DE10123571A1 - Planarantennenmodul für Wellenlängen im Millimeterbereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul mit planaren Antennenelementen, das besonders zum Abstrahlen und Empfangen von höchstfrequenten und breitbandigen Funksignalen Verwendung findet. Planare Breitbandantennen werden durch eine Metallfilmstruktur gebildet, die parallel und mittels eines Abstandshalters in einem definierten Abstand zu einer reflektierenden Grundfläche angeordnet ist und sich zwischen dem Antennenelement und der reflektierenden Grundfläche ein Dielektrikum befindet. Die Dielektrizitätskonstante dieses Dielektrikums hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Antenne, wobei eine möglichst niedrige Dielektrizitätskonstante angestrebt wird. DOLLAR A Bei dem erfindungsgemäßen Planarantennenmodul wird ein Antennenelement (1) auf einem Abstandshalter (3) angeordnet. In den Abstandshalter (3) ist ein Durchbruch eingearbeitet, der mit einer dünnen Trägerplatte (2) abgedeckt ist, auf der sich das Antennenelement (1) befindet. Dadurch entsteht zwischen der dünnen Trägerplatte (2) und der reflektierenden Grundfläche (5) ein luftgefüllter Hohlraum (4), wodurch die effektive Dielektrizitätskonstante wesentlich kleiner ist als bei der Verwendung eines homogenen Substrats. Die Einspeisung der Übertragssignale erfolgt mittels eines Festmantel-Koaxialkabels (6), indem das Antennenelement (1) direkt mit dem Mittelleiter (6.1) verbunden ist und die Abschirmung (6.2) des Festmantel-Koaxialkabels (6) mit der Wandung der Durchführung in der reflektierenden Grundfläche ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul mit planaren Antennenelementen, das besonders zum Abstrahlen und Empfangen von höchstfrequenten und breitbandigen Funksignalen Verwendung findet.

Die zunehmende Beliebtheit mobiler Kommunikationsmittel lässt die zur Verfügung stehenden Frequenzen zu einer knappen Ressource werden. Die erforderlichen künftigen Übertragungsfrequenzen steigen inzwischen in den GHz-Bereich. Ein hoher Frequenzbereich erlaubt außerdem kleine Antennenstrukturen.

Für die Abstrahlung und den Empfang von Funksignalen in diesem Frequenzbereich werden in der Literatur insbesondere planare Breitbandantennen beschrieben. Diese Antennen werden durch eine Metallfilmstruktur gebildet, die auf einem festen Dielektrikum angeordnet ist, wodurch ein definierter Abstand zu einer reflektierenden Grundfläche gewährleistet wird.

Von Nei u. a. werden in "Ultrawideband Printed Antenna Array for 60 GHz Frequency Range" in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997 Digest-Volume 2, Seite 1272 ff planare Antennenstrukturen für Übertragungsstrecken von 60 GHz beschrieben. Hier wird dargestellt, dass die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, auf dem das Antennenelement angeordnet ist, einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Antenne hat.

Aus der Literatur ist bekannt, beispielsweise Bhartia u. a. in "Millimeter-Wave Microstrip and Printed Circuit Antennas" (Inc. Norwood, USA, Artech House, 1991), dass es einen Zusammenhang zwischen der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Dielektrikums und der Bandbreite, sowie der Anregung unerwünschter Substratmoden gibt. Eine möglichst niedrige Dielektrizitätskonstante ε ist anzustreben, um die Effizienz der Antenne zu optimieren.

Üblicherweise wird wegen seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante ein sogenanntes Softsubstrat wie beispielsweise Teflon verwendet. Diese Substrate weisen aber nur eine geringe mechanische Festigkeit auf.

Als Dielektrikum mit sehr guten Eigenschaften hinsichtlich der Maßhaltigkeit und der mechanischen Festigkeit sowie der thermischen Stabilität werden auch Keramik-Materialien eingesetzt.

Von Gauthier u. a. wird in "77 GHz Dual-Polarized Microstrip Antennas on Thin Dielectric Membrans" The University of Michigan Ann Arbor, MI 48109- 2122, Seiten 1874 ff eine Anordnung (microstrip antenna/Streifenleiter- Antenne) beschrieben, bei der ein Siliziumwafer, der als Abstandshalter dient, im Bereich des Antennenelements, unter diesem, auf wenige µm verdünnt wird. Die in diesem "Hohlraum" befindliche Luft stellt ein sehr gutes Dielektrikum dar. Die Verbindung zwischen dem Antennenkabel und dem Antennenelement erfolgt durch Streifenleiter.

Der wesentliche Nachteil dieser Antennenanordnung besteht im Anschluss des Antennenkabels an das Antennenelement, der mittels Streifenleiter realisiert wird. Die damit notwendig verbundene Wellenleitertypumwandlung - durch Verwendung eines Koaxialkabels als Zuleitung und Übergang zum Streifen als Anschluss zum Antennenelement - bewirkt Verwerfungen und Fehlanpassungen. Dadurch bedingt wird der Wirkungsgrad der Antenne verringert.

Außerdem bedingt die "Verdünnung" des Wafers eine aufwendige technologische Herstellung, die auch keine einfache Handmontage der Antenne zulässt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Planarantennenmodul mit sehr guten Abstrahl- und Empfangseigenschaften für Wellenlängen im Millimeterbereich zu realisieren, welches eine einfache technologische Herstellung sowie eine unkomplizierte (Hand-)Montage zulässt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, indem ein Antennenelement in einem definierten Abstand zu einer reflektierenden Grundfläche auf einem Abstandshalter angeordnet ist. In den Abstandshalter ist ein Durchbruch eingearbeitet der mit einer dünnen Trägerplatte abgedeckt ist, auf der sich das Antennenelement befindet. Dadurch entsteht zwischen der dünnen Trägerplatte und der reflektierenden Grundfläche ein luftgefüllter Hohlraum, der eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist. Somit ist die effektive Dielektrizitätskonstante zwischen dem Antennenelement und der reflektierenden Grundfläche wesentlich kleiner als bei der Verwendung eines homogenen Substrats. Die Einspeisung der Übertragungssignale erfolgt mittels eines Festmantel-Koaxialkabels, das durch eine Durchführung in der reflektierenden Grundfläche geführt ist, indem das Antennenelement direkt mit dem Mittelleiter verbunden ist und die Abschirmung des Festmantel- Koaxialkabels mit der Wandung der Durchführung in der reflektierenden Grundfläche verbunden ist.

Die direkte Ankopplung des Antennenelements mittels Koaxialkabel hat den Vorteil, dass durch den Ort der Ankopplung die Polarisation festgelegt werden kann. Erfolgt die Kopplung in der Mitte einer Seite des Antennenelements ist die Abstrahlcharakteristik linear. Erfolgt die Kopplung auf einem Punkt der Diagonale des Antennenelements ist die Abstrahlcharakteristik zirkular.

Zur optimalen Anpassung an den Wellenwiderstand der Speiseleitung ist bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul eine exakte Positionierung der Koppelstelle des Mittelleiters auf dem Antennenelement möglich.

In einer ersten Ausführungsform wird als Material für den Abstandshalter ein Keramiksubstrat verwendet, da dies die erwünschte hohe mechanische und thermische Stabilität aufweist. Keramiksubstrate lassen sich sehr gut mittels Laserstrahl bearbeiten, wodurch sich exakte geometrische Abmessungen erreichen lassen. Die dünne Trägerplatte wird ebenfalls aus einem Keramiksubstrat gefertigt, wodurch eine unkomplizierte Verbindung zwischen dem Abstandshalter und der Trägerplatte ermöglicht wird.

Vorteilhafterweise sind zur Unterdrückung von unerwünschten Substratmoden seitlich zu den Antennenelementen in dem Abstandshalter aus Keramiksubstrat schmale Dämpfungsstreifen eines die Substratmoden absorbierenden Materials angeordnet, die etwas über die Oberfläche des Abstandshalters hinausragen. Die Dämpfungsstreifen ragen mindestens so weit aus dem Abstandshalter heraus, dass Substratmoden, die in der Trägerplatte entstehen, absorbiert werden. Als absorbierendes Material wird vorzugsweise ein Ferrit-Material eingesetzt.

In einer anderen Ausführungsform wird als Abstandshalter eine elektrisch gut leitende Metallplatte verwendet. Diese weist ebenfalls die erforderliche mechanische und thermische Stabilität auf. Exakte geometrische Abmessungen lassen sich ebenfalls mittels Laserstrahlbearbeitung gut erreichen. Da durch die Verwendung einer Metallplatte als Abstandshalter die Wände des mit Luft gefüllten Hohlraums unter dem strahlenden Antennenelement elektrisch leitend sind, können sich die Wellen, die vom Mittelleiter abgestrahlt werden, nicht unerwünscht ausbreiten. Deshalb können bei dieser Ausführung des Antennenmoduls die Dämpfungsstreifen entfallen.

Durch die Anordnung mehrerer Antennenelemente zu einem Antennenarray ist die Realisierung leistungsstarker Antennen möglich.

Vorteilhafterweise werden bei einem Antennenarray mehrere Antennenelemente auf einer gemeinsamen dünnen Trägerplatte angeordnet, die einen gemeinsamen luftgefüllten Hohlraum oder mehrere separate luftgefüllten Hohlräume in dem Abstandshalter abdeckt.

Durch Anwendung klassischer Foto-Lithografie sind derartige Planarantennen relativ leicht mit hoher Maßhaltigkeit herzustellen. Um eine exakte Anpassung der Koppelstelle an das Antennenenelement zu gewährleisten und die Strahlcharakteristik optimal einzustellen, können die Kanten der einzelnen Antennenenelemente nachträglich mittels Laserstrahl nachbearbeitet werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die zugehörigen Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 Prinzip des Aufbaus eines koaxial gespeisten Antennenmoduls

Fig. 2 Draufsicht auf ein Antennenarray

In der Fig. 1 ist der Aufbau eines Planarantennenmoduls für 60 GHz schematisch anhand eines Querschnittes dargestellt. Als reflektierende Grundfläche 5 dient eine Messingplatte auf der ein Abstandshalter 3 aus Aluminiumoxidkeramik, der eine Stärke von ca. 0,25 mm aufweist, angeordnet ist. In den Abstandshalter 3 ist mittels Laserbearbeitung ein Durchbruch eingebracht, der durch eine ca. 0,1 mm starke Trägerplatte 2 aus Aluminiumoxidkeramik abgedeckt wird. Dadurch entsteht zwischen der reflektierenden Grundfläche 5 und der Trägerplatte 2 ein durch den Durchbruch seitlich begrenzter relativ großer mit Luft gefüllter Hohlraum 4 unter dem strahlenden Antennenelement 1. Dadurch wird eine effektive Dielektrizitätskonstante zwischen dem Antennenelement 1 und der reflektierenden Grundfläche 5 erreicht, deren Wert um mehr als die Hälfte geringer ist, als bei der Verwendung eines homogenen Keramiksubstrats. Die Trägerplatte 2 wird mit dem Abstandshalter 3 mittels Klebung verbunden. Auf diese Trägerplatte 2 wird das eigentliche Antennenelement 1 aufgebracht.

Die Abmessungen eines einzelnen Antennenelements 1 betragen ca. 1 × 1,2 mm.

Die Einspeisung der Übertragungssignale erfolgt mittels eines Festmantel- Koaxialkabels 6, das durch eine Durchführung in der reflektierenden Grundfläche 5 geführt ist. Das Antennenelement 1 ist direkt mit dem Mittelleiter 6.1 verbunden und die Abschirmung 6.2 des Koaxialkabels 6 ist mit der Wandung der Durchführung in der reflektierenden Grundfläche 5 verbunden.

Die direkte Ankopplung des Antennenelements 1 mittels Koaxialkabel 6 hat den Vorteil, dass für eine optimale Anpassung der Speiseleitung eine exakte Positionierung des Mittelleiteranschlusses 6.1 auf dem Antennenelement 1 möglich ist. Für diesen Anschluss des Mittelleiters 6.1 wird mittels Laserbearbeitung eine feine Bohrung in das Antennenelement 1 sowie die darunter befindliche Trägerplatte 2 eingebracht und der eingeführte Mittelleiter 6.1 wird mit dem Antennenelement 1 mittels Klebung leitend verbunden. Um die Anpassung zu optimieren, kann mittels Lasertrimmung das Antennenelement 1 noch exakt nachbearbeitet werden. Vorteilhafterweise werden die einzelnen Antennenelemente 1 mit etwas größeren Abmessungen gefertigt als die rechnerisch ermittelten Abmessungen betragen. Anhand der nach der Montage des Antennenmoduls gemessenen Werte kann das Antennenelement 1 durch Laserbearbeitung der einzelnen Kanten exakt auf die gewünschte Frequenz getrimmt werden.

Zur Realisierung leistungsstarker Antennen können mehrere Antennenelemente 1 zu einem Antennenarray gekoppelt werden. In der Fig. 2 ist eine Draufsicht auf ein solches Antennenarray dargestellt. Hier wurden vier Antennenelemente 1 zu einem linearen Array zusammengefasst. Die vier Antennenelemente 1 sind auf einer gemeinsamen Trägerplatte 2 angeordnet, die vier Durchbrüche in einem gemeinsamen Abstandshalter 3 abdeckt. Über vier Koaxialkabel 6 erfolgt die Einspeisung der vier Antennenelemente 1. Die Bearbeitung des Abstandshalters 3 kann vereinfacht werden, wenn für die vier Antennenelemente 1 ein gemeinsamer Durchbruch hergestellt wird. Die mechanische Festigkeit der Trägerplatte 2 ist ausreichend, um diesen Durchbruch abzudecken.

Damit sich keine unerwünschten Substratmoden ausbilden können, werden seitlich zu den Antennenelementen 1 in den Abstandshalter 3 Dämpfungsstreifen 7 aus einem die Substratmoden absorbierenden Ferritmaterial eingesetzt. Diese Dämpfungsstreifen 7 werden parallel und in einem geringen Abstand zu der Trägerplatte 2 angeordnet, wobei sie etwas weiter aus dem Abstandshalter 3 herausragen als die Trägerplatte dick ist. Somit werden auch Substratmoden, die sich in der Trägerplatte 2 ausbilden können absorbiert.

Die gleiche Wirkung kann in einer anderen Ausführungsform erzielt werden, wenn als Material für den Abstandshalter 3 eine Metallplatte anstatt des Keramiksubstrats verwendet wird. Da durch die Metallplatte, in die bei dieser Ausführung der Durchbruch eingebracht wird, der mit Luft gefüllte Hohlraum 4 unter dem strahlenden Antennenelement 1 seitlich durch metallische, elektrisch leitende Wände begrenzt wird, können sich keine Wellen, die vom Mittelleiter 6.1 abgestrahlt werden unerwünscht ausbreiten. Somit können bei dieser Ausführung des Antennenmoduls die Dämpfungsstreifen 7 entfallen.

Diese zweite Ausführungsform eines Antennenelements 1 kann technologisch besser hergestellt werden, da keine zusätzlichen Dämpfungsstreifen 7 in den Abstandshalter 3 eingesetzt werden müssen.

Claims (10)

1. Planarantennenmodul für Wellenlängen im Millimeterbereich bei dem ein Antennenelement parallel und mittels eines Abstandshalters in einem definierten Abstand zu einer reflektierenden Grundfläche angeordnet ist, wobei zwischen dem Antennenelement und der reflektierenden Grundfläche ein Dielektrikum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abstandshalter (3) ein Durchbruch eingearbeitet ist, dieser Durchbruch mit einer dünnen Trägerplatte (2) abgedeckt ist, wodurch unter dieser ein luftgefüllter Hohlraum (4) gebildet wird und auf der dünnen Trägerplatte (2) das Antennenelement (1) angeordnet ist und die Einspeisung mittels eines Festmantel-Koaxialkabels (6) erfolgt, das durch eine Durchführung in der reflektierenden Grundfläche (5) hindurchgeführt ist, indem das Antennenelement (1) direkt mit dem Mittelleiter (6.1) verbunden ist und die Abschirmung (6.2) des Festmantel-Koaxialkabels (6) mit der Wandung der Durchführung in der reflektierenden Grundfläche (5) verbunden ist.

2. Antennenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (3) aus einem festen Dielektrikum besteht.

3. Antennenmodul nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (3) aus einem Keramiksubstrat besteht.

4. Antennenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (3) aus einer elektrisch gut leitfähigen Metallplatte besteht.

5. Antennenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Trägerplatte (2) aus einem Keramiksubstrat besteht.

6. Antennenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur optimalen Wellenleiteranpassung zwischen Speiseleitung und Antennenelement (1) eine exakte Positionierung der Koppelstelle des Mittelleiters (6.1) auf dem Antennenelement (1) möglich ist.

7. Antennenmodul nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich zu den Antennenelementen (1) in dem Abstandshalter (3) schmale Dämpfungsstreifen (7) aus einem die Substratmoden absorbierenden Material angeordnet sind, die etwas über die Oberfläche des Abstandshalters (3) hinausragen.

8. Antennenmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsstreifen (7) aus einem Ferrit-Material bestehen.

9. Antennenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Antennenelemente (1) zu einem Antennenarray verbunden sind.

10. Antennenmodul nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Antennenelemente (1) auf einer gemeinsamen Trägerplatte (2) angeordnet sind, die einen gemeinsamen luftgefüllten Hohlraum (4) oder mehrere separate luftgefüllte Hohlräume (4) in dem Abstandshalter (3) abdeckt.