RU2802170C1 - Ebg-ячейки и антенная решетка, содержащая ebg-ячейки - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной решетке с ячейками структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-ячейками). Технический результат - повышение эффективности антенной решетки, снижение потерь, увеличение диапазона сканирования и полосы рабочих частот. Технический результат обеспечивается посредством антенной решетки, реализованной на печатной плате и включающей в себя множество патч-антенн, причем между соседними патч-антеннами расположен по меньшей мере один ряд EBG-ячеек, каждая из которых включает в себя: элемент структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-элемент) в виде проводящей площадки (T-EBG-элемент), расположенный на внешней стороне несущего слоя печатной платы; по меньшей мере два EBG-элемента, имеющих грибообразную форму (M-EBG-элементы), каждый из которых включает в себя проводящую площадку, расположенную на внутренней стороне упомянутого несущего слоя печатной платы напротив T-EBG-элемента, и основание в виде цилиндра, выполненного посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) и соединенного с проводящей площадкой M-EBG-элемента, причем второй конец VIA соединен с проводящей площадкой T-EBG-элемента; и слой заземления, расположенный напротив проводящих площадок M-EBG-элементов, отделенный от них слоем диэлектрика. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к антенной решетке с ячейками структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-ячейками).

Уровень техники

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.

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.

Антенные решетки миллиметрового диапазона, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:

- низкие потери и высокий коэффициент усиления;

- возможность гибкого управления лучом (направлением максимума излучения), т.е. сканирование лучом и фокусировка излучаемого поля в широком диапазоне углов;

- работа в широком диапазоне частот;

- компактная, недорогая, простая архитектура, применимая для серийного производства.

На сегодняшний день при создании излучателей миллиметрового диапазона широко используется технология печатных плат (ПП) (PCB), так как данная технология позволяет получать устройства, характеризующиеся простотой конструкции и технологичностью, удобством выполнения на единой подложке с другими электронными узлами, возможностью достижения широкой полосы рабочих частот.

Печатная антенная решетка представляет собой массив слабонаправленных печатных излучателей.

Существующие технологии антенн миллиметрового диапазона обладают рядом ограничений, существенно влияющих на возможность их применения:

- распространение паразитных поверхностных волн между элементами антенной решетки в подложке печатной платы и над ее поверхностью и вытекающих волн (leaky waves) над антенной решеткой;

- значительное падение коэффициента усиления при больших углах сканирования;

- необходимость адаптации к технологии AiP (Antenna-in-package);

- предельно жесткие требования к точности изготовления, качеству используемого многослойного диэлектрика, геометрическим размерам, количеству слоев печатной платы и т.д.

Подавление распространения паразитных волн в антенных решетках требует применения специальных решений, таких как нанесение поглощающей краски или поглощающих материалов, использование метаматериалов и т.д. Большая часть таких решений предполагает использование большого количества элементов, рассчитанных на работу в узком диапазоне частот. Некоторые известные решения используют объединение двух и более печатных плат, которые должны быть собраны с высокой точностью. Большинство метаматериалов имеют структуру многослойных печатных плат.

Элементы антенной решетки при приеме энергии электромагнитной волны сигнала от передающей антенны отражают часть упомянутой энергии в виде паразитных поверхностных волн, распространяющихся вдоль печатной платы. Эти паразитные волны создают помехи для других элементов антенной решетки и, взаимодействуя друг с другом и электромагнитной волной основного принимаемого сигнала, уменьшают мощность принимаемого сигнала. Это отрицательно влияет на характеристики антенной решетки. Для уменьшения данного эффекта можно использовать различные метаповерхности, металлические экраны или стенки, устанавливаемые между упомянутыми элементами для их изолирования друг от друга. Однако, такие решения требуют точной механической сборки антенной решетки, являются сложными и трудозатратными.

Для предотвращения отражения поверхностных волн от края печатной платы антенной решетки и дальнейшего распространения отраженных волн элемент антенной решетки следует располагать на расстоянии, равном по меньшей мере его размеру, от упомянутого края антенной решетки. Кроме того, в некоторых случаях для блокировки распространения поверхностных/вытекающих волн вокруг антенного элемента располагают метаповерхность.

В уровне техники также известно применение многослойных EBG-структур (Electromagnetic Band Gap - структура по типу электромагнитного кристалла с электромагнитной запрещенной зоной, т.е. структура, формирующая область с невозможностью распространения электромагнитных волн определенного диапазона частот), реализованных в многослойных печатных платах для устранения волн помех. Однако, такое решение зачастую подразумевает использование дополнительной печатной платы с EBG-структурой, расположенной над печатной платой с антенным элементом. Сборка двух печатных плат требует высокой точности, что усложняет производство и приводит к дополнительным затратам, в том числе временным затратам.

Из предшествующего уровня техники известен документ CN100580994С, который раскрывает металлическое резонансное кольцо с открытым концом с эффектом отрицательной магнитной проницаемости, которое используется в микрополосковой антенне нового типа для улучшения характеристик антенны. Упомянутое металлическое резонансное кольцо с открытым концом имеет вложенную структуру между многоугольником и круглым одинарным кольцом или концентрическими двойными кольцами. Эффект запрещенной зоны металлического резонансного кольца с открытым концом может ограничить паразитное излучение поверхностной волны, возбуждаемой антенной и фидерной сетью, чтобы повысить излучение микрополосковой антенны. Однако, такое решение имеет узкую полосу пропускания. Кроме того, в данном решении отсутствуют металлизированные отверстия - МО (VIA), соединяющие кольцевые резонаторы со слоем заземления, что приводит к возможности возникновения поверхностных волн в подложке печатной платы.

Документ US11211709B2 описывает антенное устройство, включающее в себя патч-антенну, расположенную на наземном слое и электрически соединенную с одним концом переходного отверстия, и несколько связанных с ней патч-элементов. Множество проводящих элементов 130 может быть электромагнитно связано с первым патч-элементом 111 или вторым патч-элементом 112 и может улучшить электромагнитную изоляцию между патч-антенной 110 и соседним антенным устройством. Однако, в данном решении для формирования электромагнитного ответвителя 130 требуется использование более трех слоев. EBG-структура в данном решении также имеет более трех слоев. Кроме того, наличие многоуровневого (составного) патч-элемента также требует больше слоев в печатной плате. Сборка антенны в соответствии с данным решением требует высокой точности.

Документ US20210313710A1 описывает антенну, которая содержит слой заземления, первый и второй антенные элементы, при этом первый и второй антенные элементы выполнены с возможностью излучения и/или приема электромагнитного излучения расчетной длины волны с первым и вторым направлениями поляризации соответственно, причем второе направление поляризации отличается от первого, при этом первый и второй антенные элементы содержат каждый по паре резонаторных элементов, боковые стенки которых обращены к соответствующему зонду, расположенному в каждой паре резонаторных элементов, при этом один резонаторный элемент каждой пары резонаторных элементов является общим для первого и второго антенных элементов и соответствующие зонды первого и второго антенных элементов расположены на разных сторонах общего резонаторного элемента. Однако, данное решение имеет узкую полосу пропускания и работает только с линейной поляризацией.

В документе US20210050670A1 описано антенное устройство, которое включает в себя слой заземления, патч-антенны, питающие VIA, метаструктуры кольцевого типа и метаструктуры соединительного типа. Слой заземления имеет одно или несколько сквозных отверстий. Каждая патч-антенна расположена над слоем заземления. Питающие VIA расположены так, чтобы проходить через одно или несколько сквозных металлизированных отверстий и электрически соединяться с патч-антеннами, соответственно. Метаструктуры кольцевого типа располагаются между патч-антеннами. Метаструктуры соединительного типа попеременно располагаются между патч-антеннами в меньшем количестве, чем метаструктуры кольцевого типа, в позициях, более удаленных от патч-антенн, чем позиции, в которых расположены метаструктуры кольцевого типа. Однако, в данном решении для формирования электромагнитного ответвителя требуется использование более четырех слоев. EBG-структура в данном решении имеет более трех слоев. При этом данное решение работает с линейной поляризацией.

В статье Single-Layer Wideband Circularly Polarized Antenna Using Non-Uniform Metasurface for C-band Applications. Huy Hung Tran, Khoa Nguyen-Dang and Niamat Hussain. DOI:10.32604/cmc.2021.016027, CMC, 2021, vol.68, no.2 описана однослойная конструкция антенны с круговой поляризацией на основе неоднородной метаповерхности с широкополосной рабочей характеристикой. Помимо увеличения ширины полосы импеданса, неоднородная метаповерхность также генерирует две дополнительные полосы пропускания с круговой поляризацией в полосе высоких частот, что приводит к значительному улучшению общих характеристик антенны. Габаритные размеры элемента антенной решетки составляют 0,94×0,94×0,06 на центральной рабочей частоте. Однако, данное решение характеризуется большими размерами элементов метаповерхности. Кроме того, в данном решении отсутствуют переходные металлизированные отверстия (VIA), соединяющие элементы метаповерхности со слоем заземления, что приводит к возможности возникновения поверхностных волн в подложке печатной платы.

В статье Surface waves minimization in Microstrip Patch Antenna using EBG substrate. Naveen Jaglan, Samir Dev Gupta. 2015 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSC) проанализированы характеристики одной патч-антенны и решетки патч-антенн, встроенной в EBG-подложку с «грибообразными» EBG-элементами. Замечено, что характеристики реализованной антенны оказались лучше по сравнению с микрополосковой патч-антенной, использующей обычные подложки. Результаты моделирования показывают улучшения в обратных потерях, усилении, направленности, коэффициенте обратного излучения и эффективности излучения. Однако, в данной статье рассматривается упрощенная модель, не учитывающая схемы питания. Со схемами питания возникают другие паразитные явления. Кроме того, в данной статье рассматривается антенная решетка с одной линейной поляризацией.

В документе US8699234B2 раскрывается плата защиты от электромагнитных помех, в которую вставлена EBG-структура и которая включает в себя первую часть платы и вторую часть платы. Первая часть платы имеет верхнюю поверхность, на которой расположена электронная часть, и схему для передачи сигнала и питания на электронную часть. Вторая часть платы расположена на нижней поверхности первой части платы. Структура с электромагнитной запрещенной зоной вставлена во вторую часть платы и имеет характеристику ограничения полосы пропускания, так что шум электромагнитных помех, передаваемый от первой части платы, экранируется от излучения наружу платы защиты от электромагнитных помех. Однако, плата защиты от электромагнитных помех установлена только на нижней стороне, и, следовательно, данное решение не описывает какое-либо решение для подавления электромагнитных помех на верхней стороне, когда печатная плата содержит встроенные антенны.

Известно несколько технологий изготовления многослойных печатных плат. В распространенной технологии многослойные платы (с числом слоев металлизации более двух) собираются в виде вертикальной сборки двух- или однослойной печатной платы, называемой ядро, и размещенных с двух сторон слоев диэлектрического материала (препрег), которые склеивают с ядром после прессования и нагрева в печи. В дальнейшем выполняется сверление и металлизация переходных металлизированных отверстий (VIA). Для изготовления печатной платы с количеством слоев более 4 используют несколько ядер с пререгами между ними. В таком варианте могут быть выполнены только сквозные VIA через всю печатную плату. Эта технология является самой простой и доступной.

Известна также технология изготовления многослойной печатной платы повышенной плотности (HDI - high-density interconnect) с высокоплотными VIA, в которой используются micro blind VIA (другое название micro VIA) или «слепые» микро VIA. Микро VIA представляет собой переходное отверстие, соединяющее слои металлизации, чтобы можно было осуществлять соединения с контактами корпусов микросхем с высокой плотностью расположения выводов. Микро VIA могут размещаться между близко расположенными металлическими (проводящими) слоями, изолированными слоем препрега. Однако, технология HDI в данный момент является довольно сложной и затратной.

В технологии попарного прессования печатной платы переходные VIA в таких многослойных платах могут выполняться до прессования. Таким образом можно получать платы как со сквозными VIA, так и с так называемыми «глухими» и «слепыми» VIA (когда отверстие есть только между двумя соседними металлическими слоями), что позволяет упростить межслойные соединения. Такая технология является недорогой и более гибкой при проектировании антенн по сравнению с традиционной технологией.

Для традиционного элемента патч-антенны требуется три слоя металлизации: первый слой для патч-антенны, второй слой для заземления или экранирования антенны и третий слой для сигнальной линии. В таком случае оптимальной является технология попарного прессования для изготовления печатной платы. Улучшение характеристик такой антенны (подавления поверхностных и вытекающих волн, устранения краевого эффекта печатной платы) возможно посредством введения в ее конструкцию элементов структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-элементов), реализованных посредством VIA и определенного рисунка на слое металлизации, окружающих антенный элемент. Возможные реализации EBG-элементов, известные в уровне техники, изображены на виде сбоку поперечного сечения на фиг. 1. На фиг. 1а изображен реализованный на печатной плате антенный элемент с патч-антенной и расположенным рядом EBG-элементом, демонстрирующим примерный вариант реализации множества EBG-элементов, причем печатная плата выполнена по технологии многослойной печатной платы повышенной плотности (HDI). Такой вариант печатной платы является дорогим и сложным в изготовлении. На фиг. 1б изображен аналогичный реализованный на печатной плате антенный элемент, но печатная плата выполнена по технологии попарного прессования. Такой вариант является более простым, но не позволяет исключить распространение паразитных волн в подложке печатной платы.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры антенны с широким углом сканирования луча, низкими потерями, компактными размерами и высоким коэффициентом усиления.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена ячейка структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-ячейка), реализованная на печатной плате и включающая в себя:

- элемент структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-элемент) в виде проводящей площадки (T-EBG-элемент), расположенный на внешней стороне несущего слоя печатной платы;

- по меньшей мере два EBG-элемента, имеющих грибообразную форму (M-EBG-элементы), каждый из которых включает в себя проводящую площадку, расположенную на внутренней стороне упомянутого ядра номер один печатной платы напротив T-EBG-элемента, и основание в виде цилиндра, выполненного посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) и соединенного с проводящей площадкой M-EBG-элемента, причем второй конец VIA соединен с проводящей площадкой T-EBG-элемента; и

- слой заземления, расположенный напротив проводящих площадок M-EBG-элементов, отделенный от них слоем диэлектрика (препрег) и связанный с ними посредством емкостной связи.

Согласно одному варианту осуществления EBG-ячейка включает в себя четыре M-EBG-элемента, расположенных в виде квадратной матрицы 2х2.

Согласно другому варианту осуществления EBG-ячейки проводящие площадки M-EBG-элементов и T-EBG-элемента имеют форму квадрата.

Согласно другому варианту осуществления EBG-ячейки каждый M-EBG-элемент включает в себя несколько VIA, соединяющих проводящую площадку M-EBG-элемента с проводящей площадкой T-EBG-элемента.

Согласно второму аспекту изобретения предложена антенная решетка, реализованная на печатной плате и включающая в себя множество патч-антенн, причем между соседними патч-антеннами расположен по меньшей мере один ряд упомянутых выше EBG-ячеек.

Согласно одному варианту осуществления антенной решетки печатная плата представляет собой многослойную печатную плату, включающую в себя две двусторонние печатные платы, между которыми расположен препрег.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки между краем печатной платы и множеством патч-антенн расположены по меньшей мере два ряда упомянутых EBG-ячеек.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки патч-антенны расположены на одном слое с T-EBG-элементами и отделены от них зазором.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки T-EBG-элементы расположены на печатной плате, расположенной над патч-антеннами.

Настоящее изобретение позволяет получить антенную решетку с простой архитектурой, высоким КПД, низкими потерями, компактными размерами, высоким коэффициентом усиления, выполненную с возможностью осуществления фокусировки/сканирования луча в широком диапазоне углов сканирования, работающую в широком диапазоне частот.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает известные из уровня техники примерные варианты реализации антенного элемента с EBG-элементами, окружающими патч-антенну.

Фиг. 2 изображает общий вид антенной решетки (слева), реализованной на печатной плате, и одной гибридной EBG-ячейки (справа) в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 3 изображает вид сбоку поперечного сечения гибридной EBG-ячейки, реализованной на печатной плате, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 4 изображает эквивалентную схему простейшей гибридной EBG-ячейки в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 изображает альтернативный вариант расположения T-EBG-элементов в антенной решетке соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 изображает альтернативный вариант осуществления EBG-ячеек в антенной решетке в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание

В соответствии с примерным вариантом осуществления, изображенным на фиг. 2 и 3, настоящее изобретение представляет гибридную ячейку 1 структуры с электромагнитной запрещенной зоной (гибридную ячейку EBG-структуры или гибридную EBG-ячейку), реализованную на многослойной печатной плате и включающую в себя четыре EBG-элемента 2, имеющих грибообразную форму (M-EBG-элемент, Mushroom EBG), один EBG-элемент 3 в виде проводящей площадки или плитки (T-EBG-элемент, Tile EBG) и слой 4 заземления. Под термином «гибридная EBG-ячейка» в данной заявке подразумевается ячейка EBG-структуры, включающая в себя несколько разнородных EBG-элементов. T-EBG-элемент 3 представляет собой проводящую площадку (участок), расположенную на внешней стороне несущего слоя 7 («ядра») многослойной печатной платы, и иногда обозначается в данной области техники как «VIA-less EBG» или структура с электромагнитной запрещенной зоной с емкостной связью на землю. M-EBG-элемент 2 имеет грибообразную форму и включает в себя небольшую проводящую площадку 5 («шляпку гриба») и основание 6 («ножку гриба») в виде цилиндра, выполненного посредством VIA (переходное металлизированное отверстие) и соединенного с центром упомянутой проводящей площадки. Проводящие площадки M-EBG-элементов 2 в примерном варианте осуществления расположены в виде квадратной матрицы 2х2 на внутренней стороне упомянутого несущего слоя 7 многослойной печатной платы напротив T-EBG-элемента 3 и соединены с T-EBG-элементом 3 посредством своих VIA 6. С другой стороны напротив проводящих площадок M-EBG-элементов 2 расположен слой 4 заземления, отделенный от них слоем 8 диэлектрика, например, слоем препрега, т.е. гальванически изолированный от них. При этом M-EBG-элементы 2 связаны со слоем 4 заземления посредством емкостной связи в препреге, расположенном между ними. Таким образом, T-EBG-элемент 3 негальваническим образом связан со слоем 4 заземления через M-EBG-элементы 2.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, проводящие площадки M-EBG-элементов и T-EBG-элемента имеют форму квадрата. Математическое моделирование показало, что в таком варианте осуществления может быть получена гибридная EBG-ячейка, длина и ширина которой составляет (), где - длина волны в свободном пространстве рабочего диапазона частот антенны. В случае передающей антенны подразумевается длина волны излучения от антенны, а в случае приемной антенны подразумевается длина волны излучения, на прием которой спроектирована антенна. Таким образом, EBG-ячейка в соответствии с настоящим изобретением имеет компактные размеры.

При этом стоит отметить, что форма проводящей площадки в зависимости от варианта осуществления может быть круглой, квадратной, прямоугольной, треугольной, шестиугольной и т.д. Размеры и форма площадки влияют на эквивалентную емкость в соответствии с эквивалентной схемой EBG-элемента, определяющую диапазон запрещенной зоны, и выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. Например, математическое моделирование показало, что в варианте осуществления, в котором проводящие площадки M-EBG-элементов имеют круглую форму, гибридная EBG-ячейка имеет более узкую запрещенную зону (band gap) и более крупные размеры ().

Хотя в примерном варианте осуществления выше описана EBG-ячейка 1, включающая в себя четыре M-EBG-элемента 2, расположенных в виде квадратной матрицы 2х2, в альтернативных вариантах осуществления возможно использование другого количества M-EBG-элементов. M-EBG-элементы в ячейке могут быть расположены как в виде квадратной, так и в виде прямоугольной матрицы.

В простейшем случае, EBG-ячейка включает в себя два M-EBG-элемента, расположенных в виде матрицы 2х1, т.к. для функционирования EBG-ячейки необходим по меньшей мере один зазор между проводящими площадками M-EBG-элементов, имеющий емкость, соответствующую конденсатору в LC-контуре эквивалентной схемы EBG-ячейки, описанной далее.

Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления каждый из M-EBG-элементов может быть соединен с T-EBG-элементом посредством VIA, количество которых превышает единицу. При этом упомянутые VIA могут располагаться произвольно в пределах технических требований на производство печатной платы.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложена антенная решетка, реализованная на печатной плате и включающая в себя патч-антенны и множество описанных выше гибридных EBG-ячеек, расположенных вокруг каждой из упомянутых патч-антенн, отделяя их друг от друга. Таким образом, смежные патч-антенны антенной решетки отделены друг от друга по меньшей мере одним рядом гибридных EBG-ячеек. Расстояние между соседними EBG-ячейками выбирается таким, чтобы обеспечивать ограничение распространения паразитных волн (запрещенную зону, band gap). Дисперсионная диаграмма показывает на каких частотах может быть обеспечено такое ограничение.

В простейшем варианте осуществления EBG-ячеек, включающем в себя два M-EBG-элемента, расположенных в виде матрицы 2х1, упомянутая матрица расположена поперек зазора между патч-антеннами, таким образом блокируя распространение паразитных волн между патч-антеннами.

Оптимальным вариантом печатной платы для такой антенной решетки является многослойная печатная плата, состоящая из двух двусторонних печатных плат, между которыми расположен препрег. Каждая из этих печатных плат имеет два металлических слоя, расположенных на противоположных сторонах печатной платы. Таким образом, каждая из двусторонних печатных плат является несущим слоем для многослойной печатной платы. Такая многослойная печатная плата может быть произведена методом попарного прессования, который является простым и недорогим.

На фиг. 4 изображена эквивалентная схема простейшей гибридной EBG-ячейки в соответствии с настоящим изобретением. Области между проводящими площадками M-EBG-элементов в ячейке, а также между проводящими площадками M-EBG-элементов и слоем заземления характеризуются емкостными свойствами, а области VIA, проводящей площадки T-EBG-элемента и слоя заземления имеют индуктивные свойства. Таким образом, M-EBG-элемент образует параллельный колебательный LC-контур, резонансная частота которого настроена на рабочий диапазон частот и обеспечивает затухание паразитных волн. Связь площадок M-EBG-элементов c внутренним металлическим слоем заземления формирует T-EBG-элемент, который в упрощенном виде представляет другой M-EBG-элемент, настроенный на подавление волн. Верхние три индуктивности и конденсатор между площадками M-EBG-элементов в изображенной эквивалентной схеме являются элементами ее колебательного контура. Нижние два конденсатора и индуктивность, совместно с колебательным контуром M-EBG-элементов, составляют колебательный контур T-EBG-элемента с резонансной частотой в рабочей полосе частот.

Соответственно, гибридные EBG-ячейки, формирующие EBG-структуру, блокируют распространение паразитных волн на требуемых частотах между патч-антеннами антенной решетки за счет формирования в рабочем диапазоне частот зоны запирания. В частности, как изображено на фиг. 3, T-EBG-элемент предотвращает распространение вытекающих волн, которые распространяются над поверхностью печатной платы. В то же время M-EBG-элементы предотвращают распространение поверхностных волн, которые распространяются в подложке печатной платы. В результате элементы антенной решетки имеют низкую взаимосвязь с соседними элементами, что положительно сказывается на характеристиках антенной решетки.

Для устранения краевого эффекта, характеризующегося отражением паразитных волн (помех) от края печатной платы и распространением таких отраженных волн в печатной плате, в одном варианте осуществления между краем печатной платы и множеством патч-антенн, входящих в состав антенной решетки, расположены по меньшей мере два ряда упомянутых гибридных EBG-ячеек. EBG-ячейки подавляют распространение упомянутых паразитных волн, предотвращая достижение ими края печатной платы и их отражение. Для формирования полноценного резонатора необходимо по меньшей мере две проводящие площадки, соединенные через металлизированные отверстия с общим металлическим слоем (земля) и имеющие зазор (воздух/диэлектрик). Распространение волны блокируется в направлении поперек зазора образуемого двумя площадками. В случае одного ряда EBG-ячеек такого зазора нет, и волны блокируются внутри диэлектрика, но не на поверхности. Расстояние между рядами EBG-ячеек выбирается исходя из полученной дисперсионной диаграммы и отсутствия мод в рабочем диапазоне антенной решетки.

Количество рядов EBG-ячеек между патч-антеннами, а также между патч-антеннами и краями печатной платы может быть увеличено для усиления блокировки распространения паразитных волн, но это приводит также и к увеличению размеров антенной решетки.

В общем случае патч-антенны расположены на одном слое с T-EBG-элементами и отделены от них зазором. Однако, в одном из вариантов реализации изобретения предлагается способ компактного размещения T-EBG-элементов 3 ячейки в антенной решетке. Чтобы уменьшить зазор между патч-антенной и окружающими ее T-EBG-элементами 3, предлагается перенести T-EBG-элементы на отдельную печатную плату. Таким образом, T-EBG-элементы 3 окажутся выше поверхности, на которой располагается патч-антенна. И зазор между патч-антенной и T-EBG-элементами 3, который ранее располагался горизонтально (в одной плоскости с патч-антенной и T-EBG-элементами), будет располагаться вертикально (см. фиг. 5). При использовании такого способа можно дополнительно реализовать соединение между слоями плат как емкостное соединение. Вертикально соединяющие проводники, выполненные в виде VIA, могут быть снабжены пластинами, непосредственно прилегающими друг к другу и находящимися на разных платах. В таком случае нет необходимости пайки пластин или контактных площадок в местах сопряжения печатных плат (см. фиг. 6).

Далее будет описано функционирование настоящего изобретения.

Передающая антенна излучает электромагнитные волны, которые поступают на элементы антенной решетки (патч-антенны) и края антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением. Элементы антенной решетки принимают электромагнитные волны и передают полученный сигнал далее через VIA. Часть электромагнитных волн отражается от неоднородностей и распространяется в качестве поверхностных и вытекающих волн по печатной плате. Гибридные EBG-ячейки, расположенные между патч-антеннами, а также между патч-антеннами и краями печатной платы, блокируют распространение поверхностных и вытекающих волн, тем самым увеличивая изоляцию между патч-антеннами. Поверхностные и вытекающие волны, отражаемые от краев печатной платы, также блокируются гибридными EBG-ячейками.

Математическое моделирование показало, что настоящее изобретение позволяет повысить коэффициент усиления, направленность патч-антенн, степень изоляции патч-антенн друг от друга и понизить обратные потери.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет повысить эффективность антенной решетки и снизить потери, расширить диапазон сканирования и полосу рабочих частот. При этом антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением имеет компактные размеры, а также простую и недорогую архитектуру, подходящую для массового производства.

Антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением является совместимой с технологией AiP (Antenna-in-Package).

Антенная решетка согласно настоящему изобретению предназначена для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. Однако, альтернативно могут быть использованы любые диапазоны длин волн, для которых возможно осуществить излучение и управляемую направленность электромагнитных волн. Например, в качестве альтернативы может быть использовано коротковолновое, субмиллиметровое (терагерцовое) излучение и т.д.

Компактные и высокоэффективные системы с управляемой антенной решеткой в соответствии с настоящим изобретением могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов WiPo (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц). При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов. В этом случае базовая станция реализует управление лучом с разделением по времени между пользователями. Максимум луча антенн терминала пользователя отклоняется при этом на позицию антенны базовой станции.

Настоящее изобретение может найти применение в системах беспроводной передачи мощности (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 луча для передачи мощности устройствам, находящимся в дальней зоне антенны передатчика.

При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенну для обнаружения и зарядки мобильных устройств с учетом препятствий.

Настоящее изобретение также может использоваться в радарах автономных транспортных средств.

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.

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.

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.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

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.

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.

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.

Claims (12)

1. Ячейка структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-ячейка), реализованная на печатной плате и включающая в себя:

- элемент структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG-элемент) в виде проводящей площадки (T-EBG-элемент), расположенный на внешней стороне несущего слоя печатной платы;

- по меньшей мере два EBG-элемента, имеющих грибообразную форму (M-EBG-элементы), каждый из которых включает в себя проводящую площадку, расположенную на внутренней стороне упомянутого несущего слоя печатной платы напротив T-EBG-элемента, и основание в виде цилиндра, выполненного посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) и соединенного с проводящей площадкой M-EBG-элемента, причем второй конец VIA соединен с проводящей площадкой T-EBG-элемента; и

- слой заземления, расположенный напротив проводящих площадок M-EBG-элементов, отделенный от них слоем диэлектрика и связанный с ними посредством емкостной связи.

2. EBG-ячейка по п.1, включающая в себя четыре M-EBG-элемента, расположенных в виде квадратной матрицы 2х2.

3. EBG-ячейка по п.1, в которой проводящие площадки M-EBG-элементов и T-EBG-элемента имеют форму квадрата.

4. EBG-ячейка по п.1, в которой каждый M-EBG-элемент включает в себя несколько VIA, соединяющих проводящую площадку M-EBG-элемента с проводящей площадкой T-EBG-элемента.

5. Антенная решетка, реализованная на печатной плате и включающая в себя множество патч-антенн, причем между соседними патч-антеннами расположен по меньшей мере один ряд EBG-ячеек по любому из пп. 1-4.

6. Антенная решетка по п.5, причем печатная плата представляет собой многослойную печатную плату, включающую в себя две двусторонние печатные платы, между которыми расположен препрег.

7. Антенная решетка по п.5, причем между краем печатной платы и множеством патч-антенн расположены по меньшей мере два ряда упомянутых EBG-ячеек.

8. Антенная решетка по п.5, причем патч-антенны расположены на одном слое с T-EBG-элементами и отделены от них зазором.

9. Антенная решетка по п.5, причем T-EBG-элементы расположены на печатной плате, расположенной над патч-антеннами.