RU2798012C2

RU2798012C2 - Wide-angle printed antenna array

Info

Publication number: RU2798012C2
Application number: RU2021132942A
Authority: RU
Inventors: Михаил Николаевич Макурин; Елена Александровна Шепелева
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-06-14

Abstract

FIELD: antenna technology.

SUBSTANCE: invention relates to a printed antenna array with wide-angle scanning with the purpose of increasing the range of scanning angles of the antenna array beam and the operating frequency range, simplifying the design of the antenna array and reducing losses. It is achieved by the fact that the antenna array contains a plurality of antenna array elements, each of which includes a main printed circuit board, on top of which there is a middle layer and an additional printed circuit board, and on the upper surface of the main printed circuit board and on the upper surface of the additional printed circuit board there is a patch an antenna, wherein the antenna array element further includes a cavity in the middle layer reducing coupling between antenna array elements, the cavity in the middle layer including an air hole supporting communication of the patch antenna in the main circuit board and the patch antenna in the additional circuit board, and the main printed circuit board, the middle layer and the additional printed circuit board are interconnected by a connection that does not require galvanic contact.

EFFECT: increasing the range of scanning angles of the antenna array beam and the operating frequency range, simplifying the design of the antenna array and reducing losses.

14 cl, 3 dwg

Description

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

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к печатной антенной решетке с широкоугольным сканированием.The present invention relates to radio engineering, and more specifically to a printed wide-angle scanning antenna array.

Уровень техникиState of the art

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка перспективных сетей связи 5G и 6G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость передачи и энергоэффективность. The ever-increasing needs of users cause the rapid development of communication technologies. Advanced 5G and 6G communication networks are currently being actively developed, which will be characterized by higher performance indicators, such as high transmission speed and energy efficiency.

Новые приложения требуют внедрения нового класса радио систем, способных осуществлять передачу/прием данных/энергии и имеющих возможности адаптивного изменения характеристик излучаемого электромагнитного поля. Важным компонентом таких систем являются управляемые антенные решетки, которые находят свое применение в системах передачи данных, таких как 5G (28ГГц), WiGig (60ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G(субТГц), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д. New applications require the introduction of a new class of radio systems capable of transmitting/receiving data/energy and having the ability to adaptively change the characteristics of the emitted electromagnetic field. An important component of such systems are steerable antenna arrays, which find their application in data transmission systems such as 5G (28GHz), WiGig (60GHz), Beyond 5G (60GHz), 6G(subTHz), long distance wireless power transmission systems ( Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24GHz), automotive radar systems (24GHz, 79GHz), etc.

Антенные решетки миллиметрового диапазона, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:Millimeter wave antenna arrays used in the mentioned areas must meet several basic requirements:

- низкие потери и высокий коэффициент усиления;- low losses and high gain;

- возможность сканирования лучом в широком диапазоне углов;- the ability to scan the beam in a wide range of angles;

- работа в широком диапазоне частот;- work in a wide frequency range;

- компактная, недорогая, простая конфигурация, применимая для серийного производства. - compact, inexpensive, simple configuration, suitable for mass production.

На сегодняшний день при создании излучателей миллиметрового диапазона широко используется технология печатных плат (PCB), так как данная технология позволяет получать устройства, характеризующиеся простотой конструкции и технологичностью, удобством выполнения в единой плате с другими электронными узлами, возможностью достижения широкой полосы рабочих частот. To date, when creating millimeter-wave emitters, the technology of printed circuit boards (PCB) is widely used, since this technology makes it possible to obtain devices characterized by simplicity of design and manufacturability, ease of implementation in a single board with other electronic components, and the ability to achieve a wide band of operating frequencies.

Печатная антенная решетка представляет собой массив печатных антенных элементов.The printed antenna array is an array of printed antenna elements.

Существующие технологии антенн миллиметрового диапазона обладают рядом ограничений, существенно влияющих на возможность их применения:Existing millimeter-wave antenna technologies have a number of limitations that significantly affect their applicability:

- малое расстояние между питающими портами антенных элементов;- small distance between the feeding ports of the antenna elements;

- распространение поверхностных волн в печатных платах антенн;- propagation of surface waves in printed circuit boards of antennas;

- значительное падение коэффициента усиления на больших углах сканирования; - a significant drop in the gain at large scanning angles;

- необходимость адаптации к технологии AiP (Antenna-in-package);- the need to adapt to AiP (Antenna-in-package) technology;

- предельно жесткие требования к точности изготовления и т.д.- extremely stringent requirements for manufacturing accuracy, etc.

При использовании в системах связи, к антенным решеткам в составе базовых станций предъявляются требования по обеспечению максимальной зоны покрытия сигналом, (часто - это обеспечение полного кругового (360 градусов) обзора, и работе с двойной поляризацией. Полный обзор обеспечивается с помощью использования нескольких сканирующих антенных решеток с ограниченным сектором сканирования. Очевидно, что количество необходимых для базовой станции решеток определяется диапазоном сканирования отдельных применяемых решеток. Таким образом, если сектор сканирования антенной решетки ограничен ± 45 градусов, что характерно для применяемых в настоящее время в базовых станциях антенных решеток, тогда требуются 4 решетки для обеспечения полного кругового (360 градусов) сканирования лучом. При расширенном до ± 60 градусов секторе сканирования для решетки потребуется всего 3 решетки. Таким образом, увеличение сектора сканирования отдельной антенной решетки может привести к снижению требуемого количества антенных решеток для обеспечения заданного покрытия сигналом и, соответственно, снижению сложности антенной системы в целом.When used in communication systems, antenna arrays in base stations are required to provide maximum signal coverage, (often it is to provide full circular (360 degrees) coverage, and work with dual polarization. Full coverage is provided by using several scanning antennas arrays with a limited scanning sector Obviously, the number of arrays required for a base station is determined by the scanning range of the individual arrays used.Thus, if the scanning sector of the antenna array is limited to ± 45 degrees, which is typical for antenna arrays currently used in base stations, then 4 arrays for full 360-degree scanning of the beam When the scan sector is extended to ±60 degrees, the array will require only 3 arrays, so increasing the scan sector of a single antenna array can reduce the number of antenna arrays required to provide a given signal coverage and, accordingly, reducing the complexity of the antenna system as a whole.

Антенные решетки имеют ряд фундаментальных ограничений, определяющих возможности их сканирования. Диапазон сканирования

определяется шагом между антенными элементами d и появлением дифракционного лепестка на верхней рабочей частоте

диапазона устройства:

, где

- скорость света. Однако, в рамках этого диапазона сканирования могут существовать углы, на которых у антенной решетки происходит эффект ослепления, заключающийся в резком падении усиления при сканировании. Этот эффект связан с распространением паразитных поверхностных волн между элементами решетки в подложке печатной платы и их сложением в точках расположения элементов запитки, что приводит к рассогласованию антенных элементов или, в случае двухполяризационных решеток, перетеканию мощности в порты второй поляризации. Ослепление решетки может происходить на промежуточных углах сканирования, а может проявляться на углах близких к

. Antenna arrays have a number of fundamental limitations that determine their scanning capabilities. Scan Range

determined by the step between the antenna elements d and the appearance of a diffraction lobe at the upper operating frequency

device range:

, Where

is the speed of light. However, within this scanning range, there may be angles at which a dazzle effect occurs in the antenna array, which consists in a sharp drop in gain during scanning. This effect is associated with the propagation of spurious surface waves between the grating elements in the printed circuit board substrate and their summation at the points of the power supply elements, which leads to a mismatch of the antenna elements or, in the case of dual polarization gratings, power flow to the ports of the second polarization. The blinding of the grating can occur at intermediate scanning angles, and can manifest itself at angles close to

.

Двухполяризационные антенные элементы имеют ассиметричную структуру, что может усугублять эти эффекты. На этапе проектирования антенных решеток это также проявляется в асимметричной диаграмме направленности отдельного антенного элемента в составе всей решетки и результирующей асимметрии в характеристиках сканирования.Bipolar antenna elements have an asymmetric structure, which can exacerbate these effects. At the design stage of antenna arrays, this also manifests itself in the asymmetric radiation pattern of an individual antenna element in the entire array and the resulting asymmetry in the scanning characteristics.

Ассиметричная структура элемента двухполяризационной антенной решетки с питающими линиями (портами) приводит к возникновению паразитных поверхностных волн (PSW, parasitic surface wave), причем распространение PSW имеет определенное направление. Поверхностные волны синфазно суммируются в точке расположения второго порта. В результате происходит утечка мощности ко второму порту. В результате, возникает нежелательное падение коэффициента усиления элемента решетки при некотором угле излучения относительно нормали и уменьшение рабочего частотного диапазона. The asymmetric structure of an element of a two-polarized antenna array with feed lines (ports) leads to the appearance of parasitic surface waves (PSW, parasitic surface wave), and the propagation of PSW has a certain direction. The surface waves are in-phase summed at the location of the second port. As a result, power leaks to the second port. As a result, there is an undesirable drop in the gain of the array element at a certain radiation angle relative to the normal and a decrease in the operating frequency range.

Это иллюстрируется следующим образом.This is illustrated as follows.

Для антенной решетки с симметрией излучения должно быть справедливо выражение:For an antenna array with radiation symmetry, the expression must be true:

, (1)

где

- мощность излучения антенного элемента при угле сканирования

.Where

- radiation power of the antenna element at the scanning angle

.

Стоит учесть, что It is worth considering that

, (2)

где

- мощность, подводимая к антенному элементу,

- мощность отражения на входном порту,

- мощность утечки (во второй порт),

- мощность потерь в диэлектрике печатной платы, проводниках и т.д.Where

is the power supplied to the antenna element,

is the reflection power at the input port,

- leakage power (to the second port),

- power loss in the dielectric of the printed circuit board, conductors, etc.

Выражение (1) выполняется при следующих условиях:Expression (1) is fulfilled under the following conditions:

,

или

,

or

,

.

Несимметричность излучения антенной решетки (

), описанная выше, чаще всего вызвана несимметричностью мощности утечки (

). Это явление присутствует при высоких значениях коэффициента связи между портами. Таким образом, для обеспечения симметрии необходимо принять меры для снижения мощности утечки (

и

). В таком случае возможно выполнить

.Asymmetry of antenna array radiation (

) described above is most often caused by leakage power asymmetry (

). This phenomenon is present at high values of the coefficient of communication between ports. Thus, to ensure symmetry, it is necessary to take measures to reduce the leakage power (

And

). In this case, it is possible to

.

Из предшествующего уровня техники известно решение, раскрытое в статье «Design of a Dual-Polarized Stacked Patch Antenna for Wide-Angle Scanning Reflectarrays» авторов T. Chaloun, V. Ziegler и W. Menzel (IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 64, NO. 8, август 2016). В данной статье раскрыт двухполяризованный многослойный антенный патч-элемент для широкоугольного сканирования в Ka-диапазоне. Предлагаемый высокоинтегрированный многослойный элемент работает в диапазоне частот от 27,8 ГГц до 30,8 ГГц с отличными характеристиками сканирования до ± 60° как в E-, так и в H-плоскости. Данное решение демонстрирует высокую изоляцию между поляризациями во всем диапазоне сканирования. Однако, раскрытая в данном документе конфигурация требует гальванического соединения металлической сетки со слоями печатной платы патч-элемента.The prior art solution is disclosed in the article "Design of a Dual-Polarized Stacked Patch Antenna for Wide-Angle Scanning Reflectarrays" by T. Chaloun, V. Ziegler and W. Menzel (IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 64 , No. 8, August 2016). This article discloses a bipolarized multilayer antenna patch element for wide-angle scanning in Ka-band. The proposed highly integrated multi-layer element operates in the frequency range from 27.8 GHz to 30.8 GHz with excellent scanning performance up to ±60° in both the E- and H-planes. This solution demonstrates high isolation between polarizations over the entire scan range. However, the configuration disclosed herein requires a galvanic connection of the metal mesh to the layers of the printed circuit board of the patch element.

В статье «Surface waves minimization in Microstrip Patch Antenna using EBG substrate» (опубликована в «2015 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSC)») раскрывается печатная антенная решетка с поверхностью EBG (Electromagnetic Band Gap - структура, формирующая область с невозможностью распространения электромагнитных волн определенного диапазона частот) с резонансной частотой, лежащей в запрещенной зоне подложки EBG. Элемент EBG представляет собой небольшой участок с VIA (переходное металлизированное отверстие), соединенным с землей, в центре. Два соседних элемента образуют резонатор, и их комбинация подавляет распространение паразитных поверхностных волн. Однако, расположение EBG структуры требует дополнительного пространства между элементами, в то время как это пространство ограничено максимально доступным расстоянием между элементами. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.The article "Surface waves minimization in Microstrip Patch Antenna using EBG substrate" (published in "2015 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSC)") reveals a printed antenna array with an EBG (Electromagnetic Band Gap) surface - a structure that forms a region with the impossibility of propagation electromagnetic waves of a certain frequency range) with a resonant frequency lying in the band gap of the EBG substrate. The EBG element is a small area with a VIA (plated via) connected to ground in the center. Two neighboring elements form a resonator, and their combination suppresses the propagation of parasitic surface waves. However, the layout of the EBG structure requires additional space between elements, while this space is limited by the maximum available distance between elements. In addition, this solution only works with one polarization.

В статье «Meta-Surface Wall Suppression of Mutual Coupling between Microstrip Patch Antenna Arrays for THz-Band Applications» (PROGRESS IN ELECTROMAGNETICS RESEARCH LETTERS, VOL. 75, 105-111, 2018) раскрыта печатная антенная решетка с двумерной стенкой с метаповерхностью для улучшения изоляции между патч-излучателями. Элементарная ячейка метаповерхности содержит соединенные микрополосковые структуры «Y-образной формы», которые взаимно перемежаются вместе, чтобы создать стенку метаповерхности. Эта стенка выполняется между патчами для уменьшения взаимной связи. При этом улучшается согласование антенны и результирующие диаграммы направленности. Однако, для размещения элементов метаповерхности требуется дополнительное пространство между элементами антенной решетки. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.The article "Meta-Surface Wall Suppression of Mutual Coupling between Microstrip Patch Antenna Arrays for THz-Band Applications" (PROGRESS IN ELECTROMAGNETICS RESEARCH LETTERS, VOL. 75, 105-111, 2018) disclosed a printed antenna array with a 2D wall with a metasurface to improve isolation between patch emitters. The metasurface unit cell contains connected "Y-shaped" microstrip structures that are mutually interleaved together to create the metasurface wall. This wall is made between patches to reduce mutual coupling. This improves antenna matching and resulting radiation patterns. However, to accommodate the elements of the metasurface, additional space is required between the elements of the antenna array. In addition, this solution only works with one polarization.

Из предшествующего уровня техники также известно решение, раскрытое в статье «On the Merit of Asymmetric Phased Array Elements» (IEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 61, NO. 7, июль 2013). Данное решение раскрывает антенную решетку с несимметричными патчами. Конструкция патча получена численной оптимизацией с использованием генетического алгоритма. Элементы с нарушенной симметрией имеют лучшую производительность сканирования и/или пропускной способности. Однако, для реализации оптимальной несимметричной структуры требуется дополнительное пространство. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.Also known from the prior art is the solution disclosed in the article "On the Merit of Asymmetric Phased Array Elements" (IEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 61, NO. 7, July 2013). This solution exposes an antenna array with asymmetrical patches. The patch design was obtained by numerical optimization using a genetic algorithm. Elements with broken symmetry have better scan performance and/or throughput. However, to implement an optimal non-symmetrical structure, additional space is required. In addition, this solution only works with one polarization.

Патентный документ US 6,211,824 B1 описывает печатную антенную решетку, которая использует несколько патч-элементов для управления лучом антенны в большом секторе сканирования. Антенна содержит первую комбинированную подложку, множество первых патч-излучателей, расположенных на поверхности первой подложки, и множество вторых патч-излучателей, расположенных на поверхности второй подложки. Первая подложка сформирована из областей с переменной диэлектрической проницаемостью для эффективного предотвращения распространения поверхностных волн, тем самым увеличивая объем сканирования антенны. Однако, данное решение характеризуется высокой сложностью изготовления вследствие наличия сложных переменных областей с разной проницаемостью и не может применяться для передачи сигналов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.US 6,211,824 B1 describes a printed antenna array that uses multiple patch elements to control the antenna beam over a large scan area. The antenna contains the first combined substrate, a plurality of first patch emitters located on the surface of the first substrate, and a plurality of second patch emitters located on the surface of the second substrate. The first substrate is formed from variable dielectric regions to effectively prevent the propagation of surface waves, thereby increasing the scan volume of the antenna. However, this solution is characterized by high manufacturing complexity due to the presence of complex variable regions with different permeability and cannot be used for signal transmission in the millimeter and submillimeter ranges. In addition, this solution only works with one polarization.

В статье «A technique of scan blindness elimination for planar phased array antenna using miniaturized EBG» авторов M.S.M. Isa и др (Jurnal Teknologi, vol. 69, pp. 11-15, март 2014) раскрыта печатная антенная решетка 5х3. В данной решетке для увеличения диапазона сканирования, между антенными элементами добавлена миниатюрная структура EBG с емкостной нагрузкой. Однако, расположение EBG структуры требует дополнительного пространства между элементами, в то время как это пространство ограничено максимально доступным расстоянием между элементами. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.In the article "A technique of scan blindness elimination for planar phased array antenna using miniaturized EBG" by M.S.M. Isa et al (Jurnal Teknologi, vol. 69, pp. 11-15, March 2014) disclosed a 5x3 printed antenna array. In this array, to increase the scanning range, a miniature EBG structure with a capacitive load is added between the antenna elements. However, the layout of the EBG structure requires additional space between elements, while this space is limited by the maximum available distance between elements. In addition, this solution only works with one polarization.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры антенны с широким углом сканирования лучом, работающей в широком диапазоне частот, обладающей низкими потерями, компактными размерами и высоким коэффициентом усиления.Thus, there is a need in the art for a simple and inexpensive wide beam-scanning antenna structure, operating in a wide frequency range, having low loss, compact size and high gain.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.The present invention is directed to solving at least some of the above problems.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предложена антенная решетка, содержащая множество элементов антенной решетки, каждый из которых включает в себя основную печатную плату, поверх которой расположен средний слой и дополнительная печатная плата, причем на верхней поверхности основной печатной платы и на верхней поверхности дополнительной печатной платы расположена патч-антенна, причем элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в среднем слое, уменьшающую связь между элементами антенной решетки, причем полость в среднем слое включает в себя воздушное отверстие, поддерживающее связь патч-антенны в основной печатной плате и патч-антенны в дополнительной печатной плате, причем основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата соединены между собой посредством соединения, которое не требует обеспечения гальванического контакта.According to one embodiment of the present invention, an antenna array is provided, comprising a plurality of antenna array elements, each of which includes a main printed circuit board, on top of which a middle layer and an additional printed circuit board are located, and on the upper surface of the main printed circuit board and on the upper surface of the additional printed circuit board a patch antenna is located, and the antenna array element further includes a cavity in the middle layer, reducing the coupling between the elements of the antenna array, and the cavity in the middle layer includes an air hole supporting the connection of the patch antenna in the main printed circuit board and the patch antenna in an additional printed circuit board, and the main printed circuit board, the middle layer and the additional printed circuit board are interconnected by means of a connection that does not require galvanic contact.

Согласно другому варианту осуществления элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в основной печатной плате и/или полость в дополнительной печатной плате, причем упомянутые полости в печатной плате ограничены множеством сквозных переходных металлизированных отверстий (VIA), окружающих патч-антенну печатной платы, причем полость в среднем слое вместе с полостью в дополнительной печатной плате и/или полостью в основной печатной плате образуют составную полость, уменьшающую связь между элементами антенной решетки.According to another embodiment, the antenna array element further includes a cavity in the main printed circuit board and/or a cavity in the additional printed circuit board, and said cavities in the printed circuit board are limited by a plurality of plated through vias (VIA) surrounding the patch antenna of the printed circuit board, and the cavity in the middle layer, together with the cavity in the additional printed circuit board and/or the cavity in the main printed circuit board, form a composite cavity that reduces the coupling between the elements of the antenna array.

Согласно другому варианту осуществления упомянутые VIA, ограничивающие полости в печатной плате, расположены на расстоянии друг от друга, при этом расстояние между краями VIA меньше, чем

, где

- рабочая длина волны в подложке печатной платы.According to another embodiment, said VIAs defining cavities in the printed circuit board are located at a distance from each other, while the distance between the edges of the VIAs is less than

, Where

- operating wavelength in the printed circuit board substrate.

Согласно другому варианту осуществления патч-антенна и питающий порт(ы) в основной печатной плате повернуты относительно сторон элементов антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки.According to another embodiment, the patch antenna and feed port(s) in the main printed circuit board are rotated relative to the sides of the antenna array elements by 45 degrees around the normal to the plane of the antenna array element.

Согласно другому варианту осуществления патч-антенна дополнительной печатной платы расположена аналогично патч-антенне основной печатной платы.According to another embodiment, the patch antenna of the additional printed circuit board is located similarly to the patch antenna of the main printed circuit board.

Согласно другому варианту осуществления патч-антенна имеет форму, обладающую симметрией относительно плоскостей поляризации.According to another embodiment, the patch antenna has a shape that is symmetrical about the planes of polarization.

Согласно другому варианту осуществления средний слой представляет собой металлический слой, в котором отверстие является сквозным и стенки отверстия образуют стенки упомянутой полости в среднем слое.According to another embodiment, the middle layer is a metal layer in which the hole is through and the walls of the hole form the walls of said cavity in the middle layer.

Согласно другому варианту осуществления средний слой представляет собой печатную плату, в которой отверстие окружено множеством VIA, ограничивающих упомянутую полость в среднем слое.According to another embodiment, the middle layer is a printed circuit board in which the hole is surrounded by a plurality of VIAs defining said cavity in the middle layer.

Согласно другому варианту осуществления отверстие является сквозным.According to another embodiment, the hole is through.

Согласно другому варианту осуществления основная печатная плата и печатная плата среднего слоя выполнены в виде одной печатной платы, а отверстие среднего слоя выполнено в виде отверстия на некоторую глубину.According to another embodiment, the main circuit board and the middle layer circuit board are made as one circuit board, and the middle layer hole is made as a hole to a certain depth.

Согласно другому варианту осуществления дополнительная печатная плата и печатная плата среднего слоя выполнены в виде одной печатной платы, а отверстие среднего слоя выполнено в виде отверстия на некоторую глубину.According to another embodiment, the additional printed circuit board and the middle layer printed circuit board are made as one printed circuit board, and the hole of the middle layer is made as a hole to a certain depth.

Согласно другому варианту осуществления все полости, входящие в составную полость, имеют идентичную форму.According to another embodiment, all cavities included in a composite cavity have an identical shape.

Согласно другому варианту осуществления зазоры между основной печатной платой, средним слоем и дополнительной печатной платой заполнены слоем диэлектрика или представляют собой воздушные зазоры, причем высота зазора не превышает 50 мкм.According to another embodiment, the gaps between the main printed circuit board, the middle layer and the additional printed circuit board are filled with a dielectric layer or are air gaps, and the height of the gap does not exceed 50 μm.

Согласно другому варианту осуществления антенная решетка является двухполяризационной антенной решеткой.According to another embodiment, the antenna array is a dual polarization antenna array.

Согласно другому варианту осуществления антенная решетка является однополяризационной антенной решеткой.According to another embodiment, the antenna array is a single polarization antenna array.

Настоящее изобретение позволяет получить антенну с простой конфигурацией, низкими потерями, компактными размерами, высоким коэффициентом усиления, выполненную с возможностью осуществления фокусировки/сканирования лучом в широком диапазоне углов сканирования, работающую в широком диапазоне частот.The present invention provides an antenna with a simple configuration, low loss, compact size, high gain, capable of focusing/scanning a beam over a wide range of scanning angles, operating in a wide frequency range.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:The invention is further explained by a description of the preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1 изображает общий вид элемента антенной решетки с вырезом четверти в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.Fig. 1 is a perspective view of a quarter cut antenna array element in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.

Фиг. 2 изображает вид сверху одного элемента антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.Fig. 2 is a plan view of one antenna array element in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.

Фиг.3 изображает вид сверху антенной решетки и одного элемента антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения с указанием плоскостей сканирования.3 is a plan view of an antenna array and one element of an antenna array in accordance with an exemplary embodiment of the present invention, showing scanning planes.

Подробное описаниеDetailed description

В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящее изобретение представляет собой антенную решетку, причем каждый элемент антенной решетки содержит основную печатную плату, дополнительную печатную плату и расположенный между ними средний слой. Элемент антенной решетки имеет форму квадрата. Как изображено на фиг. 1, упомянутые слои расположены снизу вверх в следующем порядке: основная печатная плата, средний слой, дополнительная печатная плата. На верхней поверхности основной печатной платы расположена патч-антенна. Аналогичным образом, на верхней поверхности дополнительной печатной платы расположена патч-антенна. Патч-антенны основной и дополнительной печатных плат имеют форму квадрата и по периметру окружены сквозными переходными металлизированными отверстиями (VIA), расположенными на расстоянии друг от друга, при этом расстояние между краями VIA должно быть меньше, чем

, где

- рабочая длина волны в подложке печатной платы. Таким образом, упомянутые VIA ограничивают полость в печатной плате (формируют отражающие «стенки» полости) (см. фиг. 2) и препятствуют распространению поверхностных волн в антенной решетке. Элемент антенной решетки включает в себя составную полость, состоящую из полостей в основной и дополнительной печатных платах, а также полости в среднем слое, размещенном между основной и дополнительной печатными платами. Внутренняя часть полости, окруженная множеством VIA, в основной и дополнительной печатных платах заполнена диэлектриком печатной платы. Основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата соединены между собой посредством соединения, которое не требует обеспечения гальванического контакта. In accordance with an exemplary embodiment, the present invention is an antenna array, each antenna array element comprising a main printed circuit board, an additional printed circuit board, and a middle layer located therebetween. The antenna array element has the shape of a square. As shown in FIG. 1, the mentioned layers are arranged from bottom to top in the following order: main circuit board, middle layer, additional circuit board. The patch antenna is located on the top surface of the main PCB. Similarly, a patch antenna is located on the top surface of the optional printed circuit board. The patch antennas of the main and additional printed circuit boards are square in shape and surrounded by metalized through-through vias (VIA) along the perimeter, located at a distance from each other, while the distance between the edges of the VIA should be less than

, Where

- operating wavelength in the printed circuit board substrate. Thus, said VIAs confine a cavity in the printed circuit board (form reflective "walls" of the cavity) (see FIG. 2) and prevent surface waves from propagating in the antenna array. The antenna array element includes a composite cavity consisting of cavities in the main and additional printed circuit boards, as well as cavities in the middle layer located between the main and additional printed circuit boards. The inside of the cavity, surrounded by a plurality of VIAs, in the main and additional PCBs is filled with the PCB dielectric. The main PCB, the middle layer and the additional PCB are interconnected by a connection that does not require a galvanic contact.

Таким образом, патч-антенна основной печатной платы и патч-антенна дополнительной печатной платы в примерном варианте осуществления представляют собой печатный патч-элемент, расположенный над полостью в печатной плате, причем полости ограничены множеством металлизированных переходных отверстий VIA.Thus, the patch antenna of the main circuit board and the patch antenna of the additional circuit board in the exemplary embodiment are a printed patch element located above a cavity in the circuit board, with the cavities delimited by a plurality of plated VIA vias.

В примерном варианте осуществления форма полости в среднем слое идентична форме полостей в печатных платах. Однако, в альтернативных вариантах осуществления размеры полостей в каждом слое могут несколько отличаться друг от друга.In an exemplary embodiment, the shape of the cavity in the middle layer is identical to the shape of the cavities in printed circuit boards. However, in alternative embodiments, the dimensions of the cavities in each layer may be slightly different from each other.

В описанном выше примерном варианте осуществления патч-антенны имеют форму квадрата, хотя такой патч-элемент может иметь любую форму, обладающую симметрией относительно плоскостей поляризации (в случае двойной поляризации патч-элемент должен быть симметричен относительно обеих плоскостей).In the exemplary embodiment described above, the patch antennas are square in shape, although such a patch element can be any shape that is symmetrical about the planes of polarization (in the case of dual polarization, the patch element must be symmetrical about both planes).

Далее со ссылками на фиг. 1-3 примерный вариант осуществления настоящего изобретения будет описан подробнее.Further with reference to Fig. 1-3, an exemplary embodiment of the present invention will be described in more detail.

Патч-антенна основной печатной платы возбуждается посредством по меньшей мере одного питающего порта, задающего поляризацию излучаемого сигнала. В случае однополяризационной антенной решетки патч-антенна возбуждается посредством одного питающего порта, а в случае двухполяризационной - посредством двух питающих портов, при этом поляризации, возбуждаемые каждым из портов, перпендикулярны. The patch antenna of the main printed circuit board is excited by at least one feeding port, which sets the polarization of the emitted signal. In the case of a single-polarization antenna array, the patch antenna is excited through one feed port, and in the case of a dual-polarization antenna array, through two feed ports, while the polarizations excited by each of the ports are perpendicular.

В общем случае, вследствие более широкой диаграммы направленности излучения в Н-плоскости печатная антенная решетка имеет более широкий диапазон сканирования в Н-плоскости (<55°), чем диапазон сканирования, достижимый в Е-плоскости (<45°). Как следствие, двухполяризационная антенная решетка имеет разные характеристики сканирования в Е- и Н-плоскостях.In general, due to the wider H-plane radiation pattern, the printed antenna array has a wider H-plane scan range (<55°) than the E-plane scan range (<45°). As a consequence, the dual-polarization antenna array has different scanning characteristics in the E- and H-planes.

Как изображено на фиг. 3, в настоящем изобретении патч-антенна и питающий порт(ы) повернуты относительно сторон элементов антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки. Благодаря этому, сканирование антенной решетки осуществляется в D-плоскости элемента антенной решетки, в которой форма диаграммы направленности элемента антенной решетки по существу одинакова для обеих поляризаций как промежуточного сечения диаграммы элемента. As shown in FIG. 3, in the present invention, the patch antenna and feed port(s) are rotated relative to the sides of the antenna array elements by 45 degrees around the normal to the plane of the antenna array element. Due to this, scanning of the antenna array is carried out in the D-plane of the antenna array element, in which the shape of the radiation pattern of the antenna array element is essentially the same for both polarizations as an intermediate section of the element pattern.

Антенный элемент имеет, как правило, разные формы диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях т.е. расположение элемента без поворота даст разные диаграммы направленности для каждого из портов антенны. В D-плоскости диаграммы направленности разных портов, для указанного случая, зеркально симметричны (Д1(ϑ)=Д2(-ϑ)) и близки к симметричным в случае малой утечки мощности между портами во всем диапазоне сканирования. Как следствие, при разработке антенного элемента и решетки, оптимизацию его геометрии достаточно проводить в одной плоскости (во второй плоскости результаты моделирования, благодаря симметрии характеристик излучения в D-плоскости, будут такими же). Это также упрощает управление решеткой, так как можно будет подавать одинаковое фазовое распределение на элементы решетки для сканирования по обеим поляризациям. The antenna element has, as a rule, different shapes of the radiation pattern in the E- and H-planes, i.e. arranging the element without rotation will give different radiation patterns for each of the antenna ports. In the D-plane, the radiation patterns of different ports, for this case, are mirror symmetrical (D1(ϑ)=D2(-ϑ)) and are close to symmetrical in the case of low power leakage between the ports over the entire scanning range. As a result, when developing an antenna element and an array, it is enough to optimize its geometry in one plane (in the second plane, the simulation results, due to the symmetry of the radiation characteristics in the D-plane, will be the same). This also simplifies the control of the grating, since it will be possible to apply the same phase distribution to the grating elements for scanning in both polarizations.

Патч-антенна дополнительной печатной платы расположена аналогично патч-антенне основной печатной платы и возбуждается посредством электромагнитного излучения (сигнала), поступающего от патч-антенны основной печатной платы.The patch antenna of the sub-circuit board is located similarly to the patch antenna of the main circuit board and is excited by electromagnetic radiation (signal) coming from the patch antenna of the main circuit board.

Углы квадратной патч-антенны могут быть скруглены для обеспечения ее компактности.The corners of a square patch antenna can be rounded to make it compact.

В общем случае полость в среднем слое включает в себя воздушное отверстие, поддерживающее связь патч-элемента в основной печатной плате и патч-элемента в дополнительной печатной плате. Средний слой между печатными платами в примерном варианте осуществления представляет собой металлический слой. В таком металлическом среднем слое полость выполнена в виде сквозного отверстия, т.е. стенки отверстия образуют стенки полости в среднем слое. Упомянутое отверстие заполнено воздухом.In general, the cavity in the middle layer includes an air hole supporting communication between the patch element in the main PCB and the patch element in the secondary PCB. The middle layer between printed circuit boards in an exemplary embodiment is a metal layer. In such a metal middle layer, the cavity is made in the form of a through hole, i.e. the walls of the hole form the walls of the cavity in the middle layer. Said hole is filled with air.

Одной из причин несимметричности излучения антенной решетки является утечка излучаемой мощности за счет распространения поверхностных волн в подложках печатных плат. Составная полость, состоящая из полостей основной и дополнительной печатных плат, а также полости в среднем металлическом слое, предотвращает распространение поверхностных волн, что эффективно уменьшает связь между элементами решетки и снижает потери мощности при сканировании. Полость в металлическом среднем слое представляет собой сквозное отверстие, поддерживающее связь патч-элемента в основной печатной плате и патч-элемента в дополнительной печатной плате. Снижение связи между элементами решетки позволяет решить проблему ослепления решетки: уменьшить потери мощности в результате рассогласования элементов основной рабочей поляризации и связи со второй поляризацией элемента. В соответствии с выражением (1), это позволяет обеспечить симметричные характеристики сканирования решетки в широком диапазоне углов. One of the reasons for the asymmetry of the radiation of the antenna array is the leakage of the radiated power due to the propagation of surface waves in the substrates of printed circuit boards. Composite cavity, consisting of cavities of the main and additional printed circuit boards, as well as a cavity in the middle metal layer, prevents the propagation of surface waves, which effectively reduces the coupling between the array elements and reduces the power loss during scanning. The cavity in the metal middle layer is a through hole that supports the connection of the patch element in the main PCB and the patch element in the additional PCB. Reducing the coupling between the array elements makes it possible to solve the problem of array blinding: to reduce power losses as a result of the mismatch between the elements of the main working polarization and the connection with the second polarization of the element. In accordance with expression (1), this makes it possible to provide symmetrical grating scanning characteristics over a wide range of angles.

Такая структура антенной решетки позволяет получить симметричную диаграмму направленности одиночного элемента в составе решетки, а также достичь потерь усиления решетки менее 3дБ даже в крайних положениях сканирования в диапазоне ± 60 градусов.This structure of the antenna array makes it possible to obtain a symmetrical radiation pattern of a single element in the array, as well as to achieve array gain losses of less than 3 dB even at the extreme scanning positions in the range of ± 60 degrees.

Стоит отметить, что форма полости в среднем слое в примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 1-3, идентична форме полостей в печатных платах, т.е. является квадратной. В альтернативных вариантах осуществления полость в среднем слое может быть выполнена в виде прямоугольного отверстия, прямоугольного отверстия со скругленными углами, круглого отверстия и т.д.It is worth noting that the shape of the cavity in the middle layer in the exemplary embodiment depicted in FIG. 1-3 is identical to the shape of the cavities in printed circuit boards, i.e. is square. In alternative embodiments, the cavity in the middle layer may be in the form of a rectangular hole, a rectangular hole with rounded corners, a round hole, and so on.

Средний слой в примерном варианте осуществления выполнен в виде металлического слоя. В качестве альтернативы, средний слой может быть выполнен на основе печатной платы (или части других печатных плат). В таком случае отверстие в среднем слое окружено множеством VIA, ограничивающих полость (образующих «стенки» полости).The middle layer in an exemplary embodiment is made in the form of a metal layer. Alternatively, the middle layer may be based on a printed circuit board (or part of other printed circuit boards). In such a case, the opening in the middle layer is surrounded by a plurality of VIAs that define the cavity (forming the "walls" of the cavity).

Стенки составной полости или частей составной полости в различных вариантах осуществления могут быть параллельны краям патч-элементов в основной и дополнительной печатных платах, либо могут быть параллельны стенкам элемента антенной решетки.The walls of the composite cavity or portions of the composite cavity, in various embodiments, may be parallel to the edges of the patch elements in the main and additional printed circuit boards, or may be parallel to the walls of the antenna array element.

Возможен вариант осуществления, в котором элемент антенной решетки включает в себя полость в среднем слое, в то время как в основной печатной плате и/или дополнительной печатной плате полость отсутствует. В остальном конструкция элемента антенной решетки в данном варианте осуществления аналогична примерному варианту осуществления, описанному выше. Такой вариант имеет более простую конструкцию и является эффективным для подавления поверхностных волн. Т.е. в таком варианте осуществления полость среднего слоя в значительной степени снижает распространение поверхностных волн в антенной решетке. В то же время при определенных параметрах (толщине и диэлектрической проницаемости) диэлектрика печатных плат полости в основной и/или дополнительной платах позволяют значительно улучшить характеристики решетки. An embodiment is possible in which the antenna array element includes a cavity in the middle layer, while there is no cavity in the main PCB and/or the additional PCB. Otherwise, the design of the antenna array element in this embodiment is similar to the exemplary embodiment described above. This option has a simpler design and is effective for suppressing surface waves. Those. in such an embodiment, the middle layer cavity greatly reduces the propagation of surface waves in the antenna array. At the same time, under certain parameters (thickness and permittivity) of the dielectric of printed circuit boards, cavities in the main and/or additional boards can significantly improve the characteristics of the grating.

Основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата не требуют гальванического соединения между собой для передачи сигнала. Упомянутые части элемента антенной решетки могут быть просто зафиксированы друг относительно друга с зазорами между ними. Упомянутые зазоры могут образовываться естественным образом в результате неидеальности поверхностей частей антенного элемента или могут быть выполнены специально для обеспечения фиксированного расстояния между частями антенного элемента. Зазоры могут быть заполнены диэлектриком (например, тефлоновой пленкой) или могут представлять собой воздушный зазор, обеспечиваемый проставками. Высота зазора между упомянутыми слоями не должна превышать 50 мкм. В таком случае упомянутый зазор не оказывает негативного влияния на характеристики антенной решетки.The main PCB, the middle layer and the additional PCB do not require a galvanic connection between them for signal transmission. Said parts of the antenna array element can simply be fixed relative to each other with gaps between them. Said gaps may be formed naturally as a result of imperfect surfaces of the parts of the antenna element, or may be designed specifically to provide a fixed distance between the parts of the antenna element. The gaps may be filled with a dielectric (eg Teflon film) or may be an air gap provided by spacers. The height of the gap between the mentioned layers should not exceed 50 µm. In such a case, said clearance does not adversely affect the characteristics of the antenna array.

Соединение перечисленных слоев без необходимости обеспечения гальванического контакта значительно облегчает процесс сборки антенной решетки.The connection of the listed layers without the need to provide galvanic contact greatly facilitates the process of assembling the antenna array.

Добавление среднего слоя и дополнительной печатной платы к основной печатной плате позволяет улучшить характеристики сканирования антенной решетки и расширить рабочую полосу частот. Adding a middle layer and an additional PCB to the main PCB can improve the scanning performance of the antenna array and extend the operating bandwidth.

Далее описывается функционирование антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. The following describes the operation of an antenna array according to an exemplary embodiment of the present invention.

Высокочастотный сигнал от генератора подается на порт рабочей поляризации антенного элемента. Подводимый сигнал характеризуется амплитудой и фазой. В общем случае амплитуда сигналов на всех элементах решетки должна быть одинаковой. Фаза сигнала определяет положение антенного луча в пространстве. The high-frequency signal from the generator is fed to the working polarization port of the antenna element. The input signal is characterized by amplitude and phase. In the general case, the amplitude of the signals on all array elements should be the same. The phase of the signal determines the position of the antenna beam in space.

По запитывающему металлизированному отверстию VIA сигнал подводится к патч-элементу антенной решетки, расположенному на основной печатной плате. Размер и форма патч-элемента являются резонансными для сигнала подаваемой частоты. Патч-элемент на основной печатной плате электромагнитно связан с дополнительным патч-элементом, расположенном на дополнительной печатной плате. Дополнительная печатная плата расположена на некотором расстоянии от основной печатной платы. Это расстояние фиксируется с помощью среднего металлического слоя, расположенного между печатными платами, с выполненным в нем воздушным отверстием, поддерживающим связь основного и дополнительного патч-элементов. Размер и форма дополнительного патч-элемента являются резонансными для сигнала подаваемой частоты. Through the feeding metalized hole VIA, the signal is fed to the patch element of the antenna array located on the main printed circuit board. The size and shape of the patch element is resonant to the applied frequency signal. The patch element on the main printed circuit board is electromagnetically connected to the additional patch element located on the additional printed circuit board. The additional printed circuit board is located at some distance from the main printed circuit board. This distance is fixed with the help of a middle metal layer located between the printed circuit boards, with an air hole made in it, supporting the connection of the main and additional patch elements. The size and shape of the additional patch element is resonant to the applied frequency signal.

Электромагнитное поле, возбуждаемое каждым составным патч-элементом антенной решетки, складывается в дальней зоне решетки, в результате чего, при определенном распределении фаз сигналов, подаваемых на элементы, излучение решетки становится направленным и происходит формирование антенного луча. Управляя фазой подаваемого сигнала, управляют положением луча в пространстве и осуществляют антенное сканирование. Ранее описанные полости вокруг каждого патч-элемента позволяют уменьшить связь между соседними элементами антенной решетки, что в свою очередь расширяет возможности сканирования.The electromagnetic field excited by each composite patch element of the antenna array is formed in the far zone of the array, as a result of which, at a certain distribution of the phases of the signals applied to the elements, the radiation of the array becomes directional and the antenna beam is formed. By controlling the phase of the applied signal, the position of the beam in space is controlled and antenna scanning is performed. The previously described cavities around each patch element make it possible to reduce coupling between adjacent antenna array elements, which in turn enhances scanning capabilities.

В силу слабой связи (< -10дБ) между поляризациями антенного элемента, сигнал от генератора может подаваться на порты обеих поляризаций антенного элемента как попеременно, так и одновременно.Due to the weak coupling (< -10dB) between the polarizations of the antenna element, the signal from the generator can be fed to the ports of both polarizations of the antenna element both alternately and simultaneously.

В альтернативном варианте осуществления основная печатная плата и печатная плата среднего слоя могут быть выполнены в виде одной печатной платы, соединенной с дополнительной печатной платой посредством (или без) воздушного зазора. В таком случае полость среднего слоя включает в себя отверстие на некоторую глубину. Аналогичным образом, дополнительная печатная плата и печатная плата среднего слоя могут быть выполнены в виде одной печатной платы, соединенной с основной печатной платой посредством (или без) воздушного зазора. Такой вариант осуществления снижает сложность изготовления антенной решетки.In an alternative embodiment, the main printed circuit board and the middle layer printed circuit board can be made as one printed circuit board, connected to the additional printed circuit board with (or without) an air gap. In such a case, the middle layer cavity includes an opening to a certain depth. Likewise, the additional PCB and the middle layer PCB can be made as one PCB connected to the main PCB with (or without) an air gap. Such an embodiment reduces the complexity of manufacturing the antenna array.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет расширить диапазон сканирования антенной решетки, повысить ее эффективность и снизить потери. При этом антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением имеет компактные размеры, а также простую и недорогую конфигурацию, подходящую для массового производства.Thus, the present invention makes it possible to expand the scanning range of an antenna array, improve its efficiency and reduce losses. Meanwhile, the antenna array according to the present invention has a compact size as well as a simple and inexpensive configuration suitable for mass production.

Антенная решетка согласно настоящему изобретению предназначена для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. Однако, данная конфигурация может быть использована при проектировании антенных решеток и других диапазонов, например, сантиметрового, субмиллиметрового (терагерцовый диапазон частот) и т.д.The antenna array according to the present invention is intended for use in the millimeter wave range. However, this configuration can be used in the design of antenna arrays and other bands, such as centimeter, submillimeter (terahertz frequency range), etc.

Компактные и высокоэффективные системы с управляемой антенной решеткой в соответствии с настоящим изобретением могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig. При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов. Антенны терминалов пользователей управляются для наведения на позицию антенны базовой станции.The compact and high performance steerable array systems of the present invention may find application in the emerging 5G, 6G and WiGig wireless communication systems. In this case, the present invention can be used in both base stations and antennas of mobile terminals. The user terminal antennas are steered to point to the position of the base station antenna.

Настоящее изобретение может найти применение в системах LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях. Устройство передачи мощности может быть построено на основании описанной структуры антенной решетки и таким образом может реализовывать фокусировку луча при зарядке устройств в зоне ближнего поля или сканирование лучом для передачи мощности устройствам, находящимся в дальней зоне антенны передатчика.The present invention can find application in all types of LWPT systems: outdoor/indoor, automotive, mobile, etc. This ensures high efficiency of power transfer in all scenarios. The power transmission device can be built on the basis of the described antenna array structure and thus can implement beam focusing when charging devices in the near field or beam scanning to transmit power to devices located in the far field of the transmitter antenna.

При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенну для обнаружения/избежания препятствий.When used in robotics, the proposed antenna can be used to detect/avoid obstacles.

Настоящее изобретение также может использоваться в радарах автономных транспортных средств.The present invention can also be used in autonomous vehicle radars.

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.It should be understood that although terms such as "first", "second", "third" and the like 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.

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

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.Embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described herein. Specialist in the field of technology on the basis of the information set forth in the description and knowledge of the prior art will become apparent and other embodiments of the invention that do not go beyond the essence and scope of this invention.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.Elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless otherwise specified.

Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.A person skilled in the art should be clear that the essence of the invention is not limited to a particular software or hardware implementation, and therefore for the implementation of the invention can be used in any software and hardware known in the prior art. Thus, hardware may be implemented in one or more ASICs, digital signal processors, digital signal processors, programmable logic devices, user programmable gate arrays, processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, electronic devices, other electronic modules configured to perform the functions described in this document, a computer, or a combination of the above.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.While exemplary embodiments have been described and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are illustrative only and are not intended to limit the broader invention, and that the invention should not be limited to the particular arrangements and structures shown and described, since various other modifications may be apparent to those skilled in the art.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.Features mentioned in various dependent claims, as well as embodiments disclosed in various parts of the description, can be combined to achieve beneficial effects, even if the possibility of such a combination is not explicitly disclosed.

Claims

1. An antenna array containing a plurality of antenna array elements, each of which includes a main printed circuit board, on top of which a middle layer and an additional printed circuit board are located, moreover, a patch antenna is located on the upper surface of the main printed circuit board and on the upper surface of the additional printed circuit board, wherein the antenna array element further includes a cavity in the middle layer reducing coupling between the antenna array elements, wherein the cavity in the middle layer includes an air hole supporting communication of the patch antenna in the main printed circuit board and the patch antenna in the additional printed circuit board, wherein the main PCB, the middle layer and the additional PCB are interconnected by means of a connection that does not require galvanic contact,

moreover, the antenna array element additionally includes a cavity in the main printed circuit board and/or a cavity in an additional printed circuit board, and the mentioned cavities in the printed circuit board are limited by a plurality of through metalized vias (VIA) surrounding the patch antenna of the printed circuit board, and the cavity in the middle layer together with the cavity in the additional printed circuit board and/or the cavity in the main printed circuit board form a composite cavity that reduces the coupling between the elements of the antenna array.

2. The antenna array of claim 1, wherein said VIAs defining cavities in the printed circuit board are spaced apart, with the distance between the edges of the VIAs being less than

, Where

- operating wavelength in the printed circuit board substrate.

3. An antenna array according to claim 1, wherein the patch antenna and feed port(s) in the main printed circuit board are rotated relative to the sides of the antenna array elements by 45 degrees around the normal to the plane of the antenna array element.

4. Antenna array according to claim 3, wherein the patch antenna of the additional circuit board is located similarly to the patch antenna of the main circuit board.

5. The antenna array of claim 1, wherein the patch antenna has a shape that is symmetrical with respect to planes of polarization.

6. The antenna array according to claim 1, wherein the middle layer is a metal layer in which the hole is through and the walls of the hole form the walls of said cavity in the middle layer.

7. The antenna array of claim 1, wherein the middle layer is a printed circuit board in which the hole is surrounded by a plurality of VIAs defining said cavity in the middle layer.

8. Antenna array according to claim 7, in which the hole is through.

9. The antenna array according to claim 7, wherein the main circuit board and the middle layer circuit board are made as one circuit board, and the middle layer hole is made as a hole to a certain depth.

10. The antenna array according to claim 7, wherein the additional printed circuit board and the middle layer printed circuit board are made in the form of one printed circuit board, and the middle layer hole is made in the form of a hole to a certain depth.

11. Antenna array according to claim 1, in which all cavities included in the composite cavity have an identical shape.

12. The antenna array according to claim 1, in which the gaps between the main printed circuit board, the middle layer and the additional printed circuit board are filled with a dielectric layer or are air gaps, and the height of the gap does not exceed 50 μm.

13. An antenna array according to claim 1, wherein the antenna array is a bipolar antenna array.

14. An antenna array according to claim 1, wherein the antenna array is a single polarization antenna array.