CN101552376B - 半模式基板集成天线结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于电磁信号的半模式基板集成天线结构1、10、11,包括具有顶侧2a和底侧2b的基板2,所述基板基本上为具有主平面M的平坦形状,导电层3a设置在所述顶侧且导电层3b设置在所述底侧,导电通孔系列在基板的顶侧和底侧的导电层3a、3b之间延伸,使得形成具有馈电端5和天线端6的波导,其中所述天线端6由所述导电层3a、3b的端部区域和所述基板2形成,使得所述天线结构1的辐射图基本上在主平面M中延伸。
Description
技术领域
本发明涉及用于辐射和/或接收电磁信号的半模式(half-mode)基板(substrate)集成天线结构。
背景技术
因此,根据本发明的半模式基板集成天线结构基于已知基板集成波导技术,其中,通过将金属层放置在介电基板的顶侧和底侧并通过经由导电通孔系列或行来创建电磁信号的通道,来创建用于微波和毫米波应用的波导。这类波导的长度通常是宽度的两倍及以上且高度与宽度相比极小,使得这些波导的高度集成是可能的。此外,这些波导能以低成本例如通过印刷电路板制造工艺来制造,同时仍然提供高性能。正常(全模式)波导包括连接基板的顶侧和底侧的两个导电层的至少部分平行的两个系列或两行导电通孔,由此在两行或两个系列导电通孔之间引导电磁信号。最近的发展已经发现,能够构建半模式基板集成波导,它们仅包括单行或单系列导电通孔,因此仅具有全模式基板集成波导的一半尺寸。因此,通过基本上在长度方向将全模式基板集成波导切成两半,沿以前两行导电通孔之间的中间创建开放侧,由此开放侧因宽度与高度的高比率而差不多相当于理想磁壁。换言之,半模式基板集成波导提供几乎与全模式基板集成波导相同的性能,但具有一半大小。还发现,这类半模式基板集成波导可用作天线。
发明内容
本发明的目的是提出一种与现有技术相比实现高度集成和更普遍应用的基板集成天线结构。
上述目的通过如权利要求1所述的用于辐射和/或接收电磁信号的半模式基板集成天线结构来实现。根据本发明的半模式基板集成天线结构包括由介电材料制成的具有顶侧和底侧的基板,该基板至少部分为具有主平面的平坦形状,导电层设置在基板的所述顶侧且导电层设置在所述底侧,导电通孔系列在基板的顶侧和底侧的导电层之间延伸,使得形成具有馈电端和天线端的波导,由此所述天线端由所述导电层的端部区域和所述基板形成,使得所述天线结构的辐射图基本上在主平面延伸。
根据本发明的半模式基板集成天线结构特别适合工作在宽带应用,优选地工作在微波和/或毫米波范围。本发明的天线结构具有小尺寸,因此可易于集成,制造简单,并且能以非常灵活的方式用于各种应用。具体来说,由于本发明的天线结构具有基本上在天线结构的主平面中延伸的辐射图,所以根据本发明的多个天线结构可有效地集成,即:换言之,能够几乎彼此排列根据本发明的多个天线结构。
有利的是,基板中的导电层在天线端形成开端结构。
更优选地,通孔系列沿所述天线结构的长度从所述馈电端延伸到所述天线端,其中所述导电层的所述端部区域的端部没有导电通孔。因此,有利的是,所述端部的长度在所述导电层的长度的3%与15%之间、优选地在5%与10%之间。更有利的是,与所述端部相邻的所述端部区域的中间部分的通孔系列基本上沿所述导电层在长度方向的中线设置,使得所述天线结构的辐射图基本上在天线结构的长度方向延伸。备选地,与所述端部相邻的所述端部区域的中间部分的通孔系列基本上与所述导电层在长度方向的中线成某角度设置,使得所述天线结构的辐射图基本上在所述角度的方向延伸。有利的是,所述中间区域的长度在所述导电层的长度的3%与15%之间、优选地在5%与10%之间。
有利的是,波导包括中间区域,其中通孔系列基本上沿直线设置。通孔系列与磁壁配合来充当电磁信号的波导或场导。因此,直线有利地是所述导电层在其长度方向的中线。更有利的是,中间区域的长度在所述导电层的长度的30%与70%之间、优选地在40%与60%之间。
有利的是,本发明的天线结构还包括在波导的侧壁上或附近与所述波导的所述馈电端耦合的馈电结构,其中所述波导包括与所述馈电端相邻的馈电区,其中,设置在所述馈电区中的通孔系列设置成更接近波导的相对侧壁以及在其上或附近耦合了馈电结构的侧壁。因此,有利的是,所述馈电区的长度在所述导电层的长度的20%与50%之间、优选地在30%与40%之间。
附图说明
通过以下结合附图对优选实施例的详细描述进一步说明本发明,
附图包括:
图1示出根据本发明的第一实施例的天线结构的顶视图,
图2示出图1所示天线结构的宽度方向的截面图,
图3示出图1的天线结构的天线端的截图的侧视图,
图4a示出本发明的天线结构的示意侧视图,其中具有其辐射图,
图4b示出本发明的备选天线结构的示意侧视图,
图5示出本发明的天线结构的第二实施例的顶视图,
图6示出根据本发明的天线结构的第三实施例的顶视图,
图7示出根据第一实施例的天线结构的辐射图,
图8示出第二实施例的天线结构的辐射图,以及
图9示出第三实施例的天线结构的辐射图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的半模式基板集成天线结构1的顶视图。天线结构1包括基板2,其中具有例如在沿图2所示的天线结构1的宽度方向的截面中可看到的顶侧2a和底侧2b。这个实施例的基板2基本上具有平坦形状,并且在主平面M中延伸(参见图2和图4)。换言之,与宽度和长度相比,基板具有极小的高度。在图1、图5和图6中,主平面M与附图平面相同。在图1所示的实施例中,基板2的长度差不多是宽度的两倍。但是,基板2的长度可以是宽度的许多倍,或者可以与宽度大致相同,取决于所需应用。基板2可包括介电材料、即介电常数不等于1的材料或者可以完全由其制成。因此,基板2的介电材料可以是柔性或刚性材料,取决于预期应用。作为替代或补充,基板可至少部分例如在导电层3a与3b之间包含空气。
导电层3a设置在基板的顶侧2a,导电层3b设置在基板2的底侧2b,参见图2。导电层3a和3b相互对准,换言之,导电层3a和3b完全匹配并且相互成直线。在图1(以及在图5和图6)中可看到,导电层3a和3b的长度l2小于基板2的长度l1。原因在于,印刷导线形式的附加馈电结构12存在于顶侧2a并且可选地还存在于基板2的底侧2b。导电层的材料例如是金属,但可以是任何其它导电材料。馈电线12的材料也可以是例如金属或者任何其它导电材料。导电层3a和3b例如通过印刷电路板技术印制到基板2上。还能够通过任何其它适当技术、例如通过集成电路板技术来应用导电层3a、3b。在图1、图5和图6所示的实施例中,导电层3a、3b的宽度w2小于基板2的宽度w1。但是,底侧2b上的导电层3b的宽度w2能够与基板2的宽度w1相同,换言之,导电层3b能够遍布于基板2的整个宽度。
天线结构1还包括在导电层3a、3b之间延伸的一系列或一行导电通孔4,使得形成波导馈电端5和天线端6。导电通孔4是连接两个导电层3a、3b的导电柱或导电杆,如图2所示。有利的是,导电通孔由用作导电层3a、3b的材料、如金属制成。本发明的天线结构1仅包括单系列或单行导电通孔4,因而形成半模式天线结构,由此导电层3a、3b的纵向侧14a形成电磁信号的磁壁。在所示实施例中,导电通孔4具有圆形,并且具有接近完全相同的直径以及相互之间的距离。但是,可能的是,形状和/或直径和/或导电通孔之间的距离可根据预期应用而改变。例如,通孔可具有椭圆形、矩形或者任何其它适当形状。
在波导的馈电端,用于向波导或从波导提供电磁信号的馈电结构12连接在形成磁壁的纵向侧14a的角上,所述磁壁形成电磁信号。在不同的应用中,馈电结构12可以不直接设置在角上,而是可以连接成更接近形成磁壁的纵向侧14a而不是接近波导的相对纵向侧14b。在波导的纵向的馈电端5的相对端是由导电层3a、3b的端部区域7和基板2所形成的天线端6。图4a所示的天线结构1的示意侧视图直观表明,从天线端6辐射的辐射图基本上在天线结构1的主平面M中延伸。换言之,辐射图没有远离天线结构的主平面M延伸,而是辐射图的主瓣1基本上在主平面M中并且沿其延伸。因此,天线端6是开端结构8,在图3所示的天线结构1的侧视图的截图中可看到。换言之,导电层3a、3b在天线端的端部7a延伸到对象2的边缘或侧面,使得沿波导引导的电磁波可以无阻碍地从这个开端8辐射。图4a所示的侧视图是本发明的图1、图5和图6所示实施例的侧视图。图4b示出根据本发明的备选天线结构的侧视图,其中基板2、因而整个天线结构弯曲,即包括弯曲部分15。天线结构中包括天线端6的部分具有主平面M的平坦形状,并且辐射图的主瓣以与上文针对图4a所述相同的方式沿其延伸。但是,天线结构中包括馈电端5的部分从平面M弯曲。在图4b所示的示例中,天线结构中由弯曲部分15所定义或分隔的两个部分包括大约90度的角。但是,任何其它角是可能的,取决于所需的应用。另外,在另一备选方案中,本发明的天线结构可呈S形等弯曲。因此要注意,弯曲部分15(或者其它弯曲部分)应当具有足以确保不损害从馈电端5导向天线端6的电磁信号的半径。要理解,图4b所示天线结构的备选形状可适用于图1所示的第一实施例以及图5所示的第二实施例或者图6所示的第三实施例。一般来说,本文所述的本发明的内部结构的所有实施例具有如图4a所示的基本平坦形状,或者可具有如图4b所示的弯曲形状或者任何其它弯曲形状、S形或者任何其它适当形状,只要内部结构中包括天线端6的部分基本上为并具有辐射图的主瓣1在其中或沿其延伸的主平面M。
导电通孔4系列或行以连续方式沿天线结构1的长度从馈电端5延伸到天线端6,除了导电层3a、3b的端部区域7的端部7a没有导电通孔4之外。换言之,与开端8的边缘或侧面交界的端部区域7的端部7a没有导电通孔。端部7a的长度l6在导电层3a、3b的长度l2的3%与15%之间、优选地在5%与10%之间且在所示示例中大约为7.5%。端部区域7还包括与端部7a和导电层3a、3b的中间区域9相邻设置的中间部分7b。中间部分7b具有导电通孔4,由此中间部分7b中的通孔4的布置影响主平面M中的辐射图的方向。在图1所示的第一实施例的天线结构1中,中间部分7b的通孔不是在导电层3a、3b的纵向L沿中线C设置,而是与纵向L以例如在10°与30°之间的角设置。换言之,第一实施例的中间部分7b的通孔系列被引导到其中的方向L1相对天线结构1的纵向L成10°至30°的任何角,它引起天线结构1的辐射图的主瓣基本上导向方向L1(但仍然在主平面M中),如图7的辐射图所示。图5和图6所示的其它实施例在中间部分7b中具有通孔4系列的不同布置,下面进一步说明。中间部分7b的长度l5在导电层3a、3b的长度l2的3%与15%之间、优选地在5%与10%之间且在所示示例中大约为7.5%。有利的是,中间部分7b和端部7a具有相同长度。
本发明的天线结构1还包括与端部区域7的中间区域7b相邻的中间区域9。在中间区域9,导电通孔4系列基本上沿直线设置。在所示实施例中,直线是导电层3a、3b在长度方向的中线C,它在中间、即在与各纵向侧14a、14b的W2/2的距离分隔导电层3a、3b。中间区域9的长度l4有利地在导电层3a、3b的长度l2的30%与70%之间、优选地在40%与60%之间且在所示示例中大约为50%。
如上所述,本发明的天线结构1还可包括与馈电端5耦合的馈电结构12。在图1所示的第一实施例中,馈电结构12是天线结构1的一部分,这对于装置的集成和制造是有利的。但是,在具体应用中,不将馈电结构包含在天线结构1中可能是有利的。在馈电端5与中间区域9之间,天线结构1包括馈电区13,由此设置在所述馈电区13中的导电通孔4系列设置成更接近波导的侧面14b而不是接近在其上或附近可耦合馈电结构12的侧面14a(即,侧面14a形成电磁信号的磁壁)。馈电区13的长度l3有利地在导电层3a、3b的长度l2的20%与50%之间、优选地在30%与40%之间,在所示示例中大约为35%。
图5所示第二实施例的天线结构10以及图6所示第三实施例的天线结构11与第一实施例的天线结构1相同,但端部区域7的中间部分7b中的导电通孔4系列的布置除外。在第二实施例的天线结构10中,中间部分7b中的通孔4系列基本上在长度方向沿着与中间区域9中的导电通孔系列相同的导电层3a、3b的中线C设置,因此,天线结构10的辐射图基本上在天线结构的长度方向L延伸和指向,但是仍然在主平面M中,如图8的辐射图所示。
与第一实施例中相似,图6所示第三实施例的天线结构11的端部区域7的中间部分7b中的通孔4系列与中线C或纵向成某角度设置,使得第三实施例的中间部分7b中的通孔系列指向方向L2,它与天线结构的纵向L成例如10°与30°之间的角度设置。因此,天线结构11的辐射图基本上指向方向L2,但仍然在主平面M中,如图9的辐射图所示。
必须注意,图1、图5和图6仅示出顶侧导电层3a,因而以上说明的大部分针对这个导电层3a,但是所有特征和特性同样可适用于电介质2的底侧2b上的导电层3b。
Claims (16)
1.用于电磁信号的半模式基板集成天线结构(1,10,11),包括
具有顶侧(2a)和底侧(2b)的基板(2),所述基板至少部分为具有主平面(M)的平坦形状,
设置在所述顶侧的导电层(3a)和设置在所述底侧的导电层(3b),
导电通孔(4)系列,在所述基板的所述顶侧和所述底侧的所述导电层(3a,3b)之间延伸,使得形成具有馈电端(5)和天线端(6)的波导,
其中,所述天线端(6)由所述导电层(3a,3b)的端部区域(7)和所述基板(2)来形成,使得所述天线结构(1)的辐射图基本上在所述主平面(M)中延伸。
2.如权利要求1所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述导电层(3a,3b)和所述基板(2)在所述天线端(6)形成开端结构(8)。
3.如权利要求1所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述通孔(4)系列沿所述天线结构的长度(l2)从所述馈电端(5)延伸到所述天线端(6),其中所述导电层(3a,3b)的所述端部区域(7)的端部(7a)没有导电通孔(4)。
4.如权利要求3所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述端部(7a)的长度(l6)在所述导电层(3a,3b)的长度(l2)的3%与15%之间。
5.如权利要求3所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述端部(7a)的长度(l6)在所述导电层(3a,3b)的长度(l2)的5%与10%之间。
6.如权利要求3所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,与所述端部(7a)相邻的所述端部区域(7)的中间部分(7b)中的通孔(4)系列基本上沿所述导电层在长度方向(L0)的中线(c)设置,使得所述天线结构的辐射图基本上在所述天线结构的长度方向(L)延伸。
7.如权利要求3所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,与所述端部(7a)相邻的所述端部区域(7)的中间部分(7b)中的通孔(4)系列基本上与所述导电层在长度方向(L)的中线(c)成一定角度设置,使得所述天线结构的辐射图基本上在所述角度的方向(L1,L2)延伸。
8.如权利要求6或7所述的半模式基板集成天线结构,其中,所述中间部分(7b)的长度(l5)在所述导电层(3a,3b)的长度的3%与15%之间。
9.如权利要求6或7所述的半模式基板集成天线结构,其中,所述中间部分(7b)的长度(l5)在所述导电层(3a,3b)的长度的5%与10%之间。
10.如权利要求1至7中任一项所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述波导包括中间区域(9),在所述中间区域(9)中,所述通孔(4)系列基本上沿直线设置。
11.如权利要求10所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述直线是所述导电层在长度方向(L)的中线(c)。
12.如权利要求10所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述中间区域(9)的长度(l4)在所述导电层的长度(l2)的30%与70%之间。
13.如权利要求10所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述中间区域(9)的长度(l4)在所述导电层的长度(l2)的40%与60%之间。
14.如权利要求1至7中任一项所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),
还包括:在所述波导的侧壁(14a)上或附近与所述波导的所述馈电端(5)耦合的馈电结构(11),其中所述波导包括与所述馈电端(5)相邻的馈电区(13),其中,设置在所述馈电区(13)中的通孔系列设置成更接近所述波导的相对侧壁(14b)而不是在其上或附近耦合了所述馈电结构(12)的侧壁(14a)。
15.如权利要求14所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述馈电区(13)的长度(l3)在所述导电层的长度(l2)的20%与50%之间。
16.如权利要求14所述的半模式基板集成天线结构(1,10,11),其中,所述馈电区(13)的长度(l3)在所述导电层的长度(l2)的30%与40%之间。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121114 Termination date: 20140331 |