ВСТРАИВАЕМАЯ В ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ АНТЕННА ПЕРЕДАЧИ/ПРИЕМА ДАННЫХ Российский патент 2022 года по МПК H01Q1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к встраиваемой в печатную плату антенне передачи/приема данных.

Уровень техники

[0002] Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий в области связи и в смежных областях. В настоящее время ведется активная разработка систем, использующих связь в диапазоне миллиметровых волн, таких как системы передачи данных 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц). Все эти и подобные системы нуждаются в высокоэффективных, функциональных и при этом простых и надежных компонентах, пригодных для массового производства.

[0003] Одним из таких компонентов является антенна передачи/приема данных на короткое расстояние между разными печатными платами (PCB) или устройствами, содержащими такие печатные платы. Основные требования, предъявляемые к такой антенне, заключаются в следующем: она должна быть встраиваемой в минимальное количество слоев печатной платы, чтобы обеспечивать простую, недорогую, компактную, повторяемую конструкцию антенны, которая применима для массового производства; кроме того, она должна обладать низкими потерями; наконец, она должна поддерживать стабильную передачу/прием данных на высокой скорости (> 2 Гбит/с) и т.д. Однако существующие в уровне техники решения при попытке их адаптации к миллиметровому диапазону волн оказываются непригодными для того, чтобы максимально удовлетворить вышеперечисленные требования, поскольку они либо слишком дорогие из-за использования дорогостоящих материалов, либо слишком громоздкие (требуют либо использования от 5 до 16 слоев многослойной печатной платы, либо использования нескольких печатных плат), либо требуют изоляции, либо требуют точной механической сборки, либо обладают слабой устойчивостью к температурным и механическим воздействиям, либо не обеспечивают указанную скорость передачи данных и т.д.

[0004] В частности, известные способы передачи данных на короткое расстояние можно условно разделить на две группы: проводное соединение (традиционное гальваническое соединение с помощью металлических проводников) и беспроводное соединение, которое, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: соединение на основе радиосвязи и соединение на основе оптической связи.

[0005] В качестве примера гальванического соединения, известны соединители SMD (поверхностного монтажа), компоненты которых устанавливаются или размещаются непосредственно на поверхности печатной платы. В качестве другого примера, известны RF (радиочастотные) соединители, которые устанавливаются на поверхность печатной платы и обеспечивают соединение печатных плат между собой. Такие способы соединения печатных плат требуют гальванического контакта для обеспечения перехода в радиочастотном канале. Эти подходы имеют проблемы, связанные, например, с низкой частотой передачи: SMD соединители работают на частотах до 20 ГГц, а RF соединители - до 65 ГГц. Они весьма чувствительны к механическим и термическим нагрузкам, а также к неровностям сборки и пайки, что приводит к низкой надежности контактов, к изменению параметров ВЧ-перехода, к увеличению потерь и в конечном итоге к раннему выходу контактов из строя. Поэтому требуется затрачивать большое время на сборку и монтаж и выдерживать минимальное расстояние между платами > 8 мм.

[0006] В качестве примера беспроводной передачи данных на основе радиосвязи, известна передача данных с помощью NFC (связи в ближнем поле). Существующие технологии NFC имеют проблемы с экранировкой магнитного поля, из-за которых требуется использовать ферритовый экран, что увеличивает занимаемое пространство. Подобные решения обладают узкой полосой пропускания и низкой скоростью передачи данных (до 2,1 Мбит/с), поскольку несущая частота данной технологии 13,56 МГц.

[0007] Что касается беспроводной передачи данных на основе оптической связи, существующим оптическим технологиям присущи проблемы с необходимостью прямой видимости между передатчиком и приемником, а также с управлением лучом, которое является обязательным, поскольку размер приемника невелик по сравнению с габаритами устройства. Из-за этого требуется использовать сложную точную механику и настройку, что увеличивает занимаемое пространство, серьезно меняет параметры оптической связи и увеличивает потери.

[0008] Говоря о конкретных технических решениях в области встраиваемых в печатную плату антенн передачи/приема данных на высоких частотах, в той или иной степени близких к настоящему изобретению, можно отметить, например, документ US 9,153,863 B2 (06.10.2015), в котором раскрывается конфигурация корпуса интегральной схемы, включающая в себя (a) антенную систему, имеющую выступающие антенные элементы; (b) подложку, имеющую антенную систему, прикрепленную рядом с по меньшей мере одной полостью; и (c) по меньшей мере одну работающую в диапазоне миллиметровых волн монолитную интегральную микросхему (MMIC), установленную в полости, причем расширяющиеся антенные элементы проходят через сеть внутренних путей передачи подложки и контактируют с MMIC, реализуя схему приемопередатчика. Антенная система, раскрытая в данном документе, реализуется посредством нескольких, отдельных печатных плат. Таким образом задача обеспечения простой, недорогой, компактной, повторяемой аппаратной конструкции антенны, встраиваемой в минимальное число слоев одной многослойной печатной платы, которая применима для массового производства, упомянутым документом не решается.

[0009] В US2021/0091473 A1 (25.03.2021) раскрывается конструкция более компактного антенного модуля, включающего в себя многослойную структуру, в которой множество слоев уложено в стопку, при этом апертура образована на одной стороне многослойной структуры, и первая часть подачи питания расположена в апертуре. Для реализации антенного модуля и системы питания согласно раскрытой в данном документе информации требуется более 4 слоев. Таким образом задача обеспечения простой, недорогой, компактной, повторяемой аппаратной конструкции антенны, встраиваемой в минимальное число слоев одной многослойной печатной платы, которая применима для массового производства, упомянутым документом все же не решается.

[0010] Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных, в которой были бы полностью или по меньшей мере частично устранены следующие недостатки существующих решений:

- большие размеры;

- высокая сложность изготовления;

- использование дорогостоящих и труднодоступных материалов;

- высокие потери; и

- низкая скорость передачи данных.

Сущность изобретения

[0011] С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных.

[0012] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена встраиваемая в печатную плату антенна передачи/приема данных, выполненная на смежных слоях упомянутой печатной платы, соединенных между собой множеством металлизированных отверстий для формирования проводящей сплошной области, причем упомянутые смежные слои упомянутой печатной платы содержат нижний слой, нижний средний слой, верхний средний слой, верхний слой, причем антенна содержит: промежуточную секцию, содержащую патч-элементы, соединенные между собой по меньшей мере одним металлизированным отверстием, при этом первый патч-элемент расположен в нижнем среднем слое и отделен зазором от проводящей сплошной области, второй патч-элемент расположен в верхнем среднем слое и отделен зазором от проводящей сплошной области; паразитный патч-элемент, расположенный в верхнем слое и отделенный зазором от проводящей сплошной области; и полосковую линию, соединенную непосредственно с краем первого патч-элемента, расположенную в нижнем среднем слое и предназначенную для передачи сигнала данных к промежуточной секции или от нее при передаче/приеме данных.

Технический результат

[0013] Настоящее изобретение обеспечивает встраиваемую в традиционную печатную плату антенну передачи/приема данных, которая способна работать в диапазоне миллиметровых волн, более компактна и проста в изготовлении.

Краткое описание чертежей

[Фиг. 1] На Фиг. 1 показан вид сбоку и в разрезе встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных согласно настоящему изобретению.

[Фиг. 2] На Фиг. 2(D-A) показаны виды сверху слоев печатной платы, на которых размещаются компоненты антенны передачи/приема данных, показанной на Фиг. 1.

[Фиг. 3] На Фиг. 3 показан изометрический вид другой конфигурации встраиваемой в печатную плату антенны передачи/приема данных согласно настоящему изобретению.

[Фиг. 4] На Фиг. 4 показано схематичное представление электромагнитного векторного поля, формируемого антенной передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3.

[Фиг. 5] На Фиг. 5(A-C) показаны результаты математического моделирования 1 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3.

[Фиг. 6] На Фиг. 6(A-C) показаны результаты математического моделирования 2 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации с круглыми патч-элементами и круглым паразитным патч-элементом.

[Фиг. 7] На Фиг. 7(A-C) показаны результаты математического моделирования 3 характеристик для конфигураций антенны передачи/приема данных, в которых паразитный патч-элемент размещался с различными смещениями относительно патч-элементов промежуточной секции.

[Фиг. 8] На Фиг. 8 показан изометрический вид конфигурации, показанной на 3, иллюстрирующий примерную конфигурации полости и щелевой апертуры.

[0014] Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.

Подробное описание

Общее описание устройства

[0015] На Фиг. 1, 2(D-A) показано схематическое представление встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных согласно настоящему изобретению. Антенну 100 передачи/приема данных формируют на смежных слоях упомянутой печатной платы. В предпочтительном варианте осуществления антенна 100 формируется на не более 4 проводящих слоях печатной платы, соединенных между собой множеством металлизированных отверстий 101 для формирования проводящей сплошной области. При этом следует понимать, что общее число проводящих слоев печатной платы может быть более 4. Смежные слои печатной платы для формирования антенны 100 содержат верхний слой D, верхний средний слой C, нижний средний слой B, нижний слой A. Упомянутые смежные слои печатной платы разделены тремя слоями диэлектрика. Примеры легкодоступных и недорогих материалов слоев диэлектрика включают в себя, но без ограничения упомянутыми, такие традиционно используемые в области техники печатных плат материалы, как FR4, CEM3, VT462, FR408, МИ1222, СТФ и т.д.

[0016] На печатной плате могут быть размещены любые другие компоненты, которые на описанных ниже фигурах не показаны, например элемент питания, приемопередатчик и любые другие элементы, которые необходимы для реализации печатной платой своего функционала, предусмотренного ее производителем. Данное описание сфокусировано главным образом на подробном раскрытии информации о реализации встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных.

[0017] Антенна 100, показанная Фиг. 1, 2(D-A), содержит промежуточную секцию 10, содержащую патч-элементы 10.1, 10.2, соединенные между собой одним металлизированным отверстием 10.3. Несмотря на то, что на фигурах 1, 2C, 2B показано лишь одно металлизированное отверстие 10.3, должно быть понятно, что таких отверстий 10.3 может быть больше одного (например, от 2 до n, где n любое натуральное число; см., например, фиг. 3, 4, 8). Точное число металлизированных отверстий может определяться в зависимости от размера и формы патч-элементов 10.1, 10.2, а также зависеть от требований к форме диаграммы направленности, усилению, эффективности и согласованию антенны 100. Расстояние между патч-элементами 10.1, 10.2 может быть любым в зависимости от технологических ограничений производства и известных характеристик используемых материалов. В данном случае толщина между патч-элементами 10.1, 10.2 определяется толщиной слоя диэлектрика между слоями С и В. Диапазон расстояний между патч-элементами 10.1, 10.2 может быть кратен толщинам препрега/ядер в настоящее время используемых материалов.

[0018] Первый патч-элемент 10.1 размещается в нижнем среднем слое B и отделяется зазором 11 от проводящей сплошной области. Зазор 11 получается после травления слоя используя известные технологические процессы производства печатных плат. Зазор 11 является диэлектрическим зазором, который не содержит воздуха, однако в некоторых случая в этом зазоре 11 может оставаться воздушная прослойка в силу несовершенства тех процесса изготовления печатных плат (ПП). Обычно воздух в зазоре 11 не остается. Ширина зазора 11 влияет на частотное согласование всей антенны. Другими словами, ширина зазора 11 согласует импеданс полосковой линии 30 и промежуточной секции 10. Минимальные значения зазоров, в том числе зазора 11, между проводящими частями на печатной плате определяется технологическими требованиями. Слой B служит экраном от других структур в печатной плате. Такие экранируемые структуры в печатной плате находятся за периметром антенны 100 (т.е. на фигурах они не показаны) и включают в себя, но без ограничения упомянутым, различные низкочастотные полосковые линии или любые интегрируемые в печатную плату компоненты, например резисторы, конденсаторы, микросхемы, приемопередатчики и другие электронные компоненты. Также многослойная печатная плата может содержать несколько антенн 100, размещенных относительно близко друг к другу, в этом случае слой B каждой из антенн 100 может выступать экраном.

[0019] Второй патч-элемент 10.2 размещается в верхнем среднем слое C и отделяется зазором 12 от проводящей сплошной области. Аналогично слою B слой C служит экраном от других структур в печатной плате. Зазор 12 между вторым патч-элементом 10.2 и проводящей сплошной областью может соответствовать зазору 11, но в данном слое C зазор 12 дополнительно выступает в качестве щелевой апертуры 12.1. Пример щелевой апертуры 12.1 проиллюстрирован на фигуре 8. Щелевая апертура 12.1 выполняется так, чтобы окружать второй патч-элемент 10.2. Щелевая апертура 12.1 может иметь квадратную, круглую, прямоугольную или овальную форму. На фигуре 8 пунктирными линиями показаны примерные формы частей щелевой апертуры 12.1, длина каждой части щелевой апертуры 12.1 составляет примерно λ_ε/2 или более, где λ_ε является длиной волны в диэлектрике и пересчитывается следующим образом: , где λ₀ - длина волны в вакууме/воздухе и ε_eff - эффективная диэлектрическая проницаемость. Таким образом, общая длина периметра щелевой апертуры 12.1 составляет примерно λ_ε или более. Предпочтительно, чтобы длина периметра щелевой апертуры 12.1 составляла целую одну λ_ε, поскольку в такую длину укладывается две полу волны, что способствует распространению электромагнитного поля именно моды TE₁₁, которая в альтернативной терминологии, используемой в данной области техники, именуется модой Н_11.

[0020] Таким образом, можно сказать, что щелевая апертура 12.1 образована двумя полуволновыми частями (см. фигуру 8), которые имеют изогнутую вокруг патч-элемента 10.2 форму и которые соединены друг с другом своими концами для образования кольцевого зазора 12. На фигуре 8 концы указанных частей щелевой апертуры 12.1 показаны несоединенными друг с другом лишь для более легкого зрительного опознавания равных половин зазора 12. Ширина зазора 12 (в том числе щелевой апертуры 12.1) определяется эмпирическим путем для обеспечения требуемого согласования в диапазоне частот. В частности, регулировкой ширины зазора 12 может быть обеспечена узкополосность/широкополосность антенны 100. Общие габаритные размеры и форма зазора 12 определяют положение частотного диапазона, т.е. сдвигают этот диапазон вверх/вниз по частоте, а также диапазон рабочих частот (57-64ГГц - диапазон работы стандарта Wi-Gig). Ширина той части зазора 12, которая перпендикулярна электрическим векторам, определяет диапазонность антенны 100, а длина упомянутой части зазора 12 определяет резонансную частоту антенны 100.

[0021] Антенна 100 содержит паразитный патч-элемент 20, который размещается в верхнем слое D и отделяется зазором 21 от проводящей сплошной области. Форма и размеры зазора определяются эмпирически согласно требованиям на антенну 100 по форме диаграммы направленности, усилению, эффективности и согласованию антенны 100. Зазор 21 образуется травлением печатной платы. В плоскости металлического слоя D зазор 21 является воздушным, а в глубину до слоя С зазор 21 содержит слой диэлектрика (между проводящими слоями D и C) печатной платы. Общие габаритные размеры и форма зазора 21 определяют форму диаграммы направленности, усиление, эффективность и согласование антенны 100. Расстояние между паразитным патч-элементом 20 и патч-элементом 10.2 определяется толщиной слоя диэлектрика между слоями D и C. Толщина слоя диэлектрика может зависеть от используемых материалов печатной платы, а также от применяемого при производстве печатной платы ламинатора. Паразитный патч-элемент 20 в предпочтительном варианте осуществления является односоставным элементом (см. фиг. 1, 2D), но в альтернативном варианте осуществления может быть многосоставным элементом (см. фиг. 3, 8). Аналогично слою B, C слой D служит экраном от других структур в печатной плате.

[0022] Антенна 100 содержит полосковую линию 30 (см. фиг. 2B, 3, 4), соединенную непосредственно с краем первого патч-элемента 10.1 и расположенную в нижнем среднем слое B. Такое гальваническое соединение полосковой линии 30 именно к краю патч-элемента 10.1 исключает дополнительные неоднородности в радиочастотной линии (линия по которой распространяется СВЧ волна), которые требовали бы дополнительного согласования и согласующих элементов. Полосковая линия 30 запитывает промежуточную секцию 10 и предназначена для передачи сигнала данных (например, РЧ-сигнала, представляющего данные) к промежуточной секции 10 антенны 100 или от нее соответственно при передаче и/или приеме данных. Полосковой линией 30 может быть любая доступная линия передачи СВЧ волн (в том числе, но без ограничения, микрополосковая линия), по которой распространяется ТЕМ волна.

[0023] Ввиду того, что фактическая полосковая линия 30 отличается от теоретической дополнительным диэлектрическим заполнением, требуется скорректировать конструкцию линии эмпирическим путем до необходимых требований. Для такой корректировки можно эмпирическим путем подобрать подходящие значения следующих параметров полосковой линии 30: ширина линии (сигнальной линии), толщина линии, расстояние от линии до земли (слой А). От ширины линии и расстояния от линии до земли зависит импеданс полосковой линии 30. В полосковой линии 30 распространяется TEM (Transverse Electro-Magnetic) мода, а в промежуточной секции 10 между патч-элементами 10.1, 10.2. распространяется уже подобная Н₁₁ (TE₁₁) мода (см. фиг. 4). TE мода/волна представляет собой волноводную моду, которая зависит от поперечных электрических волн, также иногда называемых H-волнами, и характеризуется тем, что электрический вектор (E) всегда перпендикулярен направлению распространения. ТЕМ мода/волна представляет собой поперечную электромагнитную волну, характеризуемую тем, что как электрический вектор (вектор E), так и магнитный вектор (вектор H) перпендикулярны направлению распространения. Слой A является землей и экраном для полосковой линии 30.

[0024] Встраиваемая в печатную плату антенна 100 передачи/приема данных содержит полость 40, выполненную между верхним слоем D и верхним средним слоем C и имеющую боковую границу, по существу образованную между диэлектриком, которым заполнена полость 40, и по меньшей мере теми металлизированными отверстиями из упомянутого множества металлизированных отверстий 101, которые соединяют друг с другом верхний слой D и верхний средний слой C. На фиг. 1 полость 40 примерно показана двойной штриховкой, на фиг. 8 полость 40 показана в изометрии. Должно быть понятно, что двумя различными типами штриховок на фиг. 1 показан один (одинаковый) материал - диэлектрик, а двойная штриховка используется на фигуре 1 лишь для облегчения идентификации примерных границ полости 40. Таким образом можно сказать, что боковая граница полости 40 образована границей раздела диэлектрик/металлизированные отверстия и дополнительно включает в себя области диэлектрика между смежными металлизированными отверстиями. Упомянутая полость служит в качестве резонатора антенны 100, а ее размеры подбираются таким образом, чтобы формировалась узкая диаграмма направленности антенны 100 с требуемым усилением и эффективностью. Толщина полости 40, продольная длина полости 40 (которая параллельна электрическому вектору волны в зазоре 12 слоя С) и поперечная длина полости определяются эмпирическим путем для обеспечения требуемых параметров антенны 100 по форме диаграммы направленности, усилению, эффективности и согласованию. Длина полости 40 подбиралась так, чтобы соответствовать рабочей половине длины волны (λ₀/2) в свободном пространстве. Высота/глубина полости 40 соответствует расстоянию от патч-элемента 10.2 до паразитного патч элемента 20 и определяется примененными при изготовлении печатной платы материалами.

[0025] Во встраиваемой в печатную плату антенне 100 передачи/приема данных полосковая линия 30 дополнительно содержит согласующий элемент 50 (например полосковый трансформатор), выполненный с возможностью преобразования импедансов полосковой линии 30 и первого патч-элемента 10.1 для уменьшения потерь. Примерное значение импеданса полосковой линии 30 составляет от 40 до 60Ом. В предпочтительном варианте полосковая линия имеет импеданс 50 Ом или в зависимости от технологических ограничений ближе примерно 50Ом. Такое предпочтительное значение импеданса выбрано в качестве оптимального между пропускной мощностью и затуханиями в полосковой линии 30. Согласующий элемент 50 имеет два параметра ширину и длину. Эти параметры выбираются такими, чтобы скомпенсировать реактивную часть импеданса, которая возникает в месте соединения полосковой линии 30 и промежуточной секции 10. Изменение указанных параметров согласующего элемента 50 оказывает влияние на согласование полосковой линии 30 с промежуточной секцией 10 антенны 100 и, следовательно, на эффективность и усиление излучения антенны 100. Кроме того, изменение указанных параметров согласующего элемента 50 оказывает влияние на ширину рабочего диапазона частот.

[0026] При передаче данных промежуточная секция 10 антенны 100 формирует электромагнитное поле эквивалентное высшему типу волны в коаксиальной линии, распространяемое от питающей полосковой линии 30 до щелевой апертуры 12.1, переизлучающей электромагнитное поле по направлению к паразитному патч-элементу 20 для его возбуждения, который, в ответ на такое возбуждение, переизлучает электромагнитное поле в свободное пространство. При этом в полосковой линии 30 распространяется TEM мода, а в промежуточной секции 10 между патч-элементами 10.1, 10.2. распространяется уже подобная Н₁₁/TE₁₁ мода (см. фиг. 4). Это позволяет получить диаграмму направленности с сильно выраженными направленными свойствами (вплоть до значения коэффициента направленного действия примерно 6дБ для антенны над землей). При приеме данных паразитный патч-элемент 20 выполнен с возможностью приема электромагнитного поля из свободного пространства, переизлучения этого электромагнитного поля в щелевую апертуру и промежуточную секцию 10. Схематичное представление электромагнитного векторного поля, формируемого антенной 100 передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3 в изометрии, показано на Фиг. 4. Конфигурация антенны 100 передачи/приема данных на Фиг. 3, 4 является другой возможной конфигурацией, которая отличается от конфигурации антенны передачи/приема данных, показанной на Фиг. 1, 2(D-A), количеством металлизированных отверстий 10.3 (на Фиг. 1, 2(D-A) такое отверстие одно, а на Фиг. 3, 4 используется шесть таких отверстий).

[0027] Паразитный патч-элемент 20 может иметь форму и размер, которые аналогичны форме и размеру патч-элементов 10.1, 10.2 или отличаются от таковых. В одном варианте осуществления патч-элементы 10.1, 10.2 и паразитный патч-элемент 20 имеют одинаковую квадратную, круглую, прямоугольную или овальную форму. В другом варианте осуществления патч-элементы 10.1, 10.2 имеют любую одну из квадратной, круглой, прямоугольной или овальной формы, а паразитный патч-элемент 20 имеет любую другую из квадратной, круглой, прямоугольной или овальной формы. Патч-элементы 10.1, 10.2 и паразитный патч-элемент 20 предпочтительно выполнять так, чтобы они имели периметр равный 1 длине волны в диэлектрике.

[0028] В одном варианте осуществления паразитный патч-элемент 20 и патч-элементы 10.1, 10.2 могут быть размещены так, чтобы центр паразитного патч-элемента 20 и центр патч-элементов 10.1, 10.2 были выравнены друг с другом. Другими словами, в этом варианте осуществления паразитный патч-элемент 20 центрирован относительно патч-элементов 10.1, 10.2. В другом варианте осуществления паразитный патч-элемент 20 и патч-элементы 10.1, 10.2 могут быть размещены так, чтобы центр паразитного патч-элемента 20 был смещен относительно центра патч-элементов 10.1, 10.2. Вышеописанная конфигурация антенны 100 обеспечивает возможность работы антенны 100 в диапазоне миллиметровых волн с улучшенными характеристиками относительно характеристик известных из уровня техники антенн с более сложной конфигурацией, что подтверждается математическими моделированиями, проведенными авторами настоящего изобретения с применением системы проектирования, которая позволяет моделировать различные конфигурации антенны 100 и просчитывать ее характеристики. Результаты проведенных математических моделирований сообщаются ниже со ссылкой на Фиг. 5(A-C), 6(A-C) и 7(A-C).

[0029] На Фиг. 5(A-C) показаны результаты математического моделирования 1 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации, показанной на Фиг. 3. Антенна, для которой результаты показаны на Фиг. 5(A-C), имела конфигурацию, показанную на Фиг. 3, 4, и была согласована под работу в стандарте WiGig (60 ГГц). Как показано на Фиг. 5(A) потеря мощности составила менее 2,5%. Как показано на Фиг. 5(B) направленность такой антенны составила более 6 дБ. Как показано на Фиг. 5(С) эффективность излучения такой антенны составила более 50%, что является достаточно хорошим результатом в категории антенн, которые встраиваются в печатные платы. Таким образом, предложенная конфигурация антенны имела высокую эффективность излучения и низкий уровень мощности отраженного сигнала, несмотря на то, что она была выполнена на подложке промышленного качества с высокими диэлектрическими потерями и большой толщиной.

[0030] На Фиг. 6(A-C) показаны результаты математического моделирования 2 характеристик антенны передачи/приема данных в конфигурации с круглыми патч-элементами и круглым паразитным патч-элементом. Конфигурация антенны, характеристики которой просчитывались в данном моделировании 2, отличалась от конфигурации антенны в математическом моделировании 1 тем, что паразитный патч-элемент 20 и патч-элементы 10.1, 10.2 имели не четырехугольную форму, а форму, которая была подобна кругу. Кроме того, в конфигурации антенны, характеристики которой просчитывались в данном моделировании 2, восемь металлизированных отверстий 10.3 соединяли патч-элементы 10.1, 10.2 друг с другом, при этом эти восемь металлизированных отверстий 10.3 были размещены краям окружностей патч-элементов 10.1, 10.2. Диаметр апертуры на уровне зазора 21 составлял примерно λ₀/2. Расстояние от слоя B до слоя C составляло примерно 0,16λ₀, а расстояние от слоя A до слоя D составляло примерно λ₀/3. Конфигурация описанной антенны (не показанная на фигурах) обладала еще большей компактностью и требовала оптимизации меньшего числа параметров.

[0031] Антенна, для которой результаты показаны на Фиг. 6(A-C), имела вышеописанную конфигурацию и была согласована под работу в стандарте WiGig (60 ГГц). Как показано на Фиг. 6(A) обратные потери составили менее 10 дБ. Как показано на Фиг. 6(B) направленность такой антенны составила более 6 дБ. Как показано на Фиг. 6(С) эффективность излучения такой антенны составила более 50%, что является достаточно хорошим результатом в категории антенн, которые встраиваются в печатные платы. Таким образом, предложенная конфигурация антенны имела высокую эффективность излучения и низкий уровень мощности отраженного сигнала, несмотря на то, что она была выполнена на подложке промышленного качества с высокими диэлектрическими потерями и большой толщиной.

[0032] На Фиг. 7(A-C) показаны результаты математического моделирования 3 характеристик для конфигураций антенны передачи/приема данных, в которых паразитный патч-элемент 20 размещался с различными смещениями относительно патч-элементов 10.1, 10.2 промежуточной секции 10. Смещение паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2 выполняли в полости 40 по существу вдоль направления продольной оси полосковой линии 30. В остальном конфигурация антенны, просчитываемой в данном моделировании 3, по сути соответствовала конфигурации антенны, показанной на Фиг. 3, 4. Данное моделирование 3 показывает, что смещение паразитного патч-элемента 20 позволяло отрегулировать диаграмму направленности и согласовать антенну. Форма диаграммы направленности позволяла избежать приема с нежелательных направлений и уменьшить ненужные шумы, а изменение диаграммы направленности на усиление антенны не влияло.

[0033] Антенна, для которой результаты показаны на Фиг. 7(A-C), имела вышеописанную конфигурацию и была согласована под работу в стандарте WiGig (60 ГГц). Как показано на Фиг. 7(A) обратные потери составили менее 10 дБ. Три линии, показанные на Фиг. 7(B), показывают направленность моделируемой антенны для следующих размещений паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2: +0,05 мм, 0 мм (без смещения), -0,05 мм. Три линии, показанные на Фиг. 7(С), показывают направленность моделируемой антенны для следующих размещений паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2: +0,05 мм, 0 мм (без смещения), -0,05 мм со значением φ в 0°. Значения на фигурах 7B, 7C показаны срезы диаграммы направленности моделируемых антенн, которые построены в сферической системе координат, где ϕ и θ являются угловыми координатами сферической систем координат. Ось z нормальна к плоскости печатной платы, φ отсчитывается от одной из осей параллельной сторонам патч-элемента. Три линии, показанные на Фиг. 7(С), показывают направленность моделируемой антенны для следующих размещений паразитного патч-элемента 20 относительно патч-элементов 10.1, 10.2: +0,05 мм, 0 мм (без смещения), -0,05 мм со значением ϕ в 90°. График эффективности не приведен, но эффективность излучения такой антенны также составила более 50%, что является достаточно хорошим результатом в категории антенн, которые встраиваются в печатные платы. Таким образом, предложенная конфигурация антенны имела высокую эффективность излучения и низкий уровень мощности отраженного сигнала, несмотря на то, что она была выполнена на подложке промышленного качества с высокими диэлектрическими потерями и большой толщиной

[0034] Любой из раскрытых вариантов осуществления встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных согласно настоящему изобретению может быть изготовлен в процессе изготовления, который будет обладать относительно низкой сложностью, обусловленной упрощенной конфигурации раскрытой антенны 100. Таким образом, данная заявка также предусматривает способ изготовления раскрытой антенны 100 в любой из предложенных конфигураций. Этапы такого способа являются традиционными сборочными этапами, которые известны специалистам в данной области и тут подробно не описываются. Целью каждого или всех таких этапов является формирование всех необходимых элементов антенны 100 с соответствующими металлизированными отверстиями/контактами на соответствующих слоях печатной платы с последующим объединением полученных слоев.

[0035] Полезный эффект. Таким образом, любой из раскрытых вариантов осуществления встраиваемой в печатную плату антенны 100 передачи/приема данных согласно настоящему изобретению обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известным уровнем техники. В частности, обеспечивается упрощение сборки и изготовления, а также антенной 100 может быть обеспечен беспроводной канал с повышенной энергоэффективностью, пониженной утечкой высокочастотной мощности и повышенной стойкостью к электромагнитным помехам (EMI). Скорость передачи данных увеличена до 2,5 Гбит/с (экспериментальные тесты показывают, что можно передавать данные со скоростью 6 Гбит/с без значительного джиттера). Структура антенны 100 является более устойчивой к механическим перекосам. Внешнее экранирование не требуется. Используется минимальное число слоев печатной платы. Обеспечивается повышенная надежность и сниженные требования к технологическим допускам за счет упрощения конфигурации. Предложенная антенна 100 является компактной и обладает малыми потерями и может успешно использоваться для приложений в миллиметровом и в суб-ТГц диапазонах.

[0036] Следует понимать, что в настоящем документе показаны принципы построения и базовые примеры антенны 100, интегрируемой в минимальное число проводящих слоев печатной платы. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.

[0037] Применение. Антенну 100 согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется передача ВЧ-сигналов на короткое расстояние, например, в диапазоне миллиметровых волн для сетей мобильной связи 5G (28 ГГц), WiGig (60 ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G (суб-ТГц), для автомобильных радарных систем (24 ГГц, 79 ГГц), для связи на коротком расстоянии (60 ГГц), для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.

[0038] Конкретные применения антенны 100 включают в себя, но без ограничения, (1) гигабитную связь (графеновые антенны ТГц диапазона для беспроводной связи внутри одной микросхемы или между разными микросхемами (чипами) с полем обзора в 360° без механического вращения), (2) связь на короткие расстояния для интерфейсов с высокой скоростью передачи данных (киоски, беспроводные соединители, мобильные терминалы). Кроме того, антенна 100 может быть применена для связи между компонентами IoT-систем и смартфоном. Другие применения антенны 100 включают в себя радарные датчики и модульные телевизоры на основе микро-LED (modular micro LED TV), в последнем случае антенна 100 может быть использована для связи между различных модулей такого составного телевизора.

[0039] Следует понимать, что, хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

[0040] Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов антенны, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.

[0041] В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенной антенны связаны друг с другом и с другими элементами/блоками печатной платы конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.

[0042] Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

[0043] Конструктивное исполнение элементов предложенной антенны является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы антенны могут быть выполнены из любого подходящего и легкодоступного материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.

[0044] Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, а именно к встраиваемой в печатную плату антенне передачи/приема данных. Техническим результатом является создание антенны передачи/приема данных, работающей в диапазоне миллиметровых волн, компактной и простой в изготовлении. Технический результат достигается тем, что предложена встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных, выполненная на смежных слоях упомянутой печатной платы, соединенных между собой множеством металлизированных отверстий (101) для формирования проводящей сплошной области, причем упомянутые смежные слои упомянутой печатной платы содержат нижний слой (A), нижний средний слой (B), верхний средний слой (C), верхний слой (D), причем антенна содержит: промежуточную секцию (10), паразитный патч-элемент (20), расположенный в верхнем слое (D) и отделенный зазором (21) от проводящей сплошной области и полосковую линию (30). 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных, выполненная на смежных слоях упомянутой печатной платы, соединенных между собой множеством металлизированных отверстий (101) для формирования проводящей сплошной области, причем упомянутые смежные слои упомянутой печатной платы содержат нижний слой (A), нижний средний слой (B), верхний средний слой (C), верхний слой (D), причем антенна содержит:

- промежуточную секцию (10), содержащую патч-элементы (10.1, 10.2), соединенные между собой по меньшей мере одним металлизированным отверстием (10.3), при этом первый патч-элемент (10.1) расположен в нижнем среднем слое (B) и отделен зазором (11) от проводящей сплошной области, второй патч-элемент (10.2) расположен в верхнем среднем слое (C) и отделен зазором (12) от проводящей сплошной области;

- паразитный патч-элемент (20), расположенный в верхнем слое (D) и отделенный зазором (21) от проводящей сплошной области; и

- полосковую линию (30), соединенную непосредственно с краем первого патч-элемента (10.1), расположенную в нижнем среднем слое (B) и предназначенную для передачи сигнала данных к промежуточной секции или от нее при передаче/приеме данных.

2. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой полость (40) выполнена между верхним слоем (D) и верхним средним слоем (C) и имеет боковую границу, по существу образованную между диэлектриком, которым заполнена полость (40), и по меньшей мере теми металлизированными отверстиями из упомянутого множества металлизированных отверстий (101), которые соединяют друг с другом верхний слой (D) и верхний средний слой (C), причем упомянутая полость служит в качестве резонатора антенны (100) и выполнена с возможностью формирования узкой диаграммы направленности.

3. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой полосковая линия (30) дополнительно содержит согласующий элемент (50), выполненный с возможностью преобразования импедансов полосковой линии (30) и первого патч-элемента (10.1).

4. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой упомянутое множество металлизированных отверстий (101), формирующих проводящую сплошную область в упомянутых смежных слоях печатной платы, выполнены в форме рупора.

5. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой зазор (12) между вторым патч-элементом (10.2) и проводящей сплошной областью выполнен в форме щелевой апертуры (12.1).

6. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 5, в которой щелевая апертура (12.1) выполнена так, чтобы окружать второй патч-элемент (10.2), и имеет квадратную, круглую, прямоугольную или овальную форму.

7. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 5, в которой, при передаче данных, промежуточная секция (10) формирует коаксиальное электромагнитное поле, распространяемое от полосковой линии (30) до щелевой апертуры (12.1), переизлучающей электромагнитное поле по направлению к паразитному патч-элементу (20) для его возбуждения, который, в ответ на такое возбуждение, переизлучает электромагнитное поле в свободное пространство, при этом в полосковой линии 30 распространяется TEM мода, а в промежуточной секции (10) между патч-элементами (10.1, 10.2) распространяется подобная Н₁₁/TE₁₁ мода.

8. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 5, в которой, при приеме данных, паразитный патч-элемент (20) выполнен с возможностью приема электромагнитного поля из свободного пространства, переизлучения этого электромагнитного поля в щелевую апертуру и промежуточную секцию (10).

9. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой упомянутые смежные слои упомянутой печатной платы разделены по меньшей мере тремя слоями диэлектрика.

10. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 5, в которой щелевая апертура (12.1) выполнена так, чтобы иметь периметр, примерно равный длине волны в диэлектрике , где - длина волны в вакууме/воздухе и - эффективная диэлектрическая проницаемость.

11. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой паразитный патч-элемент (20) имеет форму и размер, которые аналогичны форме и размеру патч-элементов (10.1, 10.2) или отличаются от них.

12. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой патч-элементы (10.1, 10.2) и паразитный патч-элемент (20) имеют квадратную, круглую, прямоугольную или овальную форму.

13. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой патч-элементы (10.1, 10.2) имеют любую одну из квадратной, круглой, прямоугольной или овальной формы, а паразитный патч-элемент (20) имеет любую другую из квадратной, круглой, прямоугольной или овальной формы.

14. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой патч-элементы (10.1, 10.2) и паразитный патч-элемент (20) выполнены так, чтобы иметь периметр равный 1 длине волны в диэлектрике.

15. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой паразитный патч-элемент (20) и патч-элементы (10.1, 10.2) размещены так, что центр паразитного патч-элемента (20) и центр патч-элементов (10.1, 10.2) выравнены друг с другом.

16. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, в которой паразитный патч-элемент (20) и патч-элементы (10.1, 10.2) размещены так, что центр паразитного патч-элемента (20) смещен относительно центра патч-элементов (10.1, 10.2).

17. Встраиваемая в печатную плату антенна (100) передачи/приема данных по п. 1, причем антенна (100) выполнена с возможностью работы в диапазоне миллиметровых волн.