用于高速率数据传输的无线互连的制作方法

本公开涉及无线电工程学，并且例如涉及不同印刷电路板之间或同一印刷电路板的部件之间的高速率无线数据传输。

背景技术：

1、当前不同电子装置之间不断增长的数据传输量表明需要具有紧凑尺寸、简单架构、低损耗、高可靠性和效率、低成本等的高速率数据传输系统。这些要求对于各种移动和固定电子装置中常用的无线数据传输系统特别重要。

2、这种数据传输系统可应用于例如新的和有前景的数据传输标准的通信系统中，诸如5g(28ghz)、wigig(60ghz)、超5g(60ghz)和6g(亚太赫兹频带)、长距离无线电力传输系统(lwpt)(24ghz)、车辆雷达系统(24ghz、79ghz)等。

3、上述情况不仅对于电子装置之间的数据传输是典型的，而且对于这种装置内的不同板(组件)之间的数据传输也是典型的。所有这些和类似的系统都需要适于大规模生产的高效、功能性但简单并且可靠的组件。

4、上述组件中的一个可包括用于在不同印刷电路板(pcb)之间或同一pcb的部分之间的短距离上传输数据的互连(或连接器)。互连应满足以下主要要求：优选地是无线的，具有低损耗和紧凑的信号供应系统，简单、廉价、紧凑、可再现的硬件，适用于大规模生产；互连应当优选地是pcb或集成天线的一部分，而不是单独的组件；同时，它应该支持以高数据速率(>2gbit/s)的稳定接收；并且支持高性能多层pcb天线也是优选的。然而，在尝试适应毫米波长范围时，现有技术被证明不适合最大程度地满足上述要求，因为它们太昂贵或太麻烦，或者需要隔离或精确的机械组装，或者不提供指定的数据速率。

5、具体地，用于短距离数据传输的常规电路板对板互连方法可有条件地被划分为两组：有线互连(使用金属导体的常规电流互连)和无线互连，无线互连又可被划分为两个子组：无线电互连和光学互连。

6、电流互连的一个示例是将组件直接安装或布置在印刷电路板(pcb)的表面上的表面安装(smd)连接器。另一个示例是安装在pcb表面上并提供pcb到pcb互连的rf(射频)连接器。这种pcb到pcb互连方法需要电流接触以提供rf信道的转换。这些方法经历与例如低传输频率相关联的问题：smd连接器在高达20ghz的频率下操作，并且rf连接器在高达65ghz的频率下操作。它们对机械应力和热应力以及组装和焊接时的未对齐非常敏感，导致接触的可靠性低，改变rf转换参数，增加了损耗，并最终导致接触的早期故障。因此，组装和安装需要大量时间，并且必须在板之间保持>8mm的最小距离。

7、无线电通信的示例是nfc(近场通信)数据传输。现有的nfc技术经历屏蔽磁场的问题，这需要使用铁氧体屏蔽并且增加空间。这样的解决方案具有窄带宽和低数据速率(高达2.1mbit/s)，因为该方法的载波频率为13.56mhz。

8、现有的光学技术具有固有的问题，即需要发射器与接收器之间的直视以及光束控制，这是强制性的，因为接收器尺寸相对于装置尺寸较小。因此，需要复杂的精确机械和调谐，这增加了空间，严重改变了光通信参数并增加了损耗。

9、在相关技术中，包括例如us2019/0379426a1公开了一种无线数据传输系统，在该系统中，发射器和接收器被设置在相对于彼此被放置的单独的基板或载体上，使得在操作中，发射器/接收器对的天线以一定距离被分离，使得在发射器载波频率的波长处获得近场耦合。然而，这里天线元件被集成在位于分离的板上的集成电路中。天线元件在集成电路中的集成防止对天线设计的迅速改变以满足大规模生产期间所需的特性。

10、us2017/0250726a1公开了一种包括第一通信装置和第二通信装置的无线连接器。第一通信装置被构造为无线地发送调制信号，该调制信号包括用数字信号调制的载波信号。第二通信装置被构造为接收调制信号。第一通信装置和第二通信装置通过承载用于对调制信号进行解调的信号的至少一个有线连接被耦接。因此，该装置需要至少一个电流连接以用于解调。此外，天线元件被集成在位于分离的板上的集成电路中。

11、us8,041,227b2公开了一种具有光学和近场通信能力的通信装置。该装置包括光学收发器电路，该光学收发器电路被制造在集成电路芯片上并且被构造为发送和接收远场信号。近场收发器电路也被制造在集成电路芯片上，并且被构造为发送和接收近场电磁信号。提供控制电路以响应于外部控制信号选择性地启用光学收发器电路和近场收发器电路。然而，在该装置中使用的ir数据传输电路的数据速率不足。此外，装置配对需要额外的rf信道。

12、us2009/0289869a1的公开提供了一种用于在芯片与片外元件之间耦合电磁能量的天线结构，包括设置在芯片上或芯片中的第一谐振结构。第一谐振结构被构造为具有第一谐振频率。天线结构还包括设置在片外元件上或片外元件中的第二谐振结构。第二谐振结构被构造为具有与第一谐振频率基本相同的第二谐振频率。第一谐振结构和第二谐振结构被相互设置在彼此的近场距离内以形成耦合天线结构，该耦合天线结构被构造为在芯片与片外元件之间耦合电磁能量。电磁能量具有在从微波到亚毫米波的波长范围内的选择的波长。然而，该装置具有窄的传输带宽，并且不支持在毫米和亚太赫兹波长下的操作。

13、该领域中的另一公开是由n.bayat-makou、a.kishk的题为“非接触式空气填充基片集成波导(contactless air-filled substrate integrated waveguide)”，发表于ieee微波理论与技术学报(第66卷，第6期，2018年6月)。该发表首次介绍了空气填充基片集成波导(af-siw)的非接触式版本。常规af-siw构造需要覆盖层与中间基片的精确且无瑕疵的连接。为了在高频下有效地操作，这需要复杂且昂贵的制造工艺。在该构造中，波导包括其间设置有空气填充介质的上导电层和下导电层，以及位于侧面上的印刷电路板。内置印刷电路板的上层和下层被修改以获得人工磁导体(amc)边界条件。波导基片两侧上的amc表面通过具有新型单元小格(unit cell)的单周期性结构来被实现。这样形成的amc板平行于基片区域中的导电层，防止泄漏到波导外部。然而，这种结构在所需频率下表现出相对高的损耗，并且需要被改进。

技术实现思路

1、技术问题

2、因此，现有技术具有许多缺点，包括例如：

3、-高损耗；

4、-低数据速率；

5、-大尺寸；

6、-制造的高复杂性；

7、-对导电元件之间的接触质量的强烈依赖性。

8、因此，目前需要一种紧凑、可靠、简单且廉价的无线系统，以在电子装置的组件之间提供高速率数据传输。

9、问题的解决方案

10、根据示例实施例，提供了一种无线数据传输系统，包括：由气隙分开的两个印刷电路板，其中，每个印刷电路板包括两个相邻的部分，印刷电路板的第一部分包括：其表面上的导电的金属层和沿着相邻的第二部分的至少一系列电镀通孔(via)，并且印刷电路板的第二部分包括ebg(电磁带隙)结构，其中，第一印刷电路板的具有金属表面层的第一部分与第二印刷电路板的具有ebg结构的第二部分相对放置并且反之亦然，以形成横向电磁(tem)模式波导；其中，每个印刷电路板包括转换器结构，转换器结构被构造为：在波导中执行信号传输线模式与tem模式之间的转换，基于被发送的信号在波导中提供tem模式的定向激励，以及基于被接收的信号接收tem模式并将tem模式转换为信号传输线模式，并且转换器结构连接到包括rf电路的rf组件；其中，转换器结构包括天线、所述天线与rf组件之间的信号传输线、以及被构造为在波导中提供tem模式的定向传播的至少一个反射器；其中，印刷电路板之间的气隙的宽度不超过λ/4，其中，λ是发送信号的波长。

11、根据示例实施例，提供了一种无线数据传输系统，包括：由气隙分开的两个印刷电路板，其中，每个印刷电路板包括两个相邻的部分，印刷电路板的第一部分包括：其表面上的导电的金属层和沿着相邻的第二部分的至少一系列电镀通孔(via)，并且印刷电路板的第二部分包括ebg(电磁带隙)结构，其中，第一印刷电路板的具有金属表面层的第一部分与第二印刷电路板的具有ebg结构的第二部分相对放置并且反之亦然，以形成横向电磁(tem)模式波导；其中，一个印刷电路板包括两个转换器结构，所述两个转换器结构被构造为：在波导中执行信号传输线模式与tem模式之间的转换，所述两个转换器结构中的每个被构造为基于被发送的信号在波导中提供tem模式的定向激励，并且基于被接收的信号接收tem模式并将tem模式转换为信号传输线模式，并且所述两个转换器结构中的每个连接到包括rf电路的rf组件；其中，转换器结构包括：所述天线、在所述天线与rf组件之间的信号传输线、以及被构造为在波导中提供tem模式的定向传播的至少一个反射器；其中，印刷电路板之间的气隙的宽度不超过λ/4，其中，λ是发送信号的波长。

12、在示例实施例中，所述天线包括延伸到印刷电路板的具有ebg结构的第二部分中的导电探针。

13、在示例实施例中，所述天线包括开槽结构。

14、在示例实施例中，反射器被安装在与tem模式传播的所需方向相反的一侧上距所述天线至少λ/8的距离处。

15、在示例实施例中，反射器被安装在距所述天线λ/4的距离处。

16、在示例实施例中，转换器结构包括以彼此相距至少λ/8的距离放置的两个反射器。

17、在示例实施例中，反射器以彼此相距λ/4的距离被放置。

18、在示例实施例中，反射器包括连接到印刷电路板的第一部分的金属层并朝向ebg结构延伸的探针，或印刷电路板的第一部分的金属层中的槽。

19、在示例实施例中，转换器结构还包括在tem模式传播方向上在距所述天线至少λ/8的距离处布置的至少一个引导件。

20、在示例实施例中，引导件被放置在距所述天线λ/4的距离处。

21、在示例实施例中，引导件包括连接到印刷电路板的第一部分的金属层并朝向ebg结构延伸的探针，或者印刷电路板的第一部分的金属层中的槽。

22、在示例实施例中，印刷电路板包括两层或三层印刷电路板。

23、在示例实施例中，rf组件包括射频集成电路(rfic)。

24、在示例实施例中，沿着印刷电路板的第二部分的位于印刷电路板的第一部分中的via边缘之间的距离不大于λ/2。

25、本公开提供了高数据传输速率，并且还增强了具有简单架构和紧凑尺寸的无线数据传输系统的可靠性和效率。

26、发明的有利效果

27、本公开总体上涉及无线电工程学，并且例如涉及不同印刷电路板之间或同一印刷电路板的部件之间的高速率无线数据传输。技术结果是更容易制造、更小的尺寸、在高频下更低的损耗和改进的性能。