Беспроводное соединение для высокоскоростной передачи данных
Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах высокоскоростной беспроводной передачи данных. Технический результат состоит в уменьшении потерь на высоких частотах и повышение качества рабочих характеристик. Для этого система включает две печатные платы, отделенные друг от друга воздушным зазором, между которыми сформирован волновод для ТЕМ моды, причем каждая печатная плата включает в себя структуру преобразователя для осуществления преобразования между модой линии передачи сигнала и ТЕМ модой в волноводе, соединенную с радиочастотным компонентом, причем структура преобразователя включает в себя антенну, линию передачи сигнала между антенной и радиочастотным компонентом и по меньшей мере один отражатель для обеспечения направленного распространения ТЕМ моды в волноводе, причем толщина воздушного зазора между печатными платами не превышает λ/4, где λ - длина волны передаваемого сигнала. 2 н. и 12 з.п. ф-лы,9 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области радиотехники, в частности к высокоскоростной беспроводной передаче данных между разными печатными платами или между участками одной печатной платы.
Уровень техники
Растущие в настоящее время объемы передачи данных между различными электронными устройствами демонстрируют потребность в разработке систем для высокоскоростной передачи данных, обладающих компактными размерами, простой архитектурой, низкими потерями, высокой надежностью и эффективностью, низкой стоимостью и т.д. Особое значение упомянутые требования имеют для систем беспроводной передачи данных, повсеместно используемых в различных мобильных и стационарных электронных устройствах.
Такие системы передачи данных находят свое применение, в том числе, в системах связи новых и перспективных стандартов передачи данных, таких как 5G (28 ГГц), WiGig (60ГГц), Beyond 5G (60 ГГц) и 6G (субтерагерцовый диапазон), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д.
Стоит отметить, что упомянутые выше обстоятельства характерны не только для передачи данных между электронными устройствами, но также и для передачи данных между различными платами (компонентами) внутри таких устройств. Все эти и подобные системы нуждаются в высокоэффективных, функциональных и при этом простых и надежных компонентах, пригодных для массового производства.
Одним из таких компонентов является соединение (или соединитель) для передачи данных на короткое расстояние между разными печатными платами (PCB) или между участками одной печатной платы. Основные требования, предъявляемые к таким соединениям, заключаются в следующем: соединение предпочтительно должно быть беспроводным, должно обладать низкими потерями и компактной системой подачи сигнала, несложной, дешевой, компактной, повторяемой аппаратной конструкцией, применимой для массового производства; предпочтительно, чтобы соединение не было отдельным компонентом, а было частью печатной платы или встроенной антенны; при этом должен поддерживаться стабильный прием при высокой скорости передачи данных (> 2 Гбит/с); предпочтительна также поддержка высокопроизводительных антенн на базе многослойных печатных плат. Однако существующие в уровне техники решения при попытке их адаптации к миллиметровому диапазону волн оказываются непригодными для того, чтобы максимально удовлетворить вышеперечисленные требования, поскольку они либо слишком дорогие, либо слишком громоздкие, либо требуют изоляции, либо требуют точной механической сборки, либо не обеспечивают указанную скорость передачи данных.
В частности, известные электрические способы межплатного соединения для передачи данных на короткое расстояние можно условно разделить на две группы: проводное соединение (традиционное гальваническое соединение с помощью металлических проводников) и беспроводное соединение, которое, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: соединение на основе радиосвязи и соединение на основе оптической связи.
В качестве примера гальванического соединения, известны соединители SMD (поверхностного монтажа), компоненты которых устанавливаются или размещаются непосредственно на поверхности печатной платы. В качестве другого примера, известны RF (радиочастотные) соединители, которые устанавливаются на поверхность печатной платы и обеспечивают соединение печатных плат между собой. Такие способы соединения печатных плат требуют гальванического контакта для обеспечения перехода в радиочастотном канале. Эти подходы имеют проблемы, связанные, например, с низкой частотой передачи: SMD соединители работают на частотах до 20 ГГц, а RF соединители - до 65 ГГц. Они весьма чувствительны к механическим и термическим нагрузкам, а также к неровностям сборки и пайки, что приводит к низкой надежности контактов, к изменению параметров ВЧ-перехода, к увеличению потерь и в конечном итоге к раннему выходу контактов из строя. Поэтому требуется затрачивать большое время на сборку и монтаж и выдерживать минимальное расстояние между платами > 8 мм.
В качестве примера беспроводного соединения на основе радиосвязи, известна передача данных с помощью NFC (связи в ближнем поле). Существующие технологии NFC имеют проблемы с экранировкой магнитного поля, из-за которых требуется использовать ферритовый экран, что увеличивает занимаемое пространство. Подобные решения обладают узкой полосой пропускания и низкой скоростью передачи данных (до 2,1 Мбит/с), поскольку несущая частота данной технологии 13,56 МГц.
Что касается беспроводного соединения на основе оптической связи, существующим оптическим технологиям присущи проблемы с необходимостью прямой видимости между передатчиком и приемником, а также с управлением лучом, которое является обязательным, поскольку размер приемника невелик по сравнению с габаритами устройства. Из-за этого требуется использовать сложную точную механику и настройку, что увеличивает занимаемое пространство, серьезно меняет параметры оптической связи и увеличивает потери.
В существующем уровне техники известно решение, раскрытое в документе US 2019/379426 A1, которое представляет систему беспроводной передачи данных, в которой передатчик и приемник расположены на отдельных подложках или несущих элементах, которые расположены относительно друг друга так, что во время работы антенны пары передатчик/приемник разнесены на такое расстояние, что при длинах волн несущей частоты передатчика получается связь в ближнем поле. Однако, в этом решении антенные элементы интегрированы в интегральные схемы, которые расположены на отдельных платах. Такая интеграция антенных элементов в микросхему делает невозможным оперативное внесение изменений в конструкцию антенны, чтобы она удовлетворяла необходимым характеристикам, в ходе массового производства.
В документе US 2017/250726 A1 раскрыт беспроводной соединитель, включающий в себя первое устройство связи и второе устройство связи. Первое устройство связи выполнено с возможностью беспроводной передачи модулированного сигнала, содержащего сигнал несущей, модулированный цифровым сигналом. Второе устройство связи сконфигурировано для приема модулированного сигнала. Первое и второе устройства связи связаны по меньшей мере через одно проводное соединение, которое передает сигнал, используемый для демодуляции модулированного сигнала. Таким образом, представленное решение требует наличия по меньшей мере одного гальванического соединения для осуществления демодуляции. Кроме того, в этом решении антенные элементы интегрированы в интегральные схемы, которые расположены на отдельных платах.
Документ US 8,041,227 B2 раскрывает устройство связи, имеющее возможности оптической передачи данных и передачи данных посредством связи ближнего поля. Устройство включает в себя схему оптического приемопередатчика, изготовленную на кристалле интегральной схемы и сконфигурированную для передачи и приема сигналов дальнего поля. Схема приемопередатчика ближнего поля также изготовлена на кристалле интегральной схемы и сконфигурирована для передачи и приема электромагнитных сигналов ближнего поля. Схема управления предусмотрена для выборочного включения схемы оптического приемопередатчика и схемы приемопередатчика ближнего поля в ответ на внешний управляющий сигнал. Однако, используемая в данном решении инфракрасная (IR, infrared) система передачи данных обладает недостаточной скоростью передачи данных. Кроме того, для осуществления взаимодействия это решение требует наличия дополнительного RF канала для сопряжения устройств.
Решение, раскрытое в документе US 2009/289869 A1, представляет собой антенную структуру для электромагнитной связи между микросхемой и элементом вне микросхемы, включающую первую резонансную структуру, расположенную на микросхеме или внутри нее. Первая резонансная структура имеет первую резонансную частоту. Антенная структура также включает в себя вторую резонансную структуру, расположенную на элементе вне микросхемы или внутри нее. Вторая резонансная структура сконфигурирована так, чтобы иметь вторую резонансную частоту, по существу, такую же, как первая резонансная частота. Первая резонансная структура и вторая резонансная структура взаимно расположены на расстоянии ближнего поля друг от друга, чтобы сформировать связанную антенную структуру, которая сконфигурирована для передачи электромагнитной энергии между микросхемой и внешним элементом. Электромагнитная энергия имеет выбранную длину волны в диапазоне длин волн от микроволн до субмиллиметровых волн. Однако, данное решение обладает узкой полосой передачи и не поддерживает работу на волнах миллиметрового и субтерагерцового диапазонов.
Другим известным техническим решением в данной области является публикация N. Bayat-Makou, A. Kishk. Contactless Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Volume: 66, Issue: 6, June 2018). В этом документе впервые введена бесконтактная альтернатива реализованному в печатной плате волноводу со штырьевыми стенками (SIW, substrate integrated waveguide) с воздушным заполнением (AF-SIW, air filled SIW). Обычная конфигурация AF-SIW требует точного и безупречного соединения покрывающих слоев с промежуточной подложкой. Для эффективной работы на высоких частотах это требует сложного и дорогостоящего процесса изготовления. В данной конфигурации волновод представляет собой верхний и нижний проводящие слои, между которыми содержится среда с воздушным заполнением, а по бокам расположены печатные платы. Верхний и нижний слои этих встроенных печатных плат модифицированы так, чтобы получить условия искусственного магнитного проводника (AMC, artificial magnetic conductor). Поверхности AMC с обеих сторон подложки волновода выполнены в виде периодической структуры с особым типом элементарных ячеек. Образованные тем самым пластины AMC, лежащие в области подложки параллельно проводящим слоям, предотвращают утечку за пределы волновода. Однако данная структура демонстрирует относительно высокие потери на требуемых частотах и нуждается в доработке.
Таким образом, существующие решения обладают рядом недостатков, основными среди которых являются:
- высокие потери;
- низкая скорость передачи данных;
- большие размеры;
- высокая сложность изготовления;
- сильная зависимость от качества контакта между проводящими элементами.
Следовательно, в настоящее время существует потребность в создании компактной, надежной, простой и недорогой беспроводной системы, обеспечивающей высокоскоростную передачу данных между компонентами электронных устройств.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.
Согласно одному аспекту изобретения предложена система беспроводной передачи данных, включающая в себя две печатные платы, отделенные друг от друга воздушным зазором, причем каждая печатная плата состоит из двух расположенных смежно частей, причем первая часть печатной платы содержит металлический проводящий слой на ее поверхности и по меньшей мере ряд сквозных металлизированных отверстий (VIA) вдоль смежной второй части, а вторая часть печатной платы содержит EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной), при этом первая часть первой печатной платы с металлическим поверхностным слоем расположена напротив второй части второй печатной платы с EBG-структурой, и наоборот, формируя таким образом волновод для ТЕМ моды, причем каждая печатная плата включает в себя структуру преобразователя для осуществления преобразования между модой линии передачи сигнала и ТЕМ модой в волноводе, выполненную с возможностью направленного возбуждения ТЕМ моды в волноводе в случае передачи сигнала, а также осуществления приема ТЕМ моды и преобразования в моду линии передачи сигнала в случае приема сигнала, и соединенную с радиочастотным компонентом, причем структура преобразователя включает в себя антенну, линию передачи сигнала между антенной и радиочастотным компонентом и по меньшей мере один отражатель для обеспечения направленного распространения ТЕМ моды в волноводе, причем толщина воздушного зазора между печатными платами не превышает λ/4, где λ - длина волны передаваемого сигнала.
Согласно второму аспекту изобретения предложена система беспроводной передачи данных, включающая в себя две печатные платы, отделенные друг от друга воздушным зазором, причем каждая печатная плата состоит из двух расположенных смежно частей, причем первая часть печатной платы содержит металлический проводящий слой на ее поверхности и по меньшей мере ряд сквозных металлизированных отверстий (VIA) вдоль смежной второй части, а вторая часть печатной платы содержит EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной), при этом первая часть первой печатной платы с металлическим поверхностным слоем расположена напротив второй части второй печатной платы с EBG-структурой, и наоборот, формируя таким образом волновод для ТЕМ моды, причем одна печатная плата включает в себя две структуры преобразователя для осуществления преобразования между модой линии передачи сигнала и ТЕМ модой в волноводе, каждая из которых выполнена с возможностью направленного возбуждения ТЕМ моды в волноводе в случае передачи сигнала, а также осуществления приема ТЕМ моды и преобразования в моду линии передачи сигнала в случае приема сигнала, и соединена с радиочастотным компонентом, причем структура преобразователя включает в себя антенну, линию передачи сигнала между антенной и радиочастотным компонентом и по меньшей мере один отражатель для обеспечения направленного распространения ТЕМ моды в волноводе, причем толщина воздушного зазора между печатными платами не превышает λ/4, где λ - длина волны передаваемого сигнала.
Согласно одному варианту осуществления системы антенна выполнена в виде проводящего штыря, выступающего во вторую часть печатной платы с EBG-структурой.
Согласно другому варианту осуществления системы антенна выполнена в виде щелевой структуры.
Согласно другому варианту осуществления системы отражатель установлен на расстоянии не менее λ/8 от антенны со стороны противоположной требуемому направлению распространения ТЕМ моды.
Согласно другому варианту осуществления системы отражатель установлен на расстоянии λ/4 от антенны.
Согласно другому варианту осуществления системы структура преобразователя включает в себя два отражателя, расположенные на расстоянии не менее λ/8 друг от друга.
Согласно другому варианту осуществления системы отражатели расположены на расстоянии λ/4 друг от друга.
Согласно другому варианту осуществления системы отражатель выполнен в виде штыря, соединенного с металлическим слоем первой части печатной платы и выступающего в сторону EBG-структуры, или в виде щели в металлическом слое первой части печатной платы.
Согласно другому варианту осуществления системы структура преобразователя дополнительно включает в себя по меньшей мере один направляющий элемент, расположенный по направлению распространения ТЕМ моды на расстоянии не менее λ/8 от антенны.
Согласно другому варианту осуществления системы направляющий элемент расположен на расстоянии λ/4 от антенны.
Согласно другому варианту осуществления системы направляющий элемент выполнен в виде штыря, соединенного с металлическим слоем первой части печатной платы и выступающего в сторону EBG-структуры, или в виде щели в металлическом слое первой части печатной платы.
Согласно другому варианту осуществления системы печатные платы представляют собой двухслойные или трехслойные печатные платы.
Согласно другому варианту осуществления системы радиочастотный компонент представляет собой радиочастотную интегральную схему (RFIC).
Согласно другому варианту осуществления системы расстояние между краями VIA, расположенными в первой части печатной платы вдоль второй части печатной платы, составляет не более λ/2.
Настоящее изобретение позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных и при этом повысить надежность и эффективность системы беспроводной передачи данных, обладающей простой архитектурой и компактными размерами.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает структурную схему волновода для ТЕМ моды.
Фиг. 2 изображает схематическое представление волновода для ТЕМ моды согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 схематично изображает область волновода для ТЕМ моды согласно настоящему изобретению, в которой осуществляется распространение ТЕМ моды.
Фиг. 4 изображает продольное (слева) и поперечное (справа) сечение системы беспроводной передачи данных согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 изображает конструкцию элементарной ячейки EBG-структуры.
Фиг. 6 изображает вид сверху участка печатной платы, содержащего антенну, без отражателей (фиг.6а) и с отражателями (фиг.6б).
Фиг. 7 изображает послойно в разнесенном виде участок печатной платы, содержащий антенну, в соответствии с примерным вариантом осуществления.
Фиг. 8 изображает альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором отражатель, антенна и направляющий элемент выполнены в виде щелевых структур.
Фиг. 9 изображает частотную характеристику волновода с EBG-структурой.
Подробное описание
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Система беспроводной передачи данных в соответствии с настоящим изобретением включает в себя реализацию плоскопараллельного PTD-волновода (Parity Time-reversal Duality), структурная схема которого изображена на фиг. 1, где PEC - идеальный электрический проводник (perfect electric conductor), а PMC - идеальный магнитный проводник (perfect magnetic conductor). Такой идеальный PTD-волновод поддерживает распространение ТЕМ моды (Transverse electromagnetic mode) вдоль направления, нормального к плоскости рисунка, при этом силовые линии электрического поля нормальны к PEC поверхностям, а силовые линии магнитного поля нормальны к PMC, соответственно. ТЕМ мода это мода, в которой ни электрическое, ни магнитное поле не имеют проекции на направление распространения моды. Поле такой моды сконцентрировано в месте перехода PMC/PEC. Впервые данная мода была описана в статье Chen, W.-J. et al. Symmetry-protected transport in a pseudospin-polarized waveguide. Nature Communications. 6:8183 doi: 10.1038/ncomms9183 (2015). Мода волновода демонстрирует распределение поля и представляет собой решение уравнений электродинамики в волноводе в виде бегущей волны. Аналитическое решение для ТЕМ моды и практическая реализация упомянутого PTD-волновода на основе EBG-структуры, изображенная на фиг. 2, приведены в статье E. Martini, M.G. Silveirinha and S. Maci, "Exact Solution for the Protected ТЕМ Edge Mode in a PTD-Symmetric Parallel-Plate Waveguide," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 67, no. 2, pp. 1035-1044, февраль 2019, doi: 10.1109/TAP.2018.2880091. В практической реализации, изображенной на фиг.2, PEC реализован посредством металлического проводящего слоя на поверхности печатной платы, а PMC реализован посредством EBG-структуры (electromagnetic band gap, структуры по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной). Чередование EBG-структуры с проводящим материалом обеспечивает распространение ТЕМ моды. Распределение поля, связанное с формируемой ТЕМ модой, очень схоже с распределением поля, связанным с идеальным PTD-волноводом. Структура устроена таким образом, что распространение волны в левой и правой частях волновода на фиг. 1 (параллельные плоскости PEC и PMC, разделенные промежутком меньше λ/4) невозможно. Таким образом, все поле сосредоточено в месте перехода PMC/PEC и затухает при удалении от места перехода.
Система беспроводной передачи данных в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения будет подробнее описана ниже со ссылкой на фиг. 2-6.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения система беспроводной передачи данных состоит из двух печатных плат (printed circuit board, PCB), отделенных друг от друга воздушным зазором. Упомянутые печатные платы электромагнитно соединены между собой посредством формирования волновода для ТЕМ моды между печатными платами с помощью EBG-структур (см. фиг. 2). Чередование EBG-структуры с проводящим материалом в печатных платах позволяет сформировать компактный волновод для ТЕМ моды. Такой волновод для ТЕМ моды является самым узким волноводом среди линий передачи на основе EBG-структур и может иметь поперечный размер менее λ/2, где λ - длина волны передаваемого сигнала. Такая компоновка также позволяет сформировать компактный многоканальный волновод в виде нескольких параллельных волноводов, расположенных рядом (на максимально близком расстоянии). Волновод для ТЕМ моды формируется в области стыка части печатной платы с поверхностным проводящим слоем и части печатной платы с EBG-структурой.
Каждая печатная плата включает в себя структуру преобразователя для осуществления преобразования между модой линии передачи сигнала и ТЕМ модой в волноводе (далее - структуру преобразователя) и соединенный с ней радиочастотный (RF) компонент, формирующий/передающий сигнал. В качестве примера RF-компонента может быть использована RFIC (радиочастотная интегральная схема), приемопередающее устройство, разъем для дальнейшего соединения с приемопередатчиком и т.д. Структура преобразователя выполняет направленное возбуждение ТЕМ моды в волноводе в случае передачи сигнала, а также осуществляет прием ТЕМ моды и преобразование в моду линии передачи сигнала в случае приема сигнала. Область волновода, в которой осуществляется распространение ТЕМ моды, схематично выделена сплошной толстой линией на фиг. 3. Сигнал передается от упомянутой структуры преобразователя первой печатной платы через волновод для ТЕМ моды в структуру преобразователя второй печатной платы (см. фиг. 4). Стоит отметить, что первая печатная плата и вторая печатная плата могут относиться к разным устройствам (блокам одного устройства), между которыми необходимо осуществлять беспроводную передачу данных в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с одним вариантом осуществления упомянутые устройства могут быть неразъемно соединены друг с другом с формированием волновода для ТЕМ моды со структурой, подробно описанной далее. В альтернативном варианте осуществления упомянутые устройства могут быть соединены друг с другом с возможностью отсоединения посредством крепежных средств, обеспечивающих при соединении формирование волновода для ТЕМ моды со структурой, подробно описанной далее.
Как было упомянуто выше и изображено на фиг. 4, система беспроводной передачи данных в соответствии с настоящим изобретением состоит из двух печатных плат (PCB1 и PCB2), отделенных друг от друга воздушным зазором. Толщина зазора не должна превышать λ/4, где λ - длина волны передаваемого сигнала. Печатная плата по существу состоит из двух расположенных смежно частей: первая часть печатной платы содержит металлический проводящий слой на ее поверхности и по меньшей мере ряд сквозных металлизированных отверстий (VIA) вдоль смежной второй части, а вторая часть печатной платы содержит EBG-структуру (описана далее). При этом первая часть первой печатной платы PCB1 с металлическим поверхностным слоем расположена напротив второй части второй печатной платы PCB2 с EBG-структурой, и наоборот, формируя таким образом волновод для ТЕМ моды.
В примерном варианте осуществления на фиг. 4 каждая печатная плата представляет собой трехслойную печатную плату. Первая часть печатной платы содержит по меньшей мере ряд сквозных металлизированных отверстий (VIA) сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы (слой 1 - слой 3) вдоль смежной второй части печатной платы. Упомянутые VIA осуществляют экранирование печатной платы под этим металлическим поверхностным слоем для предотвращения утечки поля волновода в это пространство. Для этого расстояние между краями VIA, расположенными вдоль второй части печатной платы, должно составлять не более λ/2. На слое 3 печатной платы расположена RFIC, соединенная со структурой преобразователя для направленного излучения ТЕМ моды. Структура преобразователя включает в себя антенну, расположенную на слое 2 печатной платы, линию передачи для передачи сигнала между RFIC и антенной и по меньшей мере один отражатель, расположенный на слое 1 или слое 2. Антенна в примерном варианте осуществления выполнена в виде проводящего штыря (полосковой линии), что аналогично возбуждению прямоугольного волновода электрическим зондом. Упомянутый штырь выступает во вторую часть печатной платы с EBG-структурой (это штыревая антенна). Это позволяет возбудить ТЕМ моду в упомянутом волноводе.
VIA в первой части печатной платы в качестве альтернативы могут быть выполнены по периметру упомянутой первой части печатной платы, либо распределены по всей площади первой части печатной платы (см. фиг. 7).
EBG-структура представляет собой множество ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки. Конструкция элементарной ячейки EBG-структуры показана на Фиг. 5. Элементарная ячейка содержит расположенный на верхнем слое (слой 1 на фиг. 4) печатной платы проводящий участок (например, контактная площадка), соединенный с проводящим элементом, проходящим сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы - например, сквозным металлизированным отверстием (VIA). Размеры и форма проводящих участков выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. В качестве примера, форма проводящего участка может представлять собой круг, квадрат, многоугольник и т.д. В общем случае проводящие участки соседних ячеек электрически не связаны между собой.
EBG-структура блокирует распространение волн (утечку) на требуемых частотах из беспроводного канала (волновода) во внешнее пространство за счет формирования, в рабочем диапазоне частот, зоны запирания (bandgap) в области беспроводного канала.
От антенны излучаемое электромагнитное поле сигнала распространяется в две стороны вдоль EBG-структуры (фиг. 6а). При этом, если одно направление распространения сигнала является полезным, т.к. является направлением к приемной антенне, то распространение сигнала в противоположном направлении необходимо предотвратить, чтобы избежать утечек энергии. Для этого со стороны противоположной требуемому направлению распространения ТЕМ моды (направлению к приемной антенне) устанавливается по меньшей мере один отражатель. В примерном варианте осуществления установлены два отражателя (фиг. 6б, 7), что обеспечивает более широкополосное согласование. При этом один отражатель установлен на расстоянии не менее λ/8 от проводящего штыря, а второй отражатель установлен на расстоянии не менее λ/8 от первого отражателя. В предпочтительном варианте осуществления упомянутое расстояние между проводящим штырем и первым отражателем, а также между первым и вторым отражателями составляет ~λ/4 (фиг. 7). Отражатель в данном случае выполнен в виде штыря, соединенного с проводящей полуплоскостью (металлическим слоем первой части печатной платы) и выступающего в сторону EBG-структуры. Отражатель аналогичен стенке прямоугольного волновода, расположенной на расстоянии ~λ/4 от электрического зонда (четвертьволновой замыкатель). В этом случае волна, отраженная от отражателя, будет синфазна волне, излучаемой проводящим штырем справа от него (фиг. 6), что позволяет сделать импеданс штыря активным. Таким образом, сигнал, отраженный от отражателей, синфазно складывается с сигналом, излучаемым в сторону приемной антенны. Длина отражателя в примерном варианте осуществления составляет половину длины ячейки EBG-структуры, т.е. отражатель выступает за пределы области, в которой присутствует поле ТЕМ моды. Опционально, возможно выполнение отражателя таким образом, чтобы он касался элемента EBG-структуры.
В некоторых случаях для дополнительного согласования структура преобразователя содержит директоры - направляющие элементы. Основная их функция - улучшение согласования в полосе сигнала. Направляющие элементы устанавливаются в волноводе по направлению распространения ТЕМ моды на расстоянии порядка λ/4 (минимум λ/8) от антенны. В одном из вариантов осуществления направляющий элемент представляет собой штырь, соединенный с проводящей полуплоскостью (металлическим слоем первой части печатной платы) и выступающий в сторону EBG-структуры.
В качестве альтернативы антенна для возбуждения ТЕМ моды может быть выполнена в виде щелевой структуры (слот) в верхнем слое печатной платы. Данный вариант обеспечивает возбуждение волны с поляризацией нормальной к проводящей плоскости. Антенна в виде щелевой структуры возбуждается полосковой линией передачи, расположенной в одном из нижних слоев. Отражатели и опциональные направляющие элементы в таком варианте осуществления представляют собой пассивные элементы - щели в поверхностном металлическом слое первой части печатной платы с некоторым объемом диэлектрика внутри печатной платы, которые обеспечивают отражение и согласование сигнала. Схематическое изображение верхнего слоя печатной платы такого варианта осуществления, в котором отражатель, антенна и направляющий элемент (по порядку слева направо) выполнены в виде щелевых структур, приведено на фиг. 8.
Авторы настоящего изобретения произвели моделирование EBG-структуры на базе печатной платы, для которой потребовалось применить подложку из СВЧ-материала Rogers RO4003®, и получили соответствующие графики, изображенные на Фиг. 9. Как видно из представленного на Фиг. 9 графика зависимости частоты пропускаемого через EBG-структуру сигнала от сдвига фазы, реализованного в каждой ячейке этой структуры, в определенном диапазоне частот (в зоне запирания, которая располагается между двумя параллельными линиями на вертикальной оси) в данной структуре невозможно распространение волн. Так, первая мода распространяется на частотах до 53 ГГц, остальные моды - на частотах от 69 ГГц. Таким образом, за счет EBG-структуры мощность в рабочем диапазоне частот (например, около 60 ГГц) не должна вытекать за пределы волновода, а должна поступать через беспроводной канал в приемную антенну.
То есть при компактных размерах предложенное устройство обладает очень низкими потерями и высокой скоростью передачи данных, и при этом его сборка не требует прочного и надежного контакта между печатными платами.
Между антеннами внутри волновода остается область, в которой образуется беспроводной канал для передачи электромагнитных сигналов между антеннами. В настоящем изобретении волновод для ТЕМ моды используется для сосредоточения электромагнитного поля в беспроводном канале между печатными платами. На Фиг. 4 стрелкой показано, что электромагнитная волна может возбуждаться как первой антенной для передачи во вторую, так и второй антенной для передачи в первую.
Таким образом, высокочастотный сигнал от RFIC (радиочастотной интегральной схемы), расположенной на стороне первой печатной платы, поступает на вход первой антенны, излучается ею в виде ТЕМ моды в беспроводной канал, из беспроводного канала принимается второй антенной и с выхода второй антенны передается на RFIC, расположенную на стороне второй печатной платы. Следует понимать, что указания «вход» и «выход» являются условными, и при необходимости сигнал может быть передан в обратном направлении.
В альтернативном варианте осуществления печатные платы, описанные выше, могут быть выполнены в виде двухслойных печатных плат. В таком случае подводящие линии передачи сигнала будут иметь вид копланарной линии в верхнем металлическом слое. В остальном данный вариант осуществления изобретения аналогичен описанному выше примерному варианту осуществления системы беспроводной передачи данных.
В альтернативном варианте осуществления беспроводная передача данных может осуществляться между интегральными схемами, расположенными на одной печатной плате (например, в пределах одного блока). В таком варианте осуществления обе структуры преобразователя расположены на одной печатной плате. В остальном данный вариант осуществления изобретения аналогичен описанному выше примерному варианту осуществления системы беспроводной передачи данных.
Как указывалось выше, размеры, форма и расположение проводящих участков ячеек EBG-структуры выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. Проводящие участки ячеек EBG-структуры могут быть выполнены в форме восьмиугольника, квадрата, круга, треугольника и т.д. Проводящие участки не обязательно должны быть центрированы относительно VIA и могут быть смещены. Принципы формирования размеров структуры электромагнитного кристалла с запрещенной зоной известны специалистам в данной области техники и не являются предметом данного изобретения. Основным требованием является лишь то, что структура должна быть периодической. Решетка при этом может быть квадратной, прямоугольной, треугольной и т.п. Таким образом, обеспечивается гибкость размещения ячеек и простая адаптация волновода ко внутренним структурам устройства, в котором он должен применяться, а также удобная регулировка требуемых электрических характеристик.
Предложенная система беспроводной передачи данных не требует наличия гальванического контакта между двумя печатными платами, между которыми необходимо передавать сигналы. В направлении вдоль продольной оси упомянутой системы, изображенной на фиг. 4, настоящее изобретение допускает такое смещение печатных плат относительно друг друга, при котором сохраняется взаимное расположение первой и второй антенн, обеспечивающее возможность передачи сигналов между ними. Кроме того, в упомянутой системе, изображенной на фиг. 4, допускается смещение печатных плат относительно друг друга в вертикальном направлении в диапазоне до λ/4. Таким образом, в настоящем изобретении обеспечивается упрощение сборки и изготовления, так как такая структура существенно упрощает процесс производства и снижает требования к точности и технологическим допускам.
Таким образом, устройство для передачи сигналов согласно настоящему изобретению обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известным уровнем техники. В частности, оно обеспечивает беспроводной канал с повышенной энергоэффективностью, пониженной утечкой высокочастотной мощности, а также упрощение сборки и изготовления. Скорость передачи данных увеличена до 2 Гбит/с и более (экспериментальные тесты показывают, что можно передавать данные со скоростью 2,3 Гбит/с без значительного джиттера). Геометрия устройства является более устойчивой к механическим перекосам. Внешнее экранирование не требуется. Обеспечивается повышенная надежность контактов и сниженные требования к технологическим допускам за счет использования бесконтактной механики. При этом не требуется управление лучом. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает упрощенную интеграцию с технологиями печатных плат, расширение рабочей полосы частот, улучшение компактности и возможность варьирования размерами устройства, отсутствие необходимости гальванического соединения между элементами устройства. Предложенное устройство является масштабируемым, компактным и широкополосным и обладает малыми потерями и может успешно использоваться для приложений в миллиметровом и в суб-ТГц диапазонах.
Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры устройства для передачи ВЧ-сигналов. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.
Настоящее изобретение может найти применение в электронных устройствах, в которых требуется передача ВЧ-сигналов на короткое расстояние, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц), для автомобильных радарных систем (24 ГГц, 79 ГГц), для связи на коротком расстоянии (60 ГГц), для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.
1. Система беспроводной передачи данных, включающая в себя две печатные платы, отделенные друг от друга воздушным зазором,
причем каждая печатная плата состоит из двух расположенных смежно частей, причем первая часть печатной платы содержит металлический проводящий слой на ее поверхности и по меньшей мере ряд сквозных металлизированных отверстий (VIA) вдоль смежной второй части, а вторая часть печатной платы содержит EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной), при этом первая часть первой печатной платы с металлическим поверхностным слоем расположена напротив второй части второй печатной платы с EBG-структурой, и наоборот, формируя таким образом волновод для ТЕМ моды,
причем каждая печатная плата включает в себя структуру преобразователя для осуществления преобразования между модой линии передачи сигнала и ТЕМ модой в волноводе, выполненную с возможностью направленного возбуждения ТЕМ моды в волноводе в случае передачи сигнала, а также осуществления приема ТЕМ моды и преобразования в моду линии передачи сигнала в случае приема сигнала, и соединенную с радиочастотным компонентом,
причем структура преобразователя включает в себя антенну, линию передачи сигнала между антенной и радиочастотным компонентом и по меньшей мере один отражатель для обеспечения направленного распространения ТЕМ моды в волноводе,
причем толщина воздушного зазора между печатными платами не превышает λ/4, где λ - длина волны передаваемого сигнала,
причем расстояние между краями VIA, расположенными в первой части печатной платы вдоль второй части печатной платы, составляет не более λ/2.
2. Система беспроводной передачи данных, включающая в себя две печатные платы, отделенные друг от друга воздушным зазором,
причем каждая печатная плата состоит из двух расположенных смежно частей, причем первая часть печатной платы содержит металлический проводящий слой на ее поверхности и по меньшей мере ряд сквозных металлизированных отверстий (VIA) вдоль смежной второй части, а вторая часть печатной платы содержит EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла с запрещенной зоной), при этом первая часть первой печатной платы с металлическим поверхностным слоем расположена напротив второй части второй печатной платы с EBG-структурой, и наоборот, формируя таким образом волновод для ТЕМ моды,
причем одна печатная плата включает в себя две структуры преобразователя для осуществления преобразования между модой линии передачи сигнала и ТЕМ модой в волноводе, каждая из которых выполнена с возможностью направленного возбуждения ТЕМ моды в волноводе в случае передачи сигнала, а также осуществления приема ТЕМ моды и преобразования в моду линии передачи сигнала в случае приема сигнала, и соединена с радиочастотным компонентом,
причем структура преобразователя включает в себя антенну, линию передачи сигнала между антенной и радиочастотным компонентом и по меньшей мере один отражатель для обеспечения направленного распространения ТЕМ моды в волноводе,
причем толщина воздушного зазора между печатными платами не превышает λ/4, где λ - длина волны передаваемого сигнала,
причем расстояние между краями VIA, расположенными в первой части печатной платы вдоль второй части печатной платы, составляет не более λ/2.
3. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой антенна выполнена в виде проводящего штыря, выступающего во вторую часть печатной платы с EBG-структурой.
4. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой антенна выполнена в виде щелевой структуры.
5. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой отражатель установлен на расстоянии не менее λ/8 от антенны со стороны противоположной требуемому направлению распространения ТЕМ моды.
6. Система беспроводной передачи данных по п. 5, в которой отражатель установлен на расстоянии λ/4 от антенны.
7. Система беспроводной передачи данных по п. 5, в которой структура преобразователя включает в себя два отражателя, расположенные на расстоянии не менее λ/8 друг от друга.
8. Система беспроводной передачи данных по п. 7, в которой отражатели расположены на расстоянии λ/4 друг от друга.
9. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой отражатель выполнен в виде штыря, соединенного с металлическим слоем первой части печатной платы и выступающего в сторону EBG-структуры, или в виде щели в металлическом слое первой части печатной платы.
10. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой структура преобразователя дополнительно включает в себя по меньшей мере один направляющий элемент, расположенный по направлению распространения ТЕМ моды на расстоянии не менее λ/8 от антенны.
11. Система беспроводной передачи данных по п. 10, в которой направляющий элемент расположен на расстоянии λ/4 от антенны.
12. Система беспроводной передачи данных по п. 10, в которой направляющий элемент выполнен в виде штыря, соединенного с металлическим слоем первой части печатной платы и выступающего в сторону EBG-структуры, или в виде щели в металлическом слое первой части печатной платы.
13. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой печатные платы представляют собой двухслойные или трехслойные печатные платы.
14. Система беспроводной передачи данных по любому из пп. 1 или 2, в которой радиочастотный компонент представляет собой радиочастотную интегральную схему (RFIC).
