RU2780558C1

RU2780558C1 - Data transmission/reception antenna embedded in a printed circuit board

Info

Publication number: RU2780558C1
Application number: RU2021135450A
Authority: RU
Inventors: Антон Сергеевич Лукьянов; Михаил Николаевич Макурин
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-09-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: present invention relates to radio engineering, namely to a data transmission/reception antenna embedded in a printed circuit board. The expected result is achieved by the fact that an antenna (100) for transmitting/receiving data embedded in a printed circuit board is proposed, made on adjacent layers of the said printed circuit board connected to each other by a plurality of metallized holes (101) to form a conductive continuous region, and the said adjacent layers of the said printed circuit board contain a lower layer (A), a lower middle layer (B), an upper middle layer (C), an upper layer (D), and the antenna contains: an intermediate section (10), a parasitic patch element (20), located in the upper layer (D) and separated by a gap (21) from the conductive solid area and a strip line (30).

EFFECT: creation of a data transmission/reception antenna operating in the millimeter wave range, compact and easy to manufacture.

17 cl, 8 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

[0001] Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к встраиваемой в печатную плату антенне передачи/приема данных.[0001] The present invention relates to radio engineering, and, more specifically, to a data transmission/reception antenna built into a printed circuit board.

Уровень техникиState of the art

[0002] Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий в области связи и в смежных областях. В настоящее время ведется активная разработка систем, использующих связь в диапазоне миллиметровых волн, таких как системы передачи данных 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц). Все эти и подобные системы нуждаются в высокоэффективных, функциональных и при этом простых и надежных компонентах, пригодных для массового производства.[0002] The ever-increasing needs of users cause the rapid development of technologies in the field of communications and related fields. Currently, there is an active development of systems using millimeter wave communications, such as data transmission systems 5G (28 GHz), WiGig (60 GHz), Beyond 5G (60 GHz), 6G (sub-THz). All these and similar systems require highly efficient, functional, yet simple and reliable components suitable for mass production.

[0003] Одним из таких компонентов является антенна передачи/приема данных на короткое расстояние между разными печатными платами (PCB) или устройствами, содержащими такие печатные платы. Основные требования, предъявляемые к такой антенне, заключаются в следующем: она должна быть встраиваемой в минимальное количество слоев печатной платы, чтобы обеспечивать простую, недорогую, компактную, повторяемую конструкцию антенны, которая применима для массового производства; кроме того, она должна обладать низкими потерями; наконец, она должна поддерживать стабильную передачу/прием данных на высокой скорости (> 2 Гбит/с) и т.д. Однако существующие в уровне техники решения при попытке их адаптации к миллиметровому диапазону волн оказываются непригодными для того, чтобы максимально удовлетворить вышеперечисленные требования, поскольку они либо слишком дорогие из-за использования дорогостоящих материалов, либо слишком громоздкие (требуют либо использования от 5 до 16 слоев многослойной печатной платы, либо использования нескольких печатных плат), либо требуют изоляции, либо требуют точной механической сборки, либо обладают слабой устойчивостью к температурным и механическим воздействиям, либо не обеспечивают указанную скорость передачи данных и т.д.[0003] One such component is a short distance transmit/receive antenna between different printed circuit boards (PCBs) or devices containing such printed circuit boards. The main requirements for such an antenna are as follows: it must be embedded in a minimum number of PCB layers in order to provide a simple, inexpensive, compact, repeatable antenna design that is applicable for mass production; in addition, it must have low losses; finally, it must support stable transmission / reception of data at high speed (> 2 Gb / s), etc. However, the solutions existing in the prior art, when trying to adapt them to the millimeter wave range, turn out to be unsuitable in order to satisfy the above requirements as much as possible, since they are either too expensive due to the use of expensive materials, or too bulky (requiring either the use of 5 to 16 layers of multilayer printed circuit board, or the use of several printed circuit boards), or require insulation, or require precise mechanical assembly, or have poor resistance to thermal and mechanical stress, or do not provide the specified data transfer rate, etc.

[0004] В частности, известные способы передачи данных на короткое расстояние можно условно разделить на две группы: проводное соединение (традиционное гальваническое соединение с помощью металлических проводников) и беспроводное соединение, которое, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: соединение на основе радиосвязи и соединение на основе оптической связи.[0004] In particular, the known methods of data transmission over a short distance can be divided into two groups: a wired connection (traditional galvanic connection using metal conductors) and a wireless connection, which, in turn, can be divided into two subgroups: a connection based on radio communication and connection based on optical communication.

[0005] В качестве примера гальванического соединения, известны соединители SMD (поверхностного монтажа), компоненты которых устанавливаются или размещаются непосредственно на поверхности печатной платы. В качестве другого примера, известны RF (радиочастотные) соединители, которые устанавливаются на поверхность печатной платы и обеспечивают соединение печатных плат между собой. Такие способы соединения печатных плат требуют гальванического контакта для обеспечения перехода в радиочастотном канале. Эти подходы имеют проблемы, связанные, например, с низкой частотой передачи: SMD соединители работают на частотах до 20 ГГц, а RF соединители - до 65 ГГц. Они весьма чувствительны к механическим и термическим нагрузкам, а также к неровностям сборки и пайки, что приводит к низкой надежности контактов, к изменению параметров ВЧ-перехода, к увеличению потерь и в конечном итоге к раннему выходу контактов из строя. Поэтому требуется затрачивать большое время на сборку и монтаж и выдерживать минимальное расстояние между платами > 8 мм.[0005] As an example of a galvanic connection, SMD (surface mount) connectors are known, the components of which are installed or placed directly on the surface of a printed circuit board. As another example, RF (radio frequency) connectors are known which are mounted on the surface of a printed circuit board and allow the printed circuit boards to be connected to one another. Such PCB connection methods require a galvanic contact to provide a transition in the RF channel. These approaches have problems associated, for example, with low transmission frequencies: SMD connectors operate at frequencies up to 20 GHz, and RF connectors up to 65 GHz. They are very sensitive to mechanical and thermal loads, as well as to uneven assembly and soldering, which leads to low reliability of contacts, to changes in the parameters of the RF transition, to increased losses and, ultimately, to early failure of contacts. Therefore, it is necessary to spend a lot of time on assembly and installation and maintain a minimum distance between the boards > 8 mm.

[0006] В качестве примера беспроводной передачи данных на основе радиосвязи, известна передача данных с помощью NFC (связи в ближнем поле). Существующие технологии NFC имеют проблемы с экранировкой магнитного поля, из-за которых требуется использовать ферритовый экран, что увеличивает занимаемое пространство. Подобные решения обладают узкой полосой пропускания и низкой скоростью передачи данных (до 2,1 Мбит/с), поскольку несущая частота данной технологии 13,56 МГц.[0006] As an example of radio-based wireless data transmission, NFC (Near Field Communication) data transmission is known. Existing NFC technologies have problems with shielding the magnetic field, which requires the use of a ferrite shield, which increases the space occupied. Such solutions have a narrow bandwidth and low data transfer rate (up to 2.1 Mbps), since the carrier frequency of this technology is 13.56 MHz.

[0007] Что касается беспроводной передачи данных на основе оптической связи, существующим оптическим технологиям присущи проблемы с необходимостью прямой видимости между передатчиком и приемником, а также с управлением лучом, которое является обязательным, поскольку размер приемника невелик по сравнению с габаритами устройства. Из-за этого требуется использовать сложную точную механику и настройку, что увеличивает занимаемое пространство, серьезно меняет параметры оптической связи и увеличивает потери.[0007] With regard to wireless data transmission based on optical communication, existing optical technologies have inherent problems with the need for line-of-sight between the transmitter and receiver, as well as beam steering, which is mandatory because the size of the receiver is small compared to the overall dimensions of the device. Because of this, complex precise mechanics and tuning are required, which increases the space occupied, seriously changes the parameters of optical communication, and increases losses.

[0008] Говоря о конкретных технических решениях в области встраиваемых в печатную плату антенн передачи/приема данных на высоких частотах, в той или иной степени близких к настоящему изобретению, можно отметить, например, документ US 9,153,863 B2 (06.10.2015), в котором раскрывается конфигурация корпуса интегральной схемы, включающая в себя (a) антенную систему, имеющую выступающие антенные элементы; (b) подложку, имеющую антенную систему, прикрепленную рядом с по меньшей мере одной полостью; и (c) по меньшей мере одну работающую в диапазоне миллиметровых волн монолитную интегральную микросхему (MMIC), установленную в полости, причем расширяющиеся антенные элементы проходят через сеть внутренних путей передачи подложки и контактируют с MMIC, реализуя схему приемопередатчика. Антенная система, раскрытая в данном документе, реализуется посредством нескольких, отдельных печатных плат. Таким образом задача обеспечения простой, недорогой, компактной, повторяемой аппаратной конструкции антенны, встраиваемой в минимальное число слоев одной многослойной печатной платы, которая применима для массового производства, упомянутым документом не решается.[0008] Speaking about specific technical solutions in the field of PCB-embedded antennas for transmitting / receiving data at high frequencies, to one degree or another close to the present invention, one can note, for example, the document US 9,153,863 B2 (06.10.2015), in which an integrated circuit package configuration is disclosed, including (a) an antenna system having protruding antenna elements; (b) a substrate having an antenna system attached adjacent to at least one cavity; and (c) at least one millimeter wave monolithic integrated circuit (MMIC) mounted in the cavity, the expandable antenna elements passing through the substrate's internal transmission path network and contacting the MMIC to implement a transceiver circuit. The antenna system disclosed in this document is implemented through several, separate printed circuit boards. Thus, the objective of providing a simple, low cost, compact, repeatable antenna hardware design embedded in the minimum number of layers of a single multilayer printed circuit board that is applicable for mass production is not addressed by the document.

[0009] В US2021/0091473 A1 (25.03.2021) раскрывается конструкция более компактного антенного модуля, включающего в себя многослойную структуру, в которой множество слоев уложено в стопку, при этом апертура образована на одной стороне многослойной структуры, и первая часть подачи питания расположена в апертуре. Для реализации антенного модуля и системы питания согласно раскрытой в данном документе информации требуется более 4 слоев. Таким образом задача обеспечения простой, недорогой, компактной, повторяемой аппаратной конструкции антенны, встраиваемой в минимальное число слоев одной многослойной печатной платы, которая применима для массового производства, упомянутым документом все же не решается.[0009] US2021/0091473 A1 (03/25/2021) discloses the design of a more compact antenna module including a multilayer structure in which a plurality of layers are stacked, wherein an aperture is formed on one side of the multilayer structure, and the first power supply part is located in aperture. More than 4 layers are required to implement the antenna module and power system according to the information disclosed in this document. Thus, the objective of providing a simple, low cost, compact, repeatable antenna hardware design embedded in the minimum number of layers of a single multilayer printed circuit board that is applicable for mass production is still not addressed by the document.

[0010] Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных, в которой были бы полностью или по меньшей мере частично устранены следующие недостатки существующих решений:[0010] Thus, there is a need in the prior art to create a data transmission / reception antenna embedded in a printed circuit board, in which the following shortcomings of existing solutions would be completely or at least partially eliminated:

- большие размеры;- big sizes;

- высокая сложность изготовления;- high manufacturing complexity;

- использование дорогостоящих и труднодоступных материалов;- the use of expensive and hard-to-reach materials;

- высокие потери; и- high losses; and

- низкая скорость передачи данных.- low data transfer rate.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

[0011] С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных.[0011] In order to overcome at least some of the aforementioned shortcomings of the prior art, the present invention is directed to a PCB-integrated transmit/receive antenna.

[0012] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена встраиваемая в печатную плату антенна передачи/приема данных, выполненная на смежных слоях упомянутой печатной платы, соединенных между собой множеством металлизированных отверстий для формирования проводящей сплошной области, причем упомянутые смежные слои упомянутой печатной платы содержат нижний слой, нижний средний слой, верхний средний слой, верхний слой, причем антенна содержит: промежуточную секцию, содержащую патч-элементы, соединенные между собой по меньшей мере одним металлизированным отверстием, при этом первый патч-элемент расположен в нижнем среднем слое и отделен зазором от проводящей сплошной области, второй патч-элемент расположен в верхнем среднем слое и отделен зазором от проводящей сплошной области; паразитный патч-элемент, расположенный в верхнем слое и отделенный зазором от проводящей сплошной области; и полосковую линию, соединенную непосредственно с краем первого патч-элемента, расположенную в нижнем среднем слое и предназначенную для передачи сигнала данных к промежуточной секции или от нее при передаче/приеме данных.[0012] According to a first aspect of the present invention, there is provided a PCB-embedded transmit/receive antenna formed on adjacent layers of said printed circuit board interconnected by a plurality of plated holes to form a conductive continuous region, said adjacent layers of said printed circuit board comprising a lower layer, lower middle layer, upper middle layer, top layer, wherein the antenna contains: an intermediate section containing patch elements connected to each other by at least one metallized hole, while the first patch element is located in the lower middle layer and is separated by a gap from the conductive solid region, the second patch element is located in the upper middle layer and is separated by a gap from the conductive solid region; parasitic patch element located in the upper layer and separated by a gap from the conductive solid area; and a strip line connected directly to the edge of the first patch element located in the lower middle layer and for transmitting a data signal to or from the intermediate section when transmitting/receiving data.

Технический результатTechnical result

[0013] Настоящее изобретение обеспечивает встраиваемую в традиционную печатную плату антенну передачи/приема данных, которая способна работать в диапазоне миллиметровых волн, более компактна и проста в изготовлении.[0013] The present invention provides a conventional PCB-embedded data transmission/reception antenna that is millimeter-wave capable, more compact, and easy to manufacture.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

[Фиг. 1] На Фиг. 1 показан вид сбоку и в разрезе встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных согласно настоящему изобретению. [Fig. 1] In FIG. 1 shows a side and sectional view of a PCB-embedded transmit/receive antenna according to the present invention.

[Фиг. 2] На Фиг. 2(D-A) показаны виды сверху слоев печатной платы, на которых размещаются компоненты антенны передачи/приема данных, показанной на Фиг. 1.[Fig. 2] In FIG. 2(D-A) are plan views of the PCB layers on which the components of the transmit/receive data antenna shown in FIG. one.

[Фиг. 3] На Фиг. 3 показан изометрический вид другой конфигурации встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных согласно настоящему изобретению.[Fig. 3] In FIG. 3 is an isometric view of another configuration of a PCB transmit/receive antenna according to the present invention.

[Фиг. 4] На Фиг. 4 показано схематичное представление электромагнитного векторного поля, формируемого антенной передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3.[Fig. 4] In FIG. 4 is a schematic representation of an electromagnetic vector field generated by a transmit/receive data antenna in the configuration shown in FIG. 3.

[Фиг. 5] На Фиг. 5(A-C) показаны результаты математического моделирования 1 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3. [Fig. 5] In FIG. 5(A-C) shows the results of mathematical modeling 1 of the characteristics of the transmit/receive data antenna in the configuration shown in FIG. 3.

[Фиг. 6] На Фиг. 6(A-C) показаны результаты математического моделирования 2 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации с круглыми патч-элементами и круглым паразитным патч-элементом. [Fig. 6] In FIG. 6(A-C) shows the results of mathematical modeling of 2 transmit/receive data antenna characteristics in a configuration with round patch elements and a round parasitic patch element.

[Фиг. 7] На Фиг. 7(A-C) показаны результаты математического моделирования 3 характеристик для конфигураций антенны передачи/приема данных, в которых паразитный патч-элемент размещался с различными смещениями относительно патч-элементов промежуточной секции.[Fig. 7] In FIG. 7(A-C) shows the results of mathematical modeling of 3 characteristics for transmit/receive data antenna configurations in which the parasitic patch element was placed at various offsets from the patch elements of the intermediate section.

[Фиг. 8] На Фиг. 8 показан изометрический вид конфигурации, показанной на 3, иллюстрирующий примерную конфигурации полости и щелевой апертуры.[Fig. 8] In FIG. 8 is an isometric view of the configuration shown in 3 illustrating an exemplary cavity and slit aperture configuration.

[0014] Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.[0014] It should be understood that the figures may be represented schematically and not to scale and are intended primarily to improve understanding of the present invention.

Подробное описаниеDetailed description

Общее описание устройстваGeneral description of the device

[0015] На Фиг. 1, 2(D-A) показано схематическое представление встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных согласно настоящему изобретению. Антенну 100 передачи/приема данных формируют на смежных слоях упомянутой печатной платы. В предпочтительном варианте осуществления антенна 100 формируется на не более 4 проводящих слоях печатной платы, соединенных между собой множеством металлизированных отверстий 101 для формирования проводящей сплошной области. При этом следует понимать, что общее число проводящих слоев печатной платы может быть более 4. Смежные слои печатной платы для формирования антенны 100 содержат верхний слой D, верхний средний слой C, нижний средний слой B, нижний слой A. Упомянутые смежные слои печатной платы разделены тремя слоями диэлектрика. Примеры легкодоступных и недорогих материалов слоев диэлектрика включают в себя, но без ограничения упомянутыми, такие традиционно используемые в области техники печатных плат материалы, как FR4, CEM3, VT462, FR408, МИ1222, СТФ и т.д. [0015] In FIG. 1-2(D-A) show a schematic representation of a PCB-embedded transmit/receive antenna 100 according to the present invention. The transmit/receive antenna 100 is formed on adjacent layers of said printed circuit board. In the preferred embodiment, the antenna 100 is formed on no more than 4 conductive layers of a printed circuit board interconnected by a plurality of plated holes 101 to form a conductive continuous area. It should be understood that the total number of PCB conductive layers may be more than 4. The adjacent PCB layers for forming the antenna 100 include a top layer D, an upper middle layer C, a lower middle layer B, a bottom layer A. Said adjacent PCB layers are separated three layers of dielectric. Examples of readily available and inexpensive dielectric layer materials include, but are not limited to, conventional materials used in the PCB field such as FR4, CEM3, VT462, FR408, MI1222, STF, etc.

[0016] На печатной плате могут быть размещены любые другие компоненты, которые на описанных ниже фигурах не показаны, например элемент питания, приемопередатчик и любые другие элементы, которые необходимы для реализации печатной платой своего функционала, предусмотренного ее производителем. Данное описание сфокусировано главным образом на подробном раскрытии информации о реализации встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных. [0016] Any other components that are not shown in the figures described below, such as a battery, a transceiver, and any other elements that are necessary for the printed circuit board to implement its functionality provided by its manufacturer, can be placed on the printed circuit board. This description is mainly focused on the detailed disclosure of information about the implementation of the built-in circuit board antenna 100 transmit/receive data.

[0017] Антенна 100, показанная Фиг. 1, 2(D-A), содержит промежуточную секцию 10, содержащую патч-элементы 10.1, 10.2, соединенные между собой одним металлизированным отверстием 10.3. Несмотря на то, что на фигурах 1, 2C, 2B показано лишь одно металлизированное отверстие 10.3, должно быть понятно, что таких отверстий 10.3 может быть больше одного (например, от 2 до n, где n любое натуральное число; см., например, фиг. 3, 4, 8). Точное число металлизированных отверстий может определяться в зависимости от размера и формы патч-элементов 10.1, 10.2, а также зависеть от требований к форме диаграммы направленности, усилению, эффективности и согласованию антенны 100. Расстояние между патч-элементами 10.1, 10.2 может быть любым в зависимости от технологических ограничений производства и известных характеристик используемых материалов. В данном случае толщина между патч-элементами 10.1, 10.2 определяется толщиной слоя диэлектрика между слоями С и В. Диапазон расстояний между патч-элементами 10.1, 10.2 может быть кратен толщинам препрега/ядер в настоящее время используемых материалов.[0017] The antenna 100 shown in FIG. 1, 2(D-A), contains an intermediate section 10 containing patch elements 10.1, 10.2, interconnected by one metallized hole 10.3. Despite the fact that figures 1, 2C, 2B show only one plated hole 10.3, it should be clear that there can be more than one such holes 10.3 (for example, from 2 to n, where n is any natural number; see, for example, Fig. 3, 4, 8). The exact number of plated holes can be determined depending on the size and shape of the patch elements 10.1, 10.2, and also depend on the requirements for the shape of the radiation pattern, gain, efficiency and matching of the antenna 100. The distance between the patch elements 10.1, 10.2 can be any, depending from technological limitations of production and the known characteristics of the materials used. In this case, the thickness between the patch elements 10.1, 10.2 is determined by the thickness of the dielectric layer between layers C and B. The distance range between the patch elements 10.1, 10.2 can be a multiple of the thicknesses of the prepreg/cores currently used materials.

[0018] Первый патч-элемент 10.1 размещается в нижнем среднем слое B и отделяется зазором 11 от проводящей сплошной области. Зазор 11 получается после травления слоя используя известные технологические процессы производства печатных плат. Зазор 11 является диэлектрическим зазором, который не содержит воздуха, однако в некоторых случая в этом зазоре 11 может оставаться воздушная прослойка в силу несовершенства тех процесса изготовления печатных плат (ПП). Обычно воздух в зазоре 11 не остается. Ширина зазора 11 влияет на частотное согласование всей антенны. Другими словами, ширина зазора 11 согласует импеданс полосковой линии 30 и промежуточной секции 10. Минимальные значения зазоров, в том числе зазора 11, между проводящими частями на печатной плате определяется технологическими требованиями. Слой B служит экраном от других структур в печатной плате. Такие экранируемые структуры в печатной плате находятся за периметром антенны 100 (т.е. на фигурах они не показаны) и включают в себя, но без ограничения упомянутым, различные низкочастотные полосковые линии или любые интегрируемые в печатную плату компоненты, например резисторы, конденсаторы, микросхемы, приемопередатчики и другие электронные компоненты. Также многослойная печатная плата может содержать несколько антенн 100, размещенных относительно близко друг к другу, в этом случае слой B каждой из антенн 100 может выступать экраном. [0018] The first patch element 10.1 is placed in the lower middle layer B and is separated by a gap 11 from the conductive continuous region. The gap 11 is obtained after etching the layer using known technological processes for the production of printed circuit boards. Gap 11 is a dielectric gap that does not contain air, however, in some cases, an air gap may remain in this gap 11 due to imperfections in the manufacturing process of printed circuit boards (PCB). Usually no air remains in the gap 11. The width of the gap 11 affects the frequency matching of the entire antenna. In other words, the width of the gap 11 matches the impedance of the strip line 30 and the intermediate section 10. The minimum gaps, including the gap 11, between conductive parts on the printed circuit board is determined by the technological requirements. Layer B serves as a shield from other structures in the PCB. Such shielded structures in the printed circuit board are outside the perimeter of the antenna 100 (i.e., they are not shown in the figures) and include, but are not limited to, various low frequency strip lines or any components integrated into the printed circuit board, such as resistors, capacitors, microcircuits. , transceivers and other electronic components. Also, the multilayer printed circuit board may include multiple antennas 100 placed relatively close together, in which case the B layer of each of the antennas 100 may act as a shield.

[0019] Второй патч-элемент 10.2 размещается в верхнем среднем слое C и отделяется зазором 12 от проводящей сплошной области. Аналогично слою B слой C служит экраном от других структур в печатной плате. Зазор 12 между вторым патч-элементом 10.2 и проводящей сплошной областью может соответствовать зазору 11, но в данном слое C зазор 12 дополнительно выступает в качестве щелевой апертуры 12.1. Пример щелевой апертуры 12.1 проиллюстрирован на фигуре 8. Щелевая апертура 12.1 выполняется так, чтобы окружать второй патч-элемент 10.2. Щелевая апертура 12.1 может иметь квадратную, круглую, прямоугольную или овальную форму. На фигуре 8 пунктирными линиями показаны примерные формы частей щелевой апертуры 12.1, длина каждой части щелевой апертуры 12.1 составляет примерно λ_ε/2 или более, где λ_ε является длиной волны в диэлектрике и пересчитывается следующим образом:

, где λ₀ - длина волны в вакууме/воздухе и ε_eff - эффективная диэлектрическая проницаемость. Таким образом, общая длина периметра щелевой апертуры 12.1 составляет примерно λ_ε или более. Предпочтительно, чтобы длина периметра щелевой апертуры 12.1 составляла целую одну λ_ε, поскольку в такую длину укладывается две полу волны, что способствует распространению электромагнитного поля именно моды TE₁₁, которая в альтернативной терминологии, используемой в данной области техники, именуется модой Н_11. [0019] The second patch element 10.2 is placed in the upper middle layer C and is separated by a gap 12 from the conductive continuous region. Like layer B, layer C serves as a shield from other structures in the PCB. The gap 12 between the second patch element 10.2 and the conductive solid area may correspond to the gap 11, but in this layer C the gap 12 additionally acts as a slit aperture 12.1. An example of a slit aperture 12.1 is illustrated in Figure 8. The slit aperture 12.1 is designed to surround the second patch element 10.2. The slit aperture 12.1 may have a square, round, rectangular or oval shape. In Figure 8, dotted lines show exemplary shapes of the slot aperture portions 12.1, the length of each slot aperture portion 12.1 is approximately λ _ε /2 or more, where λ _ε is the dielectric wavelength and is recalculated as follows:

where λ ₀ is the vacuum/air wavelength and ε _eff is the effective dielectric constant. Thus, the total length of the perimeter of the slit aperture 12.1 is about λ _ε or more. Preferably, the length of the perimeter of the slit aperture 12.1 is a whole one λ _ε , since two half-waves fit into such a length, which contributes to the propagation of the electromagnetic field precisely of the TE ₁₁ mode, which in alternative terminology used in the art is called the H _{11 mode.}

[0020] Таким образом, можно сказать, что щелевая апертура 12.1 образована двумя полуволновыми частями (см. фигуру 8), которые имеют изогнутую вокруг патч-элемента 10.2 форму и которые соединены друг с другом своими концами для образования кольцевого зазора 12. На фигуре 8 концы указанных частей щелевой апертуры 12.1 показаны несоединенными друг с другом лишь для более легкого зрительного опознавания равных половин зазора 12. Ширина зазора 12 (в том числе щелевой апертуры 12.1) определяется эмпирическим путем для обеспечения требуемого согласования в диапазоне частот. В частности, регулировкой ширины зазора 12 может быть обеспечена узкополосность/широкополосность антенны 100. Общие габаритные размеры и форма зазора 12 определяют положение частотного диапазона, т.е. сдвигают этот диапазон вверх/вниз по частоте, а также диапазон рабочих частот (57-64ГГц - диапазон работы стандарта Wi-Gig). Ширина той части зазора 12, которая перпендикулярна электрическим векторам, определяет диапазонность антенны 100, а длина упомянутой части зазора 12 определяет резонансную частоту антенны 100. [0020] Thus, the slot aperture 12.1 can be said to be formed by two half-wave parts (see figure 8) which are curved around the patch element 10.2 and which are connected to each other at their ends to form an annular gap 12. In figure 8 the ends of these parts of the slit aperture 12.1 are shown not connected to each other only for easier visual identification of equal halves of the gap 12. The width of the gap 12 (including the slit aperture 12.1) is determined empirically to ensure the required matching in the frequency range. In particular, narrowband/broadband antenna 100 can be provided by adjusting the width of gap 12. The overall dimensions and shape of gap 12 determine the position of the frequency range, i. shift this range up / down in frequency, as well as the operating frequency range (57-64 GHz - the operating range of the Wi-Gig standard). The width of that portion of gap 12 that is perpendicular to the electrical vectors determines the range of antenna 100, and the length of said portion of gap 12 determines the resonant frequency of antenna 100.

[0021] Антенна 100 содержит паразитный патч-элемент 20, который размещается в верхнем слое D и отделяется зазором 21 от проводящей сплошной области. Форма и размеры зазора определяются эмпирически согласно требованиям на антенну 100 по форме диаграммы направленности, усилению, эффективности и согласованию антенны 100. Зазор 21 образуется травлением печатной платы. В плоскости металлического слоя D зазор 21 является воздушным, а в глубину до слоя С зазор 21 содержит слой диэлектрика (между проводящими слоями D и C) печатной платы. Общие габаритные размеры и форма зазора 21 определяют форму диаграммы направленности, усиление, эффективность и согласование антенны 100. Расстояние между паразитным патч-элементом 20 и патч-элементом 10.2 определяется толщиной слоя диэлектрика между слоями D и C. Толщина слоя диэлектрика может зависеть от используемых материалов печатной платы, а также от применяемого при производстве печатной платы ламинатора. Паразитный патч-элемент 20 в предпочтительном варианте осуществления является односоставным элементом (см. фиг. 1, 2D), но в альтернативном варианте осуществления может быть многосоставным элементом (см. фиг. 3, 8). Аналогично слою B, C слой D служит экраном от других структур в печатной плате. [0021] Antenna 100 includes a parasitic patch element 20, which is located in the upper layer D and is separated by a gap 21 from the conductive continuous area. The shape and dimensions of the gap are determined empirically according to the requirements of the antenna 100 in terms of the shape, gain, efficiency, and matching of the antenna 100. The gap 21 is formed by etching the printed circuit board. In the plane of the metal layer D, the gap 21 is air, and in the depth to the layer C, the gap 21 contains a dielectric layer (between the conductive layers D and C) of the printed circuit board. The overall dimensions and shape of the gap 21 determine the shape of the radiation pattern, gain, efficiency and matching of the antenna 100. The distance between the parasitic patch element 20 and the patch element 10.2 is determined by the thickness of the dielectric layer between layers D and C. The thickness of the dielectric layer may depend on the materials used printed circuit board, as well as from the laminator used in the production of printed circuit boards. The parasitic patch element 20 in the preferred embodiment is a one-piece element (see Fig. 1, 2D), but in an alternative embodiment may be a multi-piece element (see Fig. 3, 8). Similar to layer B, layer C serves as a shield from other structures in the PCB.

[0022] Антенна 100 содержит полосковую линию 30 (см. фиг. 2B, 3, 4), соединенную непосредственно с краем первого патч-элемента 10.1 и расположенную в нижнем среднем слое B. Такое гальваническое соединение полосковой линии 30 именно к краю патч-элемента 10.1 исключает дополнительные неоднородности в радиочастотной линии (линия по которой распространяется СВЧ волна), которые требовали бы дополнительного согласования и согласующих элементов. Полосковая линия 30 запитывает промежуточную секцию 10 и предназначена для передачи сигнала данных (например, РЧ-сигнала, представляющего данные) к промежуточной секции 10 антенны 100 или от нее соответственно при передаче и/или приеме данных. Полосковой линией 30 может быть любая доступная линия передачи СВЧ волн (в том числе, но без ограничения, микрополосковая линия), по которой распространяется ТЕМ волна. [0022] Antenna 100 includes a stripline 30 (see FIGS. 2B, 3, 4) connected directly to the edge of the first patch element 10.1 and located in the lower middle layer B. Such a galvanic connection of the stripline 30 is precisely to the edge of the patch element 10.1 eliminates additional inhomogeneities in the radio frequency line (the line along which the microwave wave propagates), which would require additional matching and matching elements. The stripline 30 powers the intermediate section 10 and is designed to transmit a data signal (eg, an RF signal representing data) to or from the intermediate section 10 of the antenna 100, respectively, when transmitting and/or receiving data. Stripline 30 may be any available microwave transmission line (including, but not limited to, microstrip) over which the TEM wave propagates.

[0023] Ввиду того, что фактическая полосковая линия 30 отличается от теоретической дополнительным диэлектрическим заполнением, требуется скорректировать конструкцию линии эмпирическим путем до необходимых требований. Для такой корректировки можно эмпирическим путем подобрать подходящие значения следующих параметров полосковой линии 30: ширина линии (сигнальной линии), толщина линии, расстояние от линии до земли (слой А). От ширины линии и расстояния от линии до земли зависит импеданс полосковой линии 30. В полосковой линии 30 распространяется TEM (Transverse Electro-Magnetic) мода, а в промежуточной секции 10 между патч-элементами 10.1, 10.2. распространяется уже подобная Н₁₁(TE₁₁) мода (см. фиг. 4). TE мода/волна представляет собой волноводную моду, которая зависит от поперечных электрических волн, также иногда называемых H-волнами, и характеризуется тем, что электрический вектор (E) всегда перпендикулярен направлению распространения. ТЕМ мода/волна представляет собой поперечную электромагнитную волну, характеризуемую тем, что как электрический вектор (вектор E), так и магнитный вектор (вектор H) перпендикулярны направлению распространения. Слой A является землей и экраном для полосковой линии 30.[0023] Due to the fact that the actual strip line 30 differs from the theoretical one in additional dielectric filling, it is required to adjust the design of the line empirically to the necessary requirements. For such an adjustment, the following parameters of the strip line 30 can be empirically found to be suitable values: line width (signal line), line thickness, distance from the line to the ground (layer A). The impedance of the strip line 30 depends on the width of the line and the distance from the line to the ground. The TEM (Transverse Electro-Magnetic) mode propagates in the strip line 30, and in the intermediate section 10 between the patch elements 10.1, 10.2. propagates already similar H ₁₁ (TE ₁₁ ) fashion (see Fig. 4). The TE mode/wave is a waveguide mode that depends on transverse electrical waves, also sometimes referred to as H-waves, and is characterized in that the electrical vector (E) is always perpendicular to the direction of propagation. TEM mode/wave is a transverse electromagnetic wave, characterized in that both the electric vector (vector E) and the magnetic vector (vector H) are perpendicular to the direction of propagation. Layer A is ground and shield for stripline 30.

[0024] Встраиваемая в печатную плату антенна 100 передачи/приема данных содержит полость 40, выполненную между верхним слоем D и верхним средним слоем C и имеющую боковую границу, по существу образованную между диэлектриком, которым заполнена полость 40, и по меньшей мере теми металлизированными отверстиями из упомянутого множества металлизированных отверстий 101, которые соединяют друг с другом верхний слой D и верхний средний слой C. На фиг. 1 полость 40 примерно показана двойной штриховкой, на фиг. 8 полость 40 показана в изометрии. Должно быть понятно, что двумя различными типами штриховок на фиг. 1 показан один (одинаковый) материал - диэлектрик, а двойная штриховка используется на фигуре 1 лишь для облегчения идентификации примерных границ полости 40. Таким образом можно сказать, что боковая граница полости 40 образована границей раздела диэлектрик/металлизированные отверстия и дополнительно включает в себя области диэлектрика между смежными металлизированными отверстиями. Упомянутая полость служит в качестве резонатора антенны 100, а ее размеры подбираются таким образом, чтобы формировалась узкая диаграмма направленности антенны 100 с требуемым усилением и эффективностью. Толщина полости 40, продольная длина полости 40 (которая параллельна электрическому вектору волны в зазоре 12 слоя С) и поперечная длина полости определяются эмпирическим путем для обеспечения требуемых параметров антенны 100 по форме диаграммы направленности, усилению, эффективности и согласованию. Длина полости 40 подбиралась так, чтобы соответствовать рабочей половине длины волны (λ₀/2) в свободном пространстве. Высота/глубина полости 40 соответствует расстоянию от патч-элемента 10.2 до паразитного патч элемента 20 и определяется примененными при изготовлении печатной платы материалами.[0024] The PCB-embedded transmit/receive antenna 100 includes a cavity 40 formed between the top layer D and the top middle layer C and having a side boundary substantially formed between the dielectric filling the cavity 40 and at least those plated holes of said plurality of plated holes 101 which connect the top layer D and the top middle layer C to each other. FIG. 1 the cavity 40 is shown approximately in double hatching, in FIG. 8 cavity 40 is shown in isometric view. It should be clear that the two different types of shading in FIG. 1 shows one (identical) dielectric material, and double shading is used in figure 1 only to facilitate identification of the approximate boundaries of the cavity 40. Thus, it can be said that the side boundary of the cavity 40 is formed by the dielectric/plated holes interface and additionally includes regions of the dielectric between adjacent plated holes. Said cavity serves as the resonator of the antenna 100, and its dimensions are selected in such a way that a narrow radiation pattern of the antenna 100 is formed with the required gain and efficiency. The thickness of the cavity 40, the longitudinal length of the cavity 40 (which is parallel to the electrical wave vector in the gap 12 of layer C), and the transverse length of the cavity are determined empirically to provide the desired parameters of the antenna 100 in terms of beam shape, gain, efficiency, and matching. The length of the cavity 40 was selected so as to correspond to the working half of the wavelength (λ ₀ /2) in free space. The height/depth of the cavity 40 corresponds to the distance from the patch element 10.2 to the parasitic patch element 20 and is determined by the materials used in the manufacture of the printed circuit board.

[0025] Во встраиваемой в печатную плату антенне 100 передачи/приема данных полосковая линия 30 дополнительно содержит согласующий элемент 50 (например полосковый трансформатор), выполненный с возможностью преобразования импедансов полосковой линии 30 и первого патч-элемента 10.1 для уменьшения потерь. Примерное значение импеданса полосковой линии 30 составляет от 40 до 60Ом. В предпочтительном варианте полосковая линия имеет импеданс 50 Ом или в зависимости от технологических ограничений ближе примерно 50Ом. Такое предпочтительное значение импеданса выбрано в качестве оптимального между пропускной мощностью и затуханиями в полосковой линии 30. Согласующий элемент 50 имеет два параметра ширину и длину. Эти параметры выбираются такими, чтобы скомпенсировать реактивную часть импеданса, которая возникает в месте соединения полосковой линии 30 и промежуточной секции 10. Изменение указанных параметров согласующего элемента 50 оказывает влияние на согласование полосковой линии 30 с промежуточной секцией 10 антенны 100 и, следовательно, на эффективность и усиление излучения антенны 100. Кроме того, изменение указанных параметров согласующего элемента 50 оказывает влияние на ширину рабочего диапазона частот. [0025] In the PCB-integrated transmit/receive antenna 100, the stripline 30 further comprises a matching element 50 (e.g., a stripline transformer) configured to convert the impedances of the stripline 30 and the first patch element 10.1 to reduce losses. The approximate value of the impedance of the stripline 30 is from 40 to 60 ohms. Preferably, the stripline has an impedance of 50 ohms, or closer to about 50 ohms, depending on technology limitations. This preferred impedance value is chosen as the optimum between the throughput and attenuation in the stripline 30. The matching element 50 has two parameters width and length. These parameters are chosen to compensate for the reactive part of the impedance that occurs at the junction of the strip line 30 and the intermediate section 10. Changing these parameters of the matching element 50 affects the matching of the strip line 30 with the intermediate section 10 of the antenna 100 and, therefore, on the efficiency and amplification of the radiation of the antenna 100. In addition, changing the specified parameters of the matching element 50 affects the width of the operating frequency range.

[0026] При передаче данных промежуточная секция 10 антенны 100 формирует электромагнитное поле эквивалентное высшему типу волны в коаксиальной линии, распространяемое от питающей полосковой линии 30 до щелевой апертуры 12.1, переизлучающей электромагнитное поле по направлению к паразитному патч-элементу 20 для его возбуждения, который, в ответ на такое возбуждение, переизлучает электромагнитное поле в свободное пространство. При этом в полосковой линии 30 распространяется TEM мода, а в промежуточной секции 10 между патч-элементами 10.1, 10.2. распространяется уже подобная Н₁₁/TE₁₁мода (см. фиг. 4). Это позволяет получить диаграмму направленности с сильно выраженными направленными свойствами (вплоть до значения коэффициента направленного действия примерно 6дБ для антенны над землей). При приеме данных паразитный патч-элемент 20 выполнен с возможностью приема электромагнитного поля из свободного пространства, переизлучения этого электромагнитного поля в щелевую апертуру и промежуточную секцию 10. Схематичное представление электромагнитного векторного поля, формируемого антенной 100 передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3 в изометрии, показано на Фиг. 4. Конфигурация антенны 100 передачи/приема данных на Фиг. 3, 4 является другой возможной конфигурацией, которая отличается от конфигурации антенны передачи/приема данных, показанной на Фиг. 1, 2(D-A), количеством металлизированных отверстий 10.3 (на Фиг. 1, 2(D-A) такое отверстие одно, а на Фиг. 3, 4 используется шесть таких отверстий). [0026] When transmitting data, the intermediate section 10 of the antenna 100 generates an electromagnetic field equivalent to the highest type of wave in a coaxial line, propagating from the feeder stripline 30 to the slot aperture 12.1, reradiating the electromagnetic field towards the parasitic patch element 20 to excite it, which, in response to such excitation, it re-radiates an electromagnetic field into free space. In this case, the TEM mode is distributed in the strip line 30, and in the intermediate section 10 between the patch elements 10.1, 10.2. already similar H ₁₁ /TE ₁₁ mode is distributed (see Fig. 4). This makes it possible to obtain a radiation pattern with strongly pronounced directional properties (up to a directivity value of approximately 6dB for an antenna above the ground). When receiving data, the parasitic patch element 20 is configured to receive an electromagnetic field from free space, reradiate this electromagnetic field into the slit aperture and intermediate section 10. A schematic representation of the electromagnetic vector field generated by the transmit/receive antenna 100 in the configuration shown in FIG. 3 in isometric view, shown in FIG. 4. Configuration of transmit/receive antenna 100 in FIG. 3, 4 is another possible configuration that is different from the transmission/reception antenna configuration shown in FIG. 1, 2(DA), the number of metallized holes is 10.3 (in Fig. 1, 2(DA) there is one such hole, and in Fig. 3, 4 six such holes are used).

[0027] Паразитный патч-элемент 20 может иметь форму и размер, которые аналогичны форме и размеру патч-элементов 10.1, 10.2 или отличаются от таковых. В одном варианте осуществления патч-элементы 10.1, 10.2 и паразитный патч-элемент 20 имеют одинаковую квадратную, круглую, прямоугольную или овальную форму. В другом варианте осуществления патч-элементы 10.1, 10.2 имеют любую одну из квадратной, круглой, прямоугольной или овальной формы, а паразитный патч-элемент 20 имеет любую другую из квадратной, круглой, прямоугольной или овальной формы. Патч-элементы 10.1, 10.2 и паразитный патч-элемент 20 предпочтительно выполнять так, чтобы они имели периметр равный 1 длине волны в диэлектрике.[0027] The parasitic patch element 20 may have a shape and size that is similar to or different from the shape and size of the patch elements 10.1, 10.2. In one embodiment, the patch elements 10.1, 10.2 and the parasitic patch element 20 have the same square, round, rectangular, or oval shape. In another embodiment, patch elements 10.1, 10.2 are any one of square, round, rectangular, or oval shapes, and parasitic patch element 20 is any other of square, round, rectangular, or oval shapes. The patch elements 10.1, 10.2 and the parasitic patch element 20 are preferably designed to have a perimeter equal to 1 wavelength in the dielectric.

[0028] В одном варианте осуществления паразитный патч-элемент 20 и патч-элементы 10.1, 10.2 могут быть размещены так, чтобы центр паразитного патч-элемента 20 и центр патч-элементов 10.1, 10.2 были выравнены друг с другом. Другими словами, в этом варианте осуществления паразитный патч-элемент 20 центрирован относительно патч-элементов 10.1, 10.2. В другом варианте осуществления паразитный патч-элемент 20 и патч-элементы 10.1, 10.2 могут быть размещены так, чтобы центр паразитного патч-элемента 20 был смещен относительно центра патч-элементов 10.1, 10.2. Вышеописанная конфигурация антенны 100 обеспечивает возможность работы антенны 100 в диапазоне миллиметровых волн с улучшенными характеристиками относительно характеристик известных из уровня техники антенн с более сложной конфигурацией, что подтверждается математическими моделированиями, проведенными авторами настоящего изобретения с применением системы проектирования, которая позволяет моделировать различные конфигурации антенны 100 и просчитывать ее характеристики. Результаты проведенных математических моделирований сообщаются ниже со ссылкой на Фиг. 5(A-C), 6(A-C) и 7(A-C). [0028] In one embodiment, the parasitic patch element 20 and the patch elements 10.1, 10.2 may be placed such that the center of the parasitic patch element 20 and the center of the patch elements 10.1, 10.2 are aligned with each other. In other words, in this embodiment, the parasitic patch element 20 is centered relative to the patch elements 10.1, 10.2. In another embodiment, the parasitic patch element 20 and the patch elements 10.1, 10.2 can be placed so that the center of the parasitic patch element 20 is offset from the center of the patch elements 10.1, 10.2. The above-described configuration of antenna 100 allows antenna 100 to operate at millimeter-wave bands with improved performance over prior art antennas with more complex configurations, as evidenced by mathematical simulations conducted by the present inventors using a design system that allows modeling various configurations of antenna 100 and calculate its properties. The results of the mathematical simulations performed are reported below with reference to FIG. 5(A-C), 6(A-C) and 7(A-C).

[0029] На Фиг. 5(A-C) показаны результаты математического моделирования 1 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3. Антенна, для которой результаты показаны на Фиг. 5(A-C), имела конфигурацию, показанную на Фиг. 3, 4, и была согласована под работу в стандарте WiGig (60 ГГц). Как показано на Фиг. 5(A) потеря мощности составила менее 2,5%. Как показано на Фиг. 5(B) направленность такой антенны составила более 6 дБ. Как показано на Фиг. 5(С) эффективность излучения такой антенны составила более 50%, что является достаточно хорошим результатом в категории антенн, которые встраиваются в печатные платы. Таким образом, предложенная конфигурация антенны имела высокую эффективность излучения и низкий уровень мощности отраженного сигнала, несмотря на то, что она была выполнена на подложке промышленного качества с высокими диэлектрическими потерями и большой толщиной.[0029] In FIG. 5(A-C) shows the results of mathematical modeling 1 of the characteristics of the transmit/receive data antenna in the configuration shown in FIG. 3. The antenna for which the results are shown in FIG. 5(A-C) had the configuration shown in FIG. 3, 4, and was agreed to work in the WiGig standard (60 GHz). As shown in FIG. 5(A), the power loss was less than 2.5%. As shown in FIG. 5(B), the directivity of such an antenna was more than 6 dB. As shown in FIG. 5(C), the radiation efficiency of such an antenna was more than 50%, which is a fairly good result in the category of antennas that are built into printed circuit boards. Thus, the proposed antenna configuration had a high radiation efficiency and a low reflected signal power level, despite the fact that it was made on an industrial quality substrate with high dielectric losses and a large thickness.

[0030] На Фиг. 6(A-C) показаны результаты математического моделирования 2 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации с круглыми патч-элементами и круглым паразитным патч-элементом. Конфигурация антенны, характеристики которой просчитывались в данном моделировании 2, отличалась от конфигурации антенны в математическом моделировании 1 тем, что паразитный патч-элемент 20 и патч-элементы 10.1, 10.2 имели не четырехугольную форму, а форму, которая была подобна кругу. Кроме того, в конфигурации антенны, характеристики которой просчитывались в данном моделировании 2, восемь металлизированных отверстий 10.3 соединяли патч-элементы 10.1, 10.2 друг с другом, при этом эти восемь металлизированных отверстий 10.3 были размещены краям окружностей патч-элементов 10.1, 10.2. Диаметр апертуры на уровне зазора 21 составлял примерно λ₀/2. Расстояние от слоя B до слоя C составляло примерно 0,16λ₀, а расстояние от слоя A до слоя D составляло примерно λ₀/3. Конфигурация описанной антенны (не показанная на фигурах) обладала еще большей компактностью и требовала оптимизации меньшего числа параметров.[0030] In FIG. 6(AC) shows the results of mathematical modeling of 2 transmit/receive data antenna characteristics in a configuration with round patch elements and a round parasitic patch element. The antenna configuration computed in this simulation 2 differed from the antenna configuration in mathematical simulation 1 in that the parasitic patch element 20 and the patch elements 10.1, 10.2 did not have a square shape, but a shape that was similar to a circle. In addition, in the antenna configuration calculated in this simulation 2, eight plated holes 10.3 connected the patch elements 10.1, 10.2 to each other, while these eight plated holes 10.3 were placed at the edges of the circles of the patch elements 10.1, 10.2. The aperture diameter at gap 21 was approximately λ ₀ /2. The distance from layer B to layer C was about 0.16λ ₀ and the distance from layer A to layer D was about λ ₀ /3. The described antenna configuration (not shown in the figures) was even more compact and required fewer parameters to be optimized.

[0031] Антенна, для которой результаты показаны на Фиг. 6(A-C), имела вышеописанную конфигурацию и была согласована под работу в стандарте WiGig (60 ГГц). Как показано на Фиг. 6(A) обратные потери составили менее 10 дБ. Как показано на Фиг. 6(B) направленность такой антенны составила более 6 дБ. Как показано на Фиг. 6(С) эффективность излучения такой антенны составила более 50%, что является достаточно хорошим результатом в категории антенн, которые встраиваются в печатные платы. Таким образом, предложенная конфигурация антенны имела высокую эффективность излучения и низкий уровень мощности отраженного сигнала, несмотря на то, что она была выполнена на подложке промышленного качества с высокими диэлектрическими потерями и большой толщиной.[0031] The antenna for which the results are shown in FIG. 6(A-C) had the configuration described above and was matched to work in the WiGig standard (60 GHz). As shown in FIG. 6(A), the return loss was less than 10 dB. As shown in FIG. 6(B), the directivity of such an antenna was more than 6 dB. As shown in FIG. 6(C), the radiation efficiency of such an antenna was more than 50%, which is a fairly good result in the category of antennas that are built into printed circuit boards. Thus, the proposed antenna configuration had a high radiation efficiency and a low reflected signal power level, despite the fact that it was made on an industrial quality substrate with high dielectric losses and a large thickness.

[0032] На Фиг. 7(A-C) показаны результаты математического моделирования 3 характеристик для конфигураций антенны передачи/приема данных, в которых паразитный патч-элемент 20 размещался с различными смещениями относительно патч-элементов 10.1, 10.2 промежуточной секции 10. Смещение паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2 выполняли в полости 40 по существу вдоль направления продольной оси полосковой линии 30. В остальном конфигурация антенны, просчитываемой в данном моделировании 3, по сути соответствовала конфигурации антенны, показанной на Фиг. 3, 4. Данное моделирование 3 показывает, что смещение паразитного патч-элемента 20 позволяло отрегулировать диаграмму направленности и согласовать антенну. Форма диаграммы направленности позволяла избежать приема с нежелательных направлений и уменьшить ненужные шумы, а изменение диаграммы направленности на усиление антенны не влияло. [0032] In FIG. 7(A-C) shows the results of mathematical modeling of 3 characteristics for transmit/receive data antenna configurations in which the spurious patch element 20 was placed at various offsets relative to the patch elements 10.1, 10.2 of the intermediate section 10. Offset of the spurious patch element 20 relative to the patch elements 10.1, 10.2 were performed in the cavity 40 substantially along the direction of the longitudinal axis of the strip line 30. Otherwise, the antenna configuration computed in this simulation 3 essentially corresponded to the antenna configuration shown in FIG. 3, 4. This simulation 3 shows that the offset of the parasitic patch element 20 made it possible to adjust the radiation pattern and match the antenna. The shape of the radiation pattern made it possible to avoid reception from unwanted directions and reduce unnecessary noise, and changing the radiation pattern did not affect the antenna gain.

[0033] Антенна, для которой результаты показаны на Фиг. 7(A-C), имела вышеописанную конфигурацию и была согласована под работу в стандарте WiGig (60 ГГц). Как показано на Фиг. 7(A) обратные потери составили менее 10 дБ. Три линии, показанные на Фиг. 7(B), показывают направленность моделируемой антенны для следующих размещений паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2: +0,05 мм, 0 мм (без смещения), -0,05 мм. Три линии, показанные на Фиг. 7(С), показывают направленность моделируемой антенны для следующих размещений паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2: +0,05 мм, 0 мм (без смещения), -0,05 мм со значением φ в 0°. Значения на фигурах 7B, 7C показаны срезы диаграммы направленности моделируемых антенн, которые построены в сферической системе координат, где ϕ и θ являются угловыми координатами сферической систем координат. Ось z нормальна к плоскости печатной платы, φ отсчитывается от одной из осей параллельной сторонам патч-элемента. Три линии, показанные на Фиг. 7(С), показывают направленность моделируемой антенны для следующих размещений паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2: +0,05 мм, 0 мм (без смещения), -0,05 мм со значением ϕ в 90°. График эффективности не приведен, но эффективность излучения такой антенны также составила более 50%, что является достаточно хорошим результатом в категории антенн, которые встраиваются в печатные платы. Таким образом, предложенная конфигурация антенны имела высокую эффективность излучения и низкий уровень мощности отраженного сигнала, несмотря на то, что она была выполнена на подложке промышленного качества с высокими диэлектрическими потерями и большой толщиной[0033] The antenna for which the results are shown in FIG. 7(A-C) had the configuration described above and was matched to work in the WiGig standard (60 GHz). As shown in FIG. 7(A), the return loss was less than 10 dB. The three lines shown in Fig. 7(B) show the directivity of the simulated antenna for the following placements of parasitic patch element 20 relative to patch elements 10.1, 10.2: +0.05 mm, 0 mm (no offset), -0.05 mm. The three lines shown in Fig. 7(C) show the directivity of the simulated antenna for the following placements of the parasitic patch element 20 relative to the patch elements 10.1, 10.2: +0.05 mm, 0 mm (no offset), -0.05 mm with a φ value of 0°. The values in Figures 7B, 7C show beam slices of simulated antennas that are plotted in a spherical coordinate system, where ϕ and θ are the angular coordinates of the spherical coordinate system. The z axis is normal to the PCB plane, φ is measured from one of the axes parallel to the sides of the patch element. The three lines shown in Fig. 7(C) show the directivity of the simulated antenna for the following placements of the parasitic patch element 20 relative to the patch elements 10.1, 10.2: +0.05 mm, 0 mm (no offset), -0.05 mm with a ϕ value of 90°. The efficiency graph is not shown, but the radiation efficiency of such an antenna was also more than 50%, which is a fairly good result in the category of antennas that are built into printed circuit boards. Thus, the proposed antenna configuration had a high radiation efficiency and a low reflected signal power level, despite the fact that it was made on an industrial quality substrate with high dielectric losses and a large thickness.

[0034] Любой из раскрытых вариантов осуществления встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных согласно настоящему изобретению может быть изготовлен в процессе изготовления, который будет обладать относительно низкой сложностью, обусловленной упрощенной конфигурации раскрытой антенны 100. Таким образом, данная заявка также предусматривает способ изготовления раскрытой антенны 100 в любой из предложенных конфигураций. Этапы такого способа являются традиционными сборочными этапами, которые известны специалистам в данной области и тут подробно не описываются. Целью каждого или всех таких этапов является формирование всех необходимых элементов антенны 100 с соответствующими металлизированными отверстиями/контактами на соответствующих слоях печатной платы с последующим объединением полученных слоев.[0034] Any of the disclosed embodiments of the PCB-embedded transmit/receive antenna 100 according to the present invention can be manufactured in a manufacturing process that will have relatively low complexity due to the simplified configuration of the disclosed antenna 100. Thus, this application also provides a method manufacture of the disclosed antenna 100 in any of the proposed configurations. The steps of such a method are conventional assembly steps which are known to those skilled in the art and are not described in detail here. The goal of each or all of these steps is to form all of the necessary elements of the antenna 100 with the appropriate plated holes/contacts on the appropriate layers of the printed circuit board, and then combine the resulting layers.

[0035] Полезный эффект. Таким образом, любой из раскрытых вариантов осуществления встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных согласно настоящему изобретению обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известным уровнем техники. В частности, обеспечивается упрощение сборки и изготовления, а также антенной 100 может быть обеспечен беспроводной канал с повышенной энергоэффективностью, пониженной утечкой высокочастотной мощности и повышенной стойкостью к электромагнитным помехам (EMI). Скорость передачи данных увеличена до 2,5 Гбит/с (экспериментальные тесты показывают, что можно передавать данные со скоростью 6 Гбит/с без значительного джиттера). Структура антенны 100 является более устойчивой к механическим перекосам. Внешнее экранирование не требуется. Используется минимальное число слоев печатной платы. Обеспечивается повышенная надежность и сниженные требования к технологическим допускам за счет упрощения конфигурации. Предложенная антенна 100 является компактной и обладает малыми потерями и может успешно использоваться для приложений в миллиметровом и в суб-ТГц диапазонах.[0035] Beneficial effect. Thus, any of the disclosed embodiments of the PCB transmit/receive antenna 100 according to the present invention provides many advantages over the prior art. In particular, assembly and manufacturing are simplified, and a wireless channel with improved power efficiency, reduced RF power leakage, and improved resistance to electromagnetic interference (EMI) can be provided to the antenna 100. The data transfer rate has been increased to 2.5 Gbps (experimental tests show that it is possible to transfer data at a rate of 6 Gbps without significant jitter). The structure of the antenna 100 is more resistant to mechanical distortion. External shielding is not required. The minimum number of PCB layers is used. Provides increased reliability and reduced process tolerance requirements by simplifying the configuration. The proposed antenna 100 is compact and low loss and can be successfully used for mmWave and sub-THZ applications.

[0036] Следует понимать, что в настоящем документе показаны принципы построения и базовые примеры антенны 100, интегрируемой в минимальное число проводящих слоев печатной платы. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.[0036] It should be understood that this document shows the principles of construction and basic examples of an antenna 100 integrated into a minimum number of conductive layers of a printed circuit board. A person skilled in the art, using these principles, will be able to obtain other embodiments of the invention without making creative efforts.

[0037] Применение. Антенну 100 согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется передача ВЧ-сигналов на короткое расстояние, например, в диапазоне миллиметровых волн для сетей мобильной связи 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц), для автомобильных радарных систем (24 ГГц, 79 ГГц), для связи на коротком расстоянии (60 ГГц), для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.[0037] Application . The antenna 100 according to the present invention can be used in electronic devices that require the transmission of RF signals over a short distance, for example, in the millimeter wave band for mobile networks 5G (28 GHz), WiGig (60 GHz), Beyond 5G (60 GHz) , 6G (sub-THz), for automotive radar systems (24 GHz, 79 GHz), for short distance communication (60 GHz), for smart home systems and other mm-band adaptive intelligent systems, for car navigation, for Internet of Things (IoT), wireless charging, etc.

[0038] Конкретные применения антенны 100 включают в себя, но без ограничения, (1) гигабитную связь (графеновые антенны ТГц диапазона для беспроводной связи внутри одной микросхемы или между разными микросхемами (чипами) с полем обзора в 360° без механического вращения), (2) связь на короткие расстояния для интерфейсов с высокой скоростью передачи данных (киоски, беспроводные соединители, мобильные терминалы). Кроме того, антенна 100 может быть применена для связи между компонентами IoT-систем и смартфоном. Другие применения антенны 100 включают в себя радарные датчики и модульные телевизоры на основе микро-LED (modular micro LED TV), в последнем случае антенна 100 может быть использована для связи между различных модулей такого составного телевизора.[0038] Specific applications of antenna 100 include, but are not limited to, (1) gigabit communications (THz band graphene antennas for wireless communication within the same chip or between different chips (chips) with a 360° field of view without mechanical rotation), ( 2) short distance communication for high data rate interfaces (kiosks, wireless connectors, mobile terminals). In addition, antenna 100 can be used for communication between IoT system components and a smartphone. Other uses for antenna 100 include radar sensors and modular micro LED TVs, in which case antenna 100 can be used to communicate between different modules of such a composite TV.

[0039] Следует понимать, что, хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.[0039] It should be understood that although terms such as "first", "second", "third", etc., may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and/or sections, these elements, components, regions, layers and/or sections should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer, or section from another element, component, region, layer, or section. Thus, a first element, component, region, layer, or section may be referred to as a second element, component, region, layer, or section without departing from the scope of the present invention. As used herein, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the respective listed positions. Elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless otherwise specified.

[0040] Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов антенны, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.[0040] The functionality of an element identified in the description or claims as a single element may be practiced by multiple antenna components, and conversely, the functionality of elements identified in the description or claims as multiple separate elements may be practiced by a single component.

[0041] В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенной антенны связаны друг с другом и с другими элементами/блоками печатной платы конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.[0041] In one embodiment, the elements / blocks of the proposed antenna are connected to each other and to other elements / blocks of the printed circuit board structurally through assembly (assembly) operations and functionally through communication lines. The mentioned communication lines or channels, unless otherwise indicated, are standard communication lines known to specialists, the material implementation of which does not require creative efforts. The communication link may be a wire, a set of wires, a bus, a track, a wireless link (inductive, RF, infrared, ultrasonic, etc.). Communication protocols over communication lines are known to those skilled in the art and are not disclosed separately.

[0042] Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.[0042] The functional connection of elements should be understood as a connection that ensures the correct interaction of these elements with each other and the implementation of one or another functionality of the elements. Particular examples of functional communication may be communication with the ability to exchange information, communication with the ability to transmit electric current, communication with the ability to transmit mechanical motion, communication with the ability to transmit light, sound, electromagnetic or mechanical vibrations, etc. The specific type of functional connection is determined by the nature of the interaction of the mentioned elements, and, unless otherwise indicated, is provided by well-known means, using principles well-known in the art.

[0043] Конструктивное исполнение элементов предложенной антенны является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы антенны могут быть выполнены из любого подходящего и легкодоступного материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.[0043] The design of the elements of the proposed antenna is known to those skilled in the art and is not described separately in this document, unless otherwise indicated. The antenna elements may be made from any suitable and readily available material. These components can be manufactured using known methods including, by way of example only, machining, investment casting, crystal growth. Assembly, connection, and other operations as described herein are also within the knowledge of a person skilled in the art, and thus will not be explained in more detail here.

[0044] Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.[0044] Although exemplary embodiments have been described in detail and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are illustrative only and are not intended to limit the present invention, and that the present invention should not be limited to the particular arrangements shown and described and constructions, since various other modifications and embodiments of the invention may be obvious to a person skilled in the art based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art, without going beyond the essence and scope of this invention.

Claims

1. An antenna (100) embedded in a printed circuit board for transmitting/receiving data, made on adjacent layers of said printed circuit board, interconnected by a plurality of metallized holes (101) to form a conductive continuous area, and said adjacent layers of said printed circuit board contain a bottom layer (A ), lower middle layer (B), upper middle layer (C), upper layer (D), and the antenna contains:

- an intermediate section (10) containing patch elements (10.1, 10.2) interconnected by at least one metallized hole (10.3), while the first patch element (10.1) is located in the lower middle layer (B) and is separated by a gap (11) from the conductive solid region, the second patch element (10.2) is located in the upper middle layer (C) and is separated by a gap (12) from the conductive solid region;

- parasitic patch element (20) located in the upper layer (D) and separated by a gap (21) from the conductive continuous area; and

- a strip line (30) connected directly to the edge of the first patch element (10.1), located in the lower middle layer (B) and designed to transmit a data signal to or from the intermediate section when transmitting/receiving data.

2. The PCB-embedded data transmission/reception antenna (100) according to claim 1, wherein the cavity (40) is provided between the top layer (D) and the top middle layer (C) and has a side boundary substantially formed between a dielectric, with which the cavity (40) is filled, and at least those metallized holes from the mentioned plurality of metallized holes (101) that connect the upper layer (D) and the upper middle layer (C) to each other, and the said cavity serves as an antenna resonator ( 100) and is configured to form a narrow radiation pattern.

3. An antenna (100) built into the printed circuit board for transmitting / receiving data according to claim 1, in which the strip line (30) additionally contains a matching element (50) configured to convert the impedances of the strip line (30) and the first patch element ( 10.1).

4. The PCB-embedded data transmission/reception antenna (100) according to claim 1, wherein said plurality of plated holes (101) forming a conductive continuous region in said adjacent layers of the printed circuit board are in the form of a horn.

5. PCB-embedded antenna (100) for transmitting/receiving data according to claim 1, in which the gap (12) between the second patch element (10.2) and the conductive solid area is in the form of a slit aperture (12.1).

6. The PCB-embedded transmit/receive antenna (100) of claim 5, wherein the slit aperture (12.1) is designed to surround the second patch element (10.2) and is square, round, rectangular, or oval in shape.

7. PCB-integrated antenna (100) for transmitting/receiving data according to claim 5, in which, when transmitting data, the intermediate section (10) generates a coaxial electromagnetic field propagating from the strip line (30) to the slit aperture (12.1), re-radiating the electromagnetic field towards the parasitic patch element (20) for its excitation, which, in response to such excitation, re-radiates the electromagnetic field into free space, while the TEM mode propagates in the strip line 30, and in the intermediate section (10) between Patch elements (10.1, 10.2) distribute a similar H ₁₁ /TE ₁₁ fashion.

8. An antenna (100) built into the printed circuit board for transmitting / receiving data according to claim 5, in which, when receiving data, the parasitic patch element (20) is configured to receive an electromagnetic field from free space, re-radiate this electromagnetic field into a slot aperture and an intermediate section (10).

9. The PCB-embedded transmit/receive antenna (100) of claim 1, wherein said adjacent layers of said PCB are separated by at least three dielectric layers.

10. PCB-embedded data transmit/receive antenna (100) according to claim 5, wherein the slit aperture (12.1) is configured to have a perimeter approximately equal to the wavelength in the dielectric

, where

is the wavelength in vacuum/air and

is the effective permittivity.

11. The PCB-embedded transmit/receive antenna (100) according to claim 1, in which the parasitic patch element (20) has a shape and size that is similar to or different from the shape and size of the patch elements (10.1, 10.2). .

12. The PCB-embedded transmit/receive antenna (100) of claim 1, wherein the patch elements (10.1, 10.2) and the parasitic patch element (20) are square, round, rectangular or oval.

13. Embedded in the printed circuit board antenna (100) transmit / receive data according to claim 1, in which the patch elements (10.1, 10.2) have any one of square, round, rectangular or oval shape, and the parasitic patch element (20) has any other of square, round, rectangular or oval shape.

14. The PCB-embedded transmit/receive antenna (100) of claim 1, wherein the patch elements (10.1, 10.2) and the parasitic patch element (20) are designed to have a perimeter equal to 1 wavelength in the dielectric.

15. Embedded in the printed circuit board antenna (100) transmit/receive data according to claim 1, in which the parasitic patch element (20) and the patch elements (10.1, 10.2) are placed so that the center of the parasitic patch element (20) and the center of the patch elements (10.1, 10.2) are aligned with each other.

16. Embedded in the printed circuit board antenna (100) transmit/receive data according to claim 1, in which the parasitic patch element (20) and the patch elements (10.1, 10.2) are placed so that the center of the parasitic patch element (20) is displaced relative to the center of the patch elements (10.1, 10.2).

17. Embedded in the printed circuit board antenna (100) transmit/receive data according to claim 1, and the antenna (100) is configured to operate in the millimeter wave range.