EP3262713A1 - Reflektor mit einer elektronischen schaltung und antennenvorrichtung mit einem reflektor - Google Patents

Reflektor mit einer elektronischen schaltung und antennenvorrichtung mit einem reflektor

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EP3262713A1
EP3262713A1 EP16705555.7A EP16705555A EP3262713A1 EP 3262713 A1 EP3262713 A1 EP 3262713A1 EP 16705555 A EP16705555 A EP 16705555A EP 3262713 A1 EP3262713 A1 EP 3262713A1
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EP
European Patent Office
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reflector
antenna
electromagnetic wave
substrate
structures
Prior art date
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Application number
EP16705555.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3262713B1 (de
Inventor
Wilhelm Keusgen
Richard Jürgen Weiler
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3262713A1 publication Critical patent/EP3262713A1/de
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Publication of EP3262713B1 publication Critical patent/EP3262713B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/148—Reflecting surfaces; Equivalent structures with means for varying the reflecting properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/18—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces
    • H01Q19/19—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface

Definitions

  • Reflector with an electronic circuit and antenna device with a
  • the present invention relates to a reflector with an electronic circuit, which can be used for example for reflecting an incident electromagnetic wave, and to an antenna device.
  • the present invention further relates to a double reflector system with active electronics integrated into the main reflector.
  • directional antenna, data processing, and radio front-end i.e., electronic circuits
  • radio front-end i.e., electronic circuits
  • This is done by means of coaxial connections, tracks from the outputs of the electronic components, e.g. Amplifiers, transitions from tracks to waveguides, bonding wire connections or the like.
  • Disadvantages here are the physical size of the overall system as well as losses in terms of weight and efficiency of the antenna system, such as losses in the transitions from electronics to antenna, adaptation losses, etc.
  • PIFA Planar Inverted-F Antenna - planar frequency-inverted antenna
  • patch antennas PCB-based or on-chip antennas that radiate out of a chip housing, applied.
  • Phased array antennas also use the principle of integrated electronics in combination with radiating antenna elements on a circuit board, but do not make use of reflector components to increase the directivity, but use the combined radiation of many active antenna elements (eg patch antennas on the circuit board) to achieve a directivity.
  • FIG. 14 shows a schematic illustration of a reflector array 102 comprising a substrate 104 and a plurality of scattering elements 106.
  • a feed antenna 108 arranged at a distance from the reflector array 102 can emit a radio signal in the direction of the reflector array 102, the radio signal being reflected by the reflector array 102.
  • the design of the main reflector (Reflectarray 102) and optional subreflectors (other reflectors) can be based on printed circuit boards with reflective individual metal elements on a substrate with underlying metallic ground plane, i. Reflectarrays, done.
  • the reflective elements on the circuit boards serve to impart a desired phase function to the incident radiation, thus simulating the function of a physically domed subreflector.
  • the object of the present invention is therefore to provide a reflector and an antenna device, which enable efficient operation and a compact possibly lighter construction thereof. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
  • a reflector includes a substrate and a plurality of reflector structures disposed on or in the substrate. The reflector structures are configured to reflect an incident electromagnetic wave.
  • An electronic circuit is disposed on or in the substrate and configured to control an antenna when the antenna is connected to the electronic circuit.
  • An advantage of this embodiment is that power losses between a data processing and a radio front end can be low, for example if the electronic circuit comprises the data processing and the radio front end.
  • the reflector can be compact, ie, having a small installation space, and possibly realized with a low weight.
  • the plurality of reflector structures is configured to reflect the incident electromagnetic wave such that the reflected electromagnetic wave undergoes beam focusing by the reflection at the plurality of reflector structures.
  • the multiplicity of reflector structures are arranged in at least two mutually different substrate planes.
  • the substrate planes are arranged in parallel to a substrate surface facing a direction in which the electromagnetic wave is reflected.
  • tolerance tolerance of the reflector is obtained by means of the two or more substrate planes.
  • Reflector structures arranged on different substrate planes can be positioned relative to one another by means of a relative position of the substrate planes relative to one another.
  • components of the electronic circuit can be positioned relative to the substrate planes, so that a robustness against position shifts is obtained.
  • At least one reflector structure of the plurality of reflector structures comprises a plurality (two or more) of dipole structures.
  • a plurality of transmission channels can be used or implemented, such as a transmission channel per dipole structure, a reception channel per dipole structure and / or a simultaneous transmission and reception operation of the electronic circuit and / or a connected antenna.
  • the reflector comprises a radome structure, which is arranged with respect to the plurality of reflector structures and is designed to at least partially reduce a mechanical or chemical influence of an environment of the plurality of reflector structures on the plurality of reflector structures.
  • the radome structure comprises, at least in regions, an electrically conductive structure which is designed to reflect the electromagnetic wave, the electrically conductive structure being arranged with respect to the plurality of reflector structures such that the electromagnetic wave reflected by the electrically conductive structure is directed in the direction of the plurality of Reflected reflector structures and reflected by these again.
  • the electrically conductive structure can be arranged as a sub-reflector with respect to a reflector used as a main reflector.
  • an antenna is arranged on or in the substrate, which is connected to the electronic circuit and which is designed to generate the electromagnetic wave based on a control of the electronic circuit.
  • an antenna device comprises a previously described reflector, a subreflector, which is designed to at least partially reflect the electromagnetic wave emitted by the antenna in the direction of the plurality of reflector structures, so that the electromagnetic wave reflected by the subreflector is reflected in Directed the direction of the plurality of reflector structures and reflected by these again.
  • the antenna device further comprises an antenna which is connected to the electronic circuit and which is designed to generate the electromagnetic wave based on a control of the electronic circuit and to emit in one direction of the subreflector.
  • the reflector structures and the subreflector have a Cassegrain configuration or a Gregorian configuration.
  • the advantage of this is that a high directivity of the antenna device can be obtained, so that a low transmission power is required and / or a high transmission range is obtained.
  • the antenna is designed as a surface-mounted component (SMD).
  • SMD surface-mounted component
  • an axial relative position of the subreflector with respect to the reflector is variable along an axial direction parallel to a surface normal of the substrate.
  • a lateral relative position of the subreflector with respect to the reflector along a lateral direction perpendicular to a surface normal of the substrate or an inclination of the main reflector or subreflector with respect to a surface of the substrate of the reflector is variable.
  • the antenna comprises a plurality of antenna elements, wherein a first subset of the antenna elements is configured to generate the electromagnetic wave having a first polarization direction and wherein a second subset of the antenna elements is formed to connect the electromagnetic wave to a second one To produce polarization direction.
  • a first subset of the plurality of reflector structures is configured to reflect the electromagnetic wave at a first reflectance when the electromagnetic wave has the first polarization direction and to reflect at a second reflectance when the first electromagnetic wave has the second polarization.
  • a second subset of the plurality of reflector structures is configured to reflect the electromagnetic wave at a third reflectance when the electromagnetic wave has the second polarization direction and reflects at a fourth reflectance when the electromagnetic wave has the first polarization.
  • the first reflectance and the third reflectance have a larger value than the second reflectance and the fourth reflectance.
  • the antenna is designed to conduct an electromagnetic wave emitted in the direction of the antenna device and received by the antenna device to the electrical circuit or to another electrical circuit.
  • the advantage of this is that a transmission function, a reception function and the generation of the electromagnetic wave as a function of a device can be performed integrated.
  • the antenna device comprises a plurality of antennas and a plurality of subreflectors, each subreflector being associated with an antenna.
  • the reflector can be arranged jointly with respect to the plurality of antennas and the plurality of subreflectors, so that a high degree of compactness of a multi-antenna device is obtained.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a reflector according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 is a schematic side sectional view of a reflector having a substrate comprising a multilayer board according to an embodiment
  • FIG. 3a shows a schematic plan view of a reflector structure, which is designed as a rectangle according to an embodiment
  • 3b is a schematic plan view of a reflector structure, which is designed as an ellipse according to an embodiment
  • FIG. 3c is a schematic plan view of a reflector structure, which is designed as a combination of two dipole structures according to an embodiment
  • Fig. 3d is a schematic plan view of a reflector structure, the three each with a
  • Angular arranged to each other dipole structures comprises according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic view of a reflector, which is extended relative to the reflector of FIG. 1 by a housing part according to an exemplary embodiment
  • 5 shows a schematic side sectional view of a reflector, in which the substrate comprises plated-through holes according to an exemplary embodiment
  • 6 is a schematic block diagram of an antenna device including a reflector and an antenna according to an embodiment
  • Fig. 7 is a schematic block diagram of an antenna device, in which a plurality of reflector structures. 3c on the substrate according to an embodiment
  • FIG. 8 is a schematic block diagram of an antenna device including a horn antenna according to an embodiment
  • FIG. 9 is a schematic block diagram of an antenna device in which a substrate has an uneven shape according to an embodiment
  • 10 is a schematic plan view of a substrate on which a plurality of reflector structures and electrical subcircuits are arranged according to an embodiment
  • 1 1 is a schematic side view of the reflector of Figure 1 to illustrate the function of the impressed phase function according to an embodiment ..
  • 12 shows a schematic side view of an antenna device, which is designed as a folded reflector array antenna according to an exemplary embodiment
  • Fig. 13 is a schematic view of an antenna device according to the horn antenna and the reflector.
  • Fig. 1 comprises according to an embodiment
  • Fig. 14 is a schematic representation of a Reflectarrays according to the prior art.
  • the reflector 10 comprises a substrate 12 and a plurality of reflector structures 14, which are arranged on a surface of the substrate 12.
  • the plurality of reflector structures 14 are configured to reflect an incident electromagnetic wave 16 (radio signal).
  • the reflector 10 further includes an electronic circuit 18 disposed on the same side of the substrate as the plurality of reflector structures.
  • the electronic circuit 18 is configured to control an antenna (not shown) when the antenna is connected to the electronic circuit.
  • the antenna may, for example, be the antenna that generates or emits the electromagnetic wave 16.
  • the substrate may at least partially be a silicon substrate (wafer or parts thereof) or a printed circuit board (PCB).
  • the substrate 12 may have one or more layers (layers), which are interconnected or separated by intermediate layers.
  • the intermediate layers can be, for example, metallic layers which enable a shielding of the electromagnetic wave 16 and / or a supply of electronic components with a supply or reference potential (ground).
  • the intermediate layers can also be air layers, ie two layers of the substrate can be connected to one another by means of spacers. It is also conceivable that different layers 22a and 22b or 22b and 22c have an intermediate layer of air and are screwed together or the like, for example.
  • the intermediate air layers can also be used to accommodate reflector structures or act as reflector structures.
  • the plurality of reflector structures 14 are exemplarily disposed on a first major side of the substrate 12, i. on a side of the substrate 12 which faces the incident electromagnetic wave 16.
  • the electronic circuit 18 is described as being disposed on the same side as the plurality of reflector structures 14, the electronic circuit may also be disposed wholly or partially (such as sub-circuits) on another, approximately opposite side of the substrate 12 be.
  • the plurality of reflector structures 14 and / or the electronic circuit 18 may be wholly or partially disposed on or in the substrate 12, for example, when the substrate 12 is a multi-layered structure.
  • a further layer of the substrate 12 may be arranged so that the related reflector structure and / or the electrical circuit 18 are covered by the further layer.
  • the reflector structures 14 may include electrically conductive materials, such as metals or semiconductors.
  • a surface geometry of the multiplicity of reflector structures can be selected so that the respective surface form of the reflector structures 14 and / or their relative position to each other imparts a phase function to the incoming electromagnetic wave 16.
  • the electrically conductive material may be platinum, gold, silver, aluminum, copper, a (doped) semiconductor, or the like.
  • the multiplicity of reflector structures can be arranged on the substrate 12, for example by means of an adhesive, pressure or sputtering method or by vapor deposition.
  • the plurality of reflector structures in the form of island structures may be formed in a PCB by etching or milling.
  • At least one reflector structure can be arranged by means of a chemical gilding or by vapor deposition.
  • a phase function impressed on the electromagnetic wave 16 by the reflector structures 14 may be embodied such that the electromagnetic wave 16 undergoes bundling by the reflection and is collimated or at least less scattered is reflected by the reflector 10.
  • the imposed phase function can simulate a curvature of the reflector 10, for example convex or concave.
  • the plurality of reflector structures is based on the phase function so matched to each other that the electromagnetic wave 16 locally over the area distribution and design of the reflector structures 14 different (direction, polarization, etc.) is reflected, so that the phase function of the electromagnetic Shaft 16 is impressed.
  • the phase function can be used to obtain beam shaping (beam contour or contra-beam).
  • the reflector 20 comprises the substrate 12, wherein the substrate 12 comprises a board or is designed as a multilayer board.
  • the substrate 12 comprises a first layer 22a, a second layer 22b and a third layer 22c, which together form parts of a stack, wherein between the first layer 22a and the second layer 22b a first at least partially electrically conductive layer 24a and between the second layer 22b and the third layer 22c, a second at least partially electrically conductive layer 24b is arranged.
  • the layers 22a, 22b and / or 22c may comprise, for example, an epoxy material, a semiconductor material and / or a glass fiber material, such as FR-4, Kapton or the like, which may be glued together.
  • the stack of substrate 12 will be described as having the plurality of reflector structures 14 at an upper end of the substrate 12 and the electronic circuit including electronic subcircuits 18a-c disposed at a lower end of the stack. It is obvious that, depending on the orientation of the reflector 20 in space, the term “top” or “bottom” can be replaced by any other name.
  • a multilayer substrate may also comprise only one layer and one conductive layer.
  • the conductive layers 24a and 24b may, for example, comprise metallic materials and be used or contacted as a ground plane.
  • the conductive layers 24a and / or 24b allow (possibly complete) reflection of the electromagnetic wave 16. This may refer to portions of the electromagnetic wave 16 that are not reflected by the reflector structures 14 and penetrate into the substrate 12 .
  • An arrangement of the electronic circuit or subcircuits 18a, 18b and / or 18c on one side of the conductive layers 24a and / or 24b facing away from the incident electromagnetic wave 16 allows shielding of the electronic subcircuits 18a-c from the electromagnetic wave. This offers in operation in particular advantages with respect to a low electromagnetic coupling of the electromagnetic wave 16 in circuit structures, which would lead to an impairment of the functionality of the electronic circuit.
  • the shield thus allows increased electromagnetic compatibility (EMC) of the reflector 20.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the arrangement of the electronic subcircuits 18a-c on a side other than the plurality of reflector structures 14 allows increased area utilization of the top of the stack by the reflector structures 14, since no space needed for the electronic circuit.
  • At least one reflector structure 14 is arranged in a substrate plane different from the top side of the substrate 12, for example as a structure arranged on or in the metallic layer 24a.
  • the metallic layer 24a may be structured. This allows a higher (area) density of the reflector structures 14 with respect to the electromagnetic wave 16, so that a reflected portion of the electromagnetic wave 16 acted upon by a phase function is increased. In operation, this allows a smaller proportion of the electromagnetic wave 16 to couple into the electrically conductive layer. Alternatively or additionally, a higher or the entire portion of the electromagnetic wave 16 can be acted upon by a phase function.
  • the phase function of the reflected electromagnetic wave may have a higher degree of linearity compared to the incoming electromagnetic wave 16, resulting in increased tolerance robustness.
  • one or more electronic subcircuits 18a-c are arranged facing the electromagnetic shaft 16 on the first layer 22a.
  • one or more electronic subcircuits 18a-c may be disposed in the substrate 12, such as the second layer 22b or the first or second electrically conductive layer 24a or 24b.
  • the ground surface 24a is another layer (second layer 22b), which have an electrical function or purely serve the stability of the circuit board.
  • a further ground plane 24b which, for example, galvanically isolated from the upper ground surface 24a, the ground surface for the substrate layers on the underside of Printed circuit board for the active electronics (electronic sub-circuits 18a-c) can form.
  • the substrate 12 may also comprise only one layer, two layers or more than three layers.
  • the second layer 22b may not be arranged or be in the form of multiple layers.
  • the reflector structures 14 can also be embodied embedded in one of the layers 22a, 22b or 22c, for example as conductive "islands" of a printed circuit board. If, for example, the second layer 22b is not arranged, only one of the metallic layers 24a or 24b can be arranged between the layers 22a and 22c.
  • the reflector structures 14 may have mutually different polarization directions (preferred directions). Different polarization directions can be arranged in different substrate planes.
  • the substrate planes may be arranged parallel to a substrate surface (the electromagnetic wave 16 facing or opposite side of the substrate 12).
  • the substrate may, for example, comprise a liquid crystal (LC) substrate layer arranged such that the reflector structures are located between a (virtual) source of the electromagnetic wave and the LC substrate layer.
  • LC liquid crystal
  • Fig. 2 shows a possible layer structure of a main reflector printed circuit board.
  • the uppermost layer i.e., above the first layer 22a
  • the reflective elements which can impart a phase function of the incident radiation 16 and which are on a substrate (first layer 22a).
  • a metallic layer 24a Under this substrate is a metallic layer 24a, which serves for example as a ground surface and ensures the reflection of all incident rays.
  • the reflector 20 may instead of two galvanically separated ground surfaces 24a and 24b for reflective elements and electronics also have only a common ground plane in the layer structure and thus for the reflective elements 14 and the electronics 18a-c without further intermediate layer for the stability of the circuit board.
  • the (upper) substrate layers of the main reflector for the reflective elements can be designed both single-layered and multi-layered, wherein in the case of multi-layered design further reflective elements can be arranged between the metallic layers.
  • adhesive layers that physically connect these layers (multi-layer reflector array) can be arranged.
  • An advantage, possibly the main advantage, of the multilayer design lies in the greater realizable bandwidth of the main reflector. The same applies to the layers of the subreflector, this should be designed as a printed circuit board version.
  • the lower substrate layers (22c) of the main reflector for the electronics can be designed both single-layer and multi-layer, wherein in several layers turn metallic layers with traces and adhesive layers that connect the different substrate layers can be arranged.
  • main reflector board or subreflector board may be glued or mechanically fixed or held together by other means.
  • FIGS. 3a-d each show schematic plan views of possible embodiments of the reflector structures.
  • 3a shows a schematic plan view of a reflector structure 14-1, which is designed as a rectangle with a first side dimension a and a second side dimension b.
  • the side dimensions a and b may have a different or equal value (square).
  • 3b shows a schematic plan view of a reflector structure 14-2, which is designed as an ellipse. A ratio of major and minor axis is arbitrary.
  • 3c shows a schematic plan view of a reflector structure 14-3, which is designed as a combination of two dipole structures 26a and 26b.
  • the dipole structures 26a and 26b are arranged perpendicular to one another, which enables highly isolated or decoupled reflection of incident electromagnetic waves with different polarization directions.
  • a vertical arrangement of the dipole structures 26a and 26b enables, for example, a polarization reflection perpendicular to one another. tions, such as horizontal and vertical, whereby these orientations in each case or together can rotate freely in space or otherwise designated.
  • the dipole structures 26a and 26b may also have an angle other than 90 ° and / or reflect directions of polarization that are the same or different angles.
  • the dipoles 26a and 26b each have an increased reflectance when the electromagnetic wave having a polarization coincident with the arrangement of the respective dipole 26a or 26b is received, and a contrast reduced reflectance when the electromagnetic wave with another, in particular with a polarization direction arranged perpendicular thereto is received.
  • the dipole structure 26a has a high (first) reflectance, for example.
  • the dipole structure 26a has a lower (second) reflectance.
  • the first polarization may be referred to as the preferred direction with respect to the dipole 26a.
  • the dipole 26b has a high (third) reflectance at the second polarization and, when the electromagnetic wave has the first polarization, a low (fourth) reflectance at which the electromagnetic wave is reflected.
  • the first and third reflectances are greater than the second and fourth reflectances.
  • the first and the third or the second and the fourth reflectance can also be the same.
  • the dipole 26a may be configured to reflect the first polarization and the dipole 26b to reflect the second polarization.
  • the dipole structures 26a and 26b may further be configured to impose mutually different phase functions on a reflected electromagnetic wave.
  • FIG. 3d shows a schematic plan view of a reflector structure 14-4, which comprises three dipole structures 26a, 26b and 26c arranged at an angle to each other, which allows a reflection of three corresponding polarizations.
  • the dipole structures 26a-c may be at any angle to each other and, for example, adapted to polarizations of electromagnetic waves to be transmitted. Alternatively, more than three dipole structures or only one dipole structure can be arranged.
  • the reflector structures may also have any other shape, such as a polygonal shape, a circular shape, a freeform or a combination of shapes and / or dipole structures.
  • the reflective elements may have any geometry when the main or subreflector is designed as a reflector array.
  • any method can be used to implement the desired phase change on the aperture of the reflector, such as a variable size of the elements, attached line sections, and / or rotation of the elements to each other.
  • FIG. 4 shows a schematic view of a reflector 40, which is extended in such a way in relation to the reflector 10 that a housing part 28 is arranged on a side of the substrate 12 facing away from the reflector structures 14.
  • the housing part 28 can be used, for example, as a cover of the electronic circuit, which is arranged facing the housing part 28 on the substrate 12.
  • the housing part 28 may comprise non-conductive (for example comprising plastic materials or resin materials) or conductive materials (for example metals).
  • the housing part 28 may be a metallic cover.
  • a radome structure 32 is arranged on the side of the substrate 12 facing the reflector structures 14.
  • the substrate 12 is shown offset only with respect to the housing part 28 and the radome structure 32 for the sake of better illustration, ie, the substrate 12, the housing part 28 and the radome structure 32 can also be arranged such that the substrate 12 is separated from the housing part 28 and the housing 12 Radom Weg 32 enclosed (housed) is.
  • the house can be waterproof and / or chemically resistant.
  • the radome structure 32 comprises an electrically conductive structure 34, at least in regions.
  • the electrically conductive structure 34 is designed to reflect the electromagnetic wave and is arranged with respect to the plurality of reflector structures 14 such that the electromagnetic wave reflected by the electrically conductive structure 34 Direction of the plurality of reflector structures 14 is directed and reflected by these again. If, for example, an antenna is arranged between the housing part 28 and the radome structure 32 (for example on or in the substrate 12), then this antenna can be designed to emit the electromagnetic wave in the direction of the electrically conductive structure 34, so that the electrically conductive structure 34 the electromagnetic wave is reflected in the direction of the reflector structures 14.
  • the electrically conductive structure 34 may provide the function of a subreflector.
  • the sub-reflector can be arranged as part of a double reflector system, in which the reflector 10 or 20 is arranged as a main reflector.
  • the reflector structures 14 may then provide the electromagnetic wave with the phase function and emit (through the radome structure 32).
  • the radome structure 34 can also comprise a further multiplicity of reflector structures.
  • a Radomlage can be placed over the reflective elements / electronics of the main reflector circuit board to cover the elements and protect against corrosion and external influences, or at least reduce the influence.
  • This Radomlage can additionally change the reflection properties of the reflective elements or serve for thermal heat dissipation for the electronics.
  • FIG. 5 shows a schematic side sectional view of a reflector 50, in which the substrate 12 comprises vias 36a and 36b as compared to the reflector 20, so that electrical signals from the electronic circuit 18 through the substrate 12 to those of FIG electronic circuit 18 opposite side of the substrate 12 can be passed.
  • an antenna 38 is arranged, which is designed to emit a radio signal, for example in the form of the electromagnetic wave 16.
  • the antenna 38 is connected, for example, by means of bonding wires 41 a and 41 b to the plated-through holes 36 a and 36 b and thus to the electronic circuit 18.
  • the electronic circuit 18 is designed to control the antenna 38, so that parameters of the electromagnetic wave 16, such as a signal shape, a transmission duration, a signal amplitude and / or a transmission frequency are influenced by the control of the electronic circuit 18.
  • the reflector structures (not shown) are arranged on the same side of the substrate 12 as the antenna 38. Alternatively or additionally, reflector structures can also be arranged in the substrate 12. Alternatively, the electronic circuit 18 may also be arranged on the same side as the antenna 38 on the substrate 12 and / or in the form of sub-circuits. An arrangement of the antenna 38 on the substrate 12 allows a highly integrated interconnection of electronic circuit 18 and antenna 38, which can lead to low power losses and thus an efficient operation.
  • the reflector 50 can therefore also be described as an antenna device comprising the electronic circuit 18, the substrate 12 and the antenna 38.
  • the antenna 38 may be any antenna.
  • it can be an on-chip feed antenna, a patch antenna, a PIFA antenna, a waveguide antenna, a silicon-based antenna, or any other antenna.
  • an antenna form comprising a double reflector system can be obtained.
  • This antenna nform can be embodied, for example, as a Cassegrain antenna or as a Gregorian antenna, so that an integrated Cassegrain antenna or an integrated Gregorian antenna can be obtained.
  • FIG. 5 shows an example of the connection of the electronic components of the lower layers with the on-chip feeding antenna on the upper side of the main reflector printed circuit board.
  • the connection of the electronics to an SMD on-chip antenna is realized by means of vias and optional bonding wires.
  • the subreflector 42 may be part of a radome structure.
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of an antenna device 60 comprising the substrate 12 on which the plurality of reflector structures 14 are arranged.
  • the antenna 38 is disposed on the substrate 12 on the same side as the plurality of reflector structures 14 and configured to generate and emit the electromagnetic wave 16.
  • the electromagnetic wave 16 can be (spatially) wide, ie radiated with a large opening angle. This means that the electromagnetic wave 16 can have a low directivity.
  • Subrefiektor 42 arranged with respect to the substrate 12 a further reflector structure, hereinafter referred to as Subrefiektor 42 arranged.
  • the subreflector 42 may be, for example, a concave or convex conductive layer.
  • the subreflector 42 may also be planar, comprising, for example, a substrate and / or a circuit board with reflector structures which are designed to impose a phase function on the received and reflected electromagnetic wave 16.
  • the subreflector 42 is arranged and configured to scatter the electromagnetic radiation received by the antenna 38 and to reflect at least partially in the direction of the reflector structures 14.
  • the reflector structures 14 are designed to re-reflect the electromagnetic wave 16 reflected by the subreflector 42 and to adapt the phase function of the electromagnetic wave 16 in such a way that the electromagnetic wave 16 is beam-focused relative to the characteristic of the antenna 38.
  • the electromagnetic wave 16 can be emitted approximately or completely collimated, so that it is possible to use the antenna device 60 as a directional antenna.
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram of an antenna device 70 in which a multiplicity of reflector structures 14-3 are arranged on the substrate 12.
  • the electronic circuit comprises the subcircuits 18a and 18b which are arranged on the same side of the substrate 12 as the reflector structures 14-3 and the antenna 38.
  • the electronic subcircuits 18a and 18b are connected to the antenna 38 by means of so-called microstrip lines (MSL) 43a and 43b, for example.
  • MSL microstrip lines
  • the subreflector 42 can be tilted by an angle ⁇ with respect to the substrate 12 or with respect to the antenna 38 and / or the reflector structures 14-3.
  • the subreflector is convex shaped or is configured to impart a convex phase function to the electromagnetic wave.
  • the angle ⁇ may, for example, be less than 90 °, less than 60 ° or less than 30 °.
  • the imposed phase function can be tilted in space, so that a total of a radiation pattern with which the electromagnetic wave is reflected by the reflector structures 14-3, is changed.
  • the electromagnetic wave can be reflected in a space direction that varies with the angle ⁇ .
  • the subreflector 42 is also movable along an axial direction 44.
  • a distance between the subreflector 42 and the substrate 12 and the antenna 38 along the axial direction 44 is variable.
  • the axial direction 44 extends, for example, parallel to a surface normal 46 of the substrate 12.
  • a reduced distance between the antenna 38 and the subreflector 42 can, depending on the scattering characteristic of the subreflector 42, narrow or widen a beam lobe lead the electromagnetic wave. That is, a focus of the electromagnetic wave radiated from the reflector structures 14-3 is variable with the distance and the movement along the axial direction 44, respectively. This allows adjustment or correction of the directivity of the antenna structure 70, for example, due to varying environmental influences, such as heating and / or varying materials between the antenna device 70 and another antenna device with which the antenna device 70 communicates.
  • the sub-reflector 42 may also be movable along a lateral direction 48, which is arranged perpendicular to the surface normal 46.
  • the sub-reflector 42 may also be rigid or only tiltable by the angle ⁇ or arranged to be movable along the direction 44.
  • a position of the dipoles of the reflector structures 14-3 can be adapted to one polarization or to several polarizations, with which the electromagnetic wave is emitted by the antenna device 70. Alternatively or additionally, other reflector structures may be arranged.
  • the antenna 38 is designed to conduct an electromagnetic wave sent in the direction of the antenna device and received by the antenna device 70 to the electrical circuit (not shown) or to another electrical circuit which, for example, faces away from the antenna 38 on one side of the substrate 12 is arranged.
  • the substrate 12 or the (main) reflector may also have a plurality of antennas 38, which may be identical or different from each other.
  • a plurality of subreflectors 42 may be arranged.
  • each subreflector may be associated with one of the antennas arranged. This allows the construction of a multi-antenna device.
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of an antenna device 80 comprising an antenna 38 '.
  • the antenna 38 ' is designed as a horn antenna.
  • a subreflector 42' is arranged, which is designed to simulate a concave shape by means of the phase function.
  • the subreflector 42 ' may, for example, be designed as a concave metallic element.
  • the antenna device 80 can be used, for example, as a Gregorian antenna.
  • the shape of the subreflector 42 or 42 'can be selected independently of an embodiment of the antenna 38 and 38'.
  • the antenna device 80 may also include the antenna 38 and / or the sub-reflector 42.
  • FIG. 9 shows a schematic block diagram of an antenna device 90 in which a substrate 12 '(main reflector) has an uneven shape. This is obtained, for example, by an arrangement of a plurality of (possibly even) sub-substrates 12a-e arranged at an angle to each other. This can also be referred to as a sector paraboloid or as a multi-faceted reflector array (multi-surface reflector).
  • a concave or convex or piecewise continuous shape for example a parabolic shape
  • the main reflector and / or the substrate 12 ' can be made in several parts, wherein the parts can be arranged parallel to one another or at an angle.
  • the antenna 38 is arranged displaced, for example, from a center position (so-called offset feed).
  • the antenna 38 may also be arranged in a geometric or areal center of gravity.
  • the antenna device 90 may also be described as a 1D multi-faceted reflector array configuration.
  • the board-based main reflector may be implemented with electronics for driving the feed antenna (s) as a sectoral paraboloid (Multi-Faceted Reflectarray) and / or in a physically domed form (compliant antenna) with one or more printed circuit boards to achieve the desired phase function to realize.
  • the electronics for driving the feeder antenna (s) are arranged.
  • a board-based subreflector may be formed of a plurality of sector-shaped circuit boards.
  • Fig. 1 1 shows a schematic side view of the reflector 10 to illustrate the function of the impressed phase function, the explanations are transferable to a sub-reflector.
  • the phase function impressed by the reflector structures 14 of the electromagnetic wave 16 enables an implementation of a virtual design of the reflector 10.
  • the dashed concave line shows the implemented virtual parabolic shape of the reflector.
  • the reflector 10 may have a planar substrate 12 with the reflector structures 14 arranged thereon.
  • the electromagnetic wave 16 may be reflected as if reflected by a concave (or alternatively convex) or parabolic reflector.
  • Fig. 12 shows a schematic side view of an antenna device 120, which is designed as a folded reflector array antenna.
  • the antenna device 120 includes, for example, the horn antenna 38 'or alternatively any other antenna shape.
  • a sub-reflector in the form of a polarizing grating or slit array 44 is arranged.
  • the polarizing grating or slit array 44 is configured to polarize and reflect the electromagnetic wave 16 when it has a first polarization.
  • the reflector structures 14 are configured to rotate a polarization of the electromagnetic wave and to focus the electromagnetic wave 16.
  • the slit array 44 may be configured to pass the electromagnetic wave 16 largely or completely when it has the rotated (second) polarization.
  • the subreflector can be embodied as a physically curved variant convex (for example for a Cassegrain antenna), concave (for example for a Gregorian antenna) or likewise as a printed circuit board (reflector array).
  • a folded antenna can also be arranged as a reflector system.
  • a focusing or contra-beam function of the main printed circuit board-based reflector as a reflector array is still given in such a case.
  • a sub-reflector for example, a polarization-selective grating in a similar or the same size as the main reflector can be mounted over this.
  • the food antenna may continue to be in a position below the subreflector grid.
  • the incident rays of the food antenna are polarization-dependent reflected by this grid, wherein the reflection of the polarization can be partially rotated.
  • the polarization of the incident radiation is then partially rotated again and at the same time focused or shaped in the desired manner.
  • the rays can Now pass the subreflector without reflection.
  • This folded shape of the antenna can thus also be made very compact, however, be realized by the polarization selectivity of the subreflector only with a polarization and certain reflective elements on the main reflector, which rotate the polarization of the incident rays in the executed reflection.
  • FIG. 13 shows a schematic view of an antenna device 130 comprising the horn antenna 38 'and the reflector 10.
  • a reflector characteristic analogous to a parabolic main reflector is obtained.
  • the subreflector 42 is arranged, which reflects the electromagnetic wave 16 emitted with an opening angle of 2 d ⁇ and reflects back in the direction of the reflector 10.
  • this acts like a virtual antenna (virtual feed) 38 v , which emits the electromagnetic wave 16 with the opening angle 2. Put simply, this implements a function of a Cassegrain antenna.
  • some of the embodiments described above can be implemented as a double reflector system, for example as a Cassegrain antenna, Gregorian antenna or folded antenna.
  • a food antenna may be located centrally on a main reflector and configured to illuminate (illuminate) the subreflector, which in turn is configured to illuminate the main reflector.
  • the subreflector can virtually mirror the function of the food antenna over the main reflector.
  • the virtual mirror point can be displaced by the convex or concave (Gregorian antenna) shape of the subreflector as opposed to mirroring on a planar metallic surface.
  • the main reflector may be parabolic or designed to implement a corresponding phase function, i. it leads to a collimation of the incident radiation and thus to a directivity.
  • the antenna can therefore combine a high directivity with a very compact design.
  • the embodiments relate to a main reflector, which is designed as a printed circuit board (PCB), on the lower or upper side (or another side) in addition to the electronics for feeding the dining antenna is located.
  • a main reflector which is designed as a printed circuit board (PCB)
  • PCB printed circuit board
  • the elements of the reflector array and a food antenna are arranged.
  • the control of this dining antenna can be done by electronics, which is located on the same or another side or on both sides of the circuit board.
  • the electronic circuit active electronics
  • the food antenna can be any antenna and have a narrow or a broad radiation characteristic.
  • the feed antenna can be embodied, for example, as an on-chip antenna, horn antenna, open waveguide or phased array antenna.
  • the food antenna may also comprise a plurality of distributed antenna elements which may be excited individually or in groups for radiation.
  • Further examples of food antennas are, for example, substrate-integrated waveguides, possibly with horn, (planar) mode converters with attached horn, packed antennas, printed planar antennas, such as a patch antenna, PIFA antennas or the like.
  • the food antenna may comprise one or more individual food antennas having the same or different polarizations.
  • a multiplex, demultiplex or duplex transmission of electromagnetic waves can thus also be realized depending on the polarization.
  • crossed dipoles can be arranged as reflective elements.
  • the individual dipole arms can selectively reflect the phase of the incident beams with polarization in a longitudinal direction.
  • the scattering elements can thus selectively reflect different, for example orthogonal linear polarizations, with high insulation and thus impose different phase assignments on the different, for example orthogonally polarized, beams. This allows, for example, a spatial separation, i. two focus points, the two linearly orthogonal polarized food antennas. That is, two dining antennas are arranged.
  • the feed antenna may be located at a (eg vertical) position, ie perpendicular to the aperture of the main reflector, which is at the level of the main reflector (approximately in the form of a patch antenna), higher (approximately in the form of a horn antenna), however also deeper (integrated in about one of the layers of the substrate).
  • Embodiments comprise two or more feed antennas, which are designed in each case to emit an electromagnetic wave with mutually different frequencies (so-called multi-band reflector array).
  • the feed antennas can be controlled in the time-division multiplex method.
  • a horizontal (lateral) position of the feed antenna in the aperture plane of the main reflector
  • the axial or lateral position of the subreflector may be variable.
  • the subreflector can also be tilted by an arbitrary angle ⁇ (for example, less than 90 °).
  • One (possibly essential) function of the double reflector system is, for example, beam focusing, ie a high directivity of the antenna.
  • the antenna can thus be used in directional radio and / or point-to-point connections (direct connections).
  • the possibility of a contours-shaped radiation (Contured Beam) by means of suitable phase assignment of the main reflector reflector array is also possible.
  • a main application here is, for example, the satellite radio.
  • the phase assignment phase function
  • the main or sub-reflector are mechanically movable relative to each other, for example, to perform a beam control or pivoting.
  • Embodiments described above describe implementations of a main reflector that combines the electronics and the radiation reflection with specific phase coverage of the radiation of a subreflector, such as in a Cassegrain antenna system or in a folded antenna on a printed circuit board.
  • An advantage here is the compactness of the antenna system and the integrability of the electronics together with the reflector properties of the antenna on a printed circuit board.
  • antenna devices according to embodiments described above can be used everywhere where a highly integrated antenna with high directivity or contour-shaped radiation is needed.
  • a case segrain reflector array antenna with main and submirror (reflector) can be seen as a printed circuit board design.
  • the subreflector as a printed circuit board can be embedded in a radiation-transmissive Radomgephaseuse, while the main reflector printed circuit board is mounted on a metallic housing, the function of which protects the electronics and their shielding (in the sense of EMC) and / or the heat dissipation of the electronic components.
  • the two housing components can be joined together mechanically (possibly water-resistant and / or chemical-resistant) and enclose the main reflector circuit board with an applied on-chip supply antenna.
  • the connections to the outside, ie for contacting the antenna device, can be carried out for example in the form of a data connection and as a connection for the power supply.
  • antenna and / or the antenna device have been described above as being configured to generate and emit the electromagnetic wave 16, embodiments may also be used to alternatively or additionally receive the electromagnetic wave 16 such that this can be evaluated with the electronic circuit or another electronic circuit.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step , Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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Abstract

Ein Reflektor umfasst ein Substrat, eine Vielzahl von Reflektorstrukturen, die an oder in dem Substrat angeordnet sind und ausgebildet sind, um eine einfallende elektromagnetische Welle zu reflektieren. Der Reflektor umfasst ferner eine elektronische Schaltung, die an, auf oder in dem Substrat angeordnet ist, und ausgebildet ist, um eine Antenne zu steuern, wenn die Antenne mit der elektronischen Schaltung verbunden ist.

Description

Reflektor mit einer elektronischen Schaltung und Antennenvorrichtung mit einem
Reflektor Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reflektor mit einer elektronischen Schaltung, der beispielsweise zum Reflektieren einer einfallenden elektromagnetischen Welle einsetzbar ist, und auf eine Antennenvorrichtung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Doppelreflektorsystem mit in den Hauptreflektor integrierter aktiver Elektronik.
Es existieren entkoppelte, nicht integrierte Lösungen, die bei denen Richtantenne, Datenverarbeitung und Funk-Frontend (d.h. elektronische Schaltungen) eigenständige Module darstellen, die miteinander verbunden werden. Dies geschieht mittels Koaxialverbindungen, Leiterbahnen von den Ausgängen der elektronischen Bauteile, wie z.B. Verstärkern, Übergängen von Leiterbahnen zu Hohlleitern, Bonddrahtverbindungen oder Ähnlichem. Nachteilig hierbei sind die physikalische Größe des Gesamtsystems sowie Einbußen in Bezug auf Gewicht und Effizienz des Antennensystems, wie etwa Verluste bei den Übergängen von Elektronik zu Antenne, Anpassungsverluste, etc.
Integrierte Lösungen, die die Elektronik der Datenverarbeitung, des Funk-Frontends und die Sende- bzw. Empfangsantenne (Speiseantenne) gemeinsam auf einer Leiterplatte realisieren, werden bei sogenannten PIFA (Planar Inverted-F Antenna - planare frequenzin- vertierte Antenne) oder Patch-Antennen auf Leiterplattenbasis oder On-Chip Antennen, die aus einem Chipgehäuse heraus abstrahlen, angewendet. Diese Antennen haben eine breite Abstrahlung, entwickeln keine hohe Richtwirkung und sind daher für Richtfunkanwendungen ungeeignet. Phased-Array (Phasenarray)-Antennen nutzen ebenfalls das Prinzip integrierter Elektronik in Kombination mit abstrahlenden Antennenelemente auf einer Leiterplatte, machen hierbei aber keinen Gebrauch von Reflektorkomponenten, um die Richtwirkung zu erhöhen, sondern nutzen die kombinierte Abstrahlung vieler aktiver Antennenelemente (z.B. Patch-Antennen auf der Leiterplatte), um eine Richtwirkung zu erreichen. Dies ist mit komplizierter aktiver Elektronik, Phasenschiebern und einem komplexen Ansteuerungsnetzwerk der Einzelantennenelemente verbunden. Bei einem anderen Ansatz werden sogenannte Reflectarray (d.h. ein Array von Reflektorel- ementen)-Leiterplatten mit Schichten integrierter Solarzellen verwendet, die für die Energieerzeugung gebraucht werden, z.B. auf einem Satelliten. Dies erfolgt auf Basis passiver Elektronik.
Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Reflectarrays 102, das ein Substrat 104 und eine Vielzahl von Streuelementen 106 umfasst. Eine beabstandet zu dem Reflectarray 102 angeordnete Speiseantenne 108 kann ein Funksignal in Richtung des Reflectarrays 102 aussenden, wobei das Funksignal von dem Reflectarray 102 reflektiert wird.
Die Ausführung des Hauptreflektors (Reflectarray 102) sowie optionaler Subreflektoren (weiterer Reflektoren) kann auf Basis von Leiterplatten mit reflektierenden metallischen Einzelelementen auf einem Substrat mit darunterliegender metallischer Massefläche, d.h. Reflectarrays, geschehen. Die reflektierenden Elemente auf den Leiterplatten dienen dazu, der einfallenden Strahlung eine gewünschte Phasenfunktion aufzuprägen, um somit die Funktion eines physikalisch gewölbten Haupt- bzw. Subreflektors nachzubilden.
Wünschenswert wäre demnach ein Konzept für Antennenreflektoren und/oder Antennenvorrichtungen, das einen effizienten Betrieb derselben ermöglicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Reflektor und eine Antennenvorrichtung zu schaffen, die einen effizienten Betrieb und eine kompakte ggf. leichtere Bauweise derselben ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass an oder in einem Substrat eines Reflektors eine elektronische Schaltung zum Ansteuern einer Antenne angeordnet werden kann, so dass die Schaltung zum Ansteuern der Antenne und der Reflektor mit verlustarmen (ggf. festen) elektrischen Verbindungen ausgeführt sein können, so dass eine verlustbehaftete mechanisch lösbare Kopplung der beiden Elemente entfallen kann. So können elektrische Verluste reduziert werden, was einen effizienten Betrieb des Reflektors ermöglicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Reflektor ein Substrat und eine Vielzahl von Reflektorstrukturen, die an oder in dem Substrat angeordnet sind. Die Reflektorstrukturen sind ausgebildet, um eine einfallende elektromagnetische Welle zu reflektieren. Eine elektronische Schaltung ist an oder in dem Substrat angeordnet und ausgebildet, um eine Antenne zu steuern, wenn die Antenne mit der elektronischen Schaltung verbunden ist. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist, dass Leistungsverluste zwischen einer Datenverarbeitung und einem Funk-Frontend gering sein können, etwa wenn die elektronische Schaltung die Datenverarbeitung und das Funk-Frontend umfasst. Der Reflektor kann kompakt, d. h. , einen geringen Bauraum aufweisend, und ggf. mit einem geringen Gewicht realisiert wer- den.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vielzahl von Reflektorstrukturen ausgebildet, um die einfallende elektromagnetische Welle so zu reflektieren, dass die reflektierte elektromagnetische Welle durch die Reflexion an der Vielzahl von Reflektorstrukturen eine Strahlbündelung erfährt. Vorteilhaft daran ist, dass mittels der Reflektorstrukturen eine Richtwirkung (d.h. kollimierte oder zumindest weniger gestreute elektromagnetische Welle) des zu übertragenden Funksignals erhalten wird, so dass eine geringe Sendeleistung benötigende und/oder eine hohe Übertragungsstrecke aufweisende Signalübertragung mittels des Reflektors ermöglicht ist, was zu einer weiter erhöhten Betriebseffizienz führt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vielzahl von Reflektorstrukturen in zumindest zwei voneinander verschiedenen Substratebenen angeordnet. Die Substratebenen sind parallel zu einer Substratoberfläche angeordnet, die einer Richtung, in die die elektromagnetische Welle reflektiert wird, zugewandt angeordnet ist. Vorteilhaft daran ist, dass mittels der zwei oder mehr Substratebenen eine Toleranzrobustheit des Reflektors erhalten wird. An verschiedenen Substratebenen angeordnete Reflektorstrukturen können mittels einer Relativposition der Substratebenen zueinander relativ zueinander positioniert werden. Ferner können Bauteile der elektronischen Schaltung relativ zu den Substratebenen positioniert werden, so dass eine Robustheit gegenüber Positionsverschiebungen erhalten wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst zumindest eine Reflektorstruktur der Vielzahl von Reflektorstrukturen eine Mehrzahl (zwei oder mehr) von Dipolstrukturen. Vorteilhaft daran ist, dass basierend auf den Reflektorstrukturen und in Verbindung mit der elektronischen Schaltung eine Mehrzahl von Sendekanälen nutzbar oder implementierbar ist, etwa ein Sendekanal je Dipolstruktur, ein Empfangskanal je Dipolstruktur und/oder ein gleichzeitiger Sendebetrieb und Empfangsbetrieb der elektronischen Schaltung und/oder einer verbundenen Antenne.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Reflektor eine Radomstruktur, die bezüglich der Vielzahl von Reflektorstrukturen angeordnet ist und ausgebildet ist, um einen mechanischen oder chemischen Einfluss einer Umgebung der Vielzahl von Reflektorstrukturen auf die Vielzahl von Reflektorstrukturen zumindest teilweise zu reduzieren. Die Radomstruktur umfasst zumindest bereichsweise eine elektrisch leitfähige Struktur, die ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle zu reflektieren, wobei die elektrisch leitfähige Struktur bezüglich der Vielzahl von Reflektorstrukturen so angeordnet ist, dass die von der elektrisch leitfähigen Struktur reflektierte elektromagnetische Welle in Richtung der Vielzahl von Reflektorstrukturen gelenkt und von diesen erneut reflektiert wird. Vereinfacht ausgedrückt, kann die elektrisch leitfähige Struktur als ein Subreflektor bezüglich eines als Hauptreflektor verwendeten Reflektors angeordnet werden. Vorteilhaft an diesem Ausführungs- beispiel ist, dass eine geringe Empfindlichkeit des Reflektors auf äußere Einflüsse erhalten wird und dass der Reflektor als Cassegrain-Reflektorstruktur oder als Gregorian- Reflektorstruktur einsetzbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist an oder in dem Substrat eine Antenne an- geordnet, die mit der elektronischen Schaltung verbunden ist und die ausgebildet ist, um basierend auf einer Ansteuerung der elektronischen Schaltung die elektromagnetische Welle zu erzeugen. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass Leistungsverluste zwischen der elektronischen Schaltung und der Antenne ebenfalls reduziert sind, so dass ein noch effizienterer Betrieb des Reflektors ermöglicht ist. Ein weiterer Vorteil besteht da- rin, dass eine Kompakte Baugruppe realisierbar ist, bei der Reflektor und Antenne benachbart zueinander oder gar integriert ausgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Antennenvorrichtung einen zuvor beschriebenen Reflektor, einen Subreflektor, der ausgebildet ist, um die von der An- tenne ausgesendete elektromagnetische Welle zumindest teilweise in Richtung der Vielzahl von Reflektorstrukturen zu reflektieren, so dass die von dem Subreflektor reflektierte elektromagnetische Welle in Richtung der Vielzahl von Reflektorstrukturen gelenkt und von diesen erneut reflektiert wird. Die Antennenvorrichtung umfasst ferner eine Antenne, die mit der elektronischen Schaltung verbunden ist und die ausgebildet ist, um basierend auf einer Ansteuerung der elektronischen Schaltung die elektromagnetische Welle zu erzeugen und in eine Richtung des Subreflektors auszusenden. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine integrierte Bauform der Antenne und/oder ein effizienter Betrieb der Antennenvorrichtung ermöglicht ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Reflektorstrukturen und der Subreflektor eine Cassegrain-Konfiguration oder eine Gregorian-Konfiguration auf. Vorteilhaft daran ist, dass eine hohe Richtwirkung der Antennenvorrichtung erhalten werden kann, so dass eine geringe Sendeleistung benötigt und/oder eine hohe Sendereichweite erhalten wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Antenne als oberflächenmontiertes Bauteil (Surface Mounted Device - SMD) ausgeführt. Vorteilhaft daran ist, dass die Antennenvorrichtung als Gesamtstruktur eine hohe Funktionsintegrationsdichte aufweist und die Antennenvorrichtung mit einem geringen Bauraum und/oder einem geringen Gewicht ausgeführt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine axiale Relativposition des Subreflektors bezüglich des Reflektors entlang einer axialen Richtung parallel zu einer Oberflächennormalen des Substrats veränderlich. Vorteilhaft daran ist, dass eine Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung, etwa eine Fokussierung der einfallenden elektromagnetischen Welle, einstellbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine laterale Relativposition des Subreflektors bezüglich des Reflektors entlang einer lateralen Richtung senkrecht zu einer Oberflächennormalen des Substrats oder eine Neigung des Hauptreflektors oder Subreflektors be- züglich einer Oberfläche des Substrats des Reflektors veränderlich. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Abstrahlrichtung der Antennenvorrichtung verändert werden kann, ohne eine Phasenfunktion der Vielzahl von Reflektorstrukturen zu verändern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Antenne eine Vielzahl von Anten- nenelementen, wobei eine erste Teilmenge der Antennenelemente ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle mit einer ersten Polarisationsrichtung zu erzeugen und wobei eine zweite Teilmenge der Antennenelemente ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle mit einer zweiten Polarisationsrichtung zu erzeugen. Eine erste Teilmenge der Vielzahl von Reflektorstrukturen ist ausgebildet, um die elektromagnetische Welle mit einem ersten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle die erste Polarisationsrichtung aufweist und mit einem zweiten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle die zweite Polarisation aufweist. Eine zweite Teilmenge der Vielzahl von Reflektorstrukturen ist ausgebildet, um die elektromagnetische Welle mit einem dritten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle die zweite Polarisationsrichtung aufweist und mit einem vierten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle die erste Polarisation aufweist. Der erste Reflexionsgrad und der dritte Reflexionsgrad weisen einen größeren Wert auf als der zweite Reflexionsgrad und der vierte Reflexionsgrad. Vorteilhaft daran ist, dass voneinander verschiedene Signale mit voneinander verschiedenen Polarisationen gleichzeitig gesendet und/oder empfangen werden können und so eine Übertragungseffizienz der Antennenvorrichtung hoch ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Antenne ausgebildet, um eine in Richtung der Antennenvorrichtung ausgesendete und von der Antennenvorrichtung empfangene elektromagnetische Welle an die elektrische Schaltung oder eine weitere elektrische Schaltung zu leiten. Vorteilhaft daran ist, dass eine Sendefunktion, eine Empfangsfunktion sowie das Erzeugen der elektromagnetischen Welle als Funktion einer Vorrichtung integriert ausgeführt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Antennenvorrichtung eine Mehrzahl von Antennen und eine Mehrzahl von Subreflektoren, wobei jeder Subreflektor einer Antenne zugeordnet ist. Vorteilhaft daran ist, dass der Reflektor gemeinsam bezüglich der Mehrzahl von Antennen und der Mehrzahl von Subreflektoren angeordnet werden kann, so dass eine hohe Kompaktheit einer Mehrantennenvorrichtung erhalten wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentan- Sprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Reflektors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Seitenschnittansicht eines Reflektors mit einem Substrat, das eine mehrlagige Platine umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 3a eine schematische Aufsicht auf eine Reflektorstruktur, die als Rechteck ausgeführt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3b eine schematische Aufsicht auf eine Reflektorstruktur, die als Ellipse ausgeführt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3c eine schematische Aufsicht auf eine Reflektorstruktur, die als Kombination zweier Dipolstrukturen ausgeführt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 3d eine schematische Aufsicht einer Reflektorstruktur, die drei jeweils mit einem
Winkel zueinander angeordnete Dipolstrukturen umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Reflektors, der gegenüber dem Reflektor aus Fig. 1 um ein Gehäuseteil erweitert ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Seitenschnittansicht eines Reflektors, bei dem das Substrat Durchkontaktierungen umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung einen Reflektor und eine Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung, bei der eine Vielzahl von Reflektorstrukturen gem. Fig. 3c an dem Substrat gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel;
Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung, die eine Hornantenne umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung, bei der ein Substrat eine unebene Form aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 eine schematische Aufsicht auf ein Substrat, an dem eine Vielzahl von Reflektorstrukturen und elektrische Teilschaltungen angeordnet sind gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 1 1 eine schematische Seitenansicht des Reflektors aus Fig. 1 zur Verdeutlichung der Funktion der aufgeprägten Phasenfunktion gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 12 eine schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung, die als gefaltete Re- flectarray-Antenne ausgeführt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 13 eine schematische Ansicht einer Antennenvorrichtung, die die Hornantenne und den Reflektor gem. Fig. 1 umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Reflectarrays gemäß dem Stand der Technik.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Reflektors 10. Der Reflektor 10 umfasst ein Substrat 12 und eine Vielzahl von Reflektorstrukturen 14, die an einer Oberfläche des Substrats 12 angeordnet sind. Die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 ist ausgebildet, um eine einfallende elektromagnetische Welle 16 (Funksignal) zu reflektieren. Der Reflektor 10 umfasst ferner eine elektronische Schaltung 18, die an der gleichen Seite des Substrats angeordnet ist, wie die Vielzahl von Reflektorstrukturen. Die elektronische Schaltung 18 ist ausgebildet, um eine (nicht gezeigte) Antenne zu steuern, wenn die Antenne mit der elektronischen Schaltung verbunden ist. Bei der Antenne kann es sich beispielsweise um die Antenne handeln, die die elektromagnetische Welle 16 erzeugt bzw. aussendet.
Bei dem Substrat 12 kann es sich um ein beliebiges Trägermaterial, wie beispielsweise verlustarme HF-Materialen (HF - Hochfrequenz) handeln. Verlustarme HF-Materialien können auf Grundlage von PTFE Kompositmaterialien (PTFE = Polytetrafluorethylen bzw. Po- lytetrafluorethen) erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat zumindest teilweise ein Siliziumsubstrat (Wafer oder Teile davon) oder um eine Platine (Printed Circuit Board - PCB) sein. Das Substrat 12 kann eine oder mehrere Lagen (Schichten) aufweisen, die untereinander verbunden oder durch Zwischenschichten getrennt sind. Bei den Zwischenschichten kann es sich beispielsweise um metallische Schichten handeln, die eine Abschirmung von der elektromagnetischen Welle 16 und/oder eine Versorgung elektronischer Komponenten mit einem Versorgungs- oder Referenzpotenzial (Masse) ermöglichen. Bei den Zwischenschichten kann es sich auch um Luftschichten handeln, d. h., zwei Lagen des Substrats können mittels Abstandshaltern miteinander verbunden sein. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass verschiedene Lagen 22a und 22b oder 22b und 22c eine zwischengeordnete Luftschicht aufweisen und beispielsweise miteinander verschraubt oder dergleichen sind. Die zwischengeordneten Luftlagen können zur Aufnahme von ebenfalls Reflek- torstrukturen genutzt werden oder als Reflektorstrukturen wirken.
Die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 ist beispielhaft an einer ersten Hauptseite des Substrats 12 angeordnet, d.h. an einer Seite des Substrats 12, die der einfallenden elektromagnetischen Welle 16 zugewandt angeordnet ist. Obwohl die elektronische Schaltung 18 so beschrieben ist, dass sie an der gleichen Seite wie die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 angeordnet ist, kann die elektronische Schaltung auch ganz oder teilweise (etwa in Form von Teilschaltungen) an einer anderen, etwa gegenüberliegenden Seite des Substrats 12 angeordnet sein. Auch können die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 und/oder die elektronische Schaltung 18 ganz oder teilweise an oder in dem Substrat 12 angeordnet sein, beispielsweise wenn es sich bei dem Substrat 12 um einen mehrlagigen Aufbau handelt. Vereinfacht ausgedrückt kann bezüglich einiger oder aller Reflektorstrukturen 14 und/oder der elektronischen Schaltung 18 eine weitere Lage des Substrats 12 angeordnet sein, so dass die bezogene Reflektorstruktur und/oder die elektrische Schaltung 18 von der weiteren Lage bedeckt sind.
Die Reflektorstrukturen 14 können elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa Metalle oder Halbleiter, aufweisen. Eine Oberflächengeometrie der Vielzahl von Reflektorstrukturen kann so gewählt sein, dass die jeweilige Oberflächenform der Reflektorstrukturen 14 und/oder deren Relativposition zueinander eine Phasenfunktion auf die eintreffende elektromag- netische Welle 16 aufprägt. Beispielsweise kann es sich bei dem elektrisch leitfähigen Material um Platin, Gold, Silber, Aluminium, Kupfer, einen (dotierten) Halbleiter oder dergleichen handeln. Die Vielzahl von Reflektorstrukturen kann beispielsweise mittels eines Klebe- , Druck- oder Sputtering-Verfahrens oder mittels Bedampfen an dem Substrat 12 angeordnet werden. Alternativ kann die Vielzahl von Reflektorstrukturen in Form von Inselstrukturen in einer PCB durch Ätzen oder Fräsen gebildet werden. Zumindest eine Reflektorstruktur kann mittels eines chemischen Vergoldens oder mittels Bedampfen angeordnet werden. Eine von den Reflektorstrukturen 14 auf die elektromagnetische Welle 16 aufgeprägte Phasenfunktion kann so ausgeführt sein, dass die elektromagnetische Welle 16 durch die Reflexion eine Bündelung erfährt und kollimiert oder zumindest weniger gestreut von dem Re- flektor 10 reflektiert wird. Die aufgeprägte Phasenfunktion kann eine Krümmung des Reflektors 10, etwa konvex oder konkav, nachbilden. Die Vielzahl von Reflektorstrukturen ist dabei basierend auf der Phasenfunktion so auf einander abgestimmt, dass die elektromagnetische Welle 16 örtlich über die flächige Verteilung und Ausgestaltung der Reflektorstrukturen 14 unterschiedlich (Richtung, Polarisation, etc.) reflektiert wird, so dass die Phasen- funktion der elektromagnetischen Welle 16 aufgeprägt wird. Ferner kann durch die Phasenfunktion ein Strahlformung (Beam Conture bzw. Contured Beam) erhalten werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Reflektors 20. Der Reflektor 20 umfasst das Substrat 12, wobei das Substrat 12 eine Platine umfasst bzw. als mehrlagige Platine ausgeführt ist. Das Substrat 12 umfasst eine erste Lage 22a, eine zweite Lage 22b und eine dritte Lage 22c, die zusammengefasst Teile eines Stapels bilden, wobei zwischen der ersten Lage 22a und der zweiten Lage 22b eine erste zumindest teilweise elektrisch leitfähige Schicht 24a und zwischen der zweiten Lage 22b und der dritten Lage 22c eine zweite zumindest teilweise elektrisch leitfähige Schicht 24b angeordnet ist. Die Schichten 22a, 22b und/oder 22c können beispielsweise ein Epoxy-Material, ein Halbleitermaterial und/oder ein Glasfasermaterial, wie etwa FR-4, Kapton oder dergleichen umfassen, die miteinander verklebt sein können. Zur besseren Verständlichkeit, jedoch ohne einschränkende Wirkung, wird der Stapel des Substrats 12 so beschrieben, dass die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 an einem oberen Ende des Substrats 12 und die elektronische Schaltung umfassend elektronische Teilschaltungen 18a-c an einem unteren Ende des Stapels angeordnet sind. Es ist offensichtlich, dass je nach Orientierung des Reflektors 20 im Raum die Bezeichnung„oben" bzw.„unten" durch eine beliebige andere Bezeichnung ersetzt werden kann. Alternativ kann ein mehrlagiges Substrat auch lediglich eine Lage und eine leitfähige Schicht umfassen.
Die leitfähigen Schichten 24a und 24b können beispielsweise metallische Materialien umfassen und als Massefläche genutzt bzw. kontaktiert werden. Darüber hinaus ermöglichen die leitfähigen Schichten 24a und/oder 24b eine (ggf. vollständige) Reflexion der elektromagnetischen Welle 16. Dies kann sich auf Anteile der elektromagnetischen Welle 16 be- ziehen, die von den Reflektorstrukturen 14 nicht reflektiert werden und in das Substrat 12 eindringen. Eine Anordnung der elektronischen Schaltung bzw. der Teilschaltungen 18a, 18b und/oder 18c an einer Seite der leitfähigen Schichten 24a und/oder 24b, die der einfallenden elektromagnetischen Welle 16 abgewandt ist, ermöglicht eine Abschirmung der elektronischen Teilschaltungen 18a-c vor der elektromagnetischen Welle. Dies bietet im Betrieb insbesondere Vorteile bezüglich einer geringen elektromagnetischem Einkopplung der elektromagnetischen Welle 16 in Schaltungsstrukturen, was zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität der elektronischen Schaltung führen würde. Die Abschirmung ermöglicht somit eine erhöhte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Reflektors 20. Ferner ermöglicht die Anordnung der elektronischen Teilschaltungen 18a-c an einer anderen Seite als die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 eine erhöhte Flächenausnutzung der Oberseite des Stapels durch die Reflektorstrukturen 14, da kein Platz für die elektronische Schaltung benötigt wird.
Zumindest eine Reflektorstruktur 14 ist in einer zu der Oberseite des Substrats 12 verschiedenen Substratebene angeordnet, beispielsweise als eine an oder in der metallischen Schicht 24a angeordneten Struktur. Bspw. kann die metallische Schicht 24a strukturiert sein. Dies ermöglicht eine höhere (Flächen-)Dichte der Reflektorstrukturen 14 bezogen auf die elektromagnetische Welle 16, so dass ein mit einer Phasenfunktion beaufschlagter reflektierter Anteil der elektromagnetischen Welle 16 erhöht ist. Dies ermöglicht im Betrieb, dass ein geringerer Anteil der elektromagnetischen Welle 16 in die elektrisch leitfähige Schicht einkoppelt. Alternativ oder zusätzlich kann ein höherer oder der gesamte Anteil der elektromagnetischen Welle 16 mit einer Phasenfunktion beaufschlagt werden. Die Phasenfunktion der reflektierten elektromagnetischen Welle kann, verglichen mit der eintreffenden elektromagnetischen Welle 16, ein höheres Maß an Linearität aufweisen, was zu einer erhöhten Toleranzrobustheit führt.
Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass eine oder mehrere elektronische Teilschaltungen 18a-c der elektromagnetischen Welle 16 zugewandt an der ersten Lage 22a angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere elektronische Teilschaltungen 18a-c in dem Substrat 12 angeordnet sein, etwa an der zweiten Lage 22b oder der ersten oder zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 24a oder 24b.
Unter der Massefläche 24a befindet sich eine weitere Schicht (zweite Lage 22b), die eine elektrische Funktion aufweisen oder rein der Stabilität der Leiterplatte dienen kann. Darunter befindet sich eine weitere Massefläche 24b, die beispielsweise galvanisch getrennt von der oberen Massefläche 24a die Massefläche für die Substratlagen auf der Unterseite der Leiterplatte für die aktive Elektronik (elektronische Teilschaltungen 18a-c) bilden kann. Unter einer weiteren Schicht (dritte Lage 22c) für die Elektronik befinden sich auf der Unterseite derselben die elektronischen Bauelemente für die Ansteuerung einer (nicht gezeigten) Speiseantenne. Alternativ kann das Substrat 12 auch lediglich eine Lage, zwei Lagen oder mehr als drei Lagen umfassen. Vereinfacht ausgedrückt kann die zweite Lage 22b nicht angeordnet sein oder in Form mehrerer Lagen ausgeführt sein.
Die Reflektorstrukturen 14 können auch in einer der Lagen 22a, 22b oder 22c integriert (embedded) ausgeführt sein, etwa als leitfähige "Inseln" einer Leiterplatine. Ist die zweite Lage 22b beispielsweise nicht angeordnet, so kann lediglich eine der metallischen Schichten 24a oder 24b zwischen den Lagen 22a und 22c angeordnet sein.
Ferner können die Reflektorstrukturen 14 voneinander verschiedene Polarisationsrichtungen (Vorzugsrichtungen) aufweisen. Unterschiedliche Polarisationsrichtungen können in unterschiedlichen Substratebenen angeordnet sein. Die Substratebenen können parallel zu einer Substratoberfläche (der elektromagnetischen Welle 16 zugewandten oder abgewandten Seite des Substrats 12) angeordnet sein.
Das Substrat kann beispielsweise eine Flüssigkristall (Liquid Crystal - LC)-Substratschicht umfassen, die so angeordnet ist, dass sich die Reflektorstrukturen zwischen einer (virtuellen) Quelle der elektromagnetischen Welle und der LC-Substratschicht befinden. Mittels der LC-Substratschicht kann eine Phasenbelegung des Haupt- bzw. Subreflektors auf Leiterplattenbasis nachjustierend realisiert werden, das bedeutet Reflexionseigenschaften können basierend auf einer Ansteuerung der Flüssigkristall-Elemente beeinflusst werden.
In anderen Worten zeigt Fig. 2 einen möglichen Lagenaufbau einer Hauptreflektor-Leiterplatte. Die oberste Schicht (d.h. über der ersten Lage 22a) bilden die reflektierenden Elemente (Reflektorstrukturen 14), die eine Phasenfunktion der einfallenden Strahlung 16 aufprägen können und die sich auf einem Substrat (erste Lage 22a) befinden. Unter diesem Substrat befindet sich eine metallische Schicht 24a, die beispielsweise als Massefläche dient und die Reflexion aller einfallenden Strahlen sicherstellt.
Der Reflektor 20 kann anstatt zweier galvanisch getrennter Masseflächen 24a und 24b für reflektierende Elemente und Elektronik auch lediglich eine gemeinsame Massefläche im Lagenaufbau und mithin für die reflektierenden Elemente 14 und die Elektronik 18a-c ohne weitere Zwischenlage für die Stabilität der Leiterplatte aufweisen. Die (oberen) Substratlagen des Hauptreflektors für die reflektierenden Elemente (Substratlagen 22a) können sowohl einlagig als auch mehrlagig ausgeführt sein, wobei bei mehrlagiger Ausführung weitere reflektierende Elemente zwischen den metallischen Lagen ange- ordnet werden können. Ferner können Klebelagen, die diese Lagen physikalisch verbinden (Multi-Layer Reflectarray) angeordnet sein. Ein Vorteil, ggf. der Hauptvorteil, der mehrlagigen Ausführung liegt in der größeren realisierbaren Bandbreite des Hauptreflektors. Gleiches gilt auch für die Lagen des Subreflektors, sollte dieser als Leiterplattenversion ausgeführt sein.
Die unteren Substratlagen (22c) des Hauptreflektors für die Elektronik können sowohl einlagig als auch mehrlagig ausgeführt sein, wobei bei mehreren Lagen wiederum metallische Lagen mit Leiterbahnen und Klebelagen, die die verschiedenen Substratlagen verbinden, angeordnet sein können.
Einzelne Substratlagen der Hauptreflektorleiterplatte oder der Subreflektorleiterplatte können geklebt oder mechanisch bzw. mit anderen Mitteln fixiert/zusammengehalten werden.
Die Fig. 3a-d zeigen jeweils schematische Aufsichten auf mögliche Ausführungsformen der Reflektorstrukturen.
Fig. 3a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Reflektorstruktur 14-1 , die als Rechteck mit einer ersten Seitenabmessung a und einer zweiten Seitenabmessung b ausgeführt ist. Die Seitenabmessungen a und b können einen voneinander verschiedenen oder gleichen Wert (Quadrat) aufweisen.
Fig. 3b zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Reflektorstruktur 14-2, die als Ellipse ausgeführt ist. Ein Verhältnis von Haupt- und Nebenachse ist beliebig. Fig. 3c zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Reflektorstruktur 14-3, die als Kombination zweier Dipolstrukturen 26a und 26b ausgeführt ist. Die Dipolstrukturen 26a und 26b sind senkrecht zueinander angeordnet, was eine von einander hoch isolierte bzw. entkoppelte Reflexion einfallender elektromagnetischer Wellen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ermöglicht. Eine senkrechte Anordnung der Dipolstrukturen 26a und 26b er- möglicht beispielsweise eine Reflexion zueinander senkrecht stehender Polarisationsrich- tungen, etwa horizontal und vertikal, wobei sich diese Orientierungen jeweils oder gemeinsam beliebig im Raum drehen oder anders bezeichnen lassen. Alternativ können die Dipolstrukturen 26a und 26b auch einen von 90° verschiedenen Winkel aufweisen und/oder Polarisationsrichtungen reflektieren, die den gleichen oder einen anderen Winkel aufweisen.
Die Dipole 26a und 26b weisen jeweils einen erhöhten Reflexionsgrad auf, wenn die elektromagnetische Welle mit einer Polarisation, die mit der Anordnung des jeweiligen Dipols 26a oder 26b übereinstimmt, empfangen wird und eine demgegenüber reduzierten Reflexionsgrad, wenn die elektromagnetische Welle mit einer anderen, insbesondere mit einer senkrecht hierzu angeordneten Polarisationsrichtung empfangen wird. Wird die elektromagnetische Welle beispielsweise mit einer ersten Polarisation empfangen, so weist die Dipolstruktur 26a beispielsweise einen hohen (ersten) Reflexionsgrad auf. Wird die elektromagnetische Welle mit einer zweiten Polarisation, die von der ersten Polarisation verschieden, beispielsweise senkrecht hierzu, ist, empfangen, so weist die Dipolstruktur 26a einen niedrigeren (zweiten) Reflexionsgrad auf. Die erste Polarisation kann bezüglich des Dipols 26a als Vorzugsrichtung bezeichnet werden. Der Dipol 26b weist beispielsweise bei der zweiten Polarisation einen hohen (dritten) Reflexionsgrad und, wenn die elektromagnetische Welle die erste Polarisation aufweist, einen niedrigen (vierten) Reflexionsgrad, mit dem die elektromagnetische Welle reflektiert wird, auf.
Der erste und der dritte Reflexionsgrad sind größer als der zweite und der vierte Reflexionsgrad. Der erste und der dritte oder der zweite und der vierte Reflexionsgrad können auch gleich sein. Vereinfacht ausgedrückt kann der Dipol 26a ausgebildet sein, um die erste Polarisation zu reflektieren und der Dipol 26b ausgebildet sein, um die zweite Polarisation zu reflektieren. Die Dipolstrukturen 26a und 26b können ferner ausgebildet sein, um von einander verschiedene Phasenfunktionen auf eine reflektierte elektromagnetische Welle aufzuprägen.
Mehrere unterschiedliche Polarisationen können erhalten werden, indem eine Vielzahl von Antennenstrukturen oder -elementen mit der elektronischen Schaltung verbunden werden, wobei eine erste Teilmenge der Antennenstrukturen oder -eiemente ausgebildet ist, um eine elektromagnetische Welle mit einer ersten Polarisation zu erzeugen und eine zweite Teilmenge der Antennenstrukturen oder -eiemente ausgebildet ist, um eine elektromagnetische Welle mit einer zweiten Polarisation zu erzeugen. Zusätzlich können weitere Anten- nenstrukturen oder -eiemente angeordnet sein, die ausgebildet sind, um eine elektromagnetische Welle mit zumindest einer weiteren Polarisation zu erzeugen. Fig. 3d zeigt eine schematische Aufsicht einer Refiektorstruktur 14-4, die drei jeweils mit einem Winkel zueinander angeordnete Dipolstrukturen 26a, 26b und 26c umfasst, was eine Reflexion von drei entsprechenden Polarisationen ermöglicht. Die Dipolstrukturen 26a-c können einen beliebigen Winkel zueinander aufweisen und beispielsweise an Polarisationen von zu übertragenden elektromagnetischen Wellen angepasst sein. Alternativ können auch mehr als drei Dipolstrukturen oder lediglich eine Dipolstruktur angeordnet sein.
Alternativ können die Reflektorstrukturen auch eine beliebige andere Form, wie etwa eine Polygonform, eine Kreisform, eine Freiform oder eine Kombination von Formen und/oder Dipolstrukturen aufweisen.
In anderen Worten können die reflektierenden Elemente bei Ausführung des Haupt- bzw. Subreflektors als Reflectarray eine beliebige Geometrie aufweisen. Femer kann eine belie- bige Methode genutzt werden, um die gewollte Phasenänderung auf der Apertur des Reflektors zu implementieren, etwa eine variable Größe der Elemente, angebrachte Leitungsstücke und/oder eine Drehung der Elemente zueinander.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Reflektors 40, der gegenüber dem Reflektor 10 derart erweitert ist, dass an einer den Reflektorstrukturen 14 abgewandten Seite des Substrats 12 ein Gehäuseteil 28 angeordnet ist. Das Gehäuseteil 28 kann beispielsweise als Abdeckung der elektronischen Schaltung genutzt werden, die dem Gehäuseteil 28 zugewandt an dem Substrat 12 angeordnet ist. Das Gehäuseteil 28 kann nicht leitende (beispielsweise umfassend Kunststoffmaterialien oder Harzmaterialien) oder leitfähige Materi- alien (beispielsweise Metalle) umfassen. Vereinfacht ausgedrückt kann es sich bei dem Gehäuseteil 28 um eine metallische Abdeckung handeln.
An der den Reflektorstrukturen 14 zugewandten Seite des Substrats 12 ist eine Radomstruktur 32 angeordnet. Das Substrat 12 ist lediglich der besseren Veranschaulichung wegen bezüglich des Gehäuseteils 28 und der Radomstruktur 32 versetzt angeordnet dargestellt, d. h., das Substrat 12, das Gehäuseteil 28 und die Radomstruktur 32 können auch so angeordnet werden, dass das Substrat 12 von dem Gehäuseteil 28 und der Radomstruktur 32 umschlossen (gehaust) wird. Die Hausung kann wasserdicht und/oder chemisch beständig sein. Die Radomstruktur 32 umfasst zumindest bereichs weise eine elektrisch leitfähige Struktur 34. Die elektrisch leitfähige Struktur 34 ist ausgebildet, um die elektromagnetische Welle zu reflektieren und ist bezüglich der Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 so angeordnet, dass die von der elektrisch leitfähigen Struktur 34 reflektierte elektromagnetische Welle in Rich- tung der Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 gelenkt wird und von diesen erneut reflektiert wird. Ist beispielsweise zwischen dem Gehäuseteil 28 und der Radomstruktur 32 (etwa an oder in dem Substrat 12) eine Antenne angeordnet, so kann diese Antenne ausgebildet sein, um die elektromagnetische Welle in Richtung der elektrisch leitfähigen Struktur 34 auszusenden, so dass die elektrisch leitfähige Struktur 34 die elektromagnetische Welle in Richtung der Reflektorstrukturen 14 reflektiert. Die elektrisch leitfähige Struktur 34 kann die Funktion eines Subreflektors bereitstellen. Der Subreflektor kann als Teil eines Doppelreflektorsystems angeordnet werden, in welchem der Reflektor 10 bzw. 20 als Hauptreflektor angeordnet ist. Die Reflektorstrukturen 14 können die elektromagnetische Welle dann mit der Phasenfunktion versehen und (durch die Radomstruktur 32 hindurch) aussenden. Al- ternativ oder zusätzlich kann die Radomstruktur 34 auch eine weitere Vielzahl von Reflektorstrukturen umfassen.
In anderen Worten kann eine Radomlage über den reflektierenden Elementen/der Elektronik der Hauptreflektorleiterplatte angeordnet werden, um die Elemente zu verdecken und vor Korrosion und äußeren Einflüssen zu schützen oder zumindest den Einfluss zu reduzieren. Diese Radomlage kann zusätzlich die Reflexionseigenschaften der reflektierenden Elemente ändern bzw. zur thermischen Wärmeableitung für die Elektronik dienen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Reflektors 50, bei dem das Sub- strat 12 verglichen mit dem Reflektor 20 Durchkontaktierungen (sogenannte Vias) 36a und 36b umfasst, so dass elektrische Signale von der elektronischen Schaltung 18 durch das Substrat 12 hindurch an die der elektronischen Schaltung 18 gegenüberliegende Seite des Substrats 12 geleitet werden können. An dem Substrat 12 ist eine Antenne 38 angeordnet, die ausgebildet ist, um ein Funksignal, beispielsweise in Form der elektromagnetischen Welle 16, auszusenden. Die Antenne 38 ist bspw. mittels Bonddrähten 41 a und 41 b mit den Durchkontaktierungen 36a bzw. 36b und mithin mit der elektronischen Schaltung 18 verbunden. Die elektronische Schaltung 18 ist ausgebildet, um die Antenne 38 anzusteuern, so dass Parameter der elektromagnetischen Welle 16, wie etwa eine Signalform, eine Sendedauer, eine Signalamplitude und/oder eine Sendefrequenz von der Ansteuerung der elektronischen Schaltung 18 beeinflusst sind. Die (nicht gezeigten) Reflektorstrukturen sind an der gleichen Seite des Substrats 12 angeordnet wie die Antenne 38. Alternativ oder zusätzlich können auch Reflektorstrukturen in dem Substrat 12 angeordnet sein. Alternativ kann die elektronische Schaltung 18 auch an der gleichen Seite wie die Antenne 38 an dem Substrat 12 angeordnet sein und/oder in Form von Teilschaltungen ausgeführt sein. Eine Anordnung der Antenne 38 an dem Substrat 12 ermöglicht eine hoch integrierte Verschaltung von elektronischer Schaltung 18 und Antenne 38, was zu geringen Leistungsverlusten und mithin einem effizienten Betrieb führen kann. Der Reflektor 50 ist mithin auch als Antennenvorrichtung beschreibbar, die die elektronische Schaltung 18, das Substrat 12 und die Antenne 38 umfasst.
Bei der Antenne 38 kann es sich um eine beliebige Antenne handeln. Beispielsweise kann es sich um eine On-Chip Speiseantenne, um eine Patch-Antenne, eine PIFA-Antenne, um eine Hohlleiterantenne, um eine Silizium-basierte Antenne oder eine beliebige andere Antenne handeln.
Wird beispielsweise die im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene Radomstruktur umfassend die elektrisch leitfähige Struktur mit der Antennenvorrichtung 50 kombiniert, so kann eine Antennenform umfassend ein Doppelreflektorsystem erhalten werden. Diese Antenne nform kann beispielsweise als Cassegrain-Antenne oder als Gregorian-Antenne ausge- führt werden, so dass eine integrierte Cassegrain-Antenne oder eine integrierte Gregorian- Antenne erhalten werden kann.
In anderen Worten zeigt Fig. 5 ein Beispiel für die Verbindung der elektronischen Bauelemente der unteren Lagen mit der On-Chip Speiseantenne auf der Oberseite der Hauptre- flektorleiterplatte. In diesem Beispiel wird die Verbindung der Elektronik zu einer SMD-On- Chip Antenne mittels Durchkontaktierungen (Vias) und optionalen Bonddrähten realisiert. Beispielsweise kann der Subreflektor 42 Teil einer Radomstruktur sein.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung 60 umfassend das Substrat 12, an dem die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 angeordnet ist. Die Antenne 38 ist an dem Substrat 12 an der gleichen Seite wie die Vielzahl von Reflektorstrukturen 14 angeordnet und ausgebildet, um die elektromagnetische Welle 16 zu erzeugen und auszusenden. Die elektromagnetische Welle 16 kann (räumlich) breit, d. h., mit einem großen Öffnungswinkel abgestrahlt werden. Das bedeutet, dass die elektromagnetische Welle 16 eine geringe Richtwirkung aufweisen kann. Bezüglich des Substrats 12 ist eine weitere Reflektorstruktur, nachfolgend bezeichnet als Subrefiektor 42 angeordnet. Der Subrefiektor 42 kann beispielsweise eine konkav oder konvex geformte leitfähige Schicht sein. Alternativ kann der Subrefiektor 42 auch planar ausgebildet sein, etwa umfassend ein Substrat und/oder eine Schaltplatine mit Reflektorstrukturen, die ausgebildet sind, um eine Pha- senfunktion auf die empfangene und reflektierte elektromagnetische Welle 16 aufzuprägen. Vereinfacht ausgedrückt ist der Subrefiektor 42 angeordnet und ausgebildet, um die von der Antenne 38 empfangene elektromagnetische Strahlung zu streuen und zumindest teilweise in Richtung der Reflektorstrukturen 14 zu reflektieren. Die Reflektorstrukturen 14 sind ausgebildet, um die von dem Subrefiektor 42 reflektierte elektromagnetische Welle 16 er- neut zu reflektieren und, um die Phasenfunktion der elektromagnetischen Welle 16 derart anzupassen, dass die elektromagnetische Welle 16 gegenüber der Charakteristik der Antenne 38 eine Strahlbündelung erfährt. So kann die elektromagnetische Welle 16 beispielsweise annähernd oder vollständig kollimiert ausgesendet werden, so dass eine Anwendung der Antennenvorrichtung 60 als Richtfunkantenne ermöglicht ist.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung 70, bei der eine Vielzahl von Reflektorstrukturen 14-3 an dem Substrat 12 angeordnet ist. Die elektronische Schaltung umfasst die Teilschaltungen 18a und 18b, die an der gleichen Seite des Substrats 12 wie die Reflektorstrukturen 14-3 und die Antenne 38 angeordnet sind. Die elekt- ronischen Teilschaltungen 18a und 18b sind beispielsweise mittels sogenannter icrostrip Lines (MSL) 43a bzw. 43b mit der Antenne 38 verbunden. Der Subrefiektor 42 ist bezüglich des Substrats 12 bzw. bezüglich der Antenne 38 und/oder der Reflektorstrukturen 14-3 um einen Winkel α verkippbar. Der Subrefiektor ist konvex geformt oder ist ausgebildet, um eine konvexe Phasenfunktion auf die elektromagnetische Welle aufzuprägen. Der Winkel α kann beispielsweise kleiner 90°, kleiner 60° oder kleiner 30° sein. Mit dem Subrefiektor 42 kann auch die elektromagnetische Welle bzgl. der aufgeprägten Phasenfunktion im Raum verkippt werden, so dass insgesamt eine Abstrahlcharakteristik, mit der die elektromagnetische Welle von den Reflektorstrukturen 14-3 reflektiert wird, verändert wird. Beispielsweise kann die elektromagnetische Welle in eine mit dem Winkel α veränderliche Raumrichtung reflektiert werden. Der Subrefiektor 42 ist ferner entlang einer axialen Richtung 44 beweglich. Somit ist ein Abstand zwischen dem Subrefiektor 42 und dem Substrat 12 bzw. der Antenne 38 entlang der axialen Richtung 44 veränderlich. Die axiale Richtung 44 verläuft bspw. parallel zu einer Oberflächennormalen 46 des Substrats 12. Ein verrin- gerter Abstand zwischen der Antenne 38 und dem Subrefiektor 42 kann, je nach Streucharakteristik des Subreflektors 42, zu einer Verengung oder Erweiterung einer Strahlenkeule der elektromagnetischen Welle führen. D. h., ein Fokus der elektromagnetischen Welle, die von den Reflektorstrukturen 14-3 abgestrahlt wird, ist mit dem Abstand bzw. der Bewegung entlang der axialen Richtung 44 veränderlich. Dies ermöglicht eine Justage oder Korrektur der Richtwirkung der Antennenstruktur 70, beispielsweise aufgrund von veränderlichen Umwelteinflüssen, wie etwa einer Erwärmung und/oder veränderlichen Materialien zwischen der Antennenvorrichtung 70 und einer weiteren Antennenvorrichtung, mit der die Antennenvorrichtung 70 kommuniziert.
Alternativ oder zusätzlich kann der Subreflektor 42 auch entlang einer lateralen Richtung 48, die senkrecht zu der Oberflächennormalen 46 angeordnet ist, beweglich sein. Alternativ kann der Subreflektor 42 auch starr oder lediglich um den Winkel α verkippbar oder entlang der Richtung 44 bewegbar angeordnet sein.
Eine Lage der Dipole der Reflektorstrukturen 14-3 kann an eine Polarisation oder an meh- rere Polarisationen, mit der die elektromagnetische Welle von der Antennenvorrichtung 70 ausgesendet wird, angepasst sein. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Reflektorstrukturen angeordnet sein. Die Antenne 38 ist ausgebildet, um eine in Richtung der Antennenvorrichtung gesendete und von der Antennenvorrichtung 70 empfangene elektromagnetische Welle an die (nicht gezeigte) elektrische Schaltung oder eine weitere elektri- sehe Schaltung zu leiten, die beispielsweise an einer der Antenne 38 abgewandten Seite des Substrats 12 angeordnet ist.
Alternativ kann das Substrat 12 bzw. der (Haupt-)Reflektor auch mehrere Antennen 38 aufweisen, die gleich oder voneinander verschieden ausgebildet sein können. Bezüglich der Mehrzahl von Antennen kann eine Mehrzahl von Subreflektoren 42 angeordnet sein. Beispielsweise kann jeder Subreflektor einer der angeordneten Antennen zugeordnet sein. Dies ermöglicht den Aufbau einer Multi-Antennenvorrichtung.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung 80, die eine An- tenne 38' umfasst. Die Antenne 38' ist als Hornantenne ausgeführt. Bezüglich der Antenne 38' ist ein Subreflektor 42' angeordnet, der ausgebildet ist, um mittels der Phasenfunktion eine konkave Form nachzubilden. Der Subreflektor 42' kann bspw. als konkaves metallisches Element ausgeführt sein. Alternativ kann der Subreflektor 42' auch als (ebene) Platine ausgeführt sein, die ausgebildet ist, um mittels geeigneter Anordnung von Reflek- torstrukturen eine entsprechende Phasenfunktion aufzuprägen. Die Antennenvorrichtung 80 kann beispielsweise als Gregorian-Antenne einsetzbar sein. Die Ausformung des Subreflektors 42 oder 42' kann dabei unabhängig von einer Ausführung der Antenne 38 und 38' gewählt werden. So kann die Antennenvorrichtung 80 beispielsweise auch die Antenne 38 und/oder den Subreflektor 42 umfassen.
Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung 90, bei der ein Substrat 12' (Hauptreflektor) eine unebene Form aufweist. Diese wird beispielsweise durch eine jeweils schräg zueinander angeordnete Anordnung mehrerer (ggf. ebener) Teilsubstrate 12a-e erhalten. Dies kann auch als Sektorparaboloid bzw. als ein Multi-Faceted Re- fiectarray (mehrere Oberflächen aufweisender Reflektor) bezeichnet werden. Mittels der zueinander geneigten Teilsubstrate 12a-e kann eine konkave oder konvexe bzw. stückweise stetige Form (bspw. eine parabolische Form) des Substrats 12' und somit des Hauptreflektors erhalten werden. Vereinfacht ausgedrückt kann der Hauptreflektor und/oder das Substrat 12' mehrteilig ausgeführt sein, wobei die Teile parallel zueinander oder einen Win- kel aufweisend angeordnet sein können. Die Antenne 38 ist beispielsweise aus einer Mittenposition verschoben angeordnet (sog. Offset-Speisung). Alternativ kann die Antenne 38 auch in einem geometrischen oder flächenmäßigen Schwerpunkt angeordnet sein. Die Antennenvorrichtung 90 kann auch als 1 D-Multi-Faceted Reflectarray Konfiguration beschrieben werden.
In anderen Worten kann der Hauptreflektor auf Leiterplattenbasis mit der Elektronik zur Ansteuerung der Speiseantenne(n) als Sektorparaboloid (Multi-Faceted Reflectarray) und/oder in einer physikalisch gewölbten Form (konforme Antenne) mit einer oder mehreren Leiterplatten ausgeführt sein, um die gewollte Phasenfunktion zu realisieren. Auf mindes- tens einer dieser Leiterplatten, (d.h. Sektoren, Facetten bzw. Paneele 12a-e) ist die Elektronik zur Ansteuerung der Speiseantenne(n) angeordnet. Ein Subreflektor auf Leiterplattenbasis kann beispielsweise aus mehreren Leiterplatten in Sektorform ausgeführt sein. Vorteilhaft an einer Sektorform ist, dass, verglichen mit einer ebenen Ausführung, eine höhere Bandbreite der Antenne realisiert werden kann und eine höhere Phasenreserve der Reflektorstruktur erhalten werden kann.
Fig. 10 zeigt eine schematische Aufsicht auf das Substrat 12, an dem eine Vielzahl von Reflektorstrukturen 14-1 und Teilschaltungen 18-d angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere und/oder davon verschiedene Reflektorstrukturen angeordnet sein. Fig. 1 1 zeigt eine schematische Seitenansicht des Reflektors 10 zur Verdeutlichung der Funktion der aufgeprägten Phasenfunktion, wobei die Erläuterungen auf einen Subreflektor übertragbar sind. Die von den Reflektorstrukturen 14 der elektromagnetischen Welle 16 aufgeprägte Phasenfunktion ermöglicht eine Implementierung einer virtuellen Bauform des Reflektors 10. Durch die gestrichelte konkave Linie ist die implementierte virtuelle parabolische Form des Reflektors dargestellt. So kann der Reflektor 10 beispielsweise ein ebenes Substrat 12 mit den daran angeordneten Reflektorstrukturen 14 aufweisen. Mittels der Phasenfunktion kann die elektromagnetische Welle 16 jedoch so reflektiert werden, als würde sie von einem konkaven (oder alternativ konvexen) oder parabolischen Reflektor reflektiert.
Fig. 12 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung 120, die als gefaltete Reflectarray-Antenne ausgeführt ist. Die Antennenvorrichtung 120 umfasst beispielsweise die Hornantenne 38' oder alternativ eine beliebige andere Antennenform. Bezüglich der Antenne 38' ist ein Subreflektor in Form eines polarisierenden Gitters oder eines Schlitz-Arrays 44 angeordnet. Das polarisierende Gitter oder das Schlitz-Array 44 ist ausgebildet, um die elektromagnetische Welle 16 zu polarisieren und zu reflektieren, wenn diese eine erste Polarisierung aufweist. Die Reflektorstrukturen 14 sind ausgebildet, um eine Polarisation der elektromagnetischen Welle zu drehen und, um die elektromagnetische Welle 16 zu fokussieren. So kann beispielsweise das Schlitz-Array 44 ausgebildet sein, um die elektromagnetische Welle 16 großteils oder vollständig passieren zu lassen, wenn diese die gedrehte (zweite) Polarisierung aufweist.
Der Subreflektor kann als physikalisch gewölbte Variante konvex (etwa für eine Cassegrain- Antenne), konkav (etwa für eine Gregorian-Antenne) oder ebenfalls als Leiterplatte (Re- flectarray) ausgeführt sein. Als Reflektorsystem kann ebenfalls eine gefaltete Antenne (Folded Reflectarray) angeordnet werden.
Eine fokussierende bzw. Contured-Beam Funktion des Hauptreflektors auf Leiterplattenbasis als Reflectarray ist in einem derartigen Fall weiterhin gegeben. Als Subreflektor kann beispielsweise ein polarisationsselektives Gitter in einer ähnlichen oder gleichen Größe wie der Hauptreflektor über diesem angebracht werden. Die Speiseantenne kann sich weiterhin in einer Position unterhalb des Subreflektorgitters befinden. Die einfallenden Strahlen der Speiseantenne werden von diesem Gitter polarisationsabhängig reflektiert, wobei bei der Reflexion die Polarisation teilweise gedreht werden kann. Bei der Reflexion am Hauptre- flektor-Reflectarray wird dann die Polarisation der einfallenden Strahlung wieder teilweise gedreht und gleichzeitig fokussiert bzw. in gewollter Weise geformt. Die Strahlen können nun den Subreflektor ohne Reflexion passieren. Diese gefaltete Form der Antenne kann dadurch ebenfalls sehr kompakt gebaut werden, allerdings durch die Polarisationsselektivität des Subreflektors nur mit einer Polarisation und bestimmten reflektierenden Elementen auf dem Hauptreflektor, die die Polarisation der einfallenden Strahlen bei der ausgeführten Reflexion drehen, realisiert werden.
Fig. 13 zeigt eine schematische Ansicht einer Antennenvorrichtung 130, die die Hornantenne 38' und den Reflektor 10 umfasst. Mittels des Reflektors 10 wird eine Reflektoreigenschaft analog einem parabolischen Hauptreflektor erhalten. Bezüglich des Reflektors 10 ist der Subreflektor 42 angeordnet, der die mit einem Öffnungswinkel von 2 d< ausgestrahlte elektromagnetische Welle 16 reflektiert und in Richtung des Reflektors 10 zurückwirft. Bezüglich des Reflektors 10 wirkt dies wie eine virtuelle Antenne (Virtual Feed) 38v, die die elektromagnetische Welle 16 mit dem Öffnungswinkel 2 aussendet. Vereinfacht ausgedrückt implementiert dies eine Funktion einer Cassegrain-Antenne.
Vereinfacht ausgedrückt können einige der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele als Doppelreflektorsystem, beispielsweise als Cassegrain-Antenne, Gregorian-An- tenne oder gefaltete Antenne ausgeführt werden. Eine Speiseantenne kann sich mittig auf einem Hauptrefiektor angeordnet befinden und ausgebildet sein, um den Subreflektor zu bestrahlen (beleuchten), welcher wiederum ausgebildet ist, um die Ausleuchtung des Hauptreflektors vorzunehmen. Der Subreflektor kann die Funktion der Speiseantenne virtuell über den Hauptreflektor spiegeln. Der virtuelle Spiegelpunkt kann durch die konvexe oder konkave (Gregorian-Antenne) Form des Subreflektors im Gegensatz zu einer Spiegelung an einer planaren metallischen Fläche verschoben werden. Somit kann die gesamte Antennenvorrichtung sehr kompakt gebaut werden. Der Hauptreflektor kann parabolisch ausgeführt sein oder ausgebildet sein, um eine entsprechende Phasenfunktion implementieren, d.h. er führt zu einer Kollimation der einfallenden Strahlung und damit zu einer Richtwirkung. Die Antenne kann daher eine hohe Richtwirkung mit einer sehr kompakten Bauweise vereinen.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Hauptreflektor, der ausgeführt als Leiterplatte (PCB), auf dessen Unter- oder Oberseite (oder einer anderen Seite) sich zusätzlich die Elektronik zur Speisung der Speiseantenne befindet. Auf einer Seite (beispielsweise Oberseite) sind die Elemente des Reflectarrays sowie eine Speiseantenne angeordnet. Die Ansteuerung dieser Speiseantenne kann durch Elektronik erfolgen, die sich auf der gleichen oder einer anderen Seite oder auf beiden Seiten der Leiterplatte befindet. In Ausführungsbeispielen kann sich die elektronische Schaltung (aktive Elektronik) auf der gleichen Seite des Substrats (Hauptreflektor) befinden wie die Reflektorstrukturen und ausgebildet sein, um von dort aus die Speiseantenne anzusteuern. Dies kann beispielsweise mittels Leiterbahnen, Microstrip-Konfigurationen, Bonddrahtverbindungen oder dergleichen erfolgen.
Die Speiseantenne kann eine beliebige Antenne sein und eine schmale oder eine breite Abstrahlcharakteristik aufweisen. Die Speiseantenne kann beispielsweise als On-Chip An- tenne, Hornantenne, offener Hohlleiter oder Phased-Array-Antenne ausgeführt sein. Die Speiseantenne kann auch mehrere verteilte Antennenelemente umfassen, die einzeln oder in Gruppen zur Abstrahlung angeregt werden können. Weitere Beispiele für Speiseantennen sind beispielsweise substratintegrierte Wellenleiter, ggf. mit Horn, (planare) Modenwandler mit aufgesetztem Horn, gepackte Antennen (Packaged Antennas), gedruckte planare Antennen, wie etwa eine Patch-Antenne, PIFA-Antennen oder dergleichen.
Die Speiseantenne kann eine oder mehrere einzelne Speiseantennen mit der gleichen oder unterschiedlichen Polarisationen umfassen. In Kombination mit bestimmten reflektierenden Elementen auf Haupt- bzw. Subreflektorebenen kann somit auch polarisationsabhängig eine Multiplex-, Demultiplex- oder Duplex-Übertragung elektromagnetischer Wellen (Funksignale) realisiert werden. Beispielsweise können gekreuzte Dipole als reflektierende Elemente angeordnet werden. Die einzelnen Dipolarme können die Phase der einfallenden Strahlen mit Polarisation in einer Längsrichtung selektiv reflektieren. Als gekreuzte Dipole können die Streuelemente (Reflektorstrukturen) damit verschiedene, beispielsweise ortho- gonale lineare Polarisationen, selektiv mit hoher Isolation reflektieren und somit unterschiedliche Phasenbelegungen an die unterschiedlichen, beispielsweise orthogonalpolarisierten Strahlen aufprägen. Dies ermöglicht beispielsweise eine räumliche Trennung, d.h. zwei Fokuspunkte, der beiden linear orthogonal polarisierten Speiseantennen. D.h., es sind zwei Speiseantennen angeordnet.
In Ausführungsbeispielen kann die Speiseantenne an einer (bspw. vertikalen) Position, d.h. senkrecht zur Apertur des Hauptreflektors angeordnet sein, die sich auf der Ebene des Hauptreflektors (etwa in Form einer Patch-Antenne), höher (etwa in Form einer Hornantenne), jedoch auch tiefer (etwa in einer der Lagen des Substrats integriert) befindet. Ausführungsbeispiele umfassen zwei oder mehrere Speiseantennen, die ausgebildet sind, um jeweils eine elektromagnetische Welle mit voneinander verschiedenen Frequenzen abzustrahlen (sogenanntes Multi-Band Reflectarray). Alternativ oder zusätzlich können die Speiseantennen im Zeitmultiplex- Verfahren angesteuert werden.
Eine horizontale (laterale) Position der Speiseantenne (in der Aperturebene des Hauptreflektors) kann sich zentral oder an einer anderen Position (sogenannte Offset-Speisung) befinden. Ferner kann die axiale oder laterale Position des Subreflektors variabel sein. Der Subreflektor kann alternativ oder zusätzlich auch um einen beliebigen Winkel α (z. B. klei- ner als 90°) gekippt werden.
Eine (ggf. wesentliche) Funktion des Doppelreflektorsystems ist bspw. die Strahlbündelung, also eine hohe Richtwirkung der Antenne. Die Antenne kann somit bei Richtfunk und/oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Direktverbindungen) eingesetzt werden. Die Möglichkeit ei- ner konturförmigen Abstrahlung (Contured-Beam) mittels geeigneter Phasenbelegung des Hauptreflektor-Reflectarrays ist ebenfalls möglich. Eine Hauptanwendung hierbei ist beispielsweise der Satellitenfunk. Ebenso kann die Phasenbelegung (Phasenfunktion) so implementiert sein, dass Multi-Beam, Tilted-Beam oder eine beliebige andere realisierbare Form der Abstrahlung der Gesamtantenne erreicht wird.
In Ausführungsbeispielen sind der Haupt- bzw. Subreflektor mechanisch relativ zueinander bewegbar, um beispielsweise eine Strahlsteuerung bzw. Schwenkung auszuführen.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele beschreiben Realisierungen eines Hauptreflektors, der die Elektronik und die Strahlungsreflexion mit bestimmter Phasenbelegung der Strahlung eines Subreflektors, etwa in einem Cassegrain-Antennensystem oder in einer Faltantenne auf einer Leiterplatte, vereint. Ein Vorteil hierbei ist die Kompaktheit des Antennensystems und die Integrierbarkeit der Elektronik zusammen mit den Reflektoreigenschaften der Antenne auf einer Leiterplatte.
Anwendungsbeispiele können beispielsweise in Richtfunkverbindungen (Punkt-zu-Punkt), dem Satellitenfunk und/oder in Radaranwendungen eingesetzt werden. Ferner können Antennenvorrichtungen gemäß vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überall eingesetzt werden, wo eine hochintegrierte Antenne mit hoher Richtwirkung bzw. kontur- förmiger Abstrahlung benötigt wird. Als ein typisches Anwendungsbeispiel kann eine Cas- segrain-Reflectarray-Antenne mit Haupt- und Subspiegel (Reflektor) als Leiterplattenausführung gesehen werden. Der Subreflektor als Leiterplatte kann in ein strahlungsdurchlässiges Radomgehäuse eingebettet sein, während die Hauptreflektorleiterplatte auf ein metallisches Gehäuse aufgesetzt ist, dessen Funktion der Schutz der Elektronik sowie ihre Abschirmung (im Sinne der EMV) und/oder die Wärmeableitung der elektronischen Komponenten umfasst. Die beiden Gehäusekomponenten können mechanisch (ggf. wasserfest und/oder chemikalienresistent) zusammengefügt werden und die Hauptreflektorleiterplatte mit einer aufgebrachten On-Chip Speiseantenne einschließen. Die Anschlüsse nach außen, d.h. zur Kontaktierung der Antennenvorrichtung, können beispielsweise in Form eines Datenanschlusses und als Anschluss für die Energieversorgung ausgeführt werden.
Obwohl die Antenne und/oder die Antennenvorrichtung vorangehend so beschrieben wurden, dass diese ausgebildet sind, um die elektromagnetische Welle 16 zu erzeugen und auszusenden, können Ausführungsbeispiele auch dazu genutzt werden, um die elektro- magnetische Welle 16 alternativ oder zusätzlich zu empfangen, so dass diese mit der elektronischen Schaltung oder einer weiteren elektronischen Schaltung auswertbar ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Euro- päischen Union gefördert.

Claims

Patentansprüche
1. Reflektor (10; 20; 40; 50) umfassend: ein Substrat (12); eine Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1-4), die an oder in dem Substrat (12) angeordnet sind und ausgebildet sind, um eine einfallende elektromagnetische Welle (16) zu reflektieren; und eine elektronische Schaltung (18; 18a-d), die an oder in dem Substrat (12) angeordnet ist, und ausgebildet ist, um eine Antenne zu steuern, wenn die Antenne mit der elektronischen Schaltung (18; 18a-d) verbunden ist.
2. Reflektor gemäß Anspruch 1 , bei dem die Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1- 4) ausgebildet ist, um die einfallende elektromagnetische Welle (16) so zu reflektieren, dass die reflektierte elektromagnetische Welle (16) durch die Reflexion an der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) eine Strahlbündelung erfährt.
3. Reflektor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat (12) eine Platine umfasst, wobei die Platine einen Stapel mit zumindest einer ersten Lage (22a), einer zweiten Lage (24a) und einer dritten Lage (22b) umfasst, bei dem die zweite (24a) Lage zwischen der ersten (22a) und der dritten Lage (22b) angeordnet ist, wobei an, auf oder in der ersten Lage (22a) die Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) zumindest teilweise angeordnet ist, und wobei die zweite Lage (24a) zumindest teilweise elektrisch leitfähig ist.
4. Reflektor gemäß Anspruch 3, bei dem die zweite Lage (22b) als eine elektrische Mas- sefläche gebildet ist.
5. Reflektor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl von Reflektorstrukturen (14;14-1 -4) in zumindest zwei voneinander verschiedenen Substratebenen (22a, 22b) angeordnet sind, die parallel zu einer Substratoberfläche angeord- net sind, die einer Richtung, in die die elektromagnetische Welle (16) reflektiert wird, zugewandt angeordnet ist. Reflektor gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem zumindest eine Teilschaltung (18a-d) der elektronischen Schaltung (18; 18a-d) an einer Seite des Substrats angeordnet ist, die einer einfallenden elektromagnetischen Welle (16), die auf die Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) trifft, abgewandt ist.
Reflektor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Reflektorstruktur (14-3; 14-4) der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) eine Mehrzahl von Dipolstrukturen (26a-c) aufweist.
Reflektor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ra- domstruktur (32), die bezüglich der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14;14-1 -4) angeordnet ist und ausgebildet ist, um einen mechanischen oder chemischen Einfluss einer Umgebung der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) auf die Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) zumindest teilweise zu reduzieren, wobei die Ra- domstruktur (32) zumindest bereichsweise eine elektrisch leitfähige Struktur (34) oder eine weitere Vielzahl von Reflektorstrukturen umfasst, die ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle (16) zu reflektieren, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (34) oder die weitere Vielzahl von Reflektorstrukturen bezüglich der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) so angeordnet ist, dass die von der elektrisch leitfähigen Struktur (34) reflektierte elektromagnetische Welle (16) in Richtung der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14;14-1 -4) gelenkt und von diesen erneut reflektiert wird.
Reflektor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem an oder in dem Substrat (12) eine Antenne (38; 38') angeordnet ist, die mit der elektronischen Schaltung (18; 18a-d) verbunden ist und ausgebildet ist, um basierend auf einer Ansteuerung der elektronischen Schaltung (18; 18a-d) die elektromagnetische Welle (16) zu erzeugen.
Antennenvorrichtung (50; 60; 70; 80; 90; 120; 130) mit: einem Reflektor (10; 20; 40; 50) gemäß einem der Ansprüche 1-8; einer Antenne (38; 38'); und einem Subreflektor (42; 42'), der ausgebildet ist, um die von der Antenne (38: 38') ausgesendete elektromagnetische Welle (16) zumindest teilweise in Richtung der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) zu reflektieren, so dass die von dem Sub- reflektor (42; 42') reflektierte elektromagnetische Welle (16) in Richtung der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) gelenkt und von diesen erneut reflektiert wird; wobei die Antenne (38; 38') mit der elektronischen Schaltung (18; 18a-d) verbunden ist und ausgebildet ist, um basierend auf einer Ansteuerung der elektronischen Schaltung (18; 18a-d) die elektromagnetische Welle (16) zu erzeugen und in eine Richtung des Subreflektors (42; 42') auszusenden. 1 1 . Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Reflektor eine Radomstruktur (32) umfasst, die bezüglich der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) angeordnet ist und ausgebildet ist, um einen mechanischen oder chemischen Einfluss einer Umgebung der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) auf die Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) zumindest teilweise zu reduzieren.
12. Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , bei der die Radomstruktur (32) den Subreflektor (42; 42') umfasst.
13. Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-12, bei der das Substrat (12) eine Platine umfasst, wobei die Platine einen Stapel mit zumindest einer ersten Lage
(22a), einer zweiten Lage (24a) und einer dritten Lage (22b) umfasst, und bei der die Radomstruktur (32) als Radomlage an dem Substrat (12) gebildet ist.
Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-13, bei der die Reflektorstrukturen (1 ; 14-1 -4) und der Subreflektor (42; 42') eine Cassegrain-Konfiguration oder eine Gregorian-Konfiguration aufweisen.
15. Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-14, bei der die Antenne (38;
38') als Oberflächenmontiertes Bauteil ausgeführt ist.
16. Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-15, bei der eine axiale Relativposition des Subreflektors (42; 42') bezüglich des Reflektors (10; 20; 40; 50) entlang einer axialen Richtung (44) parallel zu einer Oberflächennormalen (46) des Substrats (12) veränderlich ist.
17. Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-16, bei der eine laterale Relativposition des Subreflektors (42; 42') bezüglich des Reflektors (10; 20; 40; 50) entlang einer lateralen Richtung (48) senkrecht zu einer Oberflächennormalen (46) des Substrats (12) veränderlich ist oder bei der eine Neigung (a) des Subreflektors (42; 42') bezüglich einer Oberfläche des Substrats (12) des Reflektors (10; 20; 40; 50) veränderlich ist.
Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-17, bei der die Antenne (38; 38') eine Vielzahl von Antennenelementen aufweist, wobei eine erste Teilmenge der Antennenelemente ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle (16) mit einer ersten Polarisationsrichtung zu erzeugen und wobei eine zweite Teilmenge der Antennenelemente ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle (16) mit einer zweiten Polarisationsrichtung zu erzeugen; wobei eine erste Teilmenge (26a) der Vielzahl von Reflektorstrukturen (14; 14-1 -4) ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle (16) mit einem ersten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle (16) die erste Polarisationsrichtung aufweist und mit einem zweiten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle (16) die zweite Polarisation aufweist; wobei eine zweite Teilmenge (26b) der Vielzahl von Reflektorstrukturen (1 ; 14-1 -4) ausgebildet ist, um die elektromagnetische Welle (16) mit einem dritten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle (16) die zweite Polarisationsrichtung aufweist und mit einem vierten Reflexionsgrad zu reflektieren, wenn die elektromagnetische Welle (16) die erste Polarisation aufweist; wobei der erste Reflexionsgrad und der dritte Reflexionsgrad einen größeren Wert aufweisen, als der zweite Reflexionsgrad und der vierte Reflexionsgrad.
Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-18, bei der die Antenne (38; 38') ferner ausgebildet ist, um eine in Richtung der Antennenvorrichtung gesendeten und von der Antennenvorrichtung empfangene elektromagnetische Welle (16) an die elektrische Schaltung (18; 18a-d) oder eine weitere elektrische Schaltung zu leiten.
20. Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-19, die eine Mehrzahl von Antennen (42; 42') und eine Mehrzahl von Subreflektoren (42; 42') aufweist, wobei jeder Subreflektor (42; 42') einer Antenne (42; 42') zugeordnet ist.
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