DE102011001029B4

DE102011001029B4 - Antenneneinheit

Info

Publication number: DE102011001029B4
Application number: DE102011001029.7A
Authority: DE
Inventors: Ho-Chung Chen; James Wang
Original assignee: MediaTek Inc
Current assignee: MediaTek Inc
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: CN102570013B; JP5495335B2; JP2012134970A; TW201232918A; US20120162015A1; CN102570013A; TWI479738B; DE102011001029A1; US9252499B2

Abstract

Eine Antenneneinheit (100), umfassend:
Ein erstes Substrat (110), umfassend eine erste Oberfläche (111) und eine zweite Oberfläche (112), wobei die erste Oberfläche gegenüberliegend zu der zweiten Oberfläche ist; und
eine erste leitende Schicht (130), angeordnet auf der ersten Oberfläche;
eine zweite leitende Schicht (140), angeordnet auf der zweiten Oberfläche, wobei eine Hauptöffnung (141) umgeben von einer Vielzahl von ersten leitenden Durchkontaktierungen (181), die elektrisch die erste und die zweite leitende Oberfläche verbinden, auf der zweiten leitenden Schicht ausgebildet ist;
ein erster planarer, leitender Ring (151), der in das erste Substrat eingebettet ist; und
ein zweites Substrat (120), umfassend eine dritte Oberfläche (121) und eine vierte Oberfläche (122), wobei die dritte Oberfläche gegenüberliegend zu der vierten Oberfläche liegt und die zweite leitende Schicht kontaktiert, die zweite leitende Schicht (140) mit der Hauptöffnung (141), dem ersten planaren, leitenden Ring (151), einem zweiten planaren, leitenden Ring (152), den ersten leitenden Durchkontaktierungen (181) und der ersten leitenden Schicht (130) eine Strahlungskavität bildet, und der leitende Ring (151) die Strahlungskavität umgibt;
ein Einspeiseleiter (160), der ein kabelloses Signal in die Antenneneinheit einspeist, und ein Patch (170), der auf der vierten Oberfläche (122) oberhalb der Hauptöffnung (141) angeordnet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antenneneinheit, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Antenneneinheit mit einer verbesserten Isolierung und Strahlenweite. Die offenbarte Antenneneinheit ist für die Verwendung in einer phasengesteuerten Gruppenantenne geeignet.
Beschreibung des Stands der Technik
1 zeigt eine konventionelle Antenne 1, die ein Antennensubstrat 10, ein Mikrostrip-Patch/Mikrostreifenhalterfeld 30, eine Grundebene 40 und eine Mikrostreifeneinspeisungsleiterbahn 50 aufweist. Das Antennensubstrat 10 umfasst eine erste Oberfläche 11 und eine zweite Oberfläche 12. Das Speisungssubstrat 20 umfasst eine dritte Oberfläche 21 und eine vierte Oberfläche 22. Das Mikrostreifenleiterfeld 30 ist auf der ersten Oberfläche 11 ausgebildet. Die Grundebene 40 ist auf der dritten Oberfläche 21 ausgebildet. Die zweite Oberfläche 12 ist mit der Grundebene 40 verbunden. Eine Verbindungsöffnung 41 ist auf der Grundebene 40 ausgebildet. Die Mikrostreifeneinspeiseleiterbahn 50 ist auf der vierten Oberfläche 22 ausgebildet. Die Mikrostreifeneinspeiseleiterbahn 50 speist kabellose Signale über die Verbindungsöffnung 41 in das Mikrostreifenleiterfeld 30. Konventionelle Antennen haben typischerweise geringe Bandbreiten, nichtgeringförmige Rückstrahlung und nicht gewollte Oberflächenwellenstrahlungseigenschaften. Zusätzlich, wenn die konventionellen Antennen in einem Array angeordnet sind, ist die Isolation zwischen den Antennen gering. Die Druckschriften U 2008/0068 269 A1 , WO 2008/069 493 A1 , DE 10 2007 005 928 A1 , DE 10 2006041994 A1 , EP 1 775 795A1 , FR 2 651 926 A1 , US 7 808 439 B2 , US 4 197 544 A zeigen unterschiedlich Formen von planaren Antennen.
Kurzer Überblick über die Erfindung
Eine Antenneneinheit wird gemäß den Ansprüchen bereitgestellt, die eine bessere Leistungsfähigkeit aufweist.
Die Antenneneinheit umfasst gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs ein erstes Substrat, eine erste leitende Ebene, eine zweite leitende Ebene, einen ersten planaren leitenden Ring und einen Speiseleiter. Das erste Substrat umfasst eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, wobei die erste Oberfläche gegenüberliegend zu der zweiten Oberfläche ist. Die erste leitende Schicht ist auf der ersten Oberfläche angeordnet. Die zweite leitende Schicht ist auf der zweiten Oberfläche angeordnet, wobei eine Hauptöffnung auf der zweiten leitenden Schicht ausgebildet ist, umgeben von Durchkontaktierungen, die erste und zweite leitende Oberfläche miteinander verbinden, und die Hauptöffnung mit der umzingelnden Durchkontaktierung formt eine Strahlungskavität. Der erste planare, leitende Ring umgibt die Strahlungskavität. Der Einspeiseleiter speist ein kabelloses Signal zu der Antenneneinheit. Beide, der erste planare, leitende Ring und der Einspeiseleiter, sind in dem ersten Substrat eingebettet. Die weiteren Merkmale sind dem Anspruch 1 zu entnehmen.
Die Antenneneinheit der Ausführungsform der Erfindung stellt eine verbesserte Isolierung und stabile aktive Impedanz für weite Scan-Winkel/ Weitwinkelscans dar. Zusätzlich erstreckt sich in einer Ausführungsform der Einspeiseleiter zwischen der ersten leitenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht, um das kabellose Signal in die Antenneneinheit einzuführen (niedrigere Einspeisestruktur). Die vorgeschlagene niedrigere Einspeiseeinheit der ersten Ausführungsform stellt dadurch ein verbessertes symmetrische Gain-Muster in beiden φ=0 Grad und φ=90 Grad bereit.
Eine detaillierte Beschreibung wird im Folgenden anhand der Beispiele mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung kann besser verstanden werden durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und Beispiele, die Bezug nehmen auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:

1 zeigt eine konventionelle Antenne;
2 zeigt eine Antenneneinheit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt E und H Antennennebenmuster der Antenneneinheit der ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine Schnittansicht entlang der Richtung IV-IV der 2;
5 zeigt eine mögliche Antenneneinheit;
6 zeigt eine mögliche Antenneneinheit eines anderen modifizierten Beispiels;
7 zeigt eine Antenneneinheit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8A, 8B, 8C, 8D, 8E und 8F zeigen modifizierte Beispiele der Erfindung;
9 zeigt eine Antenneneinheit einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
10A zeigt ein 2 x 2-Antennen-Array der Erfindung, wobei die Antenneneinheiten in das Paketdesign integriert sind, welches weiterhin eine Vielzahl von zweiten leitenden Durchkontaktierungen umfasst und ein vertikales koaxiales Kabel, das Signale zwischen unterschiedlichen Paketschichten lenkt;
10B zeigt ein anderes modifiziertes Beispiel, wobei die Antenneneinheit weiterhin eine Vielzahl von dritten leitenden Durchkontaktierungen umfasst, die neben einer Einspeiseleitung des Einspeiseleiters ausgebildet sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung ist die beste Ausführungsform zur Umsetzung der Erfindung. Die Beschreibung wird zum Zwecke der Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung gemacht und soll nicht in einem beschränkenden Sinne betrachtet werden. Der Schutzumfang der Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt.
2 zeigt eine Antenneneinheit 100 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Antenneneinheit 100 umfasst ein erstes Substrat 110, ein zweites Substrat 120, eine erste leitende Schicht 130, eine zweite leitende Schicht 140, mehrere planare, leitende Ringe (planar leitende Ringe 151 und 152), einen Einspeiseleiter 160, ein Patch/Feld 170, eine Vielzahl von leitenden Durchkontaktierungen 181. Das erste Substrat 110 umfasst eine erste Oberfläche 111 und eine zweite Oberfläche 112, wobei die erste Oberfläche 111 gegenüberliegend zu der zweiten Oberfläche 112 ist. Das zweite Substrat 120 umfasst eine dritte Oberfläche 121 und eine vierte Oberfläche 122, wobei die dritte Oberfläche 121 gegenüberliegend zu der vierten Oberfläche 122 ist. Die leitende Schicht 130 ist auf der ersten Oberfläche 111 angeordnet. Die zweite leitende Schicht 140 ist auf der zweiten Oberfläche 112 angeordnet, wobei eine Hauptöffnung 141 auf der zweiten leitenden Schicht 140 ausgebildet ist, die durch erste leitende Durchkontaktierungen 181 umgeben wird, die die erste leitende Schicht 130 und die zweite leitende Schicht 140 elektrisch verbinden, und die Hauptöffnung 141 und die umgebenden Durchkontaktierungen definieren eine Strahlungskavität. Der erste planare, leitende Ring 151 ist zwischen der ersten leitenden Schicht 130 und der zweiten leitenden Schicht 140 angeordnet (eingebettet in das erste Substrat 110). Die zweiten planaren, leitenden Ringe 152 sind oberhalb des ersten planaren, leitenden Rings 151 und in das zweite Substrat 120 eingebettet. Der erste planare, leitende Ring 151 und der zweite planare, leitende Ring 152 umgeben die Strahlungskavität. Die erste leitende Durchkontaktierung 181 verbindet die erste leitende Schicht 130, die zweite leitende Schicht 140, den ersten planaren leitenden Ring 151 und den zweiten planaren leitenden Ring 152. Der Abstand der ersten leitenden Durchkontaktierungen 181, die die Strahlungskavität umgeben, erfüllen eine erste vorbestimmte Regel. In dieser Ausführungsform sind die erste leitende Schicht 130 und die zweite leitende Schicht 140 Masseebenen, und somit sind die umgebenden Durchkontaktierungen 181, der erste planare, leitende Ring 151 und der zweite planare Ring 152 ebenfalls geerdet. Der Einspeiseleiter 160 erstreckt sich zwischen der ersten leitenden Schicht 130 und der zweiten leitenden Schicht 140 in die Strahlungskavität, um ein kabelloses Signal an die Antenneneinheit 100 zu speisen. Der Patch 170 ist auf der vierten Oberfläche 122 oberhalb der Hauptöffnung 141 angeordnet und ist von dem Einspeiseleiter 160 beabstandet.
In der ersten Ausführungsform bildet die zweite leitende Schicht 140 mit der Hauptöffnung 141, der erste planare, leitende Ring 151, die zweiten, planaren leitenden Ringe 152, die ersten leitenden Durchkontaktierungen 181 und die erste leitende Schicht 130 eine Kavität. Die Oberflächenwelle, die in dem ersten Substrat 110 und im zweiten Substrat 120 fließen, wird durch die planar ausgebildete Kavität aufgehalten. Daraus ergibt sich, dass die Antenneneinheit 100 der ersten Ausführungsform eine verbessere Isolierung bereitstellt und eine stabile, aktive Impedanz für weitwinklige Scans. Zusätzlich erstreckt sich der Einspeiseleiter 160 zwischen der ersten leitenden Schicht 130 und der zweiten leitenden Schicht 140, um das kabellose Signal zu der Antenneneinheit 100 zu speisen (geringere Einspeisestruktur). Die Antenneneinheit 100 der ersten Ausführungsform stellt somit einen breiten und verbesserten symmetrischen Isotropengewinn /Gainmuster zu beiden φ=0 Grad und φ=90 Grad -Richtungen bereit, wie in 3 gezeigt.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Richtung IV-IV der 2. Die ein oder mehr zweiten planaren leitenden Ringe 152 werden in das zweite Substrat 120 eingebettet. Auch wenn die ein oder mehr zweiten planaren leitenden Ringe 152 voneinander separiert sind, so sind sie doch mit der ersten leitenden Durchkontaktierung 181 verbunden. Wie in 4 gezeigt, erstrecken sich die ersten leitenden Durchkontaktierungen 181 durch das erste Substrat 110 und das zweite Substrat 120. Der erste planare, leitende Ring 151 ist beabstandet von dem Einspeiseleiter 160. Der erste planare, leitende Ring 151 kann oberhalb oder unterhalb des Einspeiseleiters 160 oder auf der gleichen Ebene wie der Einspeiseleiter 160 sein. Wenn der erste planare, leitende Ring 151 auf der gleichen Ebene wie der Einspeiseleiter 160 angeordnet ist, umfasst der erste planare, leitende Ring 151 eine Ausklinkung, die es erlaubt, dass der Einspeiseleiter 160 durch ihn passiert. In der Ausführungsform der 4 liegt eine Höhe h zwischen der ersten leitenden Ebene 139 und der obersten Ebene des zweiten leitenden Rings 152 um 0,25λ. In einer Ausführungsform der ersten vorbestimmten Regel, kann eine Lücke g zwischen der angrenzenden leitenden Durchkontaktierungen geringer als λ/8 geplant sein. Die Höhe h und der Abstand g können ebenfalls modifiziert werden.
5 zeigt eine Antenneneinheit 102' einer Ausführungsform, wobei der zweite planare, leitende Ring 152 weggelassen wird. Verglichen mit dem konventionellen Stand der Technik, stellt die Ausführungsform ebenfalls eine verbesserte Isolierung bereit.
6 zeigt eine Antenneneinheit 102" eines anderen modifizierten Beispiels der Ausführungsform nach 5. Wie in 6 gezeigt, kann der erste planare, leitende Ring 151 weiterhin weggelassen werden. Die Antenneneinheit mit einer niedrigeren Einspeisestruktur (der Einspeiseleiter 160 erstreckt sich zwischen der ersten leitenden Schicht 130 und der zweiten leitenden Schicht 140) und kann ebenfalls die symmetrischen Gewinnmuster bei sowohl φ=0 Grad und φ=90 Grad-Richtungen verbessern.
7 zeigt eine Antenneneinheit 103 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Einspeiseleiter 160 höher oberhalb der zweiten leitenden Schicht 140 platziert ist. Mit den planaren, leitenden Ringen der Antenneneinheit 103 kann die Antenneneinheit 103 weiterhin eine verbesserte Isolierung bereitstellen und eine stabile aktive Impedanz für ein Weitwinkel- Scanning/Abtasten.
In den Ausführungsformen oben können der erste und der zweite planare, leitende Ring planare Metallringe sein, welche durch Aufdrucken ausgebildet sind. Das erste und zweite Substrat können aus einer Vielzahl von Substrat-Schichten zusammengesetzt sein.
Wie in 8A gezeigt, kann der Patch weggelassen werden. Die 8B~8F zeigen modifizierte Beispiele, wobei der Patch 170 unterschiedliche Formen aufweisen kann, die in unterschiedlichen Richtungen, oder in einem Array angeordnet sein können.
9 zeigt eine Antenneneinheit 104 der dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Einspeiseleiter 160', der erste planare, leitende Ring 151' und der zweite planare Leitendering 152' kreisförmig sein können. Wie in der dritten Ausführungsform gezeigt, können die Form des Einspeiseleiters und der planaren leitenden Ringe modifiziert werden.
10A zeigt ein modifiziertes Beispiel der Erfindung bestehend aus einem Antennenbereich, der in eine mehrere Schichten umfassendes Paketsubtrat mit 2x2 Antenneneinheiten 100, 102, 102', 102", 103 oder 104 eingebettet ist, welches weiterhin ein vertikales Koaxialkabel 161 umfasst, ausgebildet durch eine Vielzahl von zweiten leitenden Durchkontaktierungen 182 und einem zentralen Leiter 161, um eine Signalinterverbindung zwischen unterschiedlichen Schichten in dem Paketsubstrat bereitzustellen. Die zweiten leitenden Durchkontaktierungen 182, die eine Verbindung zwischen der ersten leitenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht 140 bilden, umgeben zumindest einen Bereich des zentralen Leiters 160 des koaxialen Kabels. In einem Antennenbereich wird die Verbindung zwischen einem Einspeiseleiter 160 und einem Koaxkabel verkürzt und wird von geerdeten Durchkontaktierungen umgeben, um die Übertragungsverluste zu minimieren und die ungewollten Rückkopplungen zu eliminieren, wobei die ungewollten Rückkopplungen nicht nur von den angrenzenden Antennenelementen jedoch auch von den Paketleistungsebenen und anderen zwischenverbindenden Leitern kommen können. Wie in 10B gezeigt, werden in einem anderen modifizierten Beispiel eine Vielzahl von dritten leitenden Durchkontaktierungen 183 neben dem Einspeiseleiter 160 ausgebildet. Die zweiten und dritten leitenden Durchkontaktierungen 182 und 183 können einen geringen Einspeiseleiterverlust bereitstellen und ungewollte Rückkopplungen vermeiden, welche vom angrenzenden Antennenelementeinspeiser 160 oder Signalbahnen in Paketlayout stammen. Sowohl 10A als auch 10B der Ausführungsform der Erfindung können einfach in Massenproduktion durch einen Standard PCB oder LTCC Prozess mit geringen Kosten hergestellt werden.
Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Originalbegriffen, wie z. B. „ersten“, „zweiten“, „dritten“, usw. in den Ansprüchen zur Modifikationen eines Anspruchselements keinerlei Priorität, Vorrang oder Reihenfolge von einem Anspruchselement gegenüber einem anderen Anspruchselement oder eine temporäre Reihenfolge bedeuten, in welche Teile der Verfahren durchgeführt werden, sondern im Wesentlichen als Markierung verwendet werden, um Anspruchselemente die einen bestimmten Namen haben von anderen Elementen zu unterscheiden, die den gleichen Namen haben (mit der Ausnahme der Verwendung von Originalbegriffen), um die Anspruchselemente zu unterscheiden.
Während die Erfindung durch Beispiele und mit Begriffen hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung darauf nicht beschränkt ist um die Ausführungsformen darzustellen. Im Gegenteil, es wird beabsichtigt, eine Vielzahl von Modifikationen und ähnlichen Anordnungen (wie sie einem Fachmann auf diesem Gebiet naheliegen würden) abzudecken. Daraus ergibt sich, dass der Schutzumfang der angefügten Ansprüche der breitesten Interpretation unterliegen soll, um all solche Modifikationen und ähnliche Anordnungen abzudecken.

Claims

Eine Antenneneinheit (100), umfassend: Ein erstes Substrat (110), umfassend eine erste Oberfläche (111) und eine zweite Oberfläche (112), wobei die erste Oberfläche gegenüberliegend zu der zweiten Oberfläche ist; und eine erste leitende Schicht (130), angeordnet auf der ersten Oberfläche; eine zweite leitende Schicht (140), angeordnet auf der zweiten Oberfläche, wobei eine Hauptöffnung (141) umgeben von einer Vielzahl von ersten leitenden Durchkontaktierungen (181), die elektrisch die erste und die zweite leitende Oberfläche verbinden, auf der zweiten leitenden Schicht ausgebildet ist; ein erster planarer, leitender Ring (151), der in das erste Substrat eingebettet ist; und ein zweites Substrat (120), umfassend eine dritte Oberfläche (121) und eine vierte Oberfläche (122), wobei die dritte Oberfläche gegenüberliegend zu der vierten Oberfläche liegt und die zweite leitende Schicht kontaktiert, die zweite leitende Schicht (140) mit der Hauptöffnung (141), dem ersten planaren, leitenden Ring (151), einem zweiten planaren, leitenden Ring (152), den ersten leitenden Durchkontaktierungen (181) und der ersten leitenden Schicht (130) eine Strahlungskavität bildet, und der leitende Ring (151) die Strahlungskavität umgibt; ein Einspeiseleiter (160), der ein kabelloses Signal in die Antenneneinheit einspeist, und ein Patch (170), der auf der vierten Oberfläche (122) oberhalb der Hauptöffnung (141) angeordnet ist.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, wobei der Einspeiseleiter zwischen der ersten leitenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht angeordnet ist.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, wobei ein oder mehr erste planare Ringe zwischen der ersten leitenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht angeordnet sind.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, wobei der erste planare, leitende Ring mit der ersten leitenden Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, wobei der Patch auf der vierten Oberfläche oberhalb der Hauptöffnung angeordnet und von dem Einspeiseleiter separiert ist.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 5, weiterhin umfassend zwei oder mehr zweite planare, leitende Ringe, die die Strahlungskavität umgeben, wobei die zweiten planaren, leitenden Ringe in das zweite Substrat eingebettet sind und oberhalb des ersten planaren leitenden Ringes sind.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 5, weiterhin umfassend ein oder mehr planare, leitende Ringe, die die Strahlungskavität umgeben, wobei der zweite planare, leitende Ring auf dem zweiten Substrat und oberhalb des ersten planaren leitenden Rings angeordnet ist.
Die Antenneneinheit nach den Ansprüchen 6 oder 7, wobei der zweite planare, leitende Ring und der erste planare, leitende Ring elektrisch mit der ersten und zweiten leitenden Schicht verbunden sind.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 5, wobei der Einspeiseleiter in das zweite Substrat oberhalb der zweiten leitenden Schicht eingebettet ist.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von zweiten leitenden Durchkontaktierungen und eine ein vertikales koaxiales Kabel formende Durchkontaktierung verwendet werden, um den Antenneneinspeiseleiter von nichtbeabsichtigten, unerwünschten Koppel- und Routingsignalen in andere Schichten im Paketdesign zu isolieren.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen jeder der zwei leitenden Durchkontaktierungen geringer als λ/8 ist.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Vielzahl von dritten leitenden Durchkontaktierungen, die ausgebildet sind, um eine Einspeiseleitung des Einspeiseleiters zu bilden.
Die Antenneneinheit nach Anspruch 6, wobei die Höhe zwischen der ersten leitenden Schicht und der obersten Ebene des zweiten leitenden Rings im Wesentlichen λ/4 ist.