DE102016201978A1

DE102016201978A1 - Antennenvorrichtung und Antennengruppenvorrichtung für Millimeterwellen

Info

Publication number: DE102016201978A1
Application number: DE102016201978.3A
Authority: DE
Inventors: Cheng-Nan Hu; Der-Phone Lin
Original assignee: National Chung Shan Institute of Science and Technology NCSIST
Current assignee: National Chung Shan Institute of Science and Technology NCSIST
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-11
Also published as: DE102016201978B4

Abstract

Die Erfindung stellt eine Antennenvorrichtung und eine Antennengruppenvorrichtung für Millimeterwellen bereit. Die Aufnahme für den Koaxialstecker wird mittels des Hervorstehens des Zapfelements an der Aufnahme für den Koaxialstecker aus der durchgehenden Bohrung in der Grundplatte für Millimeterwellen befestigt, um zu gewährleisten, dass die Grundplatte für Millimeterwellen mit der Aufnahme für den Koaxialstecker eng verbunden wird. Darüber hinaus wird die Einheit der Einspeiseimpedanz der Struktur der Mikrostreifen-Antennen präzise positioniert. Wenn die Grundplatte für Millimeterwellen durch eine dreieckige Anordnung am Rückwandrahmen für Antennen befestigt wird, ergibt sich zum Erfüllen der Anforderung an die Tastweite des Antennenstrahls in Höhe von ungefähr +/–30° ein breiterer Abstand der Antennen, ungefähr zwischen 8,5 und 12 mm. Dadurch wird das Problem beseitigt, dass der Abstand der Antennen mit den Wellenleitern zu gering ist, um externe Sendemodule/Empfangsmodule anzuschließen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung, insbesondere eine Antennenvorrichtung für Millimeterwellen und deren Antennengruppenvorrichtung.
Bei Millimeterwellen (millimeter-wave) handelt es sich um elektromagnetische Wellen, deren Bereich zwischen Mikrowellen und Lichtwellen liegt, was also normalerweise einem Frequenzband der Millimeterwellen von 30 bis 300 GHz bzw. einer Wellenlänge von 1 bis 10 mm entspricht. Bei Millimeterwellen steht ein breiteres Frequenzband zur Verfügung. Mit der rasanten Zunahme der Datenmenge erhöht sich der zu übertragende Datenfluss von Tag zu Tag. Es wird vorausgesagt, dass sich der Datenfluss nach der Zeit von 4G (Beyond 4G, B4G) bis zum Jahr 2020 um den Faktor 1.000 bzw. bis zum Jahr 2025 um den Faktor 10.000 erhöhen wird. Dabei wird die Übertragungstechnik des Ausschnitts des Spektrums der Millimeterwellen (Millimeter Wave, Mm-wave) als eine Schlüsselkommunikationstechnik betrachtet, welche eine gute Übertragungsleistung für einen hohen Datenfluss aufweist und bei der Entwicklung der Kommunikationstechnik nicht nur nach der Zeit von 4G, sondern sogar noch in der Zeit von 5G eine entscheidende Rolle spielt.
In 1a ist eine herkömmliche Technik einer glasbasierten, phasengesteuerten Hochleistungs-Millimeterwellen-Gruppenantenne mit 60GHz gezeigt. Dabei wird das in den USA am 02.12.2014 erteilte Patent mit der Nummer US8,901,688 dargestellt, bei dem eine im Substrat 10 der phasengesteuerten Gruppenantennen (phased array antennas, PAA) vorgesehene Aushöhlung 11 ausgeführt ist, welche sich unterhalb der Planarantennenelemente (12, 13) befindet. Emitterspuren 14 (emitter traces) sind auf dem Planarantennenelement (12, 13) und dem PAA-Substrat ausgeführt, welches den Emitterspuren 14 gegenübersteht, wobei die Aushöhlungen 11 und die Planarantennenelemente (12, 13) senkrecht zueinander ausrichtet sind. Bei diesem Aufbau müssen die Aushöhlungen 11 und die Planarantennenelemente (12, 13) präzise senkrecht zueinander ausgerichtet sein. Außerdem spielen der RFIC-Die 15 der Silicium-Durchkontaktierung (through-silicon via, TSV) und die Konfiguration der Silicium-Durchkontaktierung 16 auch eine Rolle, was die Kosten erhöht und leicht durch geringfügige Abweichungen zu einem Übertragungsverlust führt.
In 1b ist eine herkömmliche Technik einer aktiven elektronisch abtastenden Gruppenantenne gezeigt. Dabei wird das in den USA am 05.12.2013 erteilte Patent mit der Nummer US2013/0321228 dargestellt, bei dem ein Körper 21 mittels der am Körper 21 vorgesehenen kreisförmigen Bohrungen 25 und der entsprechenden Befestigungsbohrungen 22 ausgerichtet ist. Danach wird der Körper 21 mittels des Gewindes der Befestigungselemente wie Schrauben mit einer Grundaufnahme des Radiators 23 verbunden und auf dieser eingesetzt, wobei der Koaxialverbinder 24 mit dem am Körper 21 vorgesehenen Sendeanschluss bzw. Empfangsanschluss entsprechend verbunden ist, um einen Antennenstab 20 entstehen zu lassen. Dieser Zusammenbau ist nicht nur kompliziert bzw. unhandlich, sondern führt auch durch geringfügige Abweichungen der Ausrichtungsgenauigkeit leicht zu einem Übertragungsverlust.
In 1c ist eine herkömmliche Technik einer phasengesteuerten Gruppenantenne gezeigt. Dabei wird das in den USA am 13.11.2014 erteilte Patent mit der Nummer US2014/0333480 dargestellt, bei dem es um die Funkfrequenz-Integrierte-Schaltung-Chipvorrichtung für die phasengesteuerten Gruppenantennen 30 geht und auf dem PAA-Substrat 32 mehrere Planarantennenelemente 31 in einem rechteckigen Muster im gleichen Abstand nebeneinander angeordnet sind. Allerdings weist eine solche Anordnung einen zu geringen Abstand zwischen den Antennen auf, was oft Schwierigkeiten beim Einsetzen des Sendemoduls/Empfangsmoduls erzeugt.
In 1d ist eine herkömmliche Technik einer Gruppenantenne gezeigt. Dabei wird das in den USA am 14.08.2012 erteilte Patent mit der Nummer US8,242,966 dargestellt, bei dem es um die Gruppenantennen 40 geht, welche aus einer dreidimensional eingerichteten ersten Antenneneinheit 41, zweiten Antenneneinheit 42, dritten Antenneneinheit 43 und vierten Antenneneinheit 44 bestehen. Allerdings weist eine solche Konstruktion ebenfalls Schwierigkeiten beim Einsetzen des Sendemoduls/Empfangsmoduls auf.
Daher bestehen die Aufgaben darin, die Millimeterwellen-Gruppenantennen mittels der Mikrowellen-Integrierten-Schaltung zu integrieren und zu gewährleisten, dass der Übertragungsverlust der Signale zugleich möglichst gering ist und der Bedarf an Kommerzialisierung und Massenproduktion abgedeckt werden kann. Beispielweise müssen die Antennen beim 5G-Kommunikationssystem eine Tastweite des Antennenstrahls beim Abtasten des Antennenstrahls von ungefähr +/–30 Grad aufweisen können. Allerdings führt dies dazu, dass der Abstand der Antennen ungefähr zwischen 0,6λ bis 0,7λ, also zwischen 4,7 bis 5,5 mm liegt. Eine solche enge Anordnung führt zu zwei folgenden Schwierigkeiten beim Konstruieren der Wellenleiter für die Millimeterwellen-Gruppenantennen. (1) Der Mechanismus der Antennen mit den Wellenleitern muss mit hoher Genauigkeit angefertigt werden und die Herstellung ist daher schwierig. (2) Der Abstand der Antennen mit den Wellenleitern ist zu gering, so dass keine Wellenleiter-Flansche oder externe Sendemodule/Empfangsmodule für den K-Verbinder eingesetzt werden können.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass der Aufbau der Millimeterwellen-Antennen die Eigenschaft eines geringen Signalverlusts besitzt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass bei herkömmlichen Millimeterwellen-Antennen der Mangel an Genauigkeit des Mechanismus durch die Einschränkung der physikalischen Größe (physical size) der Schaltung beseitigt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass beim Mechanismus der Antennen mit den Wellenleitern externe Sendemodule/Empfangsmodule eingesetzt werden können.
Zum Adressieren der genannten und weiteren Aufgaben stellt die Erfindung eine Millimeterwellen-Antennenvorrichtung bereit, welche die folgenden Elemente umfasst: eine Grundplatte für Millimeterwellen, in der in Linienrichtung mehrere durchgehende Bohrungen ausgeführt sind. Die Grundplatte für Millimeterwellen weist eine Struktur der Mikrostreifen-Antennen auf, welche durch die auf der Grundplatte für Millimeterwellen angebrachte obere Außenfläche aus einer Metallschicht und untere Außenfläche aus einer Metallschicht hergestellt ist. Weiterhin eine Aufnahme für den Koaxialstecker, in dem eine Aussparung zum Einstecken von einem Koaxialstecker vorgesehen ist. Am Aussparungsgrund ist eine Öffnung vorgesehen, um einen Innenleiter und einen Außenleiter des Koaxialsteckers freilegen zu können. In der Aufnahme für den Koaxialstecker ist am Außenrand der Öffnung der Aussparung mindestens ein Zapfelement vorgesehen. Dabei sind der aus der Aufnahme für den Koaxialstecker freigelegte Innenleiter und der Außenleiter des Koaxialsteckers bei der Verbindung der Kopfseite der Aufnahme für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen mit der Struktur der Mikrostreifen-Antennen elektrisch verbunden. Darüber hinaus steht das mindestens eine Zapfelement zum Befestigen der Aufnahme für den Koaxialstecker aus der entsprechenden durchgehenden Bohrung hervor.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Zapfelemente zwei, welche in der Aufnahme für den Koaxialstecker am Außenrand der Öffnung der Aussparung vorgesehen sind. Die Grundplatte für Millimeterwellen weist den zwei Zapfelementen entsprechend durchgehende Bohrungen auf.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Metallschicht, welche sich auf der oberen Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und im Mittelbereich zwischen den durchgehenden Bohrungen befindet, die erste Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen, wobei die Metallschicht, welche sich auf der unteren Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und der ersten Metallschicht entsprechend im unteren Bereich befindet, die zweite Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen ist. Die zweite Metallschicht gilt als Erdungsfläche.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Innenleiter des Koaxialsteckers bei der Verbindung der Kopfseite der Aufnahme für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen in die Grundplatte für Millimeterwellen gesteckt und mit der ersten Metallschicht elektrisch verbunden, wobei der Außenleiter des Koaxialsteckers mit der zweiten Metallschicht elektrisch verbunden ist.
Zum Adressieren der genannten und weiteren Aufgaben stellt die Erfindung weiterhin eine Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung bereit, welche die folgenden Elemente umfasst: einen Rückwandrahmen für Antennen, welcher mehrere durchgehende Bohrungen im Rahmen aufweist, die mehrere Koaxialstecker aufnehmen können. Die durchgehenden Bohrungen im Rahmen sind so angeordnet, dass sie mehrere Reihen bilden und zu den durchgehenden Bohrungen im Rahmen in den jeweiligen angrenzenden Reihen versetzt sind. Weiterhin mehrere Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen, welche entsprechend den durchgehenden Bohrungen im Rahmen in mehreren Reihen angeordnet sind. Dabei umfassen die jeweiligen Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen die folgenden Elemente: eine Grundplatte für Millimeterwellen, welche als eine lange Platte entlang der Linienrichtung abgeplattet ist und in der Grundplatte für Millimeterwellen mehrere nacheinander ausgeführte durchgehende Bohrungen in Linienrichtung besitzt. Die Grundplatte für Millimeterwellen weist mehrere Strukturen der Mikrostreifen-Antennen auf, welche durch die auf der Grundplatte für Millimeterwellen angebrachte obere Außenfläche aus einer Metallschicht und untere Außenfläche aus einer Metallschicht hergestellt sind. Weiterhin mehrere Aufnahmen für den Koaxialstecker, in denen jeweils eine Aussparung zum Einstecken von einem Koaxialstecker vorgesehen ist. Am Aussparungsgrund ist eine Öffnung vorgesehen, um einen Innenleiter und einen Außenleiter des Koaxialsteckers freilegen zu können. In den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker ist jeweils am Außenrand der Öffnung der Aussparung mindestens ein Zapfelement vorgesehen. Die jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker sind bei der Verbindung der Kopfseiten der Aufnahmen für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen in den entsprechenden durchgehenden Bohrungen im Rahmen aufgenommen und in Linienrichtung nacheinander unterhalb der Grundplatte für Millimeterwellen angeordnet, wobei die jeweiligen aus den Aufnahmen für den Koaxialstecker freigelegten Innenleiter und Außenleiter mit den Strukturen der Mikrostreifen-Antennen elektrisch verbunden sind. Darüber hinaus steht das mindestens eine Zapfelement zum Befestigen der jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker entsprechend aus der durchgehenden Bohrung hervor.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Zapfelemente zwei, welche in den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker an den Außenrändern der Öffnungen der Aussparungen vorgesehen sind. Die Grundplatte für Millimeterwellen weist entsprechend den zwei Zapfelementen durchgehende Bohrungen auf. Dabei dienen die durchgehenden Bohrungen, die sich oberhalb und unterhalb der zwei nebeneinander stehenden, den zwei Zapfelementen entsprechenden durchgehenden Bohrungen befinden, zum Stecken der Befestigungselemente, damit die Grundplatte für Millimeterwellen am Rückwandrahmen für die Antennen befestigt ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Metallschicht, welche sich auf der oberen Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und im Mittelbereich zwischen den den zwei Zapfelementen entsprechenden durchgehenden Bohrungen befindet, die erste Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen, wobei die Metallschicht, welche sich auf der unteren Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und der ersten Metallschicht entsprechend im unteren Bereich befindet, die zweite Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen ist. Die zweite Metallschicht gilt als Erdungsfläche.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Innenleiter der jeweiligen Koaxialstecker bei der Verbindung der Kopfseiten der jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen in die Grundplatte für Millimeterwellen gesteckt und mit der ersten Metallschicht elektrisch verbunden, wobei die Außenleiter der Koaxialstecker mit der zweiten Metallschicht elektrisch verbunden sind.
Hierdurch kann bei der Erfindung die Grundplatte für Millimeterwellen mit der Aufnahme für den Koaxialstecker eng verbunden werden. Darüber hinaus wird die Einheit der Einspeiseimpedanz der Struktur der Mikrostreifen-Antennen präzise positioniert. Wenn die Grundplatte für Millimeterwellen durch eine dreieckige Anordnung am Rückwandrahmen für Antennen befestigt wird, ergibt sich zum Erfüllen der Anforderung an die Tastweite des Antennenstrahls in Höhe von ungefähr +/–30° ein breiterer Abstand der Antennen, ungefähr zwischen 8,5 bis 12 mm. Dadurch wird das Problem beseitigt, dass der Abstand der Antennen mit den Wellenleitern zu gering ist, um externe Sendemodule/Empfangsmodule anzuschließen.
1a Schematische Darstellung des in den USA am 02.12.2014 erteilten Patents mit der Nummer US8,901,688
1b Schematische Darstellung des in den USA am 02.12.2014 erteilten Patents mit der Nummer US2013/0321228
1c Schematische Darstellung des in den USA am 02.12.2014 erteilten Patents mit der Nummer US2014/0333480
1d Schematische Darstellung des in den USA am 02.12.2014 erteilten Patents mit der Nummer US8,242,966
2 Explosionsdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Millimeterwellen-Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
3 Darstellung der Millimeterwellen-Antennenvorrichtung im zusammengebauten Zustand gemäß der Ausführungsform in 2
4 Explosionsdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
5 Schematische Darstellung der Patch-Geometrie der erfindungsgemäßen Millimeterwellen-Antennenvorrichtung
6a Tatsächliches Messergebnis der Vollwellen der Millimeterwellen-Gruppenantennenvorrichtung mittels HFSS gemäß 5
6b Simulationsergebnis der Vollwellen der Millimeterwellen-Gruppenantennenvorrichtung mittels HFSS gemäß 5
Zum völligen Verständnis der erfindungsgemäßen Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften wird die Erfindung durch die folgenden speziellen Ausführungsformen in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen detailliert erläutert. Erläuterungen folgen unten.
Zuerst werden die 2 und 3 zusammen erläutert. In 2 ist eine Explosionsdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Millimeterwellen-Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform gezeigt. In 3 ist eine Zusammenbaudarstellung der Millimeterwellen-Antennenvorrichtung gemäß der Ausführungsform in 2 gezeigt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst die Millimeterwellen-Antennenvorrichtung die folgenden Elemente: eine Grundplatte für Millimeterwellen 500 und eine Aufnahme für den Koaxialstecker 700. In der Grundplatte für Millimeterwellen 500 sind mehrere durchgehende Bohrungen (511, 512, 521, 522) in Linienrichtung ausgeführt. Die Grundplatte für Millimeterwellen 500 weist eine Struktur der Mikrostreifen-Antennen auf, welche durch die auf der Grundplatte für Millimeterwellen 500 angebrachte obere Außenfläche aus einer Metallschicht 600 und untere Außenfläche aus einer Metallschicht hergestellt ist, welche nicht in der Zeichnung gezeigt ist und sich auf einer anderen Seite der Grundplatte für Millimeterwellen 500 befindet (siehe CGP in 5).
In der Aufnahme für den Koaxialstecker 700 ist eine Aussparung 720 zum Einstecken von einem Koaxialstecker 800 vorgesehen. Am Aussparungsgrund der Aussparung 720 ist eine Öffnung vorgesehen, um einen Innenleiter 810 und einen Außenleiter 820 des Koaxialsteckers 800 freilegen zu können. In der Aufnahme für den Koaxialstecker 700 ist am Außenrand der Öffnung der Aussparung 720 mindestens ein Zapfelement (711, 712) vorgesehen, wobei die Ausführungsform in den 2 und 3 beispielweise mit zwei Zapfelementen (711, 712) ausgeführt ist.
Durch die erfindungsgemäße Konfiguration, insbesondere die Konfiguration, bei der allein der Innenleiter 810 bei dem Koaxialstecker 800 hervorsteht, sind der aus der Aufnahme für den Koaxialstecker 700 freigelegte Innenleiter 810 und der Außenleiter 820 des Koaxialsteckers 800 bei der Verbindung der Kopfseite der Aufnahme für den Koaxialstecker 700 mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen 500 mit der Struktur der Mikrostreifen-Antennen elektrisch verbunden. Darüber hinaus stehen die zwei Zapfelemente (711, 712) zum Befestigen der Aufnahme für den Koaxialstecker aus der entsprechenden durchgehenden Bohrung (521, 522) hervor. Dabei dienen die durchgehenden Bohrungen (511, 512) zum Verschrauben der Grundplatte für Millimeterwellen 500 an anderen Plattenkörpern, so dass zum Beispiel die Grundplatte für Millimeterwellen 500 mittels Verschraubungselementen wie Schrauben am Rahmen aus einem Plattenkörper verschraubt werden kann.
Dabei kann die Metallschicht, welche sich auf der oberen Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen 500 und im Mittelbereich zwischen den durchgehenden Bohrungen (521, 522) befindet, durch Siebdruck bzw. Ätzverfahren zu einer quadratischen oder rechteckigen Strahlplatte ausgedruckt werden und als die erste Metallschicht 600 des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen dienen, wobei die Metallschicht, welche sich auf der unteren Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen 500 und der ersten Metallschicht 600 entsprechend im unteren Bereich befindet, ebenso durch Siebdruck bzw. Ätzverfahren zu einer quadratischen oder rechteckigen Erdungsfläche (ground plane) ausgedruckt und als die zweite Metallschicht dienen kann. Außerdem kann der Innenleiter 810 des Koaxialsteckers 800 als ein Bolzen dienen, welcher die Grundplatte für Millimeterwellen 500 durchdringt, um mit der Durchführungsklemme 601 wie beispielsweise einem Koaxialkabel verbunden zu werden bzw. Strom zuzuführen, so dass hochfrequente elektromagnetische Felder zwischen der ersten Metallschicht 600 und der zweiten Metallschicht angeregt werden. Aus dem Zwischenraum des Randbereichs der ersten Metallschicht 600 und der zweiten Metallschicht werden Signale abgestrahlt. Die Impedanz wird an der Durchführungsklemme einschließlich der Grundplatte für Millimeterwellen 500 und dem Bolzen gemessen. Die Anforderungen sind normalerweise abhängig von den Konstruktionsaufgaben der Antennen. Mit dieser erfindungsgemäßen Konfiguration der Aufnahme für den Koaxialstecker 700 kann auf der Grundplatte für Millimeterwellen 500 die geeignete „Durchführungsstelle“ präzise und leicht festgelegt werden, um eine präzise Stelle für die Einheit der Einspeiseimpedanz bei der Struktur der Mikrostreifen-Antennen zu gewährleisten, wodurch die Anforderung an die Leistungsanpassung erfüllt werden kann.
In 4 wird eine Explosionsdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung umfasst die folgenden Elemente: einen Rückwandrahmen für Antennen 900 und mehrere Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen. Dabei weist der Rückwandrahmen für Antennen 900 mehrere durchgehende Bohrungen im Rahmen auf, die mehrere Koaxialstecker 800 aufnehmen können. Die durchgehenden Bohrungen im Rahmen sind so angeordnet, dass sie mehrere Reihen bilden und zu den durchgehenden Bohrungen im Rahmen in der jeweiligen angrenzenden Reihen versetzet sind. Die Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen sind entsprechend den durchgehenden Bohrungen im Rahmen in mehreren Reihen angeordnet. Dabei bezieht sich RP auf radiating patch (Strahlungspatch), DS auf dielectric substrate (dielektrisches Substrat) bzw. CGP auf conducting ground plane (leitende Erdungsfläche).
Die jeweiligen Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen sind in 4 gezeigt und umfassen jeweils die folgenden Elemente: eine Grundplatte für Millimeterwellen 500a und mehrere Aufnahmen für den Koaxialstecker 700. Die Grundplatte für Millimeterwellen 500a ist eine Variante der Grundplatte für Millimeterwellen 500 aus den 2 und 3, um noch mehr Aufnahmen für den Koaxialstecker in diese einstecken zu können, was eine Gruppenantennenkonfiguration entstehen lässt.
Die Grundplatte für Millimeterwellen 500a ist eine entlang der Linienrichtung abgeplattete lange Platte, und mehrere durchgehenden Bohrungen sind in der Grundplatte für Millimeterwellen 500a auf der Linienrichtung nacheinander ausgeführt. Die Grundplatte für Millimeterwellen 500a weist mehrere Strukturen der Mikrostreifen-Antennen auf, welche durch die auf der Grundplatte für Millimeterwellen angebrachte obere Außenfläche aus einer Metallschicht und untere Außenfläche aus einer Metallschicht hergestellt sind.
Zusammen werden die 2, 3 und 4 erläutert. In den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 sind jeweils eine Aussparung 720 zum Einstecken von einem Koaxialstecker 800 vorgesehen. Am Aussparungsgrund der Aussparung 720 ist eine Öffnung vorgesehen, um einen Innenleiter 810 und einen Außenleiter 820 des Koaxialsteckers 800 freilegen zu können. In den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 ist jeweils am Außenrand der Öffnung der Aussparung 720 mindestens ein Zapfelement (711, 712) vorgesehen. Die jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 sind bei der Verbindung der Kopfseiten der Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen 500a (siehe die Grundplatte für Millimeterwellen 500 in 3) in den entsprechenden durchgehenden Bohrungen im Rahmen aufgenommen und in Linienrichtung nacheinander unterhalb der Grundplatte für Millimeterwellen 500a angeordnet. Die jeweiligen aus den Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 freigelegten Innenleiter 810 und Außenleiter 820 sind entsprechend mit den Strukturen der Mikrostreifen-Antennen elektrisch verbunden. Darüber hinaus steht das mindestens eine Zapfelement (711, 712) zum Befestigen der jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 aus der entsprechenden durchgehenden Bohrung (521, 522) hervor.
Weiterhin ist die Anzahl der Zapfelemente, wie in 4 gezeigt, zwei, welche in den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker 700 an den Außenrändern der Öffnungen der Aussparungen vorgesehen sind. Die Grundplatte für Millimeterwellen 500a weist entsprechend den zwei Zapfelementen durchgehende Bohrungen auf. Dabei dienen die durchgehenden Bohrungen, die sich oberhalb und unterhalb der zwei nebeneinander stehenden, den zwei Zapfelementen entsprechenden durchgehenden Bohrungen befinden, zum Stecken der Befestigungselemente, damit die Grundplatte für Millimeterwellen 500a am Rückwandrahmen für Antennen 900 befestigt ist.
In 5 ist eine schematische Darstellung der Patch-Geometrie der erfindungsgemäßen Millimeterwellen-Antennenvorrichtung gezeigt, und die Konfigurationsabläufe werden mittels einer der Frequenzband in 38 GHz liegenden Patchantenne erläutert.

(a) Anwählen einer Grundplatte für Millimeterwellen, Bestimmen der Höhe h der Grundplatte, Dielektrizitätskonstante der Grundplatte ist εr;
(b) Berechnen der Breite der Mikrostreifenleitung und der effektiven Dielektrizitätskonstanten (εreff) bei der Frequenz von f = 38 GHz mittels der Berechnungsformel für T-Line oder Mikrostreifenleitung;
(c) Berechnen der Breite W des Patchpanels mittels der Formel (1);
Dabei bezieht sich v₀ auf die Lichtgeschwindigkeit.
(d) Berechnen der Länge ΔL der äquivalenten Leitung im Streufeld mittels der Formel (2);
(e) Bestimmen der Länge L des Patchpanels mittels der Formel (3).
(f) Berechnen der Eingangsimpedanz mittels der Formel (4), Übermitteln der Tiefe Xo der Leitung bis zum Anpassen der Eingangsimpedanz an den eingestellten Impedanzwert 50Ω gemäß dieser Ausführungsform.

(8) Simulationsanalyse der Vollwellen auf die Dimensionierung des Aufbaus bzw. die elektrischen Daten hin mittels HFSS zum Übermitteln der geforderten Konstruktionsdimensionen.

Anschließend werden die 6a und 6b erläutert. In 6a ist das tatsächliche Messergebnis bzw. in 6b das Simulationsergebnis der Vollwellen der Millimeterwellen-Gruppenantennenvorrichtung mittels HFSS gemäß 5 gezeigt. In diesen zwei Zeichnungen werden das tatsächliche Messergebnis (measured data) bzw. das Simulationsergebnis in Kennlinien (S11) der Millimeterwellen-Gruppenantennenvorrichtung mit der Struktur der Mikrostreifen-Antennen geschildert. Mit den 6a und 6b wird die Eigenschaft der Konstruktion bei der Erfindung gemäß der Ausführungsform, dass bei einer Mittenfrequenz von 38 GHz eine Bandbreite von 1 GHz erreicht werden kann, verdeutlicht. Darüber hinaus besitzt diese Ausführungsform den Vorteil, dass der Signalverlust gering ist, wodurch die Unzulänglichkeit des hohen Übertragungsverlusts der herkömmlichen Millimeterwellenschaltungen bzw. der dadurch verursachten Verschlechterung des Empfangs des Systems überwunden werden kann. Außerdem werden zugleich die Probleme der schwer erreichbaren Konstruktionsgenauigkeit des Mechanismus bzw. der dadurch verursachten Frequenzabweichung und der unzureichenden Bandbreite durch zu geringe physikalische Größe (physical size) der Schaltung bei der herkömmlichen Millimeterwellenschaltungen aufgehoben. Durch die erfindungsgemäße dreieckige Anordnung am Rückwandrahmen für Antennen gibt es zum Erfüllen der Anforderung an die Tastweite des Antennenstrahls in Höhe von ungefähr +/–30° einen breiteren Abstand der Antennen, ungefähr zwischen 8,5 bis 12 mm. Dadurch wird das Problem beseitigt, dass der Abstand der Antenneneinheiten zu gering ist, um externe Sendemodule/Empfangsmodule anzuschließen.
Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung durch die bevorzugten Ausführungsformen dargestellt.
Fachleute sollten zur Kenntnis nehmen, dass die Erfindung nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel ist. In diesem Zusammenhang werden alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale als erfindungswesentlich angesehen. Es sind ausschließlich die nachfolgenden Ansprüche für den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gültig.
Bezugszeichenliste

11: Aushöhlung
12: Planarantennenelement
13: Planarantennenelement
14: Emitterspur
15: RFIC-Die
16: Silicium-Durchkontaktierung
20: Antennenstab
21: Körper
22: Befestigungsbohrung
23: Grundaufnahme des Radiators
24: Koaxialverbinder
25: Kreisförmige Bohrung
30: Funkfrequenz-Integrierte-Schaltung-Chipvorrichtung für die phasengesteuerten Gruppenantennen
31: Planarantennenelement
32: PAA-Substrat
40: Gruppenantenne
41: Erste Antenneneinheit
42: Zweite Antenneneinheit
43: Dritte Antenneneinheit
44: Vierte Antenneneinheit
500: Grundplatte für Millimeterwellen
511: Durchgehende Bohrung
512: Durchgehende Bohrung
521: Durchgehende Bohrung
522: Durchgehende Bohrung
600: Erste Metallschicht
601: Durchführungsklemme
700: Aufnahme für den Koaxialstecker
711: Zapfelement
712: Zapfelement
720: Aussparung
800: Koaxialstecker
810: Innenleiter
820: Außenleiter
900: Rückwandrahmen für Antennen
RP: Strahlungspatch (radiating patch)
DS: Dielektrisches Substrat (dielectric substrate)
CGP: Leitende Erdungsfläche (conducting ground plane)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8901688 [0003, 0020]
US 2013/0321228 [0004, 0021]
US 2014/0333480 [0005, 0022]
US 8242966 [0006, 0023]

Claims

Millimeterwellen-Antennenvorrichtung, mit: • einer Grundplatte für Millimeterwellen, in der in Linienrichtung mehrere durchgehende Bohrungen ausgeführt sind, wobei die Grundplatte für Millimeterwellen eine Struktur der Mikrostreifen-Antennen aufweist, welche durch die auf der Grundplatte für Millimeterwellen angebrachte obere Außenfläche aus einer Metallschicht und untere Außenfläche aus einer Metallschicht hergestellt ist, und • einer Aufnahme für den Koaxialstecker, in der eine Aussparung zum Einstecken von einem Koaxialstecker vorgesehen ist, wobei am Aussparungsgrund eine Öffnung vorgesehen ist, um einen Innenleiter und einen Außenleiter des Koaxialsteckers freilegen zu können, wobei in der Aufnahme für den Koaxialstecker am Außenrand der Öffnung der Aussparung mindestens ein Zapfelement vorgesehen ist, wobei • der aus der Aufnahme für den Koaxialstecker freigelegte Innenleiter und der Außenleiter des Koaxialsteckers bei der Verbindung der Kopfseite der Aufnahme für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen mit der Struktur der Mikrostreifen-Antennen elektrisch verbunden sind, worüber hinaus das mindestens eine Zapfelement zum Befestigen der Aufnahme für den Koaxialstecker aus der entsprechenden durchgehenden Bohrung hervorsteht.
Millimeterwellen-Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zapfelemente zwei ist, welche in der Aufnahme für den Koaxialstecker am Außenrand der Öffnung der Aussparung vorgesehen sind, wobei die Grundplatte für Millimeterwellen entsprechend den zwei Zapfelementen durchgehende Bohrungen aufweist.
Millimeterwellen-Antennenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht, welche sich auf der oberen Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und im Mittelbereich zwischen den durchgehenden Bohrungen befindet, die erste Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen ist, wobei die Metallschicht, welche sich auf der unteren Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und der ersten Metallschicht entsprechend im unteren Bereich befindet, die zweite Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen ist, wobei die zweite Metallschicht als Erdungsfläche gilt.
Millimeterwellen-Antennenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter des Koaxialsteckers bei der Verbindung der Kopfseite der Aufnahme für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen in die Grundplatte für Millimeterwellen gesteckt und mit der ersten Metallschicht elektrisch verbunden ist, wobei der Außenleiter des Koaxialsteckers mit der zweiten Metallschicht elektrisch verbunden ist.
Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung, mit: • einem Rückwandrahmen für Antennen, welcher mehrere durchgehende Bohrungen im Rahmen aufweist, die mehrere Koaxialstecker aufnehmen können, wobei die durchgehenden Bohrungen im Rahmen so angeordnet sind, dass sie mehrere Reihen bilden und zu den durchgehenden Bohrungen im Rahmen in der jeweiligen angrenzenden Reihen versetzt sind, und • mehreren Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen, welche entsprechend den durchgehenden Bohrungen im Rahmen in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei • die jeweiligen Millimeterwellen-Antennenvorrichtungen die folgenden Elemente umfassen: • eine Grundplatte für Millimeterwellen, welche als eine lange Platte entlang der Linienrichtung abgeplattet ist und in der Grundplatte für Millimeterwellen mehrere nacheinander ausgeführte durchgehende Bohrungen in Linienrichtung besitzt, wobei die Grundplatte für Millimeterwellen mehrere Strukturen der Mikrostreifen-Antennen aufweist, welche durch die auf der Grundplatte für Millimeterwellen angebrachte obere Außenfläche aus einer Metallschicht und untere Außenfläche aus einer Metallschicht hergestellt sind, und • mehrere Aufnahmen für den Koaxialstecker, in denen jeweils eine Aussparung zum Einstecken von einem Koaxialstecker vorgesehen ist, wobei am Aussparungsgrund eine Öffnung vorgesehen ist, um einen Innenleiter und einen Außenleiter des Koaxialsteckers freilegen zu können, wobei in den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker jeweils am Außenrand der Öffnung der Aussparung mindestens ein Zapfelement vorgesehen ist, wobei die jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker bei der Verbindung der Kopfseiten der Aufnahmen für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen in den entsprechenden durchgehenden Bohrungen im Rahmen aufgenommen und in Linienrichtung nacheinander unterhalb der Grundplatte für Millimeterwellen angeordnet sind, wobei die jeweiligen aus den Aufnahmen für den Koaxialstecker freigelegten Innenleiter und Außenleiter mit den Strukturen der Mikrostreifen-Antennen elektrisch verbunden sind, worüber hinaus das mindestens eine Zapfelement zum Befestigen der jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker entsprechend aus der durchgehenden Bohrung hervorsteht.
Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zapfelemente zwei ist, welche in den jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker an den Außenrändern der Öffnungen der Aussparungen vorgesehen sind, wobei die Grundplatte für Millimeterwellen entsprechend den zwei Zapfelementen durchgehende Bohrungen aufweist, wobei die durchgehenden Bohrungen, die sich oberhalb und unterhalb der zwei nebeneinander stehenden, den zwei Zapfelementen entsprechenden durchgehenden Bohrungen befinden, zum Stecken der Befestigungselemente dienen, damit die Grundplatte für Millimeterwellen am Rückwandrahmen für die Antennen befestigt ist.
Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht, welche sich auf der oberen Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und im Mittelbereich zwischen den den zwei Zapfelementen entsprechenden durchgehenden Bohrungen befindet, die erste Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen ist, wobei die Metallschicht, welche sich auf der unteren Außenfläche der Grundplatte für Millimeterwellen und entsprechend der ersten Metallschicht im unteren Bereich befindet, die zweite Metallschicht des Aufbaus der Mikrostreifen-Antennen ist, wobei die zweite Metallschicht als Erdungsfläche gilt.
Millimeterwellen-Antennengruppenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenleiter der jeweiligen Koaxialstecker bei der Verbindung der Kopfseiten der jeweiligen Aufnahmen für den Koaxialstecker mit der Bodenseite der Grundplatte für Millimeterwellen in die Grundplatte für Millimeterwellen gesteckt und mit der ersten Metallschicht elektrisch verbunden sind, wobei die Außenleiter der Koaxialstecker mit der zweiten Metallschicht elektrisch verbunden sind.