EP1547192B1 - Device for transmitting or emitting high-frequency waves - Google Patents

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EP1547192B1
EP1547192B1 EP03798044A EP03798044A EP1547192B1 EP 1547192 B1 EP1547192 B1 EP 1547192B1 EP 03798044 A EP03798044 A EP 03798044A EP 03798044 A EP03798044 A EP 03798044A EP 1547192 B1 EP1547192 B1 EP 1547192B1
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EP
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coupling
coupling opening
ground plane
frequency
substrate
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
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    • H01Q9/045Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen bzw. Abstrahlen hochfrequenter Wellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus BHATTACHARYYA ET AL. "ANALYSIS OF STRIPLINE-FED SLOT-COUPLED PATCH ANTENNAS WITH VIAS FOR PARALLEL-PLATE MODE SUPPRESSION" IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE INC. NEW YORK, US, Bd. 46, Nr. 4, 1. April 1998 (1998-04-01), Seiten 538-545, XP000750734 ISSN: 0018-926X .The present invention relates to a device for transmitting or radiating high-frequency waves according to the preamble of claim 1, as from BHATTACHARYYA ET AL. "ANALYSIS OF STRIPLINE-FED SLOT-COUPLED PATCH ANTENNA WITH VIAS FOR PARALLEL-PLATE MODE SUPPRESSION" IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE INC. NEW YORK, US, Vol. 46, No. 4, April 1, 1998 (1998-04-01), pages 538-545, XP000750734 ISSN: 0018-926X ,

Eine ebensolche Vorrichtung ist aus der U.S. 5,801, 660 bekannt.A similar device is from the US 5,801,660 known.

Aus der JP 2000-174515A ist ein koplanarer Wellenleiter bekannt, bei welchem eine Streifenleitung in einer Ebene mit einer Massefläche verläuft, wobei oberhalb dieser Ebene eine Führungsebene mit einer Öffnung zur Auskopplung von hochfrequenten Wellen vorgesehen ist.From the JP 2000-174515A a coplanar waveguide is known, in which a strip line extends in a plane having a ground plane, wherein above this plane a guide plane is provided with an opening for coupling out high-frequency waves.

ITO M. ET AL: "Low cost multi-layer ceramic package for flip-chip MMIC up to W-band" MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST. 2000 IEEE MTT-S INTERNATIONAL BOSTON, MA, USA 11-16 JUNI 2000, PISCATAWAY, NJ, USA, IEEE, US, 11. Juni 2000 (2000-06-11), Seiten 57-60, XP010505923 ISBN: 0-7803-5687-X offenbaren ein Substrat aus einem keramischen Material, beispielsweise low-temperature co-fired ceramic (LTCC) für eine Mikrostreifenleitung. ITO M. ET AL: "MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST. Low cost multi-layer ceramic package for flip-chip MMIC up to W-band". 2000 IEEE MTT-S INTERNATIONAL BOSTON, MA, USA 11-16 JUNE 2000, PISCATAWAY, NJ, USA, IEEE, US, June 11, 2000 (2000-06-11), pages 57-60, XP010505923 ISBN: 0-7803 -5687-X disclose a substrate of a ceramic material, such as low-temperature co-fired ceramic (LTCC) for a microstrip line.

U.S. 5,414,394 offenbart eine Vorrichtung mit einer Mikrostreifenleitung und einem am Ende der Mikrostreifenleitung vorgesehenen integrierten Impedanztransformator. US 5,414,394 discloses a device having a microstrip line and an integrated impedance transformer provided at the end of the microstrip line.

Die GB 2 007 919 A offenbart eine Abflussstruktur für eine Mikrowellen-Übertragungsvorrichtung.The GB 2 007 919 A discloses a drainage structure for a microwave transmission device.

Vorrichtungen zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen, wie beispielsweise planare Antennenelemente, die über einen Schlitz zur Schwingung und damit zur Abstrahlung hochfrequenter Wellen angeregt werden, sind beispielsweise in der Richtfunk-, Satellitenfunk- oder Radartechnik weit verbreitet. Vorzugsweise finden sie im Mikrowellenbereich Anwendung, da hier kleine Baugrößen und damit einfache Realisierungen unter Einsatz geringer Kosten möglich sind.Devices for emitting electromagnetic waves, such as planar antenna elements, which are excited via a slot for oscillation and thus for the emission of high-frequency waves, are widely used, for example, in radio relay, satellite radio or radar technology. They are preferably used in the microwave range, since small sizes and therefore simple implementations using low costs are possible here.

Eine übliche planare Antenneneinrichtung ist mit Bezug auf Fig. 6A dargestellt, in welcher eine Schlitzkopplung über eine Mikrostreifenleitung (MSL) 10 angeregt wird. Diese Mikrostreifenleitung 10 weist dazu ein abruptes Ende 10' auf und bildet somit eine leerlaufende Leitung. Im Abstand d von ca. 1/4 der Leitungswellenlänge zu diesem abrupten Ende 10' der Mikrostreifenleitung 10 ist in einer durch ein Substrat 11 getrennten Massefläche 12 senkrecht zur Mikrostreifenleitung 10 ein Schlitz 14 angeordnet, über den ein Durchgriff, d.h. eine Kopplung, des an dieser Stelle maximalen magnetischen Feldes erfolgt. Dieses ebenfalls mit einer elektrischen Feldkomponente versehene Feld regt ein planares Strahlerelement 16, welches auch Patch-Element genannt wird, zu einer Resonanzschwingung und zur nahezu vollständigen Abstrahlung der hochfrequenten Energie mit zur Massefläche 12 orthogonaler Hauptausbreitungsrichtung an. Fig. 6B zeigt die Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 6A in Draufsicht.A common planar antenna device is described with reference to FIG Fig. 6A in which a slot coupling via a microstrip line (MSL) 10 is excited. For this purpose, this microstrip line 10 has an abrupt end 10 'and thus forms an open-running line. At a distance d of about 1/4 of the line wavelength to this abrupt end 10 'of the microstrip line 10 is in a separated by a substrate 11 ground surface 12 perpendicular to the microstrip line 10, a slot 14, through which a penetration, ie, a coupling of the this point maximum magnetic field occurs. This also provided with an electric field component field stimulates planar emitter element 16, which is also called patch element, to a resonant oscillation and almost complete radiation of the high-frequency energy with the ground plane 12 orthogonal Hauptausbreitungsrichtung on. Fig. 6B shows the cross-sectional view of the device according to Fig. 6A in plan view.

Von Nachteil bei dieser Anordnung ist, dass Mikrostreifenleitungssubstrate 11 bei höheren Frequenzen sehr dünn werden, z.B. 254 µm bei einer short range radar-Anwendung (SRR) bei 24GHz, und keine ausreichende Strukturfestigkeit für eine Verbauung aufweisen. Deshalb müssen diese Substrate 11 mit einem starren Trägermaterial 18, wie in Fig. 7A dargestellt, verbunden werden. Dieses Trägermaterial 18 ist aus Kostengründen nicht hochfrequenztauglich. Das Trägermaterial 18 wird oberhalb der Massefläche 12 mit einer festen Verbindung zu derselben angebracht, wobei zur Sicherstellung der Funktion der Antenne im Bereich des Koppelschlitzes 14 bzw. des Strahlerelementes 16 eine kostenaufwendige Ausnehmung 19 im Trägermaterial 18 erforderlich ist, damit über den Koppelschlitz 14 das Strahlerelement 16 elektromagnetisch angekoppelt werden kann.A disadvantage of this arrangement is that microstrip line substrates 11 become very thin at higher frequencies, eg 254 μm in a short range radar application (SRR) at 24 GHz, and do not have sufficient structural strength for obstruction. Therefore, these substrates 11 must be provided with a rigid substrate 18, as in FIG Fig. 7A shown connected. This substrate 18 is not high frequency suitable for cost reasons. The support material 18 is mounted above the ground surface 12 with a fixed connection to the same, wherein to ensure the function of the antenna in the region of the coupling slot 14 and the radiator element 16 is a costly recess 19 in the substrate 18 is required, so on the coupling slot 14, the radiator element 16 can be coupled electromagnetically.

Eine weitere herkömmliche Ausführungsform einer schlitzgekoppelten Antenne verwendet zur Speisung des Einzelstrahlers 16 eine sogenannte "vergrabene", signalführende Leitung 10 mit abrupten Leitungsende 10', die in Form von einer sogenannten Triplate-Leitung ausgeführt ist und ihrerseits ebenfalls über einen Schlitz 14 den Einzelstrahler 16 zur Abstrahlung anregt. Die Signalleitung 10 ist im wesentlichen planparallel zwischen zwei Masseflächen 12, 13 angeordnet, wobei im gemäß Fig. 8A bzw. Fig. 8B vorliegenden Fall die Mikrostreifenleitung 10 näher an einer der beiden Masseflächen 12, 13 liegt, welches zu einer Antennenanordnung mit unsymmetrischer Triplate-Speisung führt. Im Gegensatz dazu gibt es auch Anordnungen mit symmetrischer Speisung, d.h. mit gleichen Abständen der eingebetteten Signalleitung 10 zu den äußeren Masseflächen 12, 13. Die symmetrische oder unsymmetrische Triplate-Anordnung weist den Vorteil auf, dass größere Leitungselemente in einer unteren Schicht (layer) als vergrabene Strukturen verborgen werden können, so dass dadurch Bauraum eingespart werden kann. Insbesondere wenn größere Antennen, welche aus einer Vielzahl solcher Einzelstrahler 16 bestehen, zu realisieren sind, um die Richtwirkung der Antenne zu erhöhen, kann diese Verlagerung hochfrequenter Leitungsanordnungen in weiter unten liegende Schichten kompakte Aufbauten ermöglichen, da das Speisenetzwerk eines Antennen-Arrays einen nicht zu vernachlässigenden Anteil am erforderlichen Bauraum einnimmt.Another conventional embodiment of a slot-coupled antenna used to power the single radiator 16 is a so-called "buried", signal-carrying line 10 with abrupt cable end 10 ', which is designed in the form of a so-called triplate line and turn also via a slot 14 the single radiator 16 to Radiation stimulates. The signal line 10 is arranged substantially plane-parallel between two ground surfaces 12, 13, wherein in according to Fig. 8A respectively. Fig. 8B In this case, the microstrip line 10 is closer to one of the two ground planes 12, 13, which leads to an antenna arrangement with asymmetrical triplate supply. In contrast, there are also arrangements with symmetrical feeding, ie with equal spacing of the embedded signal line 10 to the outer ground planes 12, 13. The symmetrical or asymmetrical triplate arrangement has the advantage that larger line elements in a lower layer than Buried structures can be hidden, so that space can be saved. In particular, if larger antennas, which consist of a plurality of such individual emitters 16, are to be implemented in order to increase the directivity of the antenna, this shift of high-frequency line arrangements in lower layers can allow compact structures, since the feed network of an antenna array does not allow negligible share of the required space.

Darüber hinaus beeinflusst ein vergrabenes Speisenetzwerk die Abstrahlcharakteristik einer solchen Anordnung nicht negativ, im Gegensatz zu, insbesondere bei höheren Frequenzen, "offenen" Verteiler- bzw. Speisenetzwerken, welche erheblich zu parasitärer Abstrahlung beitragen. Von Vorteil ist außerdem die Möglichkeit einfach herzustellenden Multischicht- bzw. Multilayer-Anordnungen vorzusehen, da deren Einzelschichten bzw. Einzellayer gute Hochfrequenzeigenschaften aufweisen und die jeweiligen zu vergrabenden Leitungsstrukturen tragen. Bei Verwendung geeigneter Layer- bzw. Substratmaterialien, wie beispielsweise Keramiken, kann auf die Verbindung mit einem zusätzlichen mechanischen Träger verzichtet werden, da die Multilayer-Anordnung über eine ausreichende Strukturstabilität verfügt. Insbesondere low temperature cofired ceramic (LTCC)-Substrate sind auf diesem Gebiet geeignet.In addition, a buried feed network does not adversely affect the radiation characteristics of such an arrangement, in contrast to, especially at higher frequencies, "open" distribution or feed networks, which contribute significantly to parasitic radiation. Another advantage is the possibility to provide easily produced multi-layer or multilayer arrangements, since their individual layers or single layers have good high-frequency properties and carry the respective to be buried line structures. When using suitable layer or substrate materials, such as ceramics, can be dispensed with the connection with an additional mechanical support, since the multilayer arrangement on has sufficient structural stability. In particular, low temperature cofired ceramic (LTCC) substrates are suitable in this field.

Die eben mit Bezug auf Fig. 8A und Fig. 8B beschriebene Antennenanordnung weist jedoch den Nachteil auf, dass an einem abrupten Ende 10' der signalführenden, mittleren Leitung 10 der Triplate-Struktur die Ablösung von Wellen stark begünstigt wird. Ein nicht unerheblicher Leistungsanteil des Signals kann sich dann in dem Substratmaterial 11 beispielsweise in Form von Parallelplattenmoden oder Hohlleitermoden unerwünscht ausbreiten. Wird die Multilayer-Anordnung seitlich in einem metallischen Träger bzw. Gehäuse eingefasst, so wird die Anregung von Hohlleitermoden zusätzlich begünstigt. Die Ausbreitung von Hohlleitermoden wird durch ihre Grenzfrequenz fg bestimmt, deren Wert direkt von den Abständen der begrenzenden metallischen Wände abhängt.The same with respect to 8A and 8B However, the antenna arrangement described has the disadvantage that at an abrupt end 10 'of the signal-carrying, central line 10 of the triplate structure, the separation of waves is greatly favored. A not inconsiderable power component of the signal can then undesirably propagate in the substrate material 11, for example in the form of parallel plate modes or waveguide modes. If the multilayer arrangement is enclosed laterally in a metallic carrier or housing, the excitation of waveguide modes is additionally promoted. The propagation of waveguide modes is determined by their cutoff frequency fg, the value of which depends directly on the distances of the bounding metallic walls.

Generell gilt der Zusammenhang, dass die Grenzfrequenz fg eines Hohlleitermodes zu niedrigeren Frequenzen verschoben wird, wenn der Abstand der elektrisch leitenden, beispielsweise metallischen Wände vergrößert wird. Dabei erhöht sich zugleich die Anzahl der in einem bestimmten Frequenzband ausbreitungsfähigen Moden stetig. Werden nun im Substrat 11 solche Moden durch leerlaufende Leitungsenden angeregt, so wird einerseits die über das Strahlerelement 16 abgestrahlte Leistung reduziert und andererseits Verkopplungen mit anderen Schaltungsteilen innerhalb des Substrats 11, z.B. weiteren Antennenelementen, begünstigt, welche sich nachteilig auf die Antennencharakteristik und das gesamte Systemverhalten auswirken.In general, the relationship applies that the cut-off frequency f g of a waveguide mode is shifted to lower frequencies when the distance between the electrically conductive, for example, metallic walls is increased. At the same time, the number of modes capable of propagation in a certain frequency band increases steadily. If such modes are excited in the substrate 11 by open-ended line ends, the power radiated via the radiator element 16 is reduced on the one hand, and on the other hand couplings with other circuit parts within the substrate 11, eg further antenna elements, are favored, which adversely affects the antenna characteristics and the overall system behavior impact.

VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Übertragen bzw. Abstrahlen hochfrequenter Wellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, dass die Anregung von Substrat oder Hohlleitermoden in einer schlitzgekoppelten Antennenanordnung mit symmetrischer oder unsymmetrischer Triplate-Leitung verhindert bzw. auf ein für das Verhalten der Antenne bzw. des Systems nicht mehr relevantes Maß reduziert wird, ohne die grundsätzliche Wirkungsweise einer schlitzgekoppelten Abstrahlvorrichtung negativ zu beeinflussen.The device according to the invention for transmitting or emitting high-frequency waves with the features of claim 1 has the advantage over the known approach that the excitation of substrate or waveguide modes in a slot-coupled antenna arrangement with symmetrical or asymmetrical triplate line prevents or on a for the Behavior of the antenna or the system is no longer relevant measure is reduced without negatively affecting the basic mode of action of a slit-coupled radiating device.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, eine kostengünstige Verbesserung der Funktion der Antenne bereitzustellen, da die Unterdrückung der beschriebenen Anregung von Substrat- oder Hohlleitermoden zur Verbesserung der Effizienz der Antenne und damit zur Verbesserung des Systemverhaltens beiträgt.The device according to the invention makes it possible to provide a cost-effective improvement in the function of the antenna, since the suppression of the described excitation of substrate or waveguide modes contributes to improving the efficiency of the antenna and thus to improving the system behavior.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichen darin, eine Abschirmungsmaßnahme sowohl im Bereich der Signalleitung als auch im Bereich des Koppelschlitzes vorzusehen und in ihrer Dimensionierung an beide Anforderungen anzupassen.The idea underlying the present invention essentially consists in providing a shielding measure both in the area of the signal line and in the area of the coupling slot and adapting their dimensioning to both requirements.

Mit anderen Worten wird eine Vorrichtung zum Übertragen bzw. Abstrahlen hochfrequenter Wellen vorgesehen, welche eine mit einem Ende versehene Mikrostreifenleitung in einem Substrat zum Übertragen hochfrequenter Nutzsignale aufweist, eine erste Massefläche und eine zweite Massefläche, welche auf entgegenliegenden Seiten der Mikrostreifenleitung vorgesehen sind, zum Abschirmen der Mikrostreifenleitung bereitstellt, eine Öffnung in der ersten Massefläche in einem vorbestimmten Abstand zum Ende der Streifenleitung zum Auskoppeln eines hochfrequenten Signals vorsieht, eine Durchkontaktierungseinrichtung zum leitfähigen Verbinden der ersten Massefläche mit der zweiten Massefläche in der Peripherie der Mikrostreifenleitung zum Abschirmen derselben aufweist (z.B. durch sogenannte Vias) und eine planare Kopplungseinrichtung zum Aufnehmen und Übertragen des hochfrequenten Nutzsignals bereitstellt, wobei die Durchkontaktierungseinrichtung derart strukturiert und/oder dimensioniert ist, dass bei gegebener Frequenz des Nutzsignals im wesentlichen keine ausbreitungsfähigen bzw. resonanzfähigen Hohlleitermoden im Substrat auftreten.In other words, an apparatus for transmitting high-frequency waves is provided, which has an end-provided microstrip line in a substrate for transmitting high-frequency useful signals, a first ground plane and a second ground plane, which are provided on opposite sides of the microstrip line, for shielding the microstrip line, providing an opening in the first ground plane at a predetermined distance from the end of the strip line for coupling out a high frequency signal, via means for electrically connecting the first ground plane to the second ground plane in the first ground plane Peripheral the microstrip line for shielding the same has (eg by so-called vias) and provides a planar coupling device for receiving and transmitting the high-frequency useful signal, wherein the via device is structured and / or dimensioned such that at a given frequency of the useful signal substantially no propagatable or resonant capable Waveguide modes occur in the substrate.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung.In the dependent claims are advantageous developments and improvements of the device specified in claim 1.

Erfindungsgemäß weitet sich die Struktur der Durchkontaktierungseinrichtung im Bereich der Kopplungsöffnung auf. Dies erbringt den Vorteil, dass die Ankopplung an ein Abstrahlelement (Patch) durch die abschirmende Durchkontaktierungseinrichtung im Bereich der Kopplungsöffnung nicht behindert wird.According to the invention, the structure of the plated-through device widens in the region of the coupling opening. This provides the advantage that the coupling to a radiating element (patch) is not hindered by the shielding through-connection device in the region of the coupling opening.

Erfindungsgemäß ist ein Abstand a zwischen gegenüberliegenden Durchkontaktierungseinrichtungen im Bereich der Mikrostreifenleitung kleiner als der Quotient aus c 0 ö 2 f ε r ,

Figure imgb0001
wobei C0 für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, εr für die dielektrische Permittivität des Substrats und f für die Frequenz eines Nutzsignals steht. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise verhindert, dass ein erster ausbreitungsfähiger Hohlleitermode eines Rechteckhohlleiters, der hier näherungsweise vorliegt (TE10-Mode), ein Mode mit transversal elektrischem (TE) Feld im Querschnitt gebildet wird.According to the invention, a distance a between opposing via devices in the region of the microstrip line is smaller than the quotient c 0 ö 2 f ε r .
Figure imgb0001
where C 0 for the speed of light in vacuum, ε r for the dielectric permittivity of the substrate and f stands for the frequency of a useful signal. This prevents advantageously such that a first propagation capable waveguide mode of the rectangular waveguide, which approximately is present here (TE 10 mode), a mode with a transverse electrical (TE) field is formed in cross section.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht zwischen der Breite B zwischen gegenüberliegenden Durchkontaktierungseinrichtungen im Bereich der Kopplungsöffnung und der Länge L der Durchkontaktierungseinrichtung im Bereich der Kopplungsöffnung folgender Zusammenhang L < 1 2 f res ε r c 0 2 - 1 B 2 ,

Figure imgb0002

wobei C0 für die Lichtgeschwindigekeit im Vakuum, εr für die dielektrische Permittivität des Substrats und fres für eine Resonanzfrequenz eines anregbaren Hohlleitermodes steht, welche oberhalb eines Nutzsignalfrequenzbandes vorzusehen ist. Dies ist ein Vorteil für die Dimensionierung der Durchkontaktierungs- bzw. Via-Wände im Bereich des Koppelschlitzes, da auf diese Weise vermieden wird, dass unerwünschte Resonanzfrequenzen Hohlraumresonanzen innerhalb der Schirmwände im Bereich des Koppelschlitzes bilden.According to a further preferred development, the following relationship exists between the width B between opposing via-contacting devices in the region of the coupling opening and the length L of the through-connection device in the region of the coupling opening L < 1 2 f res ε r c 0 2 - 1 B 2 .
Figure imgb0002

where C 0 stands for the speed of light in vacuum, ε r for the dielectric permittivity of the substrate and f res for a resonant frequency of a stimulable waveguide mode, which is to be provided above a useful signal frequency band. This is an advantage for the dimensioning of the via or via walls in the region of the coupling slot, since in this way it is avoided that undesired resonance frequencies form cavity resonances within the screen walls in the region of the coupling slot.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Resonanzfrequenz einen größeren Abstand als etwa einige Prozent oberhalb vom Nutzsignalfrequenzband auf. Auf diese Weise wird eine sichere Vermeidung von Resonanzerscheinungen gewährleistet.According to a further preferred development, the resonance frequency has a greater distance than about a few percent above the useful signal frequency band. In this way, a safe avoidance of resonance phenomena is ensured.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung für Nutzsignale in einem Frequenzband zwischen 20 GHz und 30 GHz dimensioniert. So ist die Vorrichtung beispielsweise für den Einsatz in einem SRR(short range radar)-Anwendungsfall geeignet.According to a further preferred development, the device is dimensioned for useful signals in a frequency band between 20 GHz and 30 GHz. For example, the device is suitable for use in an SRR (short range radar) application.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die Durchkontaktierungseinrichtung aus diskreten Durchkontaktierungselementen, welche lateral benachbart zueinander, vorzugsweise eine elektromagnetisch abschirmende Wand bildend, angeordnet sind. Dies birgt den Vorteil einer guten Abschirmung bei kostengünstig herzustellenden Durchkontaktierungselementen, wobei sich die Wahl des Abstandes nach der Frequenz richtet.According to a further preferred development, the plated-through device consists of discrete through-connection elements, which are arranged laterally adjacent to one another, preferably forming an electromagnetic-shielding wall. This has the advantage of good shielding at cost-to-produce via elements, with the choice of the distance depends on the frequency.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die diskreten Durchkontaktierungselemente rund und/oder zylinderförmig gebildet. Eine einfache Herstellung kann dadurch gewährleistet werden.According to a further preferred development, the discrete feedthrough elements are formed round and / or cylindrical. A simple production can be ensured.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet die Durchkontaktierungseinrichtung eine durchgängige Wand. Dies bietet den Vorteil einer geschlossenen Abschirmeinrichtung, beispielsweise in Form einer metallischen Schicht, welche nahezu keinerlei elektromagnetische Ein- bzw. Auskopplungen zulässt.According to a further preferred development, the through-connection device forms a continuous wall. This offers the advantage of a closed shielding device, for example in the form of a metallic layer, which allows almost no electromagnetic input or output couplings.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist im Bereich longitudinal benachbart des Endes der Streifenleitung die Durchkontaktierungseinrichtung durchgängig vorgesehen.According to a further preferred development, the through-connection device is provided continuously in the region longitudinally adjacent to the end of the strip line.

Von Vorteil ist dabei eine vollständige Abschirmung der Streifenleitung.The advantage here is a complete shielding of the stripline.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist im Bereich longitudinal benachbart des Endes der Streifenleitung die Durchkontaktierungseinrichtung mit einer Lücke versehen. Dadurch wird bei leicht vermindertem Herstellungsaufwand kaum elektromagnetische Abstrahlung abgegeben bzw. aufgenommen.According to a further preferred development, the through-connection device is provided with a gap in the region longitudinally adjacent to the end of the strip line. As a result, little electromagnetic emission is emitted or absorbed at a slightly reduced production cost.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Mikrostreifenleitung näher an der mit der Kopplungsöffnung versehenen Massefläche als an der anderen Massefläche im Substrat angeordnet oder umgekehrt. Dies birgt den Vorteil einer unsymmetrischen Struktur, welche z.B. bei Ankopplung einer weiteren Mikrostreifenleitung über die Kopplungsöffnung vonnöten ist.According to a further preferred refinement, the microstrip line is arranged closer to the ground area provided with the coupling opening than to the other ground area in the substrate or vice versa. This has the advantage of an asymmetric structure, which e.g. when coupling another microstrip line via the coupling opening is needed.

Erfindungsgemäß ist die Mikrostreifenleitung in etwa äquidistant zwischen der mit der Kopplungsöffnung versehenen Massefläche und der anderen Massefläche im Substrat angeordnet. Dies stellt den Vorteil einer einfachen Anordnung bereit.According to the invention, the microstrip line is arranged approximately equidistantly between the ground plane provided with the coupling opening and the other ground plane in the substrate. This provides the advantage of a simple arrangement.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet die planare Kopplungseinrichtung eine zweite Mikrostreifenleitung in einer anderen Ebene, welche unter galvanischer Trennung zur elektromagnetischen Ankopplung dieser weiteren Mikrostreifenleitung vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine Signalübertragungseinrichtung unter galvanischer Trennung vorteilhaft bereitgestellt.According to a further preferred development, the planar coupling device forms a second microstrip line in another plane, which is provided with galvanic isolation for the electromagnetic coupling of this further microstrip line. In this way, a signal transmission device is advantageously provided with galvanic isolation.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind beide Mikrostreifenleitungen im wesentlichen gleichartig ausgebildet und überlappen sich in longitudinaler Richtung um einen zweifachen vorbestimmten Abstand, welcher vorzugsweise in etwa der halben Wellenlänge des koppelnden Nutzsignals entspricht. Somit wird eine maximale elektromagnetische Kopplung zwischen den zwei Mikrostreifenleitungen sichergestellt.According to a further preferred embodiment, both microstrip lines are formed substantially the same and overlap in the longitudinal direction by a two-fold predetermined distance, which preferably corresponds approximately to half the wavelength of the coupling useful signal. Thus, maximum electromagnetic coupling between the two microstrip lines is ensured.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Kopplungsöffnung parallel der Masseflächen schlitzförmig und/oder rechteckförmig vorgesehen. Dies ermöglicht ein einfaches kostengünstig herzustellendes Kopplungsöffnungs-Layout in der Massefläche und bietet eine gute Aus- bzw. Einkopplung durch den Schlitz.According to a further preferred development, the coupling opening is provided in parallel with the ground surfaces in slot-shaped and / or rectangular fashion. This allows a simple cost-effective-to-produce coupling-hole layout in the ground plane and provides good coupling through the slot.

ZEICHNUNGENDRAWINGS

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1Fig. 1
eine Schrägansicht eines Ausschnitts zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;an oblique view of a section for explaining a first embodiment of the present invention;
Fig. 2Fig. 2
eine Schrägansicht zur Erläuterung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;an oblique view for explaining the first embodiment of the present invention;
Fig. 3Fig. 3
eine Draufsicht einer schematischen Abstrahlvorrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;a plan view of a schematic emitting device for explaining a second embodiment of the present invention;
Fig. 4Fig. 4
ein Simulationsschaubild zur Erläuterung der Funktionsweise der mit Bezug auf Fig. 3 erläuterten Abstrahlvorrichtung;a simulation diagram for explaining the operation of with reference to Fig. 3 explained emitting device;
Fig. 5A,BFig. 5A, B
eine schematische Darstellung einer galvanisch getrennten Kopplungseinrichtung zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 5A einen Längsschnitt und Fig. 5B einen Querschnitt entlang der Schnittebene A verdeutlicht;a schematic representation of a galvanically isolated coupling device for explaining a third embodiment of the present invention, wherein Fig. 5A a longitudinal section and Fig. 5B a cross section along the sectional plane A illustrates;
Fig. 6A,BFig. 6A, B
eine schematische Darstellung eines üblichen schlitzgekoppelten Planarstrahlers, wobei Fig. 6A einen Längsschnitt und Fig. 6B eine Draufsicht verdeutlicht;a schematic representation of a conventional slit-coupled Planarstrahlers, wherein Fig. 6A a longitudinal section and Fig. 6B a plan view illustrates;
Fig. 7A,BFig. 7A, B
eine schematische Darstellung der mit Bezug auf Fig. 6A, B dargestellten Anordnung mit einer zusätzlichen mechanischen Verstärkung, wobei Fig. 7A einen Längsschnitt und Fig. 7B eine Draufsicht verdeutlicht; unda schematic representation of with reference to Fig. 6A , B illustrated arrangement with an additional mechanical reinforcement, wherein Fig. 7A a longitudinal section and Fig. 7B a plan view illustrates; and
Fig. 8A,BFig. 8A, B
eine schematische Darstellung eines üblichen schlitzgekoppelten Planarstrahlers mit einer unsymmetrischen Triplate-Leitungsspeisung, wobei Fig. 8A einen Längsschnitt und Fig. 8B einen Querschnitt entlang der Schnittebene A verdeutlicht.a schematic representation of a conventional slot-coupled Planarstrahlers with a single-ended tripple-line supply, wherein Fig. 8A a longitudinal section and Fig. 8B a cross section along the sectional plane A illustrates.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.In the figures, the same reference numerals designate the same or functionally identical components.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schrägansicht einer schlitzgekoppelten Abstrahlvorrichtung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 shows a schematic oblique view of a slit-coupled radiating device for explaining a first embodiment of the present invention.

In Fig. 1 ist eine Mikrostreifenleitung 10 in ein Substrat 11 eingebettet. Dieses Substrat ist vorzugsweise hochfrequenztauglich und weist z.B. eine low temperature cofired ceramic (LTCC) auf, welche gute dielektrische Eigenschaften bei einer niedrigen Dämpfung aufweist. Oberhalb der Mikrostreifenleitung 10, vorzugsweise parallel dazu, ist durch das Substrat 11 getrennt eine erste Massefläche 12 vorgesehen.In Fig. 1 For example, a microstrip line 10 is embedded in a substrate 11. This substrate is preferably suitable for high frequency and has, for example, a low temperature cofired ceramic (LTCC), which has good dielectric properties at a low attenuation. Above the microstrip line 10, preferably parallel thereto, a first ground plane 12 is provided by the substrate 11 separately.

Der untere Abschluss der dargestellten Anordnung wird von einer zweiten Massefläche 13 gebildet, welche wie die erste Massefläche aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise ein Metall aufweisend, besteht. Die erste Massefläche 12 verfügt über eine Kopplungsöffnung 14, welche vorzugsweise rechteckig und/oder schlitzförmig vorgesehen ist, und welche mit Bezug auf ein abruptes Ende 10' der Mikrostreifenleitung 10 einen vorbestimmten Abstand d (nicht dargestellt) aufweist. Diese Kopplungsöffnung 14 ist in Y-Richtung mittig zu der Streifenleitung 10 bzw. dem Ende der Streifenleitung 10' und im rechten Winkel dazu verlaufend, ähnlich einem Kreuz, ausgerichtet. Der vorbestimmte Abstand in X-Richtung zwischen Schlitzöffnung 14 und dem Ende 10' der Streifenleitung 10 entspricht in etwa einem Viertel der Leitungswellenlänge, d.h. λ/4, des auf der Streifenleitung 10 übertragenen Nutzsignals f, welches bei diesem Beispiel eine Bandbreite des Frequenzbandes F im Bereich zwischen 20 GHz und 30 GHz aufweist.The lower end of the illustrated arrangement is formed by a second ground plane 13, which, like the first ground plane, consists of an electrically conductive material, preferably a metal. The first ground plane 12 has a coupling opening 14, which is preferably rectangular and / or slot-shaped, and which has a predetermined distance d (not shown) with respect to an abrupt end 10 'of the microstrip line 10. This coupling opening 14 is aligned in the Y-direction centered to the strip line 10 and the end of the strip line 10 'and at right angles thereto, similar to a cross. The predetermined distance in the X direction between the slot opening 14 and the end 10 'of the strip line 10 corresponds to approximately one quarter of the line wavelength, ie λ / 4, of the transmitted on the strip line 10 useful signal f, which in this example a bandwidth of the frequency band F in the range between 20 GHz and 30 GHz.

Zwischen der oberen Massefläche 12, in welcher der Koppelschlitz 14 vorgesehen ist, und der unteren Massefläche 13 ist eine Durchkontaktierungseinrichtung 15 vorgesehen, welche gemäß der vorliegenden Ausführungsform aus einzelnen Durchkontaktierungselementen 15' besteht. Die einzelnen Durchkontaktierungselemente 15' sind vorzugsweise in etwa rund und/oder zylinderförmig ausgebildet und sehen eine palisadenwandähnliche Abschirmeinrichtung vor.Between the upper ground surface 12, in which the coupling slot 14 is provided, and the lower ground surface 13, a feedthrough device 15 is provided, which consists of individual via elements 15 'according to the present embodiment. The individual via elements 15 'are preferably approximately round and / or cylindrical and provide a palisade wall-like shielding device.

Eine planare Kopplungseinrichtung 16 dient im vorliegenden Fall als Planarstrahler, welcher durch das durch die Kopplungsöffnung 14 ausgekoppelte elektromagnetische Feld zu einer Resonanz angeregt wird. Die planare Kopplungseinrichtung 16 ist vorzugsweise parallel zur Kopplungsöffnung 14 ausgerichtet. Auch die Seitenkanten des hier rechteckförmig vorgesehenen Planarstrahlers 16 sind vorzugsweise parallel den Kanten der Kopplungsöffnung 14, d.h. in X- und Y-Richtung, ausgerichtet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die Mikrostreifenleitung 10 im Bereich des Koppelschlitzes 14 und vor dem abrupten Ende 10' der Streifenleitung einen Impedanztransformator 17 auf, welcher bei Bedarf zur Impedanzanpassung eingesetzt wird. Im Bereich des Koppelschlitzes 14 weitet sich die Durchkontaktierungseinrichtung 15 auf, um longitudinal benachbart des Endabschnitts 10' der Streifenleitung 10 wieder zusammen zu gehen und somit eine geschlossene Abschirmeinrichtung darstellt.A planar coupling device 16 serves in the present case as a planar radiator, which is excited by the decoupled by the coupling opening 14 electromagnetic field to a resonance. The planar coupling device 16 is preferably aligned parallel to the coupling opening 14. The side edges of the planar rectangular radiator 16 provided here are preferably aligned parallel to the edges of the coupling opening 14, ie in the X and Y directions. According to the present embodiment, the microstrip line 10 has an impedance transformer 17 in the region of the coupling slot 14 and in front of the abrupt end 10 'of the strip line, which is used as needed for impedance matching. In the region of the coupling slot 14, the plated-through device 15 expands so as to reconnect longitudinally adjacent the end section 10 'of the stripline 10 and thus represents a closed shielding device.

Zur Schirmung von solchen Triplate-Leitungen und folglich zur Vermeidung von ausbreitungsfähigen bzw. resonanzfähigen Hohlleitermoden im Substrat 11 ist eine Durchkontaktierungseinrichtung 15 oder auch durchgängig geschlossene Abschirmwände um die Streifenleitung 10 geeignet. Anstatt massive Wände vorzusehen, ist es in der Praxis von Vorteil, die Durchkontaktierungseinrichtung 15 in Form von einzelnen Durchkontaktierungen 15' (Vias) vorzusehen, die hochfrequenzseitig durch einen ausreichend geringen lateralen Abstand der Vias zueinander nahezu eine durchgängige elektrisch leitfähige Wand darstellen. Die maximale Schirmwirkung wird durch die richtige Dimensionierung von Abstand und Durchmesser der einzelnen Durchkontaktierungselemente 15' bestimmt. Um nun ausbreitungsfähige bzw. resonanzfähige Hohlleitermoden zu verhindern, darf der Abstand der Wände zueinander, d.h. beispielsweise der Abstand zwischen der auf der einen Seite der Streifenleitung 10 liegenden Durchkontaktierungseinrichtung zum Abstand der in Y-Richtung auf der anderen Seite der Streifenleitung liegenden Durchkontaktierungseinrichtung 15, einen bestimmten Wert nicht überschreiten.For shielding such triplate lines and consequently for avoiding propagatable or resonant waveguide modes in the substrate 11, a plated-through device 15 or also continuously closed shielding walls around the stripline 10 is suitable. Instead of providing massive walls, it is in practice advantageous to provide the via device 15 in the form of individual vias 15 '(vias) which represent a continuous electrically conductive wall to each other on the high frequency side by a sufficiently small lateral spacing of the vias. The maximum shielding effect is determined by the correct dimensioning of the distance and diameter of the individual via elements 15 '. In order to prevent propagatable waveguide modes, the distance of the walls from each other, i. For example, the distance between the lying on the one side of the strip line 10 via-hole device for the distance of lying in the Y direction on the other side of the strip line through hole 15, do not exceed a certain value.

Der erste ausbreitungsfähige Hohlleitermode eines Rechteckhohlleiters, der hier näherungsweise vorliegt, ist der TE10-Mode, ein Mode mit transversal elektrischem (TE) Feld im Querschnitt betrachtet. Die Grenzfrequenz dieses Modes ist f g = c 0 2 a ε r

Figure imgb0003

wobei C0 der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (C0 = 3 · 108 m/s), a dem Abstand der Durchkontaktierungseinrichtungen 15 bzw. Via-Wände und εr der dielektrischen Permittivität des Substratmaterials entspricht. Folglich muss die Ungleichung a < c 0 2 f g ε r
Figure imgb0004

erfüllt sein, damit bis zur Frequenz fg kein Hohlleitermode angeregt wird. Der Abstand a ist je nach elektrischer Auswirkung der Formgebung der Vias bzw. deren Abständen sowie des zusätzlichen (vergleichsweise geringen) Einflusses der Signalleitung 10 zu reduzieren.The first propagatable waveguide mode of a rectangular waveguide, which is approximately present here, is the TE 10 mode, a mode with transverse electric field (TE) viewed in cross section. The cutoff frequency of this mode is f G = c 0 2 a ε r
Figure imgb0003

where C 0 corresponds to the speed of light in vacuum (C 0 = 3 × 10 8 m / s), a the distance between the via devices 15 or via walls and ∈ r the dielectric permittivity of the substrate material. Consequently, the inequality must be a < c 0 2 f G ε r
Figure imgb0004

be satisfied, so that up to the frequency fg no waveguide mode is excited. The distance a is to be reduced depending on the electrical effect of the shape of the vias or their distances and the additional (relatively low) influence of the signal line 10.

Führte man nun diese Via-Wand 15 mit entsprechendem Abstand a parallel zur Signalleitung 10, so würde sich diese Wand 15 im Bereich der Kopplungsöffnung 14 mit dieser orthogonal ausgerichteten Koppelöffnung 14 schneiden, wodurch die Funktionsweise des Koppelschlitzes 14 und damit der Antenne bzw. Übertragungseinrichtung nicht mehr sichergestellt wäre. Daher ist es erforderlich, in der Umgebung des Koppelschlitzes 14 den Abstand der Via-Wände deutlich zu vergrößern, um ihn erst hinter dem Schlitz 14 im Bereich der leerlaufenden Signalleitung 10' wieder auf den ursprünglichen Wert herabsetzen zu können. Hinter dem leerlaufenden Ende 10' der Mikrostreifenleitung 10 wäre dann auch ein Zusammenführen der Via-Wände 15 möglich, jedoch nicht zwangsläufig erforderlich, da aufgrund des dort vorhandenen geringen Abstandes der Via-Wände keine Anregung von Substrat bzw. Hohlleitermoden möglich wäre. Um andererseits eine maximale Schirmwirkung zu erzielen und auch elektromagnetische Einkopplungen von außen in die Anordnung zu verhindern, führt man die Durchkontaktierungseinrichtung 15, d.h. die Wände, longitudinal benachbart der leerlaufenden Signalleitung 10' vorzugsweise zusammen.If this via wall 15 was now guided at an appropriate distance a parallel to the signal line 10, then this wall 15 would intersect in the region of the coupling opening 14 with this orthogonally oriented coupling opening 14, whereby the mode of operation of the coupling slot 14 and thus of the antenna or transmission device would not more would be ensured. Therefore, it is necessary to significantly increase the distance of the via walls in the vicinity of the coupling slot 14 in order to be able to reduce it back to the original value only behind the slot 14 in the region of the open-ended signal line 10 '. Then behind the idle end 10 'of the microstrip line 10, a merging of the via walls 15 would be possible, but not necessarily required, since due to the existing there small distance of the via walls no stimulation substrate or waveguide modes would be possible. On the other hand, in order to achieve a maximum shielding effect and also to prevent electromagnetic couplings from the outside into the arrangement, the through-connection device 15, ie the walls, is preferably brought together longitudinally adjacent to the open-ended signal line 10 '.

Mit Bezug auf die Dimensionierung bzw. Strukturierung der Durchkontaktierungseinrichtung 15 bzw. der Via-Wände im Bereich der Kopplungsöffnung 14 muß berücksichtigt werden, dass bei Vergrößerung des Abstandes a dieser Wände die Grenzfrequenz fg des Hohlleitermodes sinkt, und zwar im allgemeinen unter die Nutzfrequenz f der Antenne selbst, damit die Beeinträchtigung der Funktion der Kopplungsöffnung 14 durch die Via-Wände 15 minimal bzw. in einem Entwurf der Anordnung berücksichtigbar ist. Andererseits birgt dies die Gefahr in sich, dass sich innerhalb dieser Schirmwände 15 mit dem stark vergrößerten Abstand B im Bereich der Kopplungsöffnung 14 Hohlraumresonanzen bilden können, welche die Funktion der Antenne stark beeinträchtigen, wenn diese eventuell auftretenden unerwünschten Resonanzfrequenzen im Nutzfrequenzbereich liegen. Um dieses nun gezielt zu verhindern, ist die Länge L der Via-Wände 15 in X-Richtung im Bereich der Kopplungsöffnung bei dem vergrößerten Abstand B der Schirmwände 15 in Y-Richtung entsprechend zu wählen.With regard to the dimensioning or structuring of the via device 15 or the via walls in the region of the coupling opening 14, it must be taken into account that as the distance a of these walls increases, the limit frequency fg of the waveguide mode decreases, generally below the useful frequency f Antenna itself, so that the impairment of the function of the coupling opening 14 through the via walls 15 minimal or in a design of the arrangement is considered. On the other hand, this entails the danger that cavity resonances may form within these screen walls 15 with the greatly increased distance B in the region of the coupling opening 14, which greatly impair the function of the antenna if these possibly occurring undesired resonant frequencies lie in the useful frequency range. In order to prevent this now targeted, the length L of the via walls 15 in the X direction in the region of the coupling opening at the enlarged distance B of the screen walls 15 in the Y direction is to be selected accordingly.

In einem vollständig geschlossenen, dielektrisch gefüllten, rechteckigen Hohlleiterresonator der Breite B, der Höhe H sowie der Länge L mit ideal leitenden elektrischen Wänden ergeben sich mögliche diskrete Resonanzfrequenzen gemäß folgendem Zusammenhang: f res = c 0 2 ε r p L 2 + m B 2 + n H 2

Figure imgb0005

, wobei p, m und n ganzzahlige Indizes sind, C0 die Vakuumlichtgeschwindigkeit und εr die dielektrische Permittivität des nichtleitenden Füllmaterials darstellt. Für den hier relevanten TE10-Mode gilt m = 1 sowie n = 0, so dass die möglichen Resonanzfrequenzen zwar von der Breite B, aber nicht von der Höhe H abhängen. Der ganzzahlige Index p muss bei TE-Moden größer als Null sein. Daraus ergibt sich die erste anregbare Hohlraumresonanz des TE10-Modes gemäß f res = c 0 2 ε r 1 L 2 + 1 B 2
Figure imgb0006
In a completely closed, dielectrically filled, rectangular waveguide resonator of width B, height H and length L with ideally conducting electrical walls, possible discrete resonance frequencies result according to the following relationship: f res = c 0 2 ε r p L 2 + m B 2 + n H 2
Figure imgb0005

Wherein p, m and n are integer indices, C 0 is the vacuum velocity of light and ε r is the dielectric permittivity of the dielectric filling material. For the TE 10 mode relevant here, m = 1 and n = 0, so that the possible resonance frequencies depend on the width B, but not on the height H. The integer index p must be greater than zero for TE modes. This results in the first excitable cavity resonance of the TE 10 -mode according to f res = c 0 2 ε r 1 L 2 + 1 B 2
Figure imgb0006

Im Entwurf der Antenne mit Schlitzkopplung und Via-Abschirmung 15 der Signalleitung 10 ist nun darauf zu achten, dass die Grenzfrequenz der hohlleiterähnlichen Resonanz gemäß Gleichung (1), wobei dann a = B zu setzen ist, zwar unterhalb des Nutzsignalfrequenzbandes F liegen darf, dass aber die erste Resonanzfrequenz gemäß Gleichung (4) oberhalb des Nutzsignalfrequenzbandes F liegen muss, um eine Beeinträchtigung der Funktionsweise der Übertragungseinrichtung 16 und/oder Antenne zu verhindern.In the design of the antenna with slotted coupling and via-shielding 15 of the signal line 10 is now to ensure that the cutoff frequency of the waveguide-like resonance according to equation (1), in which case a = B is set, may be below the Nutzsignalfrequenzbandes F, that but the first resonant frequency according to equation (4) must be above the Nutzsignalfrequenzbandes F to prevent interference with the operation of the transmission device 16 and / or antenna.

Darüber hinaus ist bei vorliegender Ausführungsform gemäß Figur 1 bei der Dimensionierung der Abschirmeinrichtung bzw. der Durchkontaktierungseinrichtung 15 zu beachten, dass die Verwendung von diskreten Durchkontaktierungselementen 15' mit einem gewissen lateralen Abstand zueinander anstelle geschlossener metallischer Wände die Grenzfrequenz der Hohlleitermoden beeinflusst. Außerdem muss in Betracht gezogen werden, dass der Resonator im Bereich des Koppelschlitzes keine rundum geschlossenen Wände, wie im theoretischen Modell, besitzt, sondern großflächige Ein- und Auskopplungen beispielsweise im Bereich des Aufweitens der Via-Wände 15, welche die Resonanzfrequenz entsprechend beeinflussen. Auch der Koppelschlitz 14 selbst nimmt Einfluss auf die Resonanzfrequenz, ebenso wie die unterhalb der Kopplungsöffnung 14 leerlaufende Signalleitung 10, 10' selbst die Resonanzfrequenz abändern kann.Moreover, according to the present embodiment FIG. 1 in the dimensioning of the shielding device or the through-connection device 15, the use of discrete via elements 15 'with a certain lateral distance from one another instead of closed metallic walls influences the cutoff frequency of the waveguide modes. In addition, it must be considered that the resonator in the region of the coupling slot does not have completely enclosed walls, as in the theoretical model, but large-scale coupling and uncoupling, for example in the region of widening of the via walls 15, which influence the resonant frequency accordingly. The coupling slot 14 itself also influences the resonance frequency, just as the signal line 10, 10 'running idle below the coupling opening 14 can itself change the resonance frequency.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schrägansicht zur Erläuterung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 shows a schematic perspective view for explaining the first embodiment of the present invention.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Anordnung gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Mikrostreifenleitung 10 liegt eingebettet in einem dielektrischen Substrat zwischen einer ersten Massefläche 12 und einer zweiten Massefläche 13. Die beiden Masseflächen 12, 13 sind über elektrisch leitfähige Durchkontaktierungselemente 15', welche eine Durchkontaktierungseinrichtung 15 bzw. eine Abschirmeinrichtung bilden, miteinander verbunden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist die Streifenleitung 10 planparallel und symmetrisch zwischen beiden parallelen Masseflächen 12 und 13, also in symmetrischer Triplate-Anordnung, vorgesehen. Vorzugsweise weist die Streifenleitung 10 einen in etwa rechteckförmigen Querschnitt auf, wohingegen die einzelnen jeweils lateral benachbarten Durchkontaktierungselemente 15' insbesondere zylinderförmig ausgebildet sind.In Fig. 2 is a section of the arrangement according to Fig. 1 shown. The microstrip line 10 is embedded in a dielectric substrate between a first ground plane 12 and a second ground plane 13. The two ground planes 12, 13 are interconnected via electrically conductive via elements 15 ', which form a via device 15 or a shield device. According to the illustrated embodiment, the stripline 10 is plane-parallel and symmetrical between two parallel ground planes 12 and 13, that is, in a symmetrical triplate arrangement. Preferably, the stripline 10 has an approximately rectangular cross-section, whereas the individual each laterally adjacent via-contacting elements 15 'are in particular cylindrically shaped.

Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht einer Abstrahlvorrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 shows a schematic plan view of a radiating device for explaining a second embodiment of the present invention.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Abstrahlvorrichtung dargestellt, wobei sich diese im wesentlichen darin von der mit Bezug auf Fig. 1 dargestellten Ausführungsform unterscheidet, dass die Durchkontaktierungseinrichtung 15 im vorliegenden Fall nicht aus einzelnen Durchkontaktierungselementen 15', sondern aus durchgängigen elektrisch leitfähigen Wänden besteht, welche zwischen der ersten und der zweiten Massefläche diese elektrisch kontaktierend angeordnet sind. Dabei liegt das Nutzfrequenzband F vorzugsweise im Bereich von 22 GHz bis 26 GHz.In Fig. 3 a radiating device according to the invention is shown, wherein this is substantially the same from the reference to Fig. 1 illustrated embodiment, that the feedthrough device 15 in the present case is not made of individual via elements 15 ', but from continuous electrically conductive walls, which are arranged between the first and the second ground surface electrically contacting. In this case, the usable frequency band F is preferably in the range of 22 GHz to 26 GHz.

Die gemäß Fig. 3 dargestellte Triplate-Struktur ist unsymmetrisch, d.h. die Höhe des Substrats 11 über der Signalleitung 10 bis zur ersten Massefläche 12 beträgt 150 µm, und die Höhe des Substrats 11 unterhalb der Signalleitung 10 bis zur zweiten Massefläche 13 beträgt z.B. 450 µm (beide Masseflächen in der Draufsicht gemäß Fig. 3 nicht dargestellt). Die Länge des Koppelschlitzes, d.h. seine Erstrekkung in Y-Richtung, beträgt z.B. 2,6 mm, und die Dielektrizitätskonstante εr des keramischen Substratmaterials beträgt εr = 7,7. Damit nun die Grenzfrequenz des Hohlleitermodes TE10 im Bereich der Signalleitung 10 mit kleinem Abstand a der Durchkontaktierungseinrichtung 15 bzw. der Via-Wände oberhalb des Nutzfrequenzbandes F liegt, muß der Abstand a gemäß Gleichung (2) kleiner als 2,46 mm betragen und wird beispielsweise zu a = 1,9 mm gewählt.The according to Fig. 3 illustrated triplate structure is asymmetrical, ie, the height of the substrate 11 on the signal line 10 to the first ground plane 12 is 150 microns, and the height of the substrate 11 below the signal line 10 to the second ground plane 13 is for example 450 microns (both ground surfaces in the Top view according to Fig. 3 not shown). The length of the coupling slot, ie its extension in the Y direction, is for example 2.6 mm, and the dielectric constant ε r of the ceramic substrate material is ε r = 7.7. Thus, the cutoff frequency of the waveguide mode TE 10 in the signal line 10 at a small distance a of the via 15 and the via walls above the usable frequency band F, the distance a according to equation (2) must be less than 2.46 mm and is for example, selected to a = 1.9 mm.

Damit die elektromagnetische Kopplung durch die Kopplungsöffnung 14 von der Abschirmeinrichtung 15 nicht beeinträchtigt wird, ist im Bereich des Koppelschlitzes 14 der Abstand der Via-Wände B auf beispielsweise 3,6 mm erhöht. Die Grenzfrequenz fg des TE10-Modes sinkt dadurch gemäß Gleichung (1) auf etwa 15 GHz. Damit nun die erste Resonanzfrequenz fres dieses Modes oberhalb von beispielsweise 27 GHz liegt, um einen 1 GHz-Frequenzabstand zum Nutzfrequenzband F sicherzustellen, muss gemäß Gleichung (4) die Länge L kleiner als 2,4 mm gewählt werden. Um zusätzlich die oben genannten Beeinflussungen der Resonanzfrequenz fres zu kompensieren, wird L im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise zu 1,2 mm gewählt.So that the electromagnetic coupling is not impaired by the coupling opening 14 of the shielding device 15, in the region of the coupling slot 14, the distance of the via walls B is increased to, for example, 3.6 mm. The cut-off frequency fg of the TE 10 -mode thereby decreases according to equation (1) to about 15 GHz. In order for the first resonance frequency f res of this mode to be above, for example, 27 GHz in order to ensure a 1 GHz frequency spacing to the usable frequency band F, according to equation (4), the length L must be less than 2.4 mm. In order additionally to compensate for the above-mentioned influences on the resonance frequency f res , L in the present exemplary embodiment is preferably chosen to be 1.2 mm.

In Fig. 4 ist der Amplitudenverlauf des Reflexionsfaktors als Simulationsergebnis einer Vollwellenanalyse der gesamten Antennenanordnung gemäß Fig. 3 dargestellt. Bei etwa 27,7 GHz zeigt sich deutlich eine Resonanz, da hier der Reflexionsfaktor eine hohe Amplitude aufweist, welche exakt der beschriebenen Hohlleiterresonanz des TE10-Modes entspricht, welches durch eine Analyse zugehöriger Feldverteilungsbilder (nicht dargestellt) folgert. Zugleich zeigt sich im Nutzfrequenzband F zwischen 22 GHz und 26 GHz eine gute Reflexionsdämpfung, welche größer als 12 dB ist, und überdies ein sehr glatter Verlauf der Anpassung, woraus sich die Beeinträchtigung durch andere resonanzähnliche Effekte in diesem Frequenzbereich ausschließen lässt. Der Verlauf des Reflexionsfaktors lässt sich je nach Wunsch in großen Bereichen durch entsprechende Dimensionierungen bzw. Strukturierungen von planarer Kopplungseinrichtung 16 bzw.In Fig. 4 is the amplitude profile of the reflection factor as a simulation result of a full wave analysis of the entire antenna array according to Fig. 3 shown. At about 27.7 GHz, a resonance clearly shows, since here the reflection factor has a high amplitude, which corresponds exactly to the described waveguide resonance of the TE 10 -mode, which results from an analysis of associated field distribution images (not shown). At the same time, in the useful frequency band F between 22 GHz and 26 GHz a good reflection attenuation, which is greater than 12 dB, and, moreover, a very smooth course of the adaptation, from which the impairment can be excluded by other resonance-like effects in this frequency range. The course of the reflection factor can be as desired in large areas by appropriate dimensioning or structuring of planar coupling device 16 or

Planarstrahler, Kopplungsöffnung 14 bzw. Koppelschlitz, Signalleitung 10 und Impedanztransformator 17 einstellen.Planar radiator, coupling opening 14 or coupling slot, signal line 10 and impedance transformer 17 set.

In Fig. 5A ist eine Kopplungseinrichtung eines elektromagnetischen Signals unter galvanischer Trennung dargestellt. Gemäß dieser dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwei Mikrostreifenleitungen 10 in einem dielektrischen Substrat 11 durch eine mit einer Kopplungsöffnung 14 versehenen Massefläche 12 getrennt. Die untere Streifenleitung 10 erstreckt sich in der Darstellung nach links und weist im Bereich benachbart der Kopplungsöffnung 14 ihr leerlaufendes Ende 10' auf, wohingegen die obere Streifenleitung 10 sich in der Zeichnung nach rechts erstreckt und ihr freilaufendes linkes Ende 10' im Bereich benachbart des Koppelschlitzes 14 aufweist. Die Anordnung ist punktsymmetrisch zum Zentrum des Koppelschlitzes 14 aufgebaut.In Fig. 5A a coupling device of an electromagnetic signal is shown under galvanic isolation. According to this third embodiment of the present invention, two microstrip lines 10 in a dielectric substrate 11 are separated by a ground plane 12 provided with a coupling opening 14. The lower stripline 10 extends in the illustration to the left and has in the region adjacent to the coupling opening 14 their idler end 10 ', whereas the upper stripline 10 extends in the drawing to the right and their free-running left end 10' in the region adjacent to the coupling slot 14 has. The arrangement is constructed point-symmetrical to the center of the coupling slot 14.

Im wesentlichen entspricht die Anordnung im unteren Bereich einer unsymmetrischen Triplate-Speisung, welche jedoch ihr ausgekoppeltes Feld nicht auf einen Planarstrahler (16, hier jedoch nicht dargestellt), sondern in eine weiterführende Streifenleitung 10 überträgt. Auf diese Weise wird folglich kein Antennenelement, sondern eine Kopplungseinrichtung bereitgestellt, welche über eine elektromagnetische Ankopplung eines Signals einer Streifenleitung in einer Ebene das Signal galvanisch getrennt an eine zweite Streifenleitung 10 in einer anderen Ebene überträgt. Die in Fig. 5A nicht dargestellte Durchkontaktierungseinrichtung bzw. Schirmwände sind im Bereich der Streifenleitung und insbesondere im Bereich der Kopplungsöffnung 14, wie oben beschrieben, strukturiert bzw. dimensioniert.Essentially, the arrangement in the lower region corresponds to an asymmetrical triplate supply, which, however, does not transmit its coupled-out field to a planar radiator (16, not shown here) but into a further stripline 10. In this way, therefore, no antenna element, but a coupling device is provided, which transmits the signal via an electromagnetic coupling of a signal of a stripline in a plane the signal galvanically separated to a second stripline 10 in another plane. In the Fig. 5A Not shown Durchkontaktierungseinrichtung or screen walls are in the stripline and in particular in the region of the coupling opening 14, as described above, structured or dimensioned.

In Fig. 5B ist die Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 5A im Querschnitt dargestellt, wobei auch hier die Durchkontaktierungseinrichtung zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht illustriert ist, aber dennoch wie oben angeordnet ist.In Fig. 5B is the coupling device according to Fig. 5A shown in cross section, wherein the through-hole device is not illustrated for clarity, but still arranged as above.

Obwohl die-vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern, im Rahmen der Ansprüche, auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but, within the scope of the claims, modifiable in a variety of ways.

Insbesondere sind die genannten Materialien für das dielektrische Substrat, die Masseflächen und die Streifenleitung beispielhaft zu sehen. Darüber hinaus ist die Gestaltung der Koppelschlitze, der planaren Kopplungseinrichtung und der Streifenleitung nicht zwangsläufig rechteckig, sondern können auch runde, ovale oder polygonförmige Querschnitte bzw. Draufsichten aufweisen. Insbesondere die Durchkontaktierungseinrichtung bzw. Abschirmwände müssen nicht rechtwinklig zueinander verlaufen, sondern können abgerundete Übergänge aufweisen.In particular, the materials mentioned for the dielectric substrate, the ground areas and the strip line can be seen by way of example. In addition, the design of the coupling slots, the planar coupling device and the strip line is not necessarily rectangular, but may also have round, oval or polygonal cross-sections or plan views. In particular, the through-contact device or shielding walls do not have to run at right angles to each other, but may have rounded transitions.

Claims (18)

  1. Apparatus for transmission or emission of radio-frequency waves, having:
    a micro stripline (10), which is provided with an end (10'), in a substrate (11) for transmission of a radio-frequency useful signal;
    a first ground plane (12) and a second ground plane (13), which are provided on opposite sides of the substrate (11), in order to form a TEM waveguide arrangement;
    a coupling opening (14) in the first ground plane (12) at a predetermined distance (d) from the end (10') of the stripline (10) for outputting the radio-frequency useful signal;
    a through-contacting device (15) for conductive connection of the first ground plane (12) to the second ground plane (13) in the side periphery of the coupling opening (14);
    wherein the through-contacting device (15) is designed such that, at a given frequency (f) of the useful signal, it prevents the propagation of waveguide modes and the excitation of waveguide mode resonances in a useful frequency band (f) of the useful signal;
    and
    a planar coupling device (16) for reception and transmission or emission of the output radio-frequency useful signal;
    characterized in that
    the through-contacting device (15), formed as two walls, extends from both sides and parallel to the micro stripline (10) over a specific length in each of the areas before, in the area of and at the end (10'), after the coupling opening (14), with the walls before and after the coupling opening (14) being at a distance (a) apart, where a < c o / 2 f ε r ,
    Figure imgb0009
    where co is the speed of light in a vacuum, and εr is the electrical permittivity of the substrate (11), and the walls broaden in the area of the coupling opening (14) up to a mutual separation (B).
  2. Apparatus according to Claim 1,
    characterized in that
    the following relationship exists between the greater distance (B) between the walls of the through-contacting device (15) in the area of the coupling opening (14) and the length (L) of the through-contacting device in the area of the coupling opening (14): L < 1 2 f res ε r c 0 2 - 1 B 2 ,
    Figure imgb0010

    where fres is a resonant frequency of a waveguide mode which can be excited and can be provided above the useful signal frequency band (F).
  3. Apparatus according to Claim 2,
    characterized in that
    the resonant frequency fres is more than a few per cent above the useful signal frequency band (F).
  4. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the apparatus is designed for useful signals in a useful signal frequency band (F) between 20 GHz and 30 GHz.
  5. Apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that
    the through-contacting device (15) is composed of discrete through-contacting elements (15') which are arranged laterally adjacent to one another, forming a wall.
  6. Apparatus according to Claim 5,
    characterized in that
    the discrete through-contacting elements (15') are round and/or cylindrical.
  7. Apparatus according to one of the preceding Claims 1-4,
    characterized in that
    the through-contacting device (15) forms a continuous wall.
  8. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the through-contacting device (15) is provided in a continuous form in the area longitudinally adjacent to the end (10') of the stripline (10).
  9. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the through-contacting device (15) is provided with a gap in the area longitudinally adjacent to the end (10') of the stripline (10).
  10. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the micro stripline (10) is arranged closer to that ground plane (12) which is provided with the coupling opening (14) than to the other ground plane (13) in the substrate (11), or vice versa.
  11. Apparatus according to one of the preceding Claims 1-9,
    characterized in that
    the micro stripline (10) is arranged approximately equidistant between that ground plane (12) which is provided with the coupling opening (14) and the other ground plane (13) in the substrate (11).
  12. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the micro stripline (10) has an integrated impedance transformer (17) in the area of the coupling opening (14).
  13. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the planar coupling device (16) forms a second micro stripline (10) on another plane, which is provided in a galvanically isolated form, for electromagnetic coupling of this further micro stripline (10).
  14. Apparatus according to Claim 13,
    characterized in that
    the planar coupling device (16) can be caused to resonate by means of the coupling opening (14), and can therefore be excited for emission.
  15. Apparatus according to Claim 14,
    characterized in that
    the coupling opening (14) can itself be made to resonate and can thus be excited for emission.
  16. Apparatus according to Claim 15,
    characterized in that
    the two micro striplines (10) are designed to be essentially identical and overlap by twice a predetermined distance (d) in the longitudinal direction, which distance (d) preferably corresponds to approximately half the wavelength of the coupled useful signal.
  17. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the coupling opening (14) is provided in the form of a slot and/or in the form of a rectangle parallel to the ground planes (12, 13).
  18. Apparatus according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the substrate (11) has a ceramic material, preferably low temperature cofired ceramic (LTCC).
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