DE60320450T2

DE60320450T2 - Schlitzgespeiste mikrostreifen-patch-antenne mit hohem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE60320450T2
Application number: DE60320450T
Authority: DE
Inventors: William D. Murphy KILLEN; Randy T. Grant Pike; Heriberto Jose Melbourne DELGADO
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: JP2006508611A; DE60320450D1; EP1570543A4; TWI251370B; US6842140B2; CN1720637A; AU2003294413A1; CA2508368A1; WO2004051792A3; US20040104847A1; JP4303204B2; EP1876670A1; DE60329542D1; WO2004051792A2; EP1570543A2; CN1720637B; KR20050085238A; KR100678393B1; EP1570543B1; TW200414602A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aussage des technischen Gebiets
Die erfinderischen Anordnungen betreffen allgemein Mikrostreifen-Patchantennen und insbesondere schlitzgespeiste Mikrostreifen-Patchantennen.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen und Antennenelemente werden üblicherweise auf speziell aufgebauten Substratleiterplatten hergestellt. Herkömmliche Leiterplattensubstrate werden allgemein durch Abläufe wie beispielsweise Gießen oder Sprühbeschichten gebildet, welche allgemein zu einheitlichen physikalischen Substrateigenschaften, einschließlich der Dielektrizitätskonstante, führen.
Für die Zwecke von Funkfrequenzschaltungen ist es allgemein wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzeigenschaften aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanz unterschiedlicher Teile der Schaltung nicht übereinstimmt, kann dies zu Signalreflexionen und einem ineffizienten Leistungsübertrag führen. Eine elektrische Länge von Übertragungsleitungen und Strahlern in diesen Schaltungen kann auch ein entscheidender Ausgestaltungsfaktor sein.
Zwei entscheidende Faktoren, welche die Schaltungsleistung beeinflussen, betreffen die Dielektrizitätskonstante (manchmal als die relative Permittivität oder ε_r bezeichnet) und den Dielektrizitätsverlust bzw. die Verlusttangente (manchmal als der Dissipationsfaktor bezeichnet) des dielektrischen Substratmaterials. Die relative Permittivität bestimmt die Geschwindigkeit des Signals im Substratmaterial und daher die elektrische Länge der Übertragungsleitungen und anderer Komponenten, die auf dem Substrat angeordnet sind. Der Dielektrizitätsverlust bestimmt die Verlustmenge, die für Signale auftritt, welche das Substratmaterial durchlaufen. Dielektrische Verluste steigen, wenn die Signalfrequenz steigt. Dementsprechend werden Materialien mit niedrigem Verlust mit steigender Frequenz noch wichtiger, insbesondere bei Entwurf von Empfänger-Frontends und von niedrigrauschenden Verstärkerschaltungen.
Gedruckte Übertragungsleitungen, passive Schaltungen und Abstrahlelemente, die in Funkfrequenzschaltungen verwendet werden, werden typischerweise auf eine von drei Arten ausgebildet. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet die Signalleitung auf einer Leiterplattenoberfläche an und stellt eine zweite leitfähige Schicht bereit, die üblicherweise als eine Masseplatte bezeichnet wird. Eine zweite Art von Konfiguration, die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist ähnlich zum Mikrostreifen, außer dass die Signalleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist die Signalleitung zwischen zwei elektrisch leitenden (Masse)-Platten eingefügt.
Allgemein ist die charakteristische Impedanz einer Parallelplatten-Übertragungsleitung, wie beispielsweise einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, gleich
wobei L_l die Induktivität pro Einheitslänge und C_l die Kapazität pro Einheitslänge ist. Die Werte von L_l und C_l werden allgemein durch die physikalische Geometrie und den Abstand der Leitungsstruktur bestimmt, sowie durch die Permittivität und Permeabilität des dielektrischen Materials/der dielektrischen Materialien, die verwendet werden, um die Übertragungsleitungen zu trennen.
In herkömmlichen Funkfrequenzausgestaltungen wird ein Substratmaterial ausgewählt, das einen einzigen relativen Permittivitätswert und einen einzigen relativen Permeabilitätswert aufweist, wobei der relative Permeabilitätswert ungefähr 1 beträgt. Sobald das Substratmaterial ausgewählt ist, wird der Wert der charakteristischen Impedanz der Leitung allgemein ausschließlich durch Steuern der Leitungsgeometrie angepasst.
Funkfrequenz-("radio frequency"; RF-)Schaltungen sind typischerweise in Hybridschaltungen verkörpert, in welchen eine Vielzahl von aktiven und passiven Schaltungskomponenten auf einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden Leiterplattensubstrats, wie beispielsweise eines Keramiksubstrats, angebracht und miteinander verbunden sind. Die verschiedenen Komponenten sind allgemein durch gedruckte metallische Leiter, wie beispielsweise Kupfer, Gold oder Tantal, miteinander verbunden, die allgemein als Übertragungsleitungen (z. B. Streifenleiter oder Mikrostreifen oder Zwillingsleitung) in den interessierenden Frequenzbereichen fungieren.
Die Dielektrizitätskonstante des ausgewählten Substratmaterials für eine Übertragungsleitung, eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement bestimmt die physikalische Wellenlänge der Funkfrequenzenergie bei einer gegebenen Frequenz für diese Struktur. Ein beim Entwerfen von Mikroelektronik-Funkfrequenzschaltungen auftretendes Problem ist die Auswahl eines dielektrischen Leiterplattensubstratmaterials, das für alle verschiedenen passiven Komponenten, Abstrahlelemente und Übertragungsleitungsschaltungen angemessen geeignet ist, die auf der Leiterplatte auszubilden sind.
Im Besonderen kann die Geometrie bestimmter Schaltungselemente aufgrund der einzigartigen elektrischen oder Impedanz-Eigenschaften, die für solche Elemente benötigt werden, physikalisch groß oder miniaturisiert sein. Beispielsweise müssen viele Schaltungselemente oder abgestimmte Schaltungen eine Länge von einer viertel Wellenlänge aufweisen. Auf gleiche Weise können die Leitungsbreiten, die für besonders hohe oder niedrige Werte der charakteristischen Impedanz benötigt werden, häufig zu schmal oder zu breit für eine praktische Implementierung sein. Da die physikalische Größe des Mikrostreifens oder der Streifenleitung in einer inversen Beziehung zur relativen Permittivität des dielektrischen Materials steht, können die Ausmaße einer Übertragungsleitung oder eines Strahlerelements durch die Wahl des Substratleiterplattenmaterials stark beeinflusst werden.
Dennoch kann eine optimale Leiterplattensubstratmaterial-Entwurfsauswahl für einige Komponenten inkonsistent mit dem optimalen Leiterplattensubstratmaterial für andere Komponenten, wie beispielsweise Antennenelemente, sein. Darüber hinaus können einige Entwurfszielsetzungen für eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere sein. Beispielsweise mag es wünschenswert sein, die Größe eines Antennenelements zu verringern. Dies könnte mittels Auswählens eines Leiterplattenmaterials mit einer hohen relativen Permittivität, wie beispielsweise 50 bis 100, erreicht werden. Jedoch wird die Verwendung eines Dielektrikums mit hoher relativer Permittivität allgemein zu einer erheblichen Verringerung im Abstrahlwirkungsgrad der Antenne führen.
Antennenelemente sind manchmal so konfiguriert wie Mikrostreifenantennen. Mikrostreifenantennen sind nützliche Antennen, da sie im Vergleich zu anderen Antennenarten allgemein weniger Platz benötigen und allgemein einfacher und allgemein weniger teuer herzustellen sind. Ein wichtiger Aspekt ist, dass Mikrostreifenantennen zusätzlich hochgradig kompatibel zu einer gedruckten Leitertechnologie sind.
Ein Faktor beim Konstruieren einer hoch effizienten Mikrostreifenantenne ist die Minimierung eines Leistungsverlusts, der durch verschiedene Faktoren, einschließlich eine dielektrischen Verlust, verursacht werden mag. Ein dielektrischer Verlust beruht allgemein auf dem mangelhaften Verhalten von gebundenen Ladungen und besteht immer dort, wo ein dielektrisches Material in einem zeitveränderlichen elektrischen Feld platziert wird. Ein dielektrischer Verlust steigt allgemein mit der Betriebsfrequenz.
Das Ausmaß an dielektrischem Verlust für eine bestimmte Mikrostreifenantenne wird hauptsächlich durch die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Raums zwischen dem Strahlerpatch und der Masseplatte für eine Patchantenne mit einem einzigen Patch bestimmt. Ein freier Raum, oder in den meisten Fällen Luft, weist eine Dielektrizitätskonstante von annähernd eins auf.
Ein dielektrisches Material, das eine relative Dielektrizitätskonstante nahe eins aufweist, wird als ein "gutes" dielektrisches Material angesehen. Ein gutes dielektrisches Material zeigt einen niedrigen dielektrischen Verlust bei der interessierenden Betriebsfrequenz. Wenn ein dielektrisches Material verwendet wird, das eine relative dielektrische Konstante aufweist, die im Wesentlichen der des umgebenden Materials entspricht, wird der dielektrische Verlust effektiv beseitigt. Deshalb umfasst ein Verfahren zum Aufrechterhalten eines hohen Wirkungsgrades in einem Mikrostreifenantennensystem die Verwendung eines Materials mit einer niedrigen dielektrischen Konstante im dielektrischen Raum zwischen dem Strahlerpatch und der Masseplatte.
Ferner ermöglicht die Verwendung eines Materials mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstante die Verwendung von breiteren Übertragungsleitungen, was wiederum Leiterverluste verringert und ferner den Abstrahlwirkungsgrad der Mikrostreifenantenne verbessert. Jedoch kann die Verwendung eines dielektrischen Materials mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gewisse Nachteile bedeuten.
Ein typischer Nachteil ist, dass es schwierig ist, kompakte Hochgeschwindigkeits-Patchantennen herzustellen, die von einer Masseplatte beabstandet sind, und zwar unter Verwendung eines Dielektrikums mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Wenn ein dielektrisches Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (wie etwa 1–4) zwischen einem Patch und einer Masseplatte angeordnet ist, ist die sich daraus ergebende Größe groß, manchmal sogar groß genug, um eine Anwendung in einer vorgegebenen Anwendung unmöglich zu machen, wie beispielsweise in einigen RF-Kommunikationssystemen.
Ein weiteres Problem bei Mikrostreifenantenne ist, dass der Speisungswirkungsgrad oft erheblich sinkt, wenn der Patch weiter von der Masseplatte beabstandet ist. Allerdings kann ein größerer Abstand des Patches von der Masseplatte auch vorteilhaft sein und wird als solches für gewöhnlich unter der Verwendung eines dielektrischen Materials mit einer höheren Dielektrizitätskonstante erreicht, um den Raum zwischen dem Patch und der Masseplatte zu füllen.
Leider wird der Wirkungsgrad allgemein stark vernachlässigt, um andere Ausgestaltungsparameter zu erfüllen.
N. K. Das et al. "An infinite array model for printed phased array antennas with arbitrary multilayer geometries" 1990 International Symposium Digest, Antennas and Propagation, 7. Mai 1990 (1990-05-07), Seiten 1433–1436, XP010000594, offenbart eine allgemeine unbegrenzte Arrayanalyse für gedruckte phasengesteuerte Arrayantennen, die aus mehrschichtigen Geometrien bestehen.
EP 1 150 311 A2 offenbart dielektrische Kompositmaterialien, die allgemein kugelförmige magnetische Teilchen aufweisen, die zumindest auf einem Teil ihrer Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht beschichtet sind. Ferner wird eine Patchantenne gelehrt, die einen Masseleiter, einen Patchleiter und eine Einzelschicht aus dielektrischem Kompositmaterial zwischen den zweit Leitern aufweist.
EP 1 231 637 A2 offenbart eine Kompositmaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante, das ein organisches Harz und einen darin gelösten anorganischen Füller aufweist, der ein Metallpulver enthält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist in den beiliegenden Ansprüche definiert. Eine schlitzgespeiste Mikrostreifen-Patchantenne umfasst eine elektrisch leitende Masseplatte, wobei die Masseplatte zumindest einen Kopplungsschlitz und zumindest einen ersten Patchstrahler aufweist. Ein dielektrisches Antennensubstratmaterial ist zwischen der Masseplatte und dem ersten Patchstrahler angeordnet. Zumindest ein Teil des Antennendielektrikums umfasst magnetische Teilchen. Ein dielektrisches Speisungssubstrat ist zwischen einer Speisungsleitung und der Masseplatte angeordnet.
Dielektrika, die bisher für Mikrowellenleiterplattensubstrate verwendet wurden, sind nicht-magnetisch. Selbst außerhalb des Gebiets von Mikrowellenschaltungen sind Materialien, die aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften verwendet wurden, allgemein nicht-magnetisch, wobei nicht-magnetisch definiert ist als eine relative Permeabilität von 1 (μ_r = 1).
Bei technischen Anwendungen wird die Permeabilität oft in relativen anstatt in absoluten Ausdrücken ausgedrückt. Falls μ₀ die Permeabilität des freien Raums (d. h., 1,257 × 10^–6 H/m) und μ die Permeabilität des besagten Materials darstellt, wird die relative Permeabilität, μr, dann angegeben durch: μr = μ/μ₀ = μ (7,958 × 10⁵).
Magnetische Materialien sind Materialien, bei denen μ_r entweder größer als 1 oder kleiner als 1 ist. Magnetische Materialien werden allgemein in die nachstehend beschriebenen drei Gruppen klassifiziert.
Diamagnetische Materialien sind Materialien, welche eine relative Permeabilität von weniger als Eins, aber typischerweise von 0,99900 bis 0,99999 aufweisen. Bekannte diamagnetische Materialien sind beispielsweise Wismut, Blei, Antimon, Kupfer, Zink, Quecksilber, Gold und Silber. Dementsprechend erzeugen diese Materialien, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, im Vergleich zu einem Vakuum eine leichte Verringerung im magnetischen Fluss.
Paramagnetische Materialien sind Materialien, welche eine relative Permeabilität von mehr als Eins und bis zu ca. 10 aufweisen. Paramagnetische Materialien umfassen Materialien wie etwa Aluminium, Platin, Mangan und Chrom. Paramagnetische Materialien verlieren ihre magnetischen Eigenschaften allgemein sofort, nachdem ein externes Magnetfeld entfernt wird.
Ferromagnetische Materialien sind Materialien, welche eine relative Permeabilität von mehr als 10 aufweisen. Ferromagnetische Materialien umfassen eine Vielzahl von Ferriten, Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt und handelsübliche Legierungen, wie Alnico und Peralloy. Ferrite beispielsweise bestehen aus keramischem Material und weisen relative Permeabilitäten auf, die von 50 bis 200 reichen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck "magnetische Teilchen" auf Teilchen, die, wenn sie mit dielektrischen Materialien gemischt werden, zu einer μ_r von mehr als 1 für das sich daraus ergebende dielektrische Material führen. Dementsprechend sind ferromagnetische und paramagnetische Materialien in dieser Definition allgemein eingeschlossen, während diamagnetische Teilchen allgemein nicht eingeschlossen sind.
Durch die Verwendung von magnetischen Teilchen in dielektrischen Substraten können erfindungsgemäße Mikrostreifen-Patchantennen durch die Verwendung von Substratteilen mit hoher relativer Permittivität eine verringerte Größe aufweisen und trotzdem noch effizient sein. Obwohl bisherige dielektrisch befüllte Substrate Patchantennen mit verringerter Größe bereitstellten, mangelte es diesen Antennen an Wirkungsgrad, da eine Impedanzanpassung der Speisungsleitung in den Schlitz und des Schlitzes in den freien Raum beeinträchtigt war. Durch das Hinzufügen von magnetischen Materialien in erfindungsgemäßen dielektrischen Substraten, wie beispielsweise die Antennen- und/oder Speisungsleitungssubstraten, kann die Abstrahlwirkungsgradverschlechterung, die allgemein bei einer Verwendung eines Substrats mit hoher Permittivität auftritt, wesentlich verringert werden.
Der Teil des Antennendielektrikums, der zwischen dem Schlitz und dem Patch angeordnet ist, kann magnetische Teilchen umfassen. Die Verwendung von magnetischen Teilchen in diesem Bereich kann eine intrinsische Impedanz bereitstellen, welche der intrinsischen Impedanz des Speisungsleitungsdielektrikums im Bereich zwischen dem Schlitz und der Speisungsleitung bei einer Betriebsfrequenz der Antenne im Wesentlichen angepasst ist. Wie hierin verwendet, gibt der Ausdruck "im Wesentlichen angepasst" von Dielektrika eine Impedanzanpassung von zwei Medien von innerhalb 20%, vorzugsweise 10% und noch bevorzugter 5%, bei einer Betriebsfrequenz der Antenne an. Der Teil des Antennendielektrikums, der magnetische Teilchen aufweist, kann eine relative Permeabilität von mindestens 2 aufweisen.
Ein Teil des Speisungsleitungsdielektrikums kann ebenfalls magnetische Teilchen umfassen, wie etwa zwischen dem Schlitz und der Speisungsleitung angeordnet. Die magnetischen Teilchen können Metamaterialien aufweisen.
Das Speisungsleitungsdielektrikum kann einen Viertelwellenlängen-Anpassungsabschnitt nahe dem Schlitz bereitstellen, um die Speisungsleitung in den Schlitz impedanzanzupassen. Der Viertelwellenanpassungsabschnitt kann auch magnetische Teilchen beinhalten.
Die Antenne kann zwei oder mehrere Patchstrahler, wie beispielsweise einen ersten Patchstrahler und eine zweiten Patchstrahler, aufweisen, wobei der erste und der zweite Patchstrahler durch ein Zwischenpatch-Dielektrikum getrennt sind. Das Zwischenpatch-Dielektrikum kann magnetische Teilchen, wie etwa Metamaterialien, umfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer schlitzgekoppelten Mikrostreifen-Patchantenne nach dem Stand der Technik.
2 ist eine Seitenansicht einer schlitzgespeisten Mikrostreifen-Patchantenne, die auf einem Antennendielektrikum ausgebildet ist, welches gemäß einer Ausführungsform der Erfindung magnetische Teilchen zum Verbessern des Abstrahlwirkungsgrades der Antenne umfasst.
3 ist ein Flussdiagramm, das zum Darstellen eines Ablaufs zum Herstellen einer Antenne von verringerter physikalischer Größe und hohem Abstrahlwirkungsgrad nützlich ist.
4 ist eine Seitenansicht einer schlitzgespeisten Mikrostreifenantenne, die auf einem Antennendielektrikum ausgebildet ist, welches magnetische Teilchen umfasst, wobei die Antenne gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Impedanzanpassung von der Speisungsleitung in den Schlitz und vom Schlitz in die Umgebung bereitstellt.
5 ist eine Seitenansicht einer schlitzgespeisten Mikrostreifen-Patchantenne, die an einem Antennendielektrikum ausgebildet ist, welches magnetische Teilchen umfasst, wobei die Antenne gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Impedanzanpassung von der Speisungsleitung in den Schlitz und vom Schlitz in seine Schnittstelle mit dem Antennendielektrikum neben dem Patch bereitstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Leiterplattenmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante werden üblicherweise für gedruckte RF-Leiterplattenausgestaltungen ausgewählt. Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-basierte Komposite, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002 (Dielektrizitätskonstante von 2,94; Dielektrizitätsverlust von 0,009) und RT/duroid^® 5880 (Dielektrizitätskonstante von 2,2; Dielektrizitätsverlust von 0,0007), beide über Rogers Microwave Products, Advanced Circuit Materials Division, 100 S Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226, erhältlich. Diese beiden Materialien sind übliche Wahl für Leiterplattenmaterial. Die obigen Leiterplattenmaterialien sind über die Leiterplattenfläche hinweg bezüglich Dicke und physikalischer Eigenschaften einheitlich und stellen dielektrische Schichten mit relativ niedrigen Dielektrizitätskonstanten mit zugehörigen niedrigen Dielektrizitätsverlusten bereit. Die relative Permeabilität beider dieser Materialien beträgt nahezu 1.
Manchmal werden Schäume als dielektrische Materialien zwischen bestimmten Schaltungsschichten verwendet. Beispielsweise wird manchmal ein RH-4-Struktur schaum verwendet, wie etwa als ein Antennenabstandshalter zwischen Patchstrahlern in Mikrostreifenantennen mit gestapelten Strahlern. Wie bei herkömmlichen dielektrischen Substraten weisen erhältliche Schäume einheitliche dielektrische Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine relative Permittivität von ca. 2 bis 4 und eine relative Permeabilität von fast 1.
Bezüglich 1 ist eine Seitenansicht einer Luftspalt-Patchantenne 101 aus dem Stand der Technik gezeigt. In ihrer einfachsten Form weist eine Mikrostreifen-Patchantenne einen Strahlerpatch auf, der durch einen dielektrischen Raum von einer Masseplatte getrennt ist. In diesem Fall ist das gezeigte Dielektrikum Luft.
In 1 weist die Patchantenne 101 eine dünne Substratschicht 107 aus einem dielektrischen Material mit geeigneten dielektrischen und Festigkeitseigenschaften auf. Ein Strahlerpatch 109, der aus elektrisch leitendem Material besteht, ist an einer Unterseite der Substratschicht 107 angeordnet. Der Strahlerpatch 109 wird allgemein mittels eines geeigneten Ätzens der dünnen Substratschicht 107 hergestellt, wobei eine oder beide Seiten komplett mit dem elektrisch leitenden Material beschichtet sind.
Die Substratschicht 107 und den Strahlerpatch 109 werden von einer Masseplatte 103 getragen, die aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Vielzahl von integralen Trägersäulen 105 aufweist, welche sich im Wesentlichen senkrecht von einer Fläche der Masseplatte 103 zur Substratschicht 107 erstrecken. Die Masseplatte 113 umfasst einen Kopplungsschlitzbereich 112, welcher eine Öffnung darin bereitstellt. Luft füllt den Bereich 108, welcher unter der Substratschicht 107 und dem Patchstrahler 109 liegt.
Das dielektrische Substrat 110 liegt unter der Masseplatte 103. Die Mikrostreifenleitung 111 ist an einem Speisungssubstrat 110 angeordnet und stellt einen Signalpfad bereit, um Signalenergie zu und vom Strahlerpatch 109 zu übertragen, und zwar hauptsächlich durch den Kopplungsschlitz 112.
Die in 1 gezeigte Patchantenne 101 aus dem Stand der Technik ist für gewisse Anwendungen zufriedenstellend, kann aber eine Größe aufweisen, die ihre Anwendung in einigen Ausgestaltungen unmöglich macht. Um die Größe der Antenne zu verringern, kann das Luftdielektrikum 108 durch ein dielektrisches Material ersetzt werden, dass eine wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante aufweist. Jedoch verringert die Verwendung eines Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante allgemein den Abstrahlwirkungsgrad der Antenne. Dies führt zu schlechteren Wirkungsgraden und Kompromissen in der Antennenausgestaltung, um diese Kompromisse auszugleichen.
Im Vergleich dazu stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsdesigner einen zusätzlichen Flexibilitätsgrad bereit. Indem man die Verwendung von dielektrischen Schichten oder eines Teils davon zulässt, welche lokal begrenzte, selektiv gesteuerte Permittivitäts- und Permeabilitätseigenschaften aufweisen, können Antennen in Hinblick auf Wirkungsgrad, Funktionalität und physikalisches Profil optimiert werden.
Die lokal wählbaren dielektrischen und magnetischen Eigenschaften von dielektrischen Substraten mögen mittels Einschließens von Metamaterialien im magnetischen Substrat oder vorzugsweise in Teilen davon umgesetzt werden. Metamaterialien bezieht sich auf Kompositmaterialien, die durch das Mischen von zwei oder mehr verschiedenen Materialien auf einer sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der Molekular- oder Nanometerebene, gebildet werden.
Erfindungsgemäß wird eine Antennenausgestaltung präsentiert, die eine Antenne mit der verringerten Größe durch die Verwendung eines Antennensubstrats mit hoher Dielektrizitätskonstante oder Teilen davon bereitstellen kann, während ein Bereitstellen eines hohen Abstrahlwirkungsgrads bisher nur mittels Anordnens der Abstrahlantenne an einem Antennensubstrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante möglich war. Zusätzlich kann die Erfindung eine Impedanzanpassung von der Speisungsleitung in den Schlitz bereitstellen. Somit kann die Erfindung die schlechteren Wirkungsgrade und Kompromisse bei Mikrostreifen-Patchantennenausgestaltungen aus dem Stand der Technik im Wesentlichen überwinden.
Bezüglich 2 ist eine Seitenansicht einer schlitzgespeisten Mikrostreifen-Patchantenne 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform besitzt ähnliche Elemente wie die Antenne aus dem Stand der Technik aus 1, bis darauf, dass die Antenne 200 ein optimiertes dielektrisches Antennensubstratmaterial 205 umfasst.
Das Antennensubstrat 205 umfasst einen ersten dielektrischen Antennenbereich 210, welcher unter dem Patchstrahler 209 liegt, und einen zweiten dielektrischen Antennenbereich 211, welcher den Rest des Antennensubstrats 205 aufweisen kann. Das Antennensubstrat 205 ist über der Masseplatte 208 angeordnet, wobei die Masseplatte zumindest einen Kopplungsschlitz 206 aufweist.
Der erste dielektrische Antennenbereich 210 umfasst eine Vielzahl von magnetischen Teilchen 214, die darin eingebettet sind. Obwohl nicht gezeigt, kann die Antenne 200 eine optionale dielektrische Abdeckung umfassen, die über dem Patchstrahler 209 angeordnet ist.
Ein dielektrisches Speisungssubstrat 212 liegt unter der Masseplatte 208. Eine Mikrostreifen-Speisungsleitung 217 ist zum Liefern von Signalenergie zum oder zum Empfangen von Signalenergie vom Patchstrahler 209 durch den Schlitz 206 bereitgestellt. Die Mikrostreifenleitung 217 mag von einer Vielzahl von Quellen über ein geeignetes Verbindungselement und Schnittstelle angetrieben werden.
Obwohl das dielektrische Speisungssubstrat 212 nicht als magnetische Teilchen aufweisend gezeigt ist, können magnetische Teilchen enthalten sein. Beispielsweise können magnetische Teilchen im Speisungsleitungsdielektrikum zwischen dem Schlitz und der Speisungsleitung angeordnet sein, um eine gewünschte intrinsische Impedanz in diesem Bereich bereitzustellen. Magnetische Teilchen im Speisungsleitungsdielektrikum 212 können auch dazu verwendet werden, einen Viertelwellenlängen-Anpassabschnitt nahe dem Schlitz bereitzustellen, um die Speisungsleitung in den Schlitz impedanzanzupassen.
Für gewisse Anwendungen kann das Antennensubstrat 205 ausschließlich einen ersten dielektrischen Antennenbereich 210 aufweisen. In anderen Anwendungen werden magnetische Teilchen 214 nur in einem Teil des ersten dielektrischen Antennenbereichs 210, wie etwa nur in einem Oberflächenbereich davon, enthalten sein.
Magnetische Teilchen 214 können Metamaterialteilchen sein, welche in Hohlräume eingefügt werden können, die im Antennensubstrat 205 ausgebildet sind, wie später genauer beschrieben. Die Fähigkeit, magnetische Partikel im ersten dielektrischen Antennenbereich 210 unterzubringen, ermöglicht eine verbesserte Impedanzanpassung zwischen sowohl dem ersten dielektrischen Antennenbereich 210 und der Umgebung (z. B. Luft) als auch zwischen dem ersten dielektrischen Antennenbereich 210 und den dielektrischen Medien in dem Bereich, der den Schlitz 206 aufweist. Die relative Permeabilität des ersten dielektrischen Antennenbereichs 210 ist allgemein größer als 1, wie etwa 1,1, 2, 5, 10, 20 oder 100. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine erhebliche Permeabilität auf eine relative magnetische Permeabilität von mindestens ungefähr 2.
Obwohl die Antenne 200 mit einem einzigen Patchstrahler 209 gezeigt ist, mag die Erfindung mit gestapelten Patchstrahlerstrukturen praktiziert werden, wie beispielsweise als eine Mikrostreifen-Patchantenne mit einem oberen und einem unteren Patchstrahler, wobei die jeweiligen Patches durch ein dielektrisches Zwischenpatch-Substratmaterial getrennt sind. In dieser Zwei-Patch-Anordnung umfasst das dielektrische Zwischenpatch-Material vorzugsweise magnetische Teilchen und stellt eine relative Permeabilität von mehr als 1 bereit.
Obwohl die gezeigte Speisungsleitung eine Mikrostreifen-Speisungsleitung 217 ist, ist die Erfindung eindeutig nicht auf Mikrostreifen-Speisungen begrenzt. Beispielsweise kann die Speisungsleitung eine Streifenleitung oder eine andere geeignete Speisungsleitungsstruktur sein.
Zusätzlich ist die Erfindung, obwohl die Masseplatte 208 als einen einzigen Schlitz 206 aufweisend gezeigt ist, mit Mehrschlitzanordnungen kompatibel. Zusätzlich mögen die Schlitze jegliche Form aufweisen, die eine adäquate Kopplung zwischen der Mikrostreifen-Speisungsleitung 217 und dem Patchstrahler 210 aufweist, wie etwa rechteckig oder ringförmig.
Der erste dielektrische Antennenbereich 210 beeinflusst die elektromagnetischen Felder, die durch den Schlitz abgestrahlt werden, erheblich. Eine sorgfältige Auswahl von dielektrischem Material, Größe, Form und Ort kann zu einer verbesserten Kopplung zwischen dem Schlitz 206 und dem Patch 209 führen, und zwar selbst bei beträchtlichen Abständen zwischen ihnen. Mittels geeigneten Belastens des Patches 209 können seine Betriebseigenschaften, einschließlich Resonanzfrequenz und sein Qualitätsfaktor, welcher mit der Betriebsbandbreite zusammenhängt, so modifiziert werden, dass sie vorgegebenen Ausgestaltungskriterien entsprechen.
Die Erfindung ermöglicht eine Verwendung von Antennensubstraten mit höherer Permittivität, was eine Verringerung in der physikalischen Größe des Patches 209 und somit der gesamten Antenne 200 ermöglicht, und zwar ohne wesentlichen Wirkungsgradverlust. Beispielsweise kann die relative Permittivität des Antennensubstrats 205, einschließlich des ersten Antennensubstratbereichs 210, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60 oder mehr, oder Werte zwischen diesen Werten betragen.
Ein Problem im Stand der Technik beim Erhöhen der relativen Permittivität im dielektrischen Bereich unter Abstrahlelementen, wie etwa dem Patch 209, besteht darin, dass der Abstrahlwirkungsgrad der Antenne 200 als ein Ergebnis verringert werden mag. Mikrostreifenantennen, die auf relativ dicken Substraten mit hoher Dielektrizitätskonstante gedruckt sind, neigen dazu, einen schlechten Abstrahlwirkungsgrad aufzuweisen. Da dielektrische Substrate höhere Werte der relativen Permittivität aufweisen, ist eine größere Menge des elektromagnetischen Felds im Dielektrikum zwischen dem leitenden Antennenelement und der Masseplatte konzentriert. Ein schlechter Abstrahlwirkungsgrad unter solchen Umständen ist oft teilweise auf Oberflächenwellenmoden zurückzuführen, die sich entlang der Luft/Substrat-Grenzfläche ausbreiten.
Dielektrische Substratleiterplatten mit Metamaterialteilen, die räumlich begrenzte und wählbare magnetische und dielektrische Eigenschaften bereitstellen, können wie in 3 gezeigt für eine Verwendung als maßgefertigte Antennensubstrate präpariert werden. In Schritt 310 kann das dielektrische Leiterplattenmaterial präpariert werden. In Schritt 320 kann zumindest ein Teil des dielektrischen Leiterplattenmaterials unter Verwendung von Metamaterialien modifiziert werden, wie nachstehend beschrieben, um die physikalische Größe zu verringern und um den bestmöglichen Wirkungsgrad für die Antenne und den damit verbundenen Schaltkreis zu erreichen. Die Modifikation kann ein Erzeugen von Hohlräumen in einem dielektrischen Material und ein Füllen einiger oder im Wesentlichen aller Hohlräume mit magnetischen Teilchen umfassen. Schließlich kann eine Metallschicht aufgebracht werden, um die Leiterbahnen zu definieren, die den Antennenelementen und dem zugehörigen Speisungsschaltkreis, wie beispielsweise Patchstrahlern, zugeordnet sind.
Wie hierin definiert, bezieht sich der Ausdruck "Metamaterialien" auf Kompositmaterialien, die durch das Mischen oder Anordnen von zwei oder mehr verschiedenen Materialien auf einer sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der Angstrom- oder Nanometerebene, gebildet werden. Metamaterialien erlauben ein Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften des Komposits, welche mittels effektiver elektromagnetischer Parameter definiert werden können, die eine effektive elektrische Permittivität ε_eff (oder Dielektrizitätskonstante) und die effektive magnetische Permeabilität μ_eff umfassen.
Der Ablauf zum Präparieren und Modifizieren des dielektrischen Leiterplattenmaterials wie in den Schritten 310 und 320 beschrieben wird nun im Detail beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die hierin beschriebenen Verfahren lediglich Beispiele darstellen und es nicht vorgesehen ist, die Erfindung darauf zu beschränken.
Geeignete dielektrische Bulksubstratmaterialien können von Herstellern handelsübli cher Materialien, wie beispielsweise DuPont und Ferro, bezogen werden. Das unverarbeitete Material, üblicherweise Green Tape genannt, kann von einem dielektrischen Bulkband in abgemessene Teile geschnitten werden, wie beispielsweise in Teile von 15,24 cm mal 15,24 cm (6 Inch mal 6 Inch). Beispielsweise stellt DuPont Microcircuit Materials Green-Tape-Materialsysteme bereit, wie beispielsweise 951 Low-Temperature Cofire Dielectric Tape und Ferro Electronic Materials ULF28-30 Ultra Low Fire COG mit dielektrischer Formulierung. Diese Substratmaterialien können dazu verwendet werden, dielektrische Schichten mit relativ moderaten Dielektrizitätskonstanten mit dazugehörigen relativ niedrigen Verlusttangenten für einen Schaltungsbetrieb bei Mikrowellenfrequenzen bereitzustellen, sobald sie gebrannt sind.
Im Ablauf des Erzeugens einer Mikrowellenschaltung, die mehrfachen Lagen von dielektrischem Substratmaterial verwendet, können Merkmale, wie beispielsweise Durchkontaktierungen, Hohlräume, Löcher oder Kavitäten durch eine oder mehrere Schichten des Bands hindurchgestoßen werden. Hohlräume können definiert werden, indem man mechanische Mittel (z. B. eine Stanze) oder gerichtete Energiemittel (z. B. Laserbohrung, Photolitographie) verwendet, aber Hohlräume können auch definiert werden, indem man jegliches andere geeignete Verfahren verwendet. Einige Durchkontaktierungen können durch die gesamte Dicke des abgemessenen Substrats hindurchreichen, während einige Hohlräume nur durch variierende Teile der Substratdicke reichen können.
Die Durchkontaktierungen können dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien oder Mischungen davon gefüllt werden, üblicherweise unter Verwendung von Schablonen für eine präzise Platzierung der Hinterfüllungsmaterialien. Die individuellen Bandschichten können in einem herkömmlichen Verfahren gestapelt werden, um ein vollständiges Mehrschichtsubstrat zu erzeugen. Alternativ können individuellen Bandschichten so gestapelt werden, dass sie ein unvollständiges Mehrschichtsubstrat erzeugen, was allgemein als Teilstapel bezeichnet wird.
Hohlraumbehaftete Bereiche können auch Hohlräume bleiben. Bei einer Hinterfüllung mit ausgewählten Materialien umfassen die ausgewählten Materialien vorzugsweise Metamaterialien. Die Wahl einer Metamaterialzusammensetzung kann abstimmbare effektive dielektrische Konstanten über einen relativ kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis ungefähr 2650 bereitstellen. Abstimmbare magnetische Eigenschaften sind auch durch bestimmte Metamaterialien erhältlich. Beispielsweise kann die relative effektive magnetische Permeabilität durch die Wahl geeigneter Materialien allgemein von ca. 4 bis 116 für die meisten praktischen Funkfrequenzanwendungen reichen. Jedoch kann die relative effektive magnetische Permeabilität sogar nur 2 betragen oder bis zu einigen Tausend erreichen.
Ein vorgegebenes dielektrische Substrat mag unterschiedlich modifiziert werden. Der Ausdruck "unterschiedlich modifiziert" wie hierin verwendet bezieht sich auf Modifikationen, einschließlich Dotierungen, an einer dielektrischen Substratschicht, die dazu führen, dass mindestens eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Teil des Substrats verglichen mit einem anderen Teil unterschiedliche modifiziert wird. Ein unterschiedlich modifiziertes Leiterplattensubstrat umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Metamaterial enthaltende Bereiche. Beispielsweise kann die Modifikation eine selektive Modifikation sein, bei der bestimmte Teile der dielektrischen Schicht so modifiziert werden, dass ein erster Satz von dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften erzeugt wird, während andere Teile der dielektrischen Schicht unterschiedlich modifiziert werden oder unmodifiziert belassen werden, um dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften bereitzustellen, die sich vom ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden. Die unterschiedliche Modifikation kann auf eine Vielzahl verschiedener Arten erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine dielektrische Ergänzungsschicht zur dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben können verwendet werden, um die dielektrische Ergänzungsschicht aufzubringen. Die dielektrische Ergänzungsschicht kann selektiv in räumlich begrenzten Bereichen hinzugefügt werden, einschließlich innerhalb von Hohlräumen oder Löchern, oder über die gesamte bestehende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann eine dielektrische Ergänzungsschicht verwendet werden, um einen Substratteil mit einer erhöhten effektiven Dielektrizitätskonstante bereitzustellen. Das als Ergänzungsschicht hinzugefügte dielektrische Material kann verschiedene Polymermaterialien umfassen.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann ferner ein räumlich begrenztes Hinzufügen von zusätzlichem Material zu der dielektrischen Schicht oder der dielektrischen Ergänzungsschicht enthalten. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die effektive Dielektrizitätskonstante oder magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht weiter zu steuern, um ein vorgegebenes Entwurfsziel zu erreichen.
Das zusätzliche Material kann eine Vielzahl von metallischen und/oder keramischen Teilchen umfassen. Metallteilchen umfassen vorzugsweise Eisen-, Wolfram-, Kobalt-, Vanadium-, Mangan-, bestimmte Seltenerdmetall-, Nickel- oder Niob-Teilchen. Die Teilchen sind vorzugsweise nanogroße Teilchen mit allgemein physikalischen Sub-Mikrometer-Abmessungen, die im Weiteren als Nanoteilchen bezeichnet werden.
Die Teilchen, wie beispielsweise Nanoteilchen, können vorzugsweise organofunktionalisierte Kompositteilchen sein. Beispielsweise können organofunktionalisierte Kompositteilchen Teilchen umfassen, welche metallische Kerne mit elektrisch isolierenden Beschichtungen oder elektrisch isolierende Kerne mit einer Metallbeschichtung umfassen.
Magnetische Metamaterialteilchen, welche allgemein zur Steuerung magnetischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht für eine Vielzahl von hierin beschriebenen Anwendungen geeignet sind, umfassen Ferrit-Organokeramiken (FexCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Teilchen eignen sich gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40 GHz. Alternativ oder zusätzlich sind Niob-Organokeramiken (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik) nützlich für den Frequenzbereich von 12–40 GHz. Die für eine Hochfrequenz vorgesehenen Materialien sind auch auf Niedrigfrequenzanwendungen anwendbar. Diese und andere Arten von Kompositteilchen sind kommerziell erhältlich.
Allgemein werden beschichtete Teilchen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie eine Verbindung mit einer Polymermatrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen können. Zusätzlich zum Steuern der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums können die hinzugefügten Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive dielektrische Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen von ungefähr 1 bis 70 ist es möglich, die Dielektrizitätskonstante von Bereichen der dielektrischen Schicht und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht zu erhöhen und möglicherweise erheblich abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter Nanopartikel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die Dielektrizitätskonstante der modifizierten Teile der dielektrischen Schicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfachmischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Beispielsweise kann eine Dielektrizitätskonstante von einem Wert von 2 bis hoch zu 10 unter Verwendung einer Vielzahl von Teilchen mit einem Füllungsverhältnis von bis zu 70 angehoben werden. Metalloxide, die für diesen Zweck nützlich sind, können Alu miniumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob(II, IV, V)oxid umfassen. Lithiumniobat (LiNbO₃) und Zirkonate, wie beispielsweise Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, können ebenfalls verwendet werden.
Die auswählbaren dielektrischen Eigenschaften können auf nur ca. 10 nm kleine Flächen lokal begrenzt werden oder große Flächenbereiche bzw. -zonen abdecken, einschließlich der gesamten Leiterplattensubstratoberfläche. Herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Lithographie und Ätzen, zusammen mit Abscheidungsabläufen, können zur räumlich begrenzten Handhabung der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften verwendet werden.
Die Materialien können mit anderen Materialien gemischt präpariert werden, oder umfassend verschiedene Dichten hohlraumbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) präpariert werden, um effektive relative Dielektrizitätskonstanten in einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca. 2650 herzustellen, als auch andere potentiell gewünschte Substrateigenschaften. Beispielsweise umfassen Materialien, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante (< 2 bis ca. 4) aufweisen, Siliziumdioxid mit unterschiedlichen Dichten hohlraumbehafteter Bereiche. Aluminiumoxid mit unterschiedlichen Dichten hohlraumbehafteter Bereiche kann eine relative Dielektrizitätskonstante von ca. 4 bis 9 bereitstellen. Weder Siliziumdioxid noch Aluminiumoxid weisen irgendeine wesentliche magnetische Permeabilität auf. Jedoch können magnetische Partikel hinzugefügt werden, wie beispielsweise bis zu 20 Gew.-%, um dieses oder jegliches andere Material merklich magnetisch zu machen. Beispielsweise können magnetische Eigenschaften mit einer Organofunktionalität zugeschnitten werden. Die Auswirkung auf die Dielektrizitätskonstante vom Hinfügen magnetischer Materialien führt allgemein zu einem Anstieg in der Dielektrizitätskonstante.
Materialien mit mittlerer Dielektrizitätskonstante weisen eine relative Dielektrizitätskonstante auf, die allgemein im Bereich von 70 bis 500 ± 10% liegt. Wie oben angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Hohlräumen gemischt werden, um die gewünschten Werte der effektiven Dielektrizitätskonstante bereitzustellen. Diese Materialien können Ferrit-dotiertes Kalziumtitanat umfassen. Dotiermetalle können Magnesium, Strontium und Niob umfassen. Diese Materialien weisen einen Bereich von 45 bis 600 in der relativen magnetischen Permeabilität auf.
Für Anwendungen mit hoher Dielektrizitätskonstante können Ferrit- oder Niob-dotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate verwendet werden. Diese Materialien weisen eine relative Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2200 bis 2650 auf. Dotier anteile für diese Materialien liegen allgemein zwischen ca. 1 bis 10%. Wie in Bezug auf andere Materialien angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Hohlräumen gemischt werden, um gewünschte Werte der effektiven Dielektrizitätskonstante bereitzustellen.
Diese Materialien können allgemein durch verschiedene molekulare Veränderungsabläufe modifiziert werden. Modifikationsbearbeiten kann eine Erzeugung von Hohlräumen, gefolgt vom Füllen mit Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff- und Fluor-basierten organofunktionalen Materialien, umfassen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE).
Alternativ oder zusätzlich zur organofunktionalen Integration kann ein Bearbeiten eine Herstellung von festen Freiformen ("solid freeform fabrication"; SFF), Licht-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Innenstrahl-Bestrahlung umfassen. Eine Lithographie kann auch unter Verwendung einer Foto-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Innenstrahl- Bestrahlung durchgeführt werden.
Unterschiedliche Materialien, einschließlich Metamaterialien, können auf unterschiedliche Flächen auf Substratschichten (Teilstapel) aufgebracht werden, so dass eine Vielzahl von Flächen der Substratschichten (Teilstapel) unterschiedliche dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften aufweist. Die Hinterfüllungsmaterialien, wie beispielsweise oben angemerkt, mögen zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Bearbeitungsschritten verwendet werden, um gewünschte dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu erreichen, und zwar entweder lokal begrenzt oder über einen Bulksubstratteil.
Ein Leiteraufdruck auf der obersten Schicht wird dann allgemein auf die modifizierte Substratschicht, den Teilstapel oder den vollständigen Stapel aufgebracht. Leiterspuren bzw. -bahnen können unter Verwendung von Dünnschichttechniken, Dickschichttechniken, einer Galvanisierung oder jeder anderen geeigneten Technik bereitgestellt werden. Die Prozessabläufe, die verwendet werden, um das Leitermuster zu definieren, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eine Standardlithographie und Schablonen.
Man erhält dann allgemein eine Grundplatte zum Zuordnen und Ausrichten einer Vielzahl von modifizierten Leiterplattensubstraten. Ausrichtungslöcher durch jede der Vielzahl der Substratleiterplatten können für diesen Zweck verwendet werden.
Die Vielzahl von Schichten des Substrats, ein oder mehrere Teilstapel oder eine Kombination von Schichten und Teilstapeln können dann miteinander geschichtet werden (z. B. mechanisch gepresst), und zwar unter Verwendung entweder eines isostatischen Drucks, was einen Druck auf das Material von allen Richtungen anlegt, oder eines einachsigen Drucks, was einen Druck auf das Material nur von einer Richtung aus anlegt. Das Mehrlagensubstrat wird dann wie oben beschrieben weiterverarbeitet oder in einen Ofen eingebracht, um auf eine Temperatur aufgeheizt zu werden, die für das bearbeitete Substrat geeignet ist (ungefähr 850°C bis 900°C für die oben angesprochenen Materialien).
Die Vielzahl von Keramikbandschichten und gestapelten Teilstapeln von Substraten kann dann unter Verwendung eines geeigneten Ofens gebrannt werden, welcher bezüglich eines Temperaturanstiegs mit einer Rate gesteuert werden kann, die für die verwendeten Substratmaterialien geeignet ist. Die verwendeten Prozessbedingungen, wie beispielsweise die Anstiegsrate der Temperatur, die Endtemperatur, das Abkühlprofil und notwendige Halteabschnitte werden abgestimmt auf das Substratmaterial und jedes darin hinterfüllte oder darauf aufgebrachte Material ausgewählt. Dem Brennen folgend werden gestapelte Substratleiterplatten typischerweise unter Verwendung eines akustischen, optischen, Rasterelektronen- oder Röntgen-Mikroskops auf Fehler untersucht.
Die gestapelten Keramiksubstrate können dann optional in vereinzelte Teile geschnitten werden, die so klein sind, dass sie die Schaltungsfunktionsanforderungen erfüllen. Folgend auf die Endüberprüfung können die vereinzelten Substratteile dann auf eine Testfassung zum Beurteilen ihrer verschiedenen Eigenschaften montiert werden, um so beispielsweise sicherzustellen, dass sich die dielektrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften innerhalb vorbestimmter Grenzen befinden.
Somit können dielektrische Substratmaterialien mit lokal beschränkten abstimmbaren dielektrischen und magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dichte und Leistung von Schaltungen, einschließlich solcher, die Mikrostreifenantennen aufweisen, wie beispielsweise schlitzgespeiste Mikrostreifenantennen, bereitgestellt werden.
Beispiele
Verschiedene spezifische Beispiele, die sich mit einer Impedanzanpassung unter der Verwendung eines Dielektrikums, einschließlich magnetischer Teilchen gemäß der Erfindung, befassen, werden nun vorgestellt. Eine Impedanzanpassung von der Speisung in den Schlitz, sowie der Schlitz und die Umgebung (z. B. Luft) werden dargestellt.
Die Gleichung für einen normalen Einfall (θ_i = 0°) einer ebenen Welle an der Grenzfläche zwischen zwei verlustlosen dielektrischen Medien, welche
lautet, wird für eine Impedanzanpassung zwischen dem dielektrischen Medium im Schlitz und dem benachbarten dielektrischen Medium, beispielsweise einer Luftumgebung (z. B. einer Schlitzantenne mit Luft darüber) oder eines anderen Dielektrikums (z. B. eines Antennendielektrikums im Fall einer Patchantenne) verwendet. Die Anpassung in die Umgebung ist frequenzunabhängig. In vielen Anwendungen ist die Annahme, dass der Einfallswinkel Null ist, eine allgemein sinnvolle Schätzung. Wenn der Einfallswinkel jedoch wesentlich größer als Null ist, sollten Cosinus-Ausdrücke zusammen mit den obigen Gleichungen verwendet werden.
Die in Betracht gezogenen Materialien werden alle als istotrop angenommen. Ein Computerprogramm kann verwendet werden, um diese Parameter zu berechnen. Da jedoch vor der Erfindung keine magnetischen Materialien für Mikrowellenschaltkreise verwendet worden sind, existiert derzeit keine Software zum Berechnen der benötigten Materialparameter, die zur Impedanzanpassung nötig sind.
Die angegebenen Berechnungen wurden vereinfacht, um die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien darzustellen. Ein rigoroserer Ansatz, wie etwa eine Finite-Element-Analyse, kann verwendet werden, um die hierin angegebenen Probleme mit zusätzlicher Genauigkeit zu modellieren.
Beispiel 1. Schlitz mit Luft darüber
Bezüglich 4 ist eine Schlitzantenne 400 gezeigt, die Luft (Medium 1) darüber aufweist. Die Antenne 400 weist eine Übertragungsleitung 405 und eine Masseplatte 410 auf, wobei die Masseplatte einen Schlitz 415 umfasst. Ein Dielektrikum 430 mit ε_r = 7,8 ist zwischen der Übertragungsleitung 405 und der Masseplatte 410 angeordnet und weist einen Bereich/Medium 4, einen Bereich/Medium 3 und einen Bereich/Medium 2 auf. Bereich 3 weist eine zugeordnete Länge (L) auf, welche durch die Bezugsziffer 432 angegeben ist. Bereich 425 hat vermutlich wenig Einfluss auf die Analyse und wird deshalb hierin vernachlässigt, da es nur unnötige zusätzliche Komplexität bedeuten würde, um die interessierenden physikalischen Abläufe zu erklären.
Die magnetischen Permeabilitätswerte für Medium 2 und 3 (
und
) werden beruhend auf einer Impedanz bestimmt, die der eines benachbarten Mediums entspricht. Insbesondere, wird
bestimmt, um eine Impedanzanpassung von Medium 2 in die Umgebung (Medium 1) zu ermöglichen, während
bestimmt wird, um eine Impedanzanpassung von Medium 2 an Medium 4 zu ermöglichen. Zusätzlich wird dann eine Länge des Anpassungsabschnitts in Medium 3 bestimmt, welche eine Länge einer viertel Wellenlänge bei einer ausgewählten Betriebsfrequenz aufweist, um die Medien 2 und 4 anzupassen.
Zuerst werden Medium 1 und 2 impedanzangepasst, um den Reflexionskoeffizienten an ihrer Grenzfläche unter Verwendung der folgenden Gleichung theoretisch zu beseitigen:
woraus folgt,
Somit folgt, um den Schlitz in die Umgebung (z. B. Luft) einzupassen
.
Als nächstes kann Medium 4 an Medium 2 impedanzangepasst werden. Medium 3 wird verwendet, um Medium 2 bis 4 impedanzanzupassen, und zwar unter Verwendung einer Länge (L) eines Anpassungsabschnitts 432 im Bereich 3 mit einer elektrischen Länge einer viertel Wellenlänge bei einer ausgewählten Betriebsfrequenz, die mit 3 GHz angenommen wird. Somit fungiert der Anpassungsabschnitt 432 als ein Viertelweilenwandler. Um Medium 4 und Medium 2 anzupassen ist es notwendig, dass ein Viertelwellenabschnitt 432 eine intrinsische Impedanz aufweist von:
Die intrinsische Impedanz für Bereich 2 ist:
η₀ ist die intrinsische Impedanz des freien Raums, gegeben durch: η0 = 120πΩ ≈ 377Ω (0.5)daher wird η₂ zu
Die intrinsische Impedanz für Bereich 4 ist:
Ein Ersetzen von (0.7) und (0.6) durch (0.3) ergibt
Dann wird die relative Permeabilität in Medium 3 aufgefunden zu:
Die geleitete Wellenlänge in Medium 3 bei 3 GHz ist gegeben durch
wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f die Betriebsfrequenz ist.
Folglich ist die Länge (L) des Viertelwellenanpassungsabschnitts 432 gegeben durch
Beispiel 2. Schlitz mit Dielektrikum darüber, wobei das Dielektrikum eine relative Permeabilität von 1 und eine Dielektrizitätskonstante von 10 aufweist.
Bezüglich 5 ist eine Seitenansicht einer Schlitzspeisungsmikrostreifen-Patchantenne 500 gezeigt, die an einem Antennendielektrikum 510 ausgebildet ist, welches ε_r = 10 and μ_r = 1 bereitstellt. Die Antenne 500 umfasst einen Patch 515 und eine Masseplatte 520. Die Masseplatte 520 umfasst einen ausgeschnittenen Bereich, der den Schlitz 525 aufweist. Ein dielektrisches Speisungssubstrat 530 ist zwischen der Masseplatte 520 und der Speisungsleitung 540 angeordnet.
Das Speisungsleitungsdielektrikum 530 weist einen Bereich/Medium 4, einen Bereich/Medium 3 und einen Bereich/Medium 2 auf. Bereich/Medium 3 weist eine zugeordnete Länge (L) auf, welche durch die Bezugsziffer 532 angegeben ist. Bereich 535 hat vermutlich wenig Einfluss auf diese Analyse und wird daher vernachlässigt.
Da die relative Permeabilität des Antennendielektrikums gleich 1 ist und die Dielektrizitätskonstante 10 ist, ist das Antennendielektrikum eindeutig nicht an Luft angepasst, da eine gleiche relative Permeabilität und relative Permittivität, wie etwa μ_r = 10 and ε_r = 10, für das Antennendielektrikum notwendig wären. Obwohl in diesem Beispiel nicht gezeigt, kann eine solche Anpassung unter Verwendung der Erfindung implementiert werden. In diesem Beispiel wird eine Permeabilität für die Medien 2 und 3 für eine optimale Impedanzanpassung zwischen den Medien 2 und 4 sowie zwischen den Medien 1 und 2 berechnet. Zusätzlich wird dann eine Länge des Anpassungsabschnitts in Medium 3 bestimmt, welche eine Länge einer viertel Wellenlänge bei einer ausgewählten Betriebsfrequenz aufweist. In diesem Beispiel sind die Unbekannten wieder
und L. Zuerst unter Verwendung der Gleichung
ergibt sich das Folgende:
Um Medium 2 an Medium 4 anzupassen, wird ein Viertelwellenabschnitt 532 benötigt mit einer intrinsischen Impedanz von
Die intrinsische Impedanz für Medium 2 ist
η₀ ist die intrinsische Impedanz des freien Raums, angegeben durch: η0 = 120πΩ ≈ 377Ω (0.16)daher wird η₂ zu
Die intrinsische Impedanz für Medium 4 ist
Ein Ersetzen von (0.18) und (0.17) durch (0.14) ergibt,
Dann wird die relative Permeabilität für Medium 3 aufgefunden zu
Die geleitete Wellenlänge in Medium (3) bei 3 GHz ist gegeben durch
wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f die Betriebsfrequenz ist. Folglich ist die Länge L gegeben durch
Da relative Permeabilitätswerte, die für eine Impedanzanpassung benötigt werden, wesentlich weniger als Eins betragen, wird solch eine Anpassung mit bestehenden Materialien schwierig zu implementieren sein. Daher wird die praktische Implementierung dieses Beispiels die Entwicklung neuer Materialien erfordern, die speziell auf diese oder ähnlich Anwendungen zugeschnitten sind, welche ein Medium benötigen, das eine relative Permeabilität von wesentlich weniger als 1 aufweist.
Beispiel 3; Schlitz mit Dielektrikum darüber, das eine relative Permeabilität von 10 und eine Dielektrizitätskonstante von 20 aufweist.
Dieses Beispiel verhält sich analog zu Beispiel 2, wobei es die in 5 gezeigte Struktur aufweist, außer dass ε_r des Antennendielektrikums 510 20 beträgt. Da die relative Permeabilität des Antennendielektrikums 510 10 beträgt und es sich von seiner Permittivität unterscheidet, ist das Antennendielektrikum 510 wieder nicht an Luft angepasst. In diesem Beispiel wird, wie im vorherigen Beispiel, die Permeabilität für die Medien 2 und 3 für eine optimale Impedanzanpassung zwischen den Medien 2 und 4 sowie zwischen den Medien 1 und 2 berechnet. Zusätzlich wird dann eine Länge des Anpassungsabschnitts in Medium 3 bestimmt, welches eine Länge einer viertel Wellenlänge bei einer ausgewählten Betriebsfrequenz aufweist. Wie zuvor werden
und L bestimmt werden, um die benachbarten dielektrischen Medien impedanzanzupassen. Zuerst unter Verwendung der Gleichung
folgt:
Um Medium 2 an Medium 4 anzupassen, wird ein Viertelwellenabschnitt benötigt mit einer intrinsischen Impedanz von
Die intrinsische Impedanz für Medium 2 beträgt
η₀ ist die intrinsische Impedanz des freien Raums, angegeben durch: η0 = 120πΩ ≈ 377Ω (0.27)daher wird η₂ zu
Die intrinsische Impedanz für Medium (4) ist
Ein Ersetzen von (0.29) und (0.28) durch (0.25) ergibt,
Dann wird die relative Permeabilität für Medium (3) aufgefunden zu:
Die geleitete Wellenlänge in Medium 3 bei 3 GHz ist gegeben durch
wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f die Betriebsfrequenz ist. Folglich ist die Länge 532 (L) gegeben durch
Wenn man die Beispiele 2 und 3 vergleicht, erleichtert eine Verwendung eines Antennendielektrikums 510, die eine Permeabilität aufweist, die wesentlich größer als 1 ist, eine Impedanzanpassung zwischen den Medien 1 und 2 sowie zwischen den Medien 2 und 4, da die benötigten Permeabilitäten für Medium 2 und 3 zum Anpassen dieser Medien beide leicht umsetzbar sind, wie hierin beschrieben.
Nachdem die Erfindung beschrieben worden ist, wird klar sein, dass sie nicht darauf beschränkt ist. Zahlreiche Modifikationen, Änderungen, Variationen, Ersetzungen und Äquivalente werden dem Fachmann einfallen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

Schlitzgespeiste Mikrostreifen-Patchantenne (200), aufweisend: eine elektrisch leitende Masseplatte (208), wobei die Masseplatte zumindest einen Schlitz (206) aufweist; zumindest einen ersten Patchstrahler (209); eine Speisungsleitung (217) zum Bereitstellen von Signalenergie zum oder vom ersten Patchstrahler (209) durch den Schlitz (206); ein dielektrisches Speisungssubstrat (212), das zwischen der Speisungsleitung (217) und der Masseplatte (208) angeordnet ist; und ein dielektrisches Antennensubstratmaterial (205), das zwischen der Masseplatte (208) und dem ersten Patchstrahler (209) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil (210) des dielektrischen Antennensubstratmaterials (205) magnetische Metamaterialteilchen (214) umfasst, wobei das Metamaterial ein Komposit ist, das durch das Mischen oder Anordnen von zwei oder mehr verschiedenen Materialien auf einer Molekular- oder Nanometerebene gebildet wird, und organokeramische Ferritteilchen oder organokeramische Niobteilchen oder organofunktionalisierte Kompositkeramikteilchen umfasst, welche umfassen: Metalloxide, einschließlich Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Nickeloxid, Lithiumniobat und Zirkonate, einschließlich Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, und Ferrit-dotiertes Kalziumtitanat unter Verwendung von Magnesium, Strontium oder Niob als Dotiermetalle und Ferrit- oder Niob-dotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate.
Antenne nach Anspruch 1, bei welcher der Teil (210) des dielektrischen Antennensubstratmaterial (205) zwischen dem Schlitz (206) und dem Patchstrahler (209) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1, bei der zumindest ein Teil des Speisungsleitungsdielektrikums (212) magnetische Teilchen umfasst.
Antenne nach Anspruch 3, bei der das Speisungsleitungsdielektrikum (212) einen Viertelwellenlängen-Einpassungsabschnitt nahe an dem Schlitz (206) bereitstellt, um die Speisungsleitung (217) in den Schlitz (206) einzupassen.
Antenne nach Anspruch 1, bei welcher der zumindest eine erste Patchstrahler einen ersten und eine zweiten Patchstrahler aufweist, wobei der erste und der zweite Patchstrahler durch ein Zwischenpatch-Dielektrikum getrennt sind.
Antenne nach Anspruch 5, bei der das Zwischenpatch-Dielektrikum magnetische Teilchen umfasst.
Antenne nach Anspruch 6, bei der die magnetischen Teilchen Metamaterialien aufweisen.