ПЕЧАТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ШИРОКОУГОЛЬНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/00 H01Q1/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к печатной антенной решетке с широкоугольным сканированием.

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 сканирования лучом в широком диапазоне углов;

- работа в широком диапазоне частот;

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

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

Печатная антенная решетка представляет собой массив печатных антенных элементов.

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

- малое расстояние между питающими портами антенных элементов;

- распространение поверхностных волн в печатных платах антенн;

- значительное падение коэффициента усиления на больших углах сканирования;

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

- предельно жесткие требования к точности изготовления и т.д.

При использовании в системах связи, к антенным решеткам в составе базовых станций предъявляются требования по обеспечению максимальной зоны покрытия сигналом, (часто - это обеспечение полного кругового (360 градусов) обзора, и работе с двойной поляризацией. Полный обзор обеспечивается с помощью использования нескольких сканирующих антенных решеток с ограниченным сектором сканирования. Очевидно, что количество необходимых для базовой станции решеток определяется диапазоном сканирования отдельных применяемых решеток. Таким образом, если сектор сканирования антенной решетки ограничен ± 45 градусов, что характерно для применяемых в настоящее время в базовых станциях антенных решеток, тогда требуются 4 решетки для обеспечения полного кругового (360 градусов) сканирования лучом. При расширенном до ± 60 градусов секторе сканирования для решетки потребуется всего 3 решетки. Таким образом, увеличение сектора сканирования отдельной антенной решетки может привести к снижению требуемого количества антенных решеток для обеспечения заданного покрытия сигналом и, соответственно, снижению сложности антенной системы в целом.

Антенные решетки имеют ряд фундаментальных ограничений, определяющих возможности их сканирования. Диапазон сканирования определяется шагом между антенными элементами d и появлением дифракционного лепестка на верхней рабочей частоте диапазона устройства: , где - скорость света. Однако, в рамках этого диапазона сканирования могут существовать углы, на которых у антенной решетки происходит эффект ослепления, заключающийся в резком падении усиления при сканировании. Этот эффект связан с распространением паразитных поверхностных волн между элементами решетки в подложке печатной платы и их сложением в точках расположения элементов запитки, что приводит к рассогласованию антенных элементов или, в случае двухполяризационных решеток, перетеканию мощности в порты второй поляризации. Ослепление решетки может происходить на промежуточных углах сканирования, а может проявляться на углах близких к .

Двухполяризационные антенные элементы имеют ассиметричную структуру, что может усугублять эти эффекты. На этапе проектирования антенных решеток это также проявляется в асимметричной диаграмме направленности отдельного антенного элемента в составе всей решетки и результирующей асимметрии в характеристиках сканирования.

Ассиметричная структура элемента двухполяризационной антенной решетки с питающими линиями (портами) приводит к возникновению паразитных поверхностных волн (PSW, parasitic surface wave), причем распространение PSW имеет определенное направление. Поверхностные волны синфазно суммируются в точке расположения второго порта. В результате происходит утечка мощности ко второму порту. В результате, возникает нежелательное падение коэффициента усиления элемента решетки при некотором угле излучения относительно нормали и уменьшение рабочего частотного диапазона.

Это иллюстрируется следующим образом.

Для антенной решетки с симметрией излучения должно быть справедливо выражение:

, (1)

где - мощность излучения антенного элемента при угле сканирования .

Стоит учесть, что

, (2)

где - мощность, подводимая к антенному элементу, - мощность отражения на входном порту, - мощность утечки (во второй порт), - мощность потерь в диэлектрике печатной платы, проводниках и т.д.

Выражение (1) выполняется при следующих условиях:

,

или ,

.

Несимметричность излучения антенной решетки (), описанная выше, чаще всего вызвана несимметричностью мощности утечки (). Это явление присутствует при высоких значениях коэффициента связи между портами. Таким образом, для обеспечения симметрии необходимо принять меры для снижения мощности утечки ( и ). В таком случае возможно выполнить .

Из предшествующего уровня техники известно решение, раскрытое в статье «Design of a Dual-Polarized Stacked Patch Antenna for Wide-Angle Scanning Reflectarrays» авторов T. Chaloun, V. Ziegler и W. Menzel (IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 64, NO. 8, август 2016). В данной статье раскрыт двухполяризованный многослойный антенный патч-элемент для широкоугольного сканирования в Ka-диапазоне. Предлагаемый высокоинтегрированный многослойный элемент работает в диапазоне частот от 27,8 ГГц до 30,8 ГГц с отличными характеристиками сканирования до ± 60° как в E-, так и в H-плоскости. Данное решение демонстрирует высокую изоляцию между поляризациями во всем диапазоне сканирования. Однако, раскрытая в данном документе конфигурация требует гальванического соединения металлической сетки со слоями печатной платы патч-элемента.

В статье «Surface waves minimization in Microstrip Patch Antenna using EBG substrate» (опубликована в «2015 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSC)») раскрывается печатная антенная решетка с поверхностью EBG (Electromagnetic Band Gap - структура, формирующая область с невозможностью распространения электромагнитных волн определенного диапазона частот) с резонансной частотой, лежащей в запрещенной зоне подложки EBG. Элемент EBG представляет собой небольшой участок с VIA (переходное металлизированное отверстие), соединенным с землей, в центре. Два соседних элемента образуют резонатор, и их комбинация подавляет распространение паразитных поверхностных волн. Однако, расположение EBG структуры требует дополнительного пространства между элементами, в то время как это пространство ограничено максимально доступным расстоянием между элементами. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.

В статье «Meta-Surface Wall Suppression of Mutual Coupling between Microstrip Patch Antenna Arrays for THz-Band Applications» (PROGRESS IN ELECTROMAGNETICS RESEARCH LETTERS, VOL. 75, 105-111, 2018) раскрыта печатная антенная решетка с двумерной стенкой с метаповерхностью для улучшения изоляции между патч-излучателями. Элементарная ячейка метаповерхности содержит соединенные микрополосковые структуры «Y-образной формы», которые взаимно перемежаются вместе, чтобы создать стенку метаповерхности. Эта стенка выполняется между патчами для уменьшения взаимной связи. При этом улучшается согласование антенны и результирующие диаграммы направленности. Однако, для размещения элементов метаповерхности требуется дополнительное пространство между элементами антенной решетки. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.

Из предшествующего уровня техники также известно решение, раскрытое в статье «On the Merit of Asymmetric Phased Array Elements» (IEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 61, NO. 7, июль 2013). Данное решение раскрывает антенную решетку с несимметричными патчами. Конструкция патча получена численной оптимизацией с использованием генетического алгоритма. Элементы с нарушенной симметрией имеют лучшую производительность сканирования и/или пропускной способности. Однако, для реализации оптимальной несимметричной структуры требуется дополнительное пространство. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.

Патентный документ US 6,211,824 B1 описывает печатную антенную решетку, которая использует несколько патч-элементов для управления лучом антенны в большом секторе сканирования. Антенна содержит первую комбинированную подложку, множество первых патч-излучателей, расположенных на поверхности первой подложки, и множество вторых патч-излучателей, расположенных на поверхности второй подложки. Первая подложка сформирована из областей с переменной диэлектрической проницаемостью для эффективного предотвращения распространения поверхностных волн, тем самым увеличивая объем сканирования антенны. Однако, данное решение характеризуется высокой сложностью изготовления вследствие наличия сложных переменных областей с разной проницаемостью и не может применяться для передачи сигналов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.

В статье «A technique of scan blindness elimination for planar phased array antenna using miniaturized EBG» авторов M.S.M. Isa и др (Jurnal Teknologi, vol. 69, pp. 11-15, март 2014) раскрыта печатная антенная решетка 5х3. В данной решетке для увеличения диапазона сканирования, между антенными элементами добавлена миниатюрная структура EBG с емкостной нагрузкой. Однако, расположение EBG структуры требует дополнительного пространства между элементами, в то время как это пространство ограничено максимально доступным расстоянием между элементами. Кроме того, данное решение работает только с одной поляризацией.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры антенны с широким углом сканирования лучом, работающей в широком диапазоне частот, обладающей низкими потерями, компактными размерами и высоким коэффициентом усиления.

Сущность изобретения

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

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предложена антенная решетка, содержащая множество элементов антенной решетки, каждый из которых включает в себя основную печатную плату, поверх которой расположен средний слой и дополнительная печатная плата, причем на верхней поверхности основной печатной платы и на верхней поверхности дополнительной печатной платы расположена патч-антенна, причем элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в среднем слое, уменьшающую связь между элементами антенной решетки, причем полость в среднем слое включает в себя воздушное отверстие, поддерживающее связь патч-антенны в основной печатной плате и патч-антенны в дополнительной печатной плате, причем основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата соединены между собой посредством соединения, которое не требует обеспечения гальванического контакта.

Согласно другому варианту осуществления элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в основной печатной плате и/или полость в дополнительной печатной плате, причем упомянутые полости в печатной плате ограничены множеством сквозных переходных металлизированных отверстий (VIA), окружающих патч-антенну печатной платы, причем полость в среднем слое вместе с полостью в дополнительной печатной плате и/или полостью в основной печатной плате образуют составную полость, уменьшающую связь между элементами антенной решетки.

Согласно другому варианту осуществления упомянутые VIA, ограничивающие полости в печатной плате, расположены на расстоянии друг от друга, при этом расстояние между краями VIA меньше, чем , где - рабочая длина волны в подложке печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления патч-антенна и питающий порт(ы) в основной печатной плате повернуты относительно сторон элементов антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки.

Согласно другому варианту осуществления патч-антенна дополнительной печатной платы расположена аналогично патч-антенне основной печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления патч-антенна имеет форму, обладающую симметрией относительно плоскостей поляризации.

Согласно другому варианту осуществления средний слой представляет собой металлический слой, в котором отверстие является сквозным и стенки отверстия образуют стенки упомянутой полости в среднем слое.

Согласно другому варианту осуществления средний слой представляет собой печатную плату, в которой отверстие окружено множеством VIA, ограничивающих упомянутую полость в среднем слое.

Согласно другому варианту осуществления отверстие является сквозным.

Согласно другому варианту осуществления основная печатная плата и печатная плата среднего слоя выполнены в виде одной печатной платы, а отверстие среднего слоя выполнено в виде отверстия на некоторую глубину.

Согласно другому варианту осуществления дополнительная печатная плата и печатная плата среднего слоя выполнены в виде одной печатной платы, а отверстие среднего слоя выполнено в виде отверстия на некоторую глубину.

Согласно другому варианту осуществления все полости, входящие в составную полость, имеют идентичную форму.

Согласно другому варианту осуществления зазоры между основной печатной платой, средним слоем и дополнительной печатной платой заполнены слоем диэлектрика или представляют собой воздушные зазоры, причем высота зазора не превышает 50 мкм.

Согласно другому варианту осуществления антенная решетка является двухполяризационной антенной решеткой.

Согласно другому варианту осуществления антенная решетка является однополяризационной антенной решеткой.

Настоящее изобретение позволяет получить антенну с простой конфигурацией, низкими потерями, компактными размерами, высоким коэффициентом усиления, выполненную с возможностью осуществления фокусировки/сканирования лучом в широком диапазоне углов сканирования, работающую в широком диапазоне частот.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 изображает общий вид элемента антенной решетки с вырезом четверти в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 изображает вид сверху одного элемента антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 изображает вид сверху антенной решетки и одного элемента антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения с указанием плоскостей сканирования.

Подробное описание

В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящее изобретение представляет собой антенную решетку, причем каждый элемент антенной решетки содержит основную печатную плату, дополнительную печатную плату и расположенный между ними средний слой. Элемент антенной решетки имеет форму квадрата. Как изображено на фиг. 1, упомянутые слои расположены снизу вверх в следующем порядке: основная печатная плата, средний слой, дополнительная печатная плата. На верхней поверхности основной печатной платы расположена патч-антенна. Аналогичным образом, на верхней поверхности дополнительной печатной платы расположена патч-антенна. Патч-антенны основной и дополнительной печатных плат имеют форму квадрата и по периметру окружены сквозными переходными металлизированными отверстиями (VIA), расположенными на расстоянии друг от друга, при этом расстояние между краями VIA должно быть меньше, чем , где - рабочая длина волны в подложке печатной платы. Таким образом, упомянутые VIA ограничивают полость в печатной плате (формируют отражающие «стенки» полости) (см. фиг. 2) и препятствуют распространению поверхностных волн в антенной решетке. Элемент антенной решетки включает в себя составную полость, состоящую из полостей в основной и дополнительной печатных платах, а также полости в среднем слое, размещенном между основной и дополнительной печатными платами. Внутренняя часть полости, окруженная множеством VIA, в основной и дополнительной печатных платах заполнена диэлектриком печатной платы. Основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата соединены между собой посредством соединения, которое не требует обеспечения гальванического контакта.

Таким образом, патч-антенна основной печатной платы и патч-антенна дополнительной печатной платы в примерном варианте осуществления представляют собой печатный патч-элемент, расположенный над полостью в печатной плате, причем полости ограничены множеством металлизированных переходных отверстий VIA.

В примерном варианте осуществления форма полости в среднем слое идентична форме полостей в печатных платах. Однако, в альтернативных вариантах осуществления размеры полостей в каждом слое могут несколько отличаться друг от друга.

В описанном выше примерном варианте осуществления патч-антенны имеют форму квадрата, хотя такой патч-элемент может иметь любую форму, обладающую симметрией относительно плоскостей поляризации (в случае двойной поляризации патч-элемент должен быть симметричен относительно обеих плоскостей).

Далее со ссылками на фиг. 1-3 примерный вариант осуществления настоящего изобретения будет описан подробнее.

Патч-антенна основной печатной платы возбуждается посредством по меньшей мере одного питающего порта, задающего поляризацию излучаемого сигнала. В случае однополяризационной антенной решетки патч-антенна возбуждается посредством одного питающего порта, а в случае двухполяризационной - посредством двух питающих портов, при этом поляризации, возбуждаемые каждым из портов, перпендикулярны.

В общем случае, вследствие более широкой диаграммы направленности излучения в Н-плоскости печатная антенная решетка имеет более широкий диапазон сканирования в Н-плоскости (<55°), чем диапазон сканирования, достижимый в Е-плоскости (<45°). Как следствие, двухполяризационная антенная решетка имеет разные характеристики сканирования в Е- и Н-плоскостях.

Как изображено на фиг. 3, в настоящем изобретении патч-антенна и питающий порт(ы) повернуты относительно сторон элементов антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки. Благодаря этому, сканирование антенной решетки осуществляется в D-плоскости элемента антенной решетки, в которой форма диаграммы направленности элемента антенной решетки по существу одинакова для обеих поляризаций как промежуточного сечения диаграммы элемента.

Антенный элемент имеет, как правило, разные формы диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях т.е. расположение элемента без поворота даст разные диаграммы направленности для каждого из портов антенны. В D-плоскости диаграммы направленности разных портов, для указанного случая, зеркально симметричны (Д1(ϑ)=Д2(-ϑ)) и близки к симметричным в случае малой утечки мощности между портами во всем диапазоне сканирования. Как следствие, при разработке антенного элемента и решетки, оптимизацию его геометрии достаточно проводить в одной плоскости (во второй плоскости результаты моделирования, благодаря симметрии характеристик излучения в D-плоскости, будут такими же). Это также упрощает управление решеткой, так как можно будет подавать одинаковое фазовое распределение на элементы решетки для сканирования по обеим поляризациям.

Патч-антенна дополнительной печатной платы расположена аналогично патч-антенне основной печатной платы и возбуждается посредством электромагнитного излучения (сигнала), поступающего от патч-антенны основной печатной платы.

Углы квадратной патч-антенны могут быть скруглены для обеспечения ее компактности.

В общем случае полость в среднем слое включает в себя воздушное отверстие, поддерживающее связь патч-элемента в основной печатной плате и патч-элемента в дополнительной печатной плате. Средний слой между печатными платами в примерном варианте осуществления представляет собой металлический слой. В таком металлическом среднем слое полость выполнена в виде сквозного отверстия, т.е. стенки отверстия образуют стенки полости в среднем слое. Упомянутое отверстие заполнено воздухом.

Одной из причин несимметричности излучения антенной решетки является утечка излучаемой мощности за счет распространения поверхностных волн в подложках печатных плат. Составная полость, состоящая из полостей основной и дополнительной печатных плат, а также полости в среднем металлическом слое, предотвращает распространение поверхностных волн, что эффективно уменьшает связь между элементами решетки и снижает потери мощности при сканировании. Полость в металлическом среднем слое представляет собой сквозное отверстие, поддерживающее связь патч-элемента в основной печатной плате и патч-элемента в дополнительной печатной плате. Снижение связи между элементами решетки позволяет решить проблему ослепления решетки: уменьшить потери мощности в результате рассогласования элементов основной рабочей поляризации и связи со второй поляризацией элемента. В соответствии с выражением (1), это позволяет обеспечить симметричные характеристики сканирования решетки в широком диапазоне углов.

Такая структура антенной решетки позволяет получить симметричную диаграмму направленности одиночного элемента в составе решетки, а также достичь потерь усиления решетки менее 3дБ даже в крайних положениях сканирования в диапазоне ± 60 градусов.

Стоит отметить, что форма полости в среднем слое в примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 1-3, идентична форме полостей в печатных платах, т.е. является квадратной. В альтернативных вариантах осуществления полость в среднем слое может быть выполнена в виде прямоугольного отверстия, прямоугольного отверстия со скругленными углами, круглого отверстия и т.д.

Средний слой в примерном варианте осуществления выполнен в виде металлического слоя. В качестве альтернативы, средний слой может быть выполнен на основе печатной платы (или части других печатных плат). В таком случае отверстие в среднем слое окружено множеством VIA, ограничивающих полость (образующих «стенки» полости).

Стенки составной полости или частей составной полости в различных вариантах осуществления могут быть параллельны краям патч-элементов в основной и дополнительной печатных платах, либо могут быть параллельны стенкам элемента антенной решетки.

Возможен вариант осуществления, в котором элемент антенной решетки включает в себя полость в среднем слое, в то время как в основной печатной плате и/или дополнительной печатной плате полость отсутствует. В остальном конструкция элемента антенной решетки в данном варианте осуществления аналогична примерному варианту осуществления, описанному выше. Такой вариант имеет более простую конструкцию и является эффективным для подавления поверхностных волн. Т.е. в таком варианте осуществления полость среднего слоя в значительной степени снижает распространение поверхностных волн в антенной решетке. В то же время при определенных параметрах (толщине и диэлектрической проницаемости) диэлектрика печатных плат полости в основной и/или дополнительной платах позволяют значительно улучшить характеристики решетки.

Основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата не требуют гальванического соединения между собой для передачи сигнала. Упомянутые части элемента антенной решетки могут быть просто зафиксированы друг относительно друга с зазорами между ними. Упомянутые зазоры могут образовываться естественным образом в результате неидеальности поверхностей частей антенного элемента или могут быть выполнены специально для обеспечения фиксированного расстояния между частями антенного элемента. Зазоры могут быть заполнены диэлектриком (например, тефлоновой пленкой) или могут представлять собой воздушный зазор, обеспечиваемый проставками. Высота зазора между упомянутыми слоями не должна превышать 50 мкм. В таком случае упомянутый зазор не оказывает негативного влияния на характеристики антенной решетки.

Соединение перечисленных слоев без необходимости обеспечения гальванического контакта значительно облегчает процесс сборки антенной решетки.

Добавление среднего слоя и дополнительной печатной платы к основной печатной плате позволяет улучшить характеристики сканирования антенной решетки и расширить рабочую полосу частот.

Далее описывается функционирование антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Высокочастотный сигнал от генератора подается на порт рабочей поляризации антенного элемента. Подводимый сигнал характеризуется амплитудой и фазой. В общем случае амплитуда сигналов на всех элементах решетки должна быть одинаковой. Фаза сигнала определяет положение антенного луча в пространстве.

По запитывающему металлизированному отверстию VIA сигнал подводится к патч-элементу антенной решетки, расположенному на основной печатной плате. Размер и форма патч-элемента являются резонансными для сигнала подаваемой частоты. Патч-элемент на основной печатной плате электромагнитно связан с дополнительным патч-элементом, расположенном на дополнительной печатной плате. Дополнительная печатная плата расположена на некотором расстоянии от основной печатной платы. Это расстояние фиксируется с помощью среднего металлического слоя, расположенного между печатными платами, с выполненным в нем воздушным отверстием, поддерживающим связь основного и дополнительного патч-элементов. Размер и форма дополнительного патч-элемента являются резонансными для сигнала подаваемой частоты.

Электромагнитное поле, возбуждаемое каждым составным патч-элементом антенной решетки, складывается в дальней зоне решетки, в результате чего, при определенном распределении фаз сигналов, подаваемых на элементы, излучение решетки становится направленным и происходит формирование антенного луча. Управляя фазой подаваемого сигнала, управляют положением луча в пространстве и осуществляют антенное сканирование. Ранее описанные полости вокруг каждого патч-элемента позволяют уменьшить связь между соседними элементами антенной решетки, что в свою очередь расширяет возможности сканирования.

В силу слабой связи (< -10дБ) между поляризациями антенного элемента, сигнал от генератора может подаваться на порты обеих поляризаций антенного элемента как попеременно, так и одновременно.

В альтернативном варианте осуществления основная печатная плата и печатная плата среднего слоя могут быть выполнены в виде одной печатной платы, соединенной с дополнительной печатной платой посредством (или без) воздушного зазора. В таком случае полость среднего слоя включает в себя отверстие на некоторую глубину. Аналогичным образом, дополнительная печатная плата и печатная плата среднего слоя могут быть выполнены в виде одной печатной платы, соединенной с основной печатной платой посредством (или без) воздушного зазора. Такой вариант осуществления снижает сложность изготовления антенной решетки.

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

Антенная решетка согласно настоящему изобретению предназначена для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. Однако, данная конфигурация может быть использована при проектировании антенных решеток и других диапазонов, например, сантиметрового, субмиллиметрового (терагерцовый диапазон частот) и т.д.

Компактные и высокоэффективные системы с управляемой антенной решеткой в соответствии с настоящим изобретением могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig. При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов. Антенны терминалов пользователей управляются для наведения на позицию антенны базовой станции.

Настоящее изобретение может найти применение в системах LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях. Устройство передачи мощности может быть построено на основании описанной структуры антенной решетки и таким образом может реализовывать фокусировку луча при зарядке устройств в зоне ближнего поля или сканирование лучом для передачи мощности устройствам, находящимся в дальней зоне антенны передатчика.

При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенну для обнаружения/избежания 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.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к печатной антенной решетке с широкоугольным сканированием. Технический результат - увеличение диапазона углов сканирования лучом антенной решетки и рабочего диапазона частот, упрощение конструкции антенной решетки и снижение потерь. Результат достигается тем, что антенная решетка содержит множество элементов антенной решетки, каждый из которых включает в себя основную печатную плату, поверх которой расположен средний слой и дополнительная печатная плата, причем на верхней поверхности основной печатной платы и на верхней поверхности дополнительной печатной платы расположена патч-антенна, причем элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в среднем слое, уменьшающую связь между элементами антенной решетки, причем полость в среднем слое включает в себя воздушное отверстие, поддерживающее связь патч-антенны в основной печатной плате и патч-антенны в дополнительной печатной плате, причем основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата соединены между собой посредством соединения, которое не требует обеспечения гальванического контакта. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенная решетка, содержащая множество элементов антенной решетки, каждый из которых включает в себя основную печатную плату, поверх которой расположен средний слой и дополнительная печатная плата, причем на верхней поверхности основной печатной платы и на верхней поверхности дополнительной печатной платы расположена патч-антенна, причем элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в среднем слое, уменьшающую связь между элементами антенной решетки, причем полость в среднем слое включает в себя воздушное отверстие, поддерживающее связь патч-антенны в основной печатной плате и патч-антенны в дополнительной печатной плате, причем основная печатная плата, средний слой и дополнительная печатная плата соединены между собой посредством соединения, которое не требует обеспечения гальванического контакта,

причем элемент антенной решетки дополнительно включает в себя полость в основной печатной плате и/или полость в дополнительной печатной плате, причем упомянутые полости в печатной плате ограничены множеством сквозных переходных металлизированных отверстий (VIA), окружающих патч-антенну печатной платы, причем полость в среднем слое вместе с полостью в дополнительной печатной плате и/или полостью в основной печатной плате образуют составную полость, уменьшающую связь между элементами антенной решетки.

2. Антенная решетка по п.1, в которой упомянутые VIA, ограничивающие полости в печатной плате, расположены на расстоянии друг от друга, при этом расстояние между краями VIA меньше чем , где - рабочая длина волны в подложке печатной платы.

3. Антенная решетка по п.1, в которой патч-антенна и питающий порт(ы) в основной печатной плате повернуты относительно сторон элементов антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки.

4. Антенная решетка по п.3, в которой патч-антенна дополнительной печатной платы расположена аналогично патч-антенне основной печатной платы.

5. Антенная решетка по п.1, в которой патч-антенна имеет форму, обладающую симметрией относительно плоскостей поляризации.

6. Антенная решетка по п.1, в которой средний слой представляет собой металлический слой, в котором отверстие является сквозным и стенки отверстия образуют стенки упомянутой полости в среднем слое.

7. Антенная решетка по п.1, в которой средний слой представляет собой печатную плату, в которой отверстие окружено множеством VIA, ограничивающих упомянутую полость в среднем слое.

8. Антенная решетка по п.7, в которой отверстие является сквозным.

9. Антенная решетка по п.7, в которой основная печатная плата и печатная плата среднего слоя выполнены в виде одной печатной платы, а отверстие среднего слоя выполнено в виде отверстия на некоторую глубину.

10. Антенная решетка по п.7, в которой дополнительная печатная плата и печатная плата среднего слоя выполнены в виде одной печатной платы, а отверстие среднего слоя выполнено в виде отверстия на некоторую глубину.

11. Антенная решетка по п.1, в которой все полости, входящие в составную полость, имеют идентичную форму.

12. Антенная решетка по п.1, в которой зазоры между основной печатной платой, средним слоем и дополнительной печатной платой заполнены слоем диэлектрика или представляют собой воздушные зазоры, причем высота зазора не превышает 50 мкм.

13. Антенная решетка по п.1, причем антенная решетка является двухполяризационной антенной решеткой.

14. Антенная решетка по п.1, причем антенная решетка является однополяризационной антенной решеткой.