DE102013219697A1

DE102013219697A1 - Radiofrequenzantenne

Info

Publication number: DE102013219697A1
Application number: DE201310219697
Authority: DE
Inventors: Abdellatif Zanati; Jörg Hüttner; Florian Poprawa
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Radiofrequenzantenne weist ein Substrat mit mindestens zwei zumindest bereichsweise leitenden Lagen auf. Die Radiofrequenzantenne umfasst einen sich quer zur flächigen Erstreckung der Lagen durch das Substrat hindurch erstreckenden Hohlleiter sowie einen Streifenleiter, welcher mit seiner Längserstreckung entlang einer ersten der Lagen an dieser ausgebildet ist, sowie ein Patchelement, welches mit seiner flächigen Erstreckung entlang einer weiteren Lagen an dieser ausgebildet und innerhalb des Hohlleiters angeordnet ist. Patchelement und Streifenleiter sind miteinander elektromagnetisch koppelbar.

Description

Radarschaltungen, insbesondere für industrielle Anwendungen, werden zunehmend integriert realisiert, das heißt zahlreiche Schaltungskomponenten befinden sich auf einem Chip, wobei die Schaltungskomponente mit einer Sende- und/oder Empfangsantenne verbunden sind. Der Chip mit den Schaltungskomponenten ist regelmäßig als Multilayer-Substrat aufgebaut. Sende- und/oder Empfangsantenne sind häufig als planare Antenne, Linsenantenne oder Hohlleiterantenne ausgebildet.
Planare Antennen sind in der Regel kostengünstig, aber zugleich sehr schmalbandig. Breitbandige Antennen mit hoher Richtwirkung hingegen sind regelmäßig als Horn- oder Linsenantenne realisiert. Die Speisung von Hornantennen kann mittels eines Hohlleiters erfolgen, während bei Linsenantennen eine Speisung mittels Hohlleitern oder Patchantennen erfolgen kann. Die Integration von Hohlleiterübergängen auf Multilayer-Substraten ist jedoch technologisch aufwändig und kostenintensiv. Ferner ist die Abstrahlung solcher Hohlleiterübergänge vergleichsweise hoch, so dass eine Funkzulassung schwierig ist. Speisungen mittels Patchantennen lassen sich zumeist nur schmalbandig realisieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Radiofrequenzantenne zu schaffen, bei welcher eine Speisung einfach, kostengünstig und breitbandig erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Radiofrequenzantenne mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne weist ein Substrat mit mindestens zwei zumindest bereichsweise leitenden Lagen, insbesondere ein Multilayer-Substrat, auf. Ferner weist die Radiofrequenzantenne einen sich quer zur flächigen Erstreckung der Lagen durch das Substrat hindurch erstreckenden Hohlleiter sowie einen Streifenleiter auf, welcher mit seiner Längserstreckung entlang einer ersten der Lagen an dieser ausgebildet ist. Ferner weist die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne ein Patchelement auf, welches mit seiner flächigen Erstreckung entlang einer weiteren Lage an dieser ausgebildet und innerhalb des Hohlleiters angeordnet ist. Das Patchelement und der Streifenleiter sind miteinander elektromagnetisch koppelbar.
Die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne ist einfach und kostengünstig fertigbar. Insbesondere kann der Übergang für verschiedene Substrate geeignet skaliert sein und für sehr hohe Frequenzen ausgebildet sein. Es besteht ferner eine hohe Flexibilität in der Ausbildung der Hohlleiterübergänge, insbesondere hinsichtlich des Querschnitts des jeweiligen Hohlleiters. Die vorgestellte Lösung lässt sich mit sehr geringer Abstrahlung ausbilden, die unter dem Grenzwert für eine Funkzulassung liegt. Es lässt sich eine sehr gute Anpassung über große Bandbreiten erzielen.
Zweckmäßigerweise ist bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne der Streifenleiter an einer Außenfläche des Substrats angeordnet. Der Streifenleiter lässt sich somit mittels eines an sich bekannten Standardprozesses ausbilden.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne der Hohlleiter mit zumindest zwei, vorzugsweise mehreren, sich durch das Substrat hindurch erstreckender Durchkontaktierungen gebildet. Insbesondere handelt es sich bei diesen Durchkontaktierungen um sogenannte "VIAS". Solche Durchkontaktierungen bilden einen Standardfertigungsprozess bei der Fertigung von Multilayer-Substraten. Folglich kann die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne mittels etablierter Fertigungsverfahren gebildet werden.
Zweckmäßigerweise sind eine oder mehrere, vorzugsweise sämtliche, der Durchkontaktierungen mit einem Referenz-, insbesondere einem Erdpotential, verbunden. Insbesondere ist an eine, mehrere oder sämtliche der mit einem Referenzpotential verbundenen Durchkontaktierungen eine Fläche leitend angebunden, welche sich entlang einer der leitenden Lagen, insbesondere entlang einer Außenseite des Substrats, erstreckt. Der Abstand des Patchelements von dieser Fläche geht maßgeblich mit der Bandbreite der Radiofrequenzantenne einher. Erfindungsgemäß ist die Bandbreite dabei umso größer, je größer der Abstand des Patchelements zu dieser Fläche ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne weist das Patchelement entlang seiner flächigen Erstreckung einen runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitt auf. Alternativ und ebenfalls bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne das Patchelement entlang seiner flächigen Erstreckung einen polygonförmigen Querschnitt, insbesondere einen quaderförmigen Querschnitt, auf.
Bevorzugt sind die Durchkontaktierungen des Hohlleiters entlang der Flächenerstreckung zumindest einer der Lagen entlang eines runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitts angeordnet. Geeigneterweise sind die Durchkontaktierungen des Hohlleiters entlang der flächigen Erstreckung zumindest einer der Lagen entlang eines polygonförmigen, insbesondere quaderförmigen, Querschnitts angeordnet.
Geeigneterweise umgeben bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne die Durchkontaktierungen des Hohlleiters das Patchelement entlang der flächigen Erstreckungen zumindest einer der Lagen, zumindest bereichsweise, umfänglich.
Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne das Patchelement als parasitäres Patchelement ausgebildet und angeordnet. Mittels eines parasitären Patchelements kann die Bandbreite der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne sehr hoch realisiert sein.
Idealerweise umfasst die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne einen Hornstrahler oder eine Linse.
Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne der Hornstrahler oder die Linse an einer Außenfläche des Substrats angeordnet. Geeigneterweise befinden sich Hornstrahler und/oder Linse an einer solchen Außenseite des Substrats, welche derjenigen Außenseite, an welcher sich der Streifenleiter befindet, abgewandt ist. Auf diese Weise ist der Streifenleiter sowie eine sich an den Streifenleiter anschließende elektrische Schaltung von dem mittels der Radiofrequenzantenne abgestrahlten oder empfangenen elektromagnetischen Feld abgeschirmt.
Geeigneterweise mündet bei der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne der Hohlleiter zur Speisung des Hornstrahlers in einer Einmündung des Hornstrahlers ein, oder aber mündet zur Speisung der Linse in diese Linse ein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne schematisch im Längsschnitt,
2 die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne gemäß 1 entlang verschiedener Lagen schematisch im Querschnitt sowie
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne entlang verschiedener Lagen schematisch im Querschnitt.
Die in 1 dargestellte Radiofrequenzantenne weist ein Substrat S5 auf, welches als Multilayer-Substrat mit fünf leitenden Lagen L1, L2, L3, L4 und L5 ausgebildet ist. Zwei Lagen L1, L5 erstrecken sich entlang der Außenseiten A5, A10 des Substrats S5.
Die erfindungsgemäße Radiofrequenzantenne wird durch eine Mikrostreifenleitung 1 gespeist. Dabei regt die Mikrostreifenleitung 1 ein Patchelement 3 nach dem Proximity-Antennen-Prinzip an. Eine kurzgeschlossene Fläche 2 an der Außenseite A5 des Substrats S5 bildet dabei das Referenz- und Erdpotential für das Patchelement 3. Die Leistung des Patchelements 3 wird in einen Hohlleiter H eingespeist, welcher sich quer, im dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht, zu den flächigen Erstreckungen der Lagen L1, L2, L3, L4 und L5 durch das Substrat S5 hindurch erstreckt. Der Hohlleiter H ist mittels einer in Richtung der flächigen Erstreckungen der Lagen L1, L5 abfolgenden Abfolge von Durchkontaktierungen 5 ("VIAZAUN"), welche sich senkrecht zu den Lagen L1, ... L5 durch das Substrat S5 hindurch erstrecken, gebildet. Die Breite des Hohlleiters H und die geometrischen Abmessungen des Patchelements 3 sind entsprechend der beabsichtigten Frequenz, des herangezogenen Materials und der erforderlichen Höhen der Lagen L1, ... L5 des Substrats S5 gewählt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Patchelement 3 nicht an der Lage L3, sondern an einer weiteren Lage, beispielsweise der Lage L2, L4 oder L5 angeordnet.
Patchelement 3 und die Anordnung der Durchkontaktierungen 5 der erfindungsgemäßen Radiofrequenzantenne kann wie in 2 dargestellt, einer quaderförmigen Gestalt folgen (Figuren A bis C). Alternativ weisen Patchelement 3 und die Anordnung von Durchkontaktierungen 5 wie in 3 dargestellt, eine kreisrunde Gestalt auf (Figuren A bis C).
In den dargestellten Ausführungsbeispielen speisen die Hohlleiter H jeweils eine Linse oder einen Hornstrahler (in der Zeichnung nicht dargestellt).

Claims

Radiofrequenzantenne aufweisend ein Substrat mit mindestens zwei zumindest bereichsweise leitenden Lagen, einen sich quer zur flächigen Erstreckung der Lagen durch das Substrat erstreckenden Hohlleiter, sowie einen Streifenleiter, welcher mit seiner Längserstreckung entlang einer ersten der Lagen an dieser ausgebildet ist, sowie ein Patchelement, welches mit seiner flächigen Erstreckung entlang einer weiteren Lage an dieser ausgebildet und innerhalb des Hohlleiters angeordnet ist, wobei Patchelement und Streifenleiter miteinander elektromagnetisch koppelbar oder gekoppelt sind.
Radiofrequenzantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher der Streifenleiter an einer Außenseite des Substrats angeordnet ist.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Hohlleiter mittels zumindest zwei, vorzugsweise mehrerer, sich durch das Substrat hindurch erstreckenden Durchkontaktierungen gebildet ist.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine oder mehrere, insbesondere sämtliche, Durchkontaktierungen mit einem Referenzpotential, insbesondere einem Erdpotential, verbunden sind.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Patchelement entlang seiner flächigen Erstreckung einen runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitt aufweist.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Patchelement entlang seiner flächigen Erstreckung einen polygonförmigen Querschnitt, insbesondere einen quaderförmigen Querschnitt, aufweist.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Durchkontaktierungen des Hohlleiters entlang der flächigen Erstreckungen zumindest einer der Lagen entlang eines runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitts angeordnet sind.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Durchkontaktierung des Hohlleiters entlang der flächigen Erstreckungen zumindest einer der Lagen entlang eines polygonförmigen, insbesondere quaderförmigen, Querschnitts angeordnet sind.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Durchkontaktierungen des Hohlleiters entlang der flächigen Erstreckungen zumindest einer der Lagen das Patchelement, zumindest bereichsweise, umfänglich umgeben.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Patchelement als parasitäres Patchelement ausgebildet und angeordnet ist.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Hornstrahler und/oder eine Linse.
Radiofrequenzantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher Hornstrahler und/oder Linse an einer Außenfläche des Substrats angeordnet ist/sind.
Radiofrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Hohlleiter zur Speisung des Hornstrahlers in eine Einmündung des Hornstrahlers einmündet und/oder der Hohlleiter zur Speisung der Linse in die Linse einmündet.