面5a和第二表面5b。应当注意，每一层包括第一表面5a和第二表面5b。入口开口30和出口开口31不是必须布置在底层22中。在另一实施例中，替代地，入口开口30和出口开口31被布置在顶层21中。在又一实施例中，入口开口30和出口开口31被布置在不同的层中，例如，入口开口30可以被布置在顶层21中，而出口开口31可以被布置在底层22中，或者反之亦成立。
90.图5示出了具有超表面3的中间层2a、2b、
…
、2n的一部分或顶层21或底层22的一部分。图5示出了厚部分3a和薄部分3b以及平坦部分4之间的厚度差异。该差异可以例如在层的总厚度的50-70％、50-60％、55-65％或60-70％之间，然而厚度的差异也可以在所述范围之外变化。
91.图6示出了超表面3的一个实施例，其中超表面3是通过金属化学蚀刻生产的，该金属化学蚀刻产生了超表面中边缘的特征形状，超表面中边缘的形状变成圆形。应当注意，诸如cnc、激光切割等的其他生产方法也是可能的。
92.图7示出了同轴多层波导1，其中波导通道77包括被布置在一个中间层2a、2b、2c、
…
、2n的细长孔7内的中心构件8。中心构件8在一个或更多个位置处被附接到层的其余部分，该一个或更多个位置将中心构件连接到层并将其保持在适当的位置。
93.图8示出了同轴多层波导1的一个实施例，其中顶层21和底层22具有超表面3。应当注意，在一些实施例中，顶层21和底层22具有超表面3，而在一些实施例中，它们不具有超表面3。此外，在一些实施例中，如例如图8所示，一个或更多个中间层不具有超表面3。
94.图9示出了多层波导1的另一实施例，其中顶层21没有任何超表面，但是中间层2a、2b、2c和底层22具有超表面。
95.图10示出了中间层2a、2b、2c、
…
、2n的一个实施例，其中厚部分3a具有圆形形状。应当注意，形状对功能性并不重要，并且在相同和不同的超表面3中，超表面3可以具有许多不同形状的厚部分3a。
96.图11示出了另一实施例，其中超表面3的厚部分3a被随机放置在细长孔7周围。图11是厚部分3a可以如何被布置的表示，但是应当注意，本文描述的只是不同的可能实施例，并且厚部分3a的其他布置在权利要求的范围内也是可能的。层和超表面之间的小间隙提供了电磁带隙(ebg)结构。
97.图12示出了作为本文所述的波导1的一种实现的多层开槽波导天线40的分解等距视图。如图12所示的实施例示出了顶层21、中间层2a和底层22。顶层21包括被布置在波导1的一端处的天线槽41和沟42。中间层2a包括在每个波导1中提供布线的细长孔7。底层22和顶层21包括被布置成围绕中间层2a的细长孔7的超表面3。
98.如图12所示的细长孔7包括用于增强层的机械支撑的支撑结构。支撑结构被布置在细长孔7内，这提供了一个实施例，其中布置了多个细长孔7而不是布置延伸整个长度的单个孔。在一个实施例中，这仅仅用于结构支撑。
99.图13示出了如图12所示的顶层21的仰视图。如图所示，在一个实施例中，顶层21包括被布置成围绕中间层2a的细长孔7的超表面3。如所理解的，如图12和图13所示的实施例仅仅是本文所描述的解决方案如何可以被实现为开槽波导天线40的示例。图12和图13还示出了波导1的布线如何可以根据实现而不同。例如，在一个实施例中，布线可以是直的，而在另一实施例中，布线可以包括一个或更多个转弯。
100.图14示出了被实现为开槽波导天线40的多层波导1的一个实施例。图15示出了被实现为开槽波导天线40的稍微更复杂的多层波导1，其中沟42被布置成减少传输图案(pattern)中的纹波(ripple)。沟42减少顶层中的表面电流并因此增强传播图案。如图14所示，沟42延伸穿过顶层21和中间层2a。在另一实施例中，其中被实现为开槽波导天线40的多层波导包括附加的中间层2b、2c、
…
、2n，沟42延伸穿过顶层21和中间层2a、2b、2c、
…
、2n。在又一实施例中，沟42延伸穿过至少顶层21和中间层2a、2b、2c、
…
、2n中的至少一些中间层。