ГРЕБНЕВЫЙ ВОЛНОВОД БЕЗ БОКОВЫХ СТЕНОК НА БАЗЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ И СОДЕРЖАЩАЯ ЕГО МНОГОСЛОЙНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2019 года по МПК H01Q21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к гребневому волноводу без боковых стенок и к многослойной антенной решетке миллиметрового диапазона на базе реализованных в печатных платах волноводов со штырьевыми стенками (SIW, Substrate Integrated Waveguide) и гребневых волноводов без боковых стенок (RGW, Ridge Gap Waveguide).

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий в области связи и в смежных областях. В настоящее время ведется активная разработка систем, использующих связь в миллиметровом диапазоне волн, таких как системы передачи данных 5G и WiGig, работающие, соответственно, в диапазонах 28 ГГц и 60 ГГц, системы беспроводной передачи энергии на большие расстояния (LWPT), работающие в диапазоне ISM 24 ГГц, автомобильные радиолокационные системы, работающие в диапазонах 24 ГГц и 79 ГГц. Все эти и подобные системы нуждаются в высокоэффективных, функциональных и при этом простых и надежных компонентах, пригодных для массового производства. Особое место среди таких компонентов занимают антенные компоненты и антенны в целом. К антеннам миллиметрового диапазона предъявляются следующие требования:

- низкие потери в антенне;

- высокий коэффициент усиления;

- гибкая возможность управления лучом: широкие углы формирования диаграммы направленности и фокусировки;

- несложная, дешевая, компактная, повторяемая аппаратная конструкция, применимая для массового производства.

С учетом требований к функционалу, наиболее целесообразным является применение антенных решеток. Однако существующие архитектуры антенных решеток при попытке их адаптации к миллиметровому диапазону волн оказываются либо слишком дорогими (активные антенны), либо слишком громоздкими и требующими электрического контакта между различными частями антенны (например, антенны на основе волноводов). Соответственно, антенные решетки миллиметрового диапазона, созданные с применением унаследованных архитектур, подходят в основном лишь для оборонной и аэрокосмической промышленности из-за высокой стоимости и больших размеров.

В частности, одной из основных проблем известных решений является то, что с ростом частоты значительно ухудшается эффективность антенны из-за увеличения потерь в цепях питания, в том числе, вследствие слабых электромагнитных свойств существующих материалов, которые ранее использовались для СВЧ-систем. Еще большей проблемой это становится в силу того, что любое увеличение сложности, которое позволило бы справиться с большими потерями, как правило, ведет к увеличению размеров антенны, что не является оптимальным решением, исходя из указанных выше требований. В поисках компромисса между сложностью и уровнем потерь могут рассматриваться структуры антенн на базе разных известных типов волноводов, ключевые параметры которых сведены в таблице 1.

Таблица 1

Архитектура Размер, мм x мм Диэлектри-ческая проница-емость подложки, тангенс угла потерь Материал, шерохова-тость поверх-ности Потери в антенне, дБ/см при 24 ГГц Прямоугольный волновод с воздушным заполнением
(Фиг. 1A) 8×2,5 1,0
0 Медь
5 мкм 0,0085 Прямоугольный волновод с диэлектрическим заполнением 5×2,5 2,50,
0,0015 Медь
5 мкм 0,069 Волновод со штырьевыми стенками на базе печатной платы (SIW) (Фиг. 1B) 5×2,5 2,50,
0,0015 Медь
5 мкм 0,111 Микрополосковая линия 0,45×0,203 3,55,
0,003 Медь
5 мкм 0,3-0,4 Гребневый волновод без боковых стенок (RGW) на базе печатной платы (Фиг. 1C) 3,2×2,5 2,50,
0,0015 Медь
5 мкм 0,083 RGW-волновод на базе металлической EBG-структуры (Фиг. 1D) 3,4×3,7 1,0
0 Медь
5мкм 0,05 Прямоугольный волновод c EBG-стенками (Kishk) 8×2,5 1,0
0 Медь
5 мкм 0,03

В таблице 1 жирным выделены нежелательные параметры. Например, волновод с воздушным заполнением (Фиг. 1A) является довольно громоздким для антенной решетки, так как его ширина сравнима с расстоянием между антенными элементами. Более того, типичные волноводы с воздушным заполнением весьма чувствительны к контактам металлических деталей, то есть при ненадлежащем контакте между частями антенны могут возникать дополнительные потери из-за утечек (Фиг. 2A). Антенна, изготовленная с использованием многослойной печатной платы, требует дополнительной точности, но в любом случае вносит дополнительные потери. Соответственно, для многих устройств миллиметрового диапазона предпочтительна была бы структура, позволяющая использовать бесконтактное сопряжение волноведущих элементов. Тем не менее, все металлические волноводы с EBG-структурами (структурами по типу электромагнитного кристалла) (например, Фиг. 1C) ограничены возможностями механической обработки, то есть для обеспечения приемлемых характеристик устройства требуется высокая точность изготовления элементов EBG-волновода (Фиг. 2B, 2C).

Таким образом, существующие архитектурные решения для создания антенных решеток в той или иной степени непригодны для разрабатываемых систем миллиметрового диапазона.

Например, в известных из уровня техники волноводных структурах, реализованных в узком зазоре между двумя параллельными проводящими поверхностями (US 9,806,393 B2, 31.10.2017; US 2017/0084971 A1, 23.03.2017) с использованием текстурной или многослойной структуры на одной из поверхностей, требуется проведение высокоточной механической обработки, что приводит к очень большой сложности, времени и стоимости изготовления.

Другим известным техническим решением в данной области является публикация N. Bayat-Makou, A. Kishk. Contactless Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Volume: 66, Issue: 6, June 2018). В этом документе впервые введена бесконтактная альтернатива SIW-волноводу с воздушным заполнением (AF-SIW). Обычная конфигурация AF-SIW требует точного и безупречного соединения покрывающих слоев с промежуточной подложкой. Для эффективной работы на высоких частотах это требует сложного и дорогостоящего процесса изготовления. В данной конфигурации (Фиг. 3А-3B) волновод представляет собой верхний и нижний проводящие слои, между которыми содержится среда с воздушным заполнением, а по бокам расположены печатные платы. Верхний и нижний слои этих встроенных печатных плат модифицированы так, чтобы получить условия искусственного магнитного проводника (AMC). Поверхности AMC с обеих сторон подложки волновода выполнены в виде периодической структуры с особым типом элементарных ячеек. Образованные тем самым пластины AMC, лежащие в области подложки параллельно проводящим слоям, предотвращают утечку за пределы волновода. Ширина такого волновода составляет около λ/2, тогда как изготовить антенную решетку с шагом λ/2 довольно трудно.

Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании антенной решетки, в которой были бы устранены следующие недостатки существующих решений:

- высокие потери;

- большие размеры;

- высокая сложность изготовления;

- сильная зависимость от качества контакта между проводящими элементами.

Сущность изобретения

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание многослойной антенной решетки с использованием волновода со штырьевыми стенками на базе печатной платы (SIW) и гребневого волновода без боковых стенок (RGW). В процессе создания изобретения также предложен новый тип гребневого волновода без боковых стенок, который может быть использован и как компонент антенной решетки, и как компонент иных подходящих устройств в миллиметровом диапазоне.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен RGW-волновод, содержащий проводящее основание, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень; верхнюю проводящую стенку, расположенную над гребнем и основанием и отделенную от них зазором; и EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла) на основе первой двухсторонней печатной платы, расположенную внутри волновода в области вокруг гребня.

В одном из вариантов осуществления EBG-структура отделена от гребня, от основания и от верхней стенки воздушным зазором.

В одном из вариантов осуществления RGW-волновод дополнительно содержит: разделители, расположенные между EBG-структурой и основанием и/или верхней стенкой, которые фиксируют EBG-структуру и обеспечивают воздушный зазор между EBG-структурой и основанием и/или верхней стенкой.

В одном из вариантов осуществления в качестве разделителей на внутренней поверхности основания и/или на внутренней поверхности верхней стенки выполнены выступы.

В одном из вариантов осуществления разделители расположены так, чтобы не замыкать между собой соседние ячейки EBG-структуры.

В одном из вариантов осуществления EBG-структура содержит множество электрически несвязанных ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки, причем каждая ячейка содержит: расположенные параллельно друг другу проводящие участки в рамках верхнего и нижнего проводящих слоев первой двухсторонней печатной платы; и проводящий элемент, проходящий сквозь толщу диэлектрического слоя первой двухсторонней печатной платы и соединяющий между собой упомянутые проводящие участки.

В одном из вариантов осуществления проводящий элемент ячейки EBG-структуры выполнен в виде сквозного металлизированного отверстия (VIA).

В одном из вариантов осуществления в первой двухсторонней печатной плате выполнены выемки для размещения в них гребня RGW-волновода.

В одном из вариантов осуществления гребень выполнен с изменяющейся геометрией для обеспечения фильтрации заданных частот.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложена антенная решетка, содержащая: волноводную секцию, выполненную в виде RGW-волновода по первому аспекту и содержащую порт возбуждения, соединенный с гребнем RGW-волновода; и наложенную на нее резонаторную секцию, содержащую по меньшей мере один SIW-резонатор (резонатор на основе волновода со штырьевыми стенками) на основе второй двухсторонней печатной платы, причем упомянутый по меньшей мере один SIW-резонатор содержит: входной слой, который представляет собой нижний проводящий слой второй двухсторонней печатной платы, который служит в качестве нижней стенки резонаторной полости и одновременно служит в качестве верхней стенки RGW-волновода и который содержит один или более входных портов SIW-резонатора; выходной слой, который представляет собой верхний проводящий слой второй двухсторонней печатной платы, который служит в качестве верхней стенки резонаторной полости и который содержит один или более соответствующих выходных портов SIW-резонатора; и промежуточный слой, который представляет собой диэлектрический слой второй двухсторонней печатной платы и который содержит множество проводящих элементов, соединяющих между собой входной и выходной слои и образующих в совокупности боковые стенки резонаторной полости.

В одном из вариантов осуществления входные порты и выходные порты упомянутого по меньшей мере одного SIW-резонатора выполнены в виде щелей в соответствующих проводящих слоях второй двухсторонней печатной платы.

В одном из вариантов осуществления проводящие элементы в промежуточном слое резонаторной полости выполнены в виде сквозных металлизированных отверстий (VIA).

В одном из вариантов осуществления антенная решетка дополнительно содержит: излучающую секцию, выполненную на основе односторонней печатной платы, наложенную на резонаторную секцию и содержащую: диэлектрический слой, который одной стороной наложен на выходной слой резонаторной секции и который является диэлектрическим слоем упомянутой односторонней печатной платы; и слой излучателей, расположенный с другой стороны диэлектрического слоя и содержащий патч-излучатели, выполненные в рамках проводящего слоя упомянутой односторонней печатной платы напротив каждого из выходных портов резонаторной секции.

В одном из вариантов осуществления порт возбуждения расположен в центре RGW-волновода.

В одном из вариантов осуществления количество SIW-резонаторов составляет два или более, и гребень RGW-волновода выполнен в виде делителя мощности для подвода мощности ко входным портам каждого из SIW-резонаторов с одинаковой амплитудой и фазой.

В одном из вариантов осуществления расстояние между проводящими элементами в промежуточном слое SIW-резонатора выбрано так, чтобы предотвратить утечку мощности за пределы резонатора.

В одном из вариантов осуществления SIW-резонатор содержит дополнительные проводящие элементы, размещенные в его полости и предназначенные для согласования SIW-резонатора.

В одном из вариантов осуществления антенная решетка дополнительно содержит: разделители, расположенные между излучающей секцией и резонаторной секцией и обеспечивающие между ними воздушный зазор.

Настоящее изобретение обеспечивает компоненты, которые способны работать в мм-диапазоне и ТГц-диапазоне, являются простыми в изготовлении, компактными и недорогими, демонстрируя при этом улучшенные характеристики по сравнению с решениями, известными из уровня техники.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1A-1D показаны некоторые традиционные типы волноводов для миллиметрового диапазона волн.

На Фиг. 2A-2C показаны особенности некоторых традиционных типов волноводов.

На Фиг. 3A-3B показан известный бесконтактный AF-SIW-волновод.

На Фиг. 4 показано схематическое представление слоев фрагмента антенной решетки согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 5 показаны особенности структуры антенны согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 6 показано схематическое представление вида сверху антенной решетки согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 7 представлено детальное изображение потока мощности в антенне.

На Фиг. 8 показан график рабочей полосы частот антенны.

На Фиг. 9 показан пример диаграммы направленности антенны.

На Фиг. 10 приведена модель диаграммы излучения предложенной антенной решетки.

На Фиг. 11A изображен пример участка RGW-волновода.

На Фиг. 11B показана конструкция элементарной ячейки EBG-структуры.

На Фиг. 12 приведены пояснения зоны запирания в RGW-волноводе.

На Фиг. 13 приведены некоторые размеры RGW-волновода.

На Фиг. 14A-14B показаны варианты осуществления разделителей.

На Фиг. 15A-15B показан разброс параметров RGW-волновода в зависимости от размеров воздушного зазора.

На Фиг. 16A-16C показаны возможные положения EBG-структуры относительно верхней и нижней стенок RGW-волновода.

На Фиг. 17A-17D показаны примеры различных вариантов осуществления ячеек EBG-структуры.

На Фиг. 18 показан пример формирования фильтрующей структуры в рамках RGW-волновода путем изменения геометрии гребня.

Подробное описание

На Фиг. 4 показано схематическое представление слоев фрагмента антенной решетки согласно настоящему изобретению. Антенная решетка содержит наложенные друг на друга волноводную секцию 1, резонаторную секцию 2 и опциональную излучающую секцию 3. Волноводная секция 1 выполнена в виде гребневого волновода без боковых стенок (RGW), в котором области вокруг гребня 4 заполнены EBG-структурой 5 (структурой по типу электромагнитного кристалла) на базе печатной платы. RGW-волновод представляет собой структуру, содержащую проводящее основание 6, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень 4. Резонаторная секция 2 выполнена в виде SIW-резонатора на базе печатной платы, содержащего три слоя: входной слой 7, промежуточный слой 8 и выходной слой 9. Во входном слое 7 расположен один или более входных портов 10 SIW-резонатора, выполненных в виде непроводящих участков (щелей) проводящего слоя печатной платы. В выходном слое 9 расположены выходные порты 11 SIW-резонатора, выполненные в виде непроводящих участков (щелей) проводящего слоя печатной платы. В промежуточном слое 8, который представляет собой диэлектрический слой печатной платы, выполнены штырьки 12, проходящие между входным слоем 7 и выходным слоем 9 и образующие в совокупности боковые стенки резонаторной полости. Излучающая секция 3 содержит диэлектрический слой 13, который одной стороной накладывается на выходной слой 9 резонаторной секции 2, а с другой стороны диэлектрического слоя 13 содержит слой излучателей, в котором расположены патч-излучатели 14, выполненные в виде проводящих участков (микрополосков) проводящего слоя печатной платы.

Далее на Фиг. 5 показаны особенности структуры антенны согласно настоящему изобретению. Так, показано, что EBG-структура 5 может быть выполнена на базе двухсторонней печатной платы. В этой печатной плате должны быть предусмотрены выемки для размещения в них гребня RGW-волновода. Резонаторная секция также может быть выполнена на базе двухсторонней печатной платы. Излучающая секция (она является опциональной) может быть выполнена на базе односторонней печатной платы. Входной (нижний) слой резонаторной секции служит верхней стенкой RGW-волновода, а выходной (верхний) слой резонаторной секции служит нижним проводящим слоем для патч-элементов, расположенных в излучающей секции. Печатные платы должны быть отделены друг от друга и от основания RGW-волновода разделителями 15, обеспечивающими заданный воздушный зазор. То есть антенная решетка согласно настоящему изобретению содержит всего две (или три при наличии необязательной излучающей секции) простейших печатных платы и одну простую механическую деталь. Все части антенны не требуют наличия между собой непосредственного контакта. Такая структура существенно упрощает процесс производства и снижает требования к точности и технологическим допускам.

На Фиг. 6 показано схематическое представление вида сверху антенной решетки согласно настоящему изобретению. В частности, показан пример антенной решетки размером 8×8 элементов, в которой элементарной ячейкой 2×2 является структура, показанная на Фиг. 4. Для удобства понимания антенная решетка условно поделена на 4 равных квадранта: в верхнем правом квадранте показана только резонаторная секция, в нижнем правом квадранте показана волноводная секция с наложенной на нее резонаторной секцией, в верхнем левом квадранте показана резонаторная секция с наложенной на нее излучающей секцией, и, наконец, в нижнем левом квадранте показаны все три секции.

По центру антенны в волноводной секции 1 располагается порт 16 возбуждения, который может быть, например, волнолноводным (прямоугольный волновод) или коаксиальным и через который на антенну поступает питание. Также в волноводной секции 1 размещен волноводный делитель 17, выполненный из подходящих участков RGW-волновода, с тем чтобы доставить питание от порта 16 возбуждения ко входным портам 10 каждого из 16 SIW-резонаторов 18 с одинаковой фазой и амплитудой. В RGW-волноводе из проводящего основания 6 вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень 4, который, будучи надлежащим образом разведен вдоль основания 6, и формирует тем самым волноводный делитель 17. Гребень 4 в сечении может иметь прямоугольную, квадратную или любую другую форму и размеры, подходящие для того, чтобы обеспечить прохождение волны через волноводный делитель 17 без потерь. Области вокруг гребня 4 в волноводной секции 1 заполнены EBG-структурой 5 на базе печатной платы. EBG-структура 5 может быть отделена от гребня 4, от основания 6 RGW-волновода и от резонаторной секции 2 воздушным зазором. EBG-структура 5 блокирует утечку из RGW-волновода во внешнее пространство.

Каждый SIW-резонатор 18 выполняет деление мощности и подает часть полученной от RGW-волновода мощности (1/4 в показанном примере) через резонаторную полость, образованную проводящими штырьками, на каждый из своих выходных портов 11 с одинаковой фазой и амплитудой. Входные порты 10 и выходные порты 11 SIW-резонаторов 18 могут быть выполнены в виде щелей требуемого размера и формы в соответствующих проводящих слоях печатной платы. Штырьки 12 могут представлять собой сквозные металлизированные отверстия (VIA) или любые иные подходящие проводящие элементы, проходящие между входным и выходным слоем SIW-резонатора. Расстояние между штырьками выбирается так, чтобы предотвратить утечку мощности за пределы резонатора. Размеры SIW-резонатора выбираются так, чтобы создать в его полости режим бегущей волны, при котором он будет работать в нагруженном на выходные порты режиме, то есть режиме с малыми потерями. Согласование SIW-резонатора может быть осуществлено с помощью дополнительных штырьков, размещенных в его полости.

Далее происходит либо сразу излучение из выходных портов 11 SIW-резонаторов 18, либо, при наличии излучающей секции 3, излучение с использованием антенных элементов 14 излучающей секции 3.

Детальное изображение потока мощности в антенне представлено на Фиг. 7. Жирными прямыми стрелочками показаны линии электрического поля, тонкими фигурными стрелочками показано направление потока мощности вдоль элементов антенны. Сначала от порта 16 возбуждения мощность проходит вдоль гребня внутри RGW-волновода ко входным портам (позиция 10, обведен жирной пунктирной линией) резонаторов, то есть к щелям в нижнем слое печатной платы резонаторной секции. За счет EBG-структуры мощность не вытекает за пределы волновода, а полностью поступает в резонаторы. Затем вдоль резонаторной полости, ограниченной штырьками 12 и верхним и нижним слоями печатной платы резонаторной секции, мощность проходит на выходные порты (позиция 11, обведены жирной пунктирной линией) резонаторов, то есть к щелям в верхнем слое печатной платы резонаторной секции. Как указывалось выше, затем происходит либо сразу излучение мощности из выходных портов резонаторов, либо, при наличии излучающей секции, излучение с использованием патч-элементов 14.

За счет того, что порты SIW-резонаторов выполнены в виде щелей в проводящих слоях печатной платы, обеспечивается удобное соединение SIW-резонаторов с RGW-волноводом и с излучающими патч-элементами без необходимости прямого контакта, а также синфазное возбуждение апертуры антенной решетки (SIW-резонаторы и патч-элементы возбуждаются в центральных точках, где собственное электрическое поле равно нулю).

В целом, например, если оценить вносимые потери в цепи питания представленной антенны, то для конфигурации 8×8 антенных элементов с расстоянием 0,6 λ между элементами и с расположением порта возбуждения по центру волноводной секции, среднее расстояние от порта возбуждения до каждого элемента составит примерно 7 * 0,6 λ, то есть 5,25 см при частоте 24 ГГц и длине волны 1,25 см. Традиционное решение на базе микрополосковой линии передачи показало бы при таких условиях вносимые потери на уровне 2,1 дБ (эффективность 62%), тогда как настоящее изобретение демонстрирует уровень вносимых потерь 0,3 дБ (эффективность 93%). Что касается рабочей полосы частот, то соответствующий график показан на Фиг. 8, из которой видно, что полоса частот по уровню S11 < -10 дБ составляет приблизительно 15%. В силу того, что излучающие элементы распределены симметрично по поверхности антенной решетки, она обладает высокой точностью формирования диаграммы направленности с низким уровнем боковых лепестков в широком диапазоне углов сканирования. Пример диаграммы направленности показан на Фиг. 9. Эффективность излучения отдельной показанной выше ячейки из 2×2 антенных элементов составляет более 93% в рабочей полосе частот. Модель диаграммы излучения предложенной антенной решетки приведена на Фиг. 10. Как можно заметить, антенна демонстрирует высокую симметрию в диаграмме излучения.

Таким образом, антенная решетка согласно настоящему изобретению является масштабируемой, компактной и широкополосной и обладает малыми потерями и улучшенными характеристиками формирования диаграммы направленности и при этом может успешно использоваться для приложений в миллиметровом и в ТГц-диапазонах.

Следует отметить, что предложенная антенна может эффективно работать даже без излучающей секции. Наличие же излучающей секции позволяет расширить рабочую полосу частот антенны.

Далее будет более подробно рассмотрена волноводная секция антенны согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 11A изображен пример участка RGW-волновода. RGW-волновод представляет собой структуру, содержащую проводящее основание, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень. Над гребнем и основанием расположена верхняя проводящая стенка RGW-волновода (в составе предложенной выше антенны в качестве верхней стенки RGW-волновода выступает входной (нижний) слой резонаторной секции). Области вокруг гребня внутри волновода заполнены EBG-структурой, которая может быть отделена от гребня, от основания RGW-волновода и от верхней стенки воздушным зазором.

EBG-структура содержит множество электрически несвязанных ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки. Конструкция элементарной ячейки EBG-структуры показана на Фиг. 11B. В частности, как указывалось выше, EBG-структура выполнена на базе двухсторонней печатной платы. Элементарная ячейка содержит расположенные параллельно друг другу проводящие участки верхнего и нижнего проводящих слоев печатной платы, соединенные между собой проводящим элементом, проходящим сквозь толщу диэлектрического слоя печатной платы - например, сквозным металлизированным отверстием (VIA). Размеры и форма проводящих участков выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения.

EBG-структура блокирует распространение волн (утечку) на требуемых частотах из RGW-волновода во внешнее пространство за счет формирования, в рабочем диапазоне частот, зоны запирания (bandgap) в области между основанием и верхней стенкой RGW-волновода (Фиг. 12). Как видно из представленного на Фиг. 12 графика зависимости частоты пропускаемого через EBG-структуру сигнала от сдвига фазы, реализованного в каждой ячейке этой структуры, в определенном диапазоне частот (в зоне запирания, которая располагается между двумя параллельными линиями на вертикальной оси) в данной структуре невозможно распространение волн.

В качестве примера на Фиг. 13 приведены некоторые размеры RGW-волновода, при которых обеспечиваются наилучшие характеристики. В частности, для рабочей частоты 24ГГц при воздушном зазоре 0,5 мм от EBG-структуры до основания волновода и от EBG-структуры до верхней стенки волновода, при расстоянии 2,2-3,2 мм (что соответствует 0,176-0,256 длины волны) между EBG-структурами вокруг гребня и при расстоянии 2,5 мм (что соответствует 0,2 длины волны) между основанием и верхней стенкой волновода, обеспечивается уровень вносимых потерь всего 0,06 дБ/см. То есть при столь компактных размерах предложенный волновод обладает очень низкими потерями, и при этом его сборка не требует прочного и надежного контакта между слоями.

В одном варианте осуществления разделители между слоями могут быть выполнены как выступы на основании RGW-волновода и на слоях печатных плат (Фиг. 14A), а в другом варианте осуществления разделители могут быть отдельными элементами (Фиг. 14B), которые вставляются между слоями в процессе изготовления. Тем самым, обеспечивается дополнительная универсальность конструкции и упрощение изготовления. Разделители могут быть как проводящими, так и непроводящими, но не должны замыкать соседние элементы EBG-структуры. В дополнительных вариантах осуществления все или некоторые разделители могут выполнять не только функцию создания воздушного зазора между соседними слоями или секциями, но и функцию крепежного средства. Так, например, в качестве разделителей или их части могут быть использованы капли клея, или через разделители могут проходить крепежные элементы, такие как винты для стяжки конструкции. В других вариантах осуществления крепление элементов конструкции RGW-волновода и антенны может выполняться иными средствами, в том числе не в рамках разделителей. Каждая из этих возможностей также позволяет увеличить универсальность конструкции.

Несмотря на то, что с целью обеспечения наилучших характеристик выше в настоящем документе предлагается отделять некоторые слои разделителями для формирования между ними воздушного зазора, на самом деле вариации размера воздушного зазора между слоями вполне допустимы. Как показано на графиках на Фиг. 15A-15B, параметры воздушного зазора не оказывают существенного влияния на параметры волновода и антенны в целом: разброс параметров (электрической длины и коэффициента передачи) составляет приблизительно 5% в диапазоне любых возможных размеров воздушного зазора с обеих сторон EBG-структуры: от непосредственного касания EBG-структурой верхней поверхности RGW-волновода (Фиг. 16A) через оптимальное промежуточное положение EBG-структуры между поверхностями (Фиг. 16B) вплоть до касания EBG-структурой нижней поверхности RGW-волновода (Фиг. 16C). Таким образом, можно еще раз отметить, что предложенная конструкция RGW-волновода и антенны в целом является чрезвычайно универсальной и не требующей высокой точности изготовления.

Как указывалось выше, размеры, форма и расположение проводящих участков ячеек EBG-структуры выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. Примеры различных вариантов осуществления ячеек показаны на Фиг. 17A-17D. В частности, проводящие участки ячеек EBG-структуры могут быть выполнены в форме восьмиугольника, квадрата, круга, треугольника и т.д. Принципы формирования размеров структуры электромагнитного кристалла известны специалистам в данной области техники и не являются предметом данного изобретения. Основным требованием является лишь то, что структура должна быть периодической. Решетка при этом может быть квадратной, прямоугольной, треугольной и т.п. Таким образом, обеспечивается гибкость размещения ячеек и простая адаптация волновода ко внутренним структурам устройства, в котором он должен применяться, а также удобная регулировка требуемых электрических характеристик.

В рамках RGW-волновода можно образовать фильтрующую структуру - например, путем изменения геометрии гребня, таким как плавные или плоско-поперечные изгибы гребня (Фиг. 18), путем размещения резонансных штырей вдоль гребня и т.д. Такой волновод может быть использован как в виде части вышеуказанной антенны, так и в качестве отдельного фильтра нужных частот.

В дополнительном варианте осуществления из верхней стенки RGW-волновода внутрь полости волновода также выступает проводящий гребень, расположенный вдоль требуемого направления прохождения волны симметрично нижнему гребню без контакта с ним. Тем самым, в отличие от вышеописанной П-образной структуры RGW-волновода, можно получить H-образный RGW-волновод с присущими ему характеристиками.

Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры RGW-волновода и многослойной антенной решетки на базе SIW и RGW. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.

Применение

Антенны согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ-сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективных стандартов 5G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi-Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д. Новый тип RGW-волновода можно использовать во многих видах волноводных устройств, таких как усилители, переключатели, фазовращатели, антенны, фильтры и т.д.

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.

В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного устройства находятся в общем корпусе, могут быть размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Группа изобретений относится к радиотехнике. Гребневый волновод без боковых стенок (RGW-волновод) содержит проводящее основание, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень; верхнюю проводящую стенку, расположенную над гребнем и основанием и отделенную от них зазором; EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла) на основе первой двухсторонней печатной платы, расположенную внутри волновода в области вокруг гребня. Технический результат – упрощение изготовления, уменьшение габаритов, уменьшение потерь на высоких частотах и улучшение рабочих характеристик. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.

1. Гребневый волновод без боковых стенок (RGW-волновод), содержащий:

проводящее основание, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень;

верхнюю проводящую стенку, расположенную над гребнем и основанием и отделенную от них зазором;

EBG-структуру (структуру по типу электромагнитного кристалла) на основе первой двухсторонней печатной платы, расположенную внутри волновода в области вокруг гребня.

2. RGW-волновод по п. 1, в котором EBG-структура отделена от гребня, от основания и от верхней стенки воздушным зазором.

3. RGW-волновод по п. 1, дополнительно содержащий:

разделители, расположенные между EBG-структурой и основанием и/или верхней стенкой, которые фиксируют EBG-структуру и обеспечивают воздушный зазор между EBG-структурой и основанием и/или верхней стенкой.

4. RGW-волновод по п. 3, в котором в качестве разделителей на внутренней поверхности основания и/или на внутренней поверхности верхней стенки выполнены выступы.

5. RGW-волновод по п. 3, в котором разделители расположены так, чтобы не замыкать между собой соседние ячейки EBG-структуры.

6. RGW-волновод по п. 1, в котором EBG-структура содержит множество электрически несвязанных ячеек, расположенных рядом друг с другом в виде двумерной периодической решетки, причем каждая ячейка содержит:

расположенные параллельно друг другу проводящие участки в рамках верхнего и нижнего проводящих слоев первой двухсторонней печатной платы; и

проводящий элемент, проходящий сквозь толщу диэлектрического слоя первой двухсторонней печатной платы и соединяющий между собой упомянутые проводящие участки.

7. RGW-волновод по п. 6, в котором проводящий элемент ячейки EBG-структуры выполнен в виде сквозного металлизированного отверстия (VIA).

8. RGW-волновод по п. 1, в котором в первой двухсторонней печатной плате выполнены выемки для размещения в них гребня RGW-волновода.

9. RGW-волновод по п. 1, в котором гребень выполнен с изменяющейся геометрией для обеспечения фильтрации заданных частот.

10. Антенная решетка, содержащая:

волноводную секцию, выполненную в виде RGW-волновода по любому из пп. 1-9 и содержащую порт возбуждения, соединенный с гребнем RGW-волновода; и

наложенную на нее резонаторную секцию, содержащую по меньшей мере один SIW-резонатор (резонатор на основе волновода со штырьевыми стенками) на основе второй двухсторонней печатной платы,

причем упомянутый по меньшей мере один SIW-резонатор содержит:

входной слой, который представляет собой нижний проводящий слой второй двухсторонней печатной платы, который служит в качестве нижней стенки резонаторной полости и одновременно служит в качестве верхней стенки RGW-волновода и который содержит один или более входных портов SIW-резонатора;

выходной слой, который представляет собой верхний проводящий слой второй двухсторонней печатной платы, который служит в качестве верхней стенки резонаторной полости и который содержит один или более соответствующих выходных портов SIW-резонатора; и

промежуточный слой, который представляет собой диэлектрический слой второй двухсторонней печатной платы и который содержит множество проводящих элементов, соединяющих между собой входной и выходной слои и образующих в совокупности боковые стенки резонаторной полости.

11. Антенная решетка по п. 10, в которой входные порты и выходные порты упомянутого по меньшей мере одного SIW-резонатора выполнены в виде щелей в соответствующих проводящих слоях второй двухсторонней печатной платы.

12. Антенная решетка по п. 10, в которой проводящие элементы в промежуточном слое резонаторной полости выполнены в виде сквозных металлизированных отверстий (VIA).

13. Антенная решетка по п. 10, дополнительно содержащая:

излучающую секцию, выполненную на основе односторонней печатной платы, наложенную на резонаторную секцию и содержащую:

диэлектрический слой, который одной стороной наложен на выходной слой резонаторной секции и который является диэлектрическим слоем упомянутой односторонней печатной платы; и

слой излучателей, расположенный с другой стороны диэлектрического слоя и содержащий патч-излучатели, выполненные в рамках проводящего слоя упомянутой односторонней печатной платы напротив каждого из выходных портов резонаторной секции.

14. Антенная решетка по п. 10, в которой порт возбуждения расположен в центре RGW-волновода.

15. Антенная решетка по п. 10, в которой:

количество SIW-резонаторов составляет два или более, и

гребень RGW-волновода выполнен в виде делителя мощности для подвода мощности ко входным портам каждого из SIW-резонаторов с одинаковой амплитудой и фазой.

16. Антенная решетка по п. 10, в которой расстояние между проводящими элементами в промежуточном слое SIW-резонатора выбрано так, чтобы предотвратить утечку мощности за пределы резонатора.

17. Антенная решетка по п. 10, в которой SIW-резонатор содержит дополнительные проводящие элементы, размещенные в его полости и предназначенные для согласования SIW-резонатора.

18. Антенная решетка по п. 13, дополнительно содержащая:

разделители, расположенные между излучающей секцией и резонаторной секцией и обеспечивающие между ними воздушный зазор.