Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schlitzantenne, die dazu eingerichtet ist, Hochfrequenzsignale von hauptsächlich Mikrowellen oder Millimeterwellen zu übertragen oder zu empfangen.

In den letzten Jahren sind Daten drahtlos und zwischen Personen, beispielsweise mit Hilfe von Mobiltelefonen, übertragen worden. Unter solchen Umständen war es erwünscht, große Datenmengen mit höheren Geschwindigkeiten zu übermitteln. Für diesen Zweck wurden Halbleiterelemente (Hochfrequenzhalbleiterelemente) entwickelt, die in Hochfrequenzbereichen, z. B. jenem der Millimeterwellen (30 bis 300 GHz), arbeiten.

Ferner wurden verschiedene Anwendungssysteme vorgeschlagen, bei denen Hochfrequenzhalbleiterelemente benutzt wurden, die mit elektromagnetischen Millimeterwellen arbeiten, beispielsweise ein Radar zwischen Kraftfahrzeugen und ein drahtloses Netzwerk (LAN). Beispielsweise wurden in der Electronics Society, Japanese Academy of Electronic Data Communication, 1959, ein Radar zwischen Kraftfahrzeugen (siehe SC-7-6), ein kabelloses Kamerasystem (siehe C-137), ein drahtloses Hochgeschwindigkeits-LAN-System (siehe C-139) und ähnliche Systeme vorgeschlagen.

Alle diese Systeme benutzen Radiowellen, und es werden Signale über Antennen zwischen dem System und dem Raum, in dem sich die Radiowellen ausbreiten, ausgetauscht. Bisher wurden für die Handhabung von Hochfrequenzsignalen verschiedene Antennen untersucht, z. B. eine Mikrostreifenantenne, eine Hornantenne, eine Schlitzantenne und ähnliche Antennen.

Die GB-A-2248522 beschreibt eine Schlitzantenne mit einem dielektrischen Substrat, einer Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung, die auf einer Oberfläche des dielektrischen Substrats ausgebildet ist und ein offenes Ende aufweist, und einer Erdungsschicht auf der anderen Oberfläche des Substrats, wobei die Erdungsschicht einen Schlitz an einer Stelle aufweist, die dem offenen Ende der Übertragungsleitung gegenüberliegt, und wobei eine dielektrische Platte auf der Erdungsschicht angeordnet ist, um den Schlitz abzudecken.

Die US-A-3827054 beschreibt eine Schlitzantenne mit einem dielektrischen Substrat, einer Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung, die auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, und eine Erdungsschicht auf der anderen Oberfläche des Substrats, wobei die Erdungsschicht einen Schlitz an einer Stelle aufweist, die dem offenen Ende der Übertragungsleitung gegenüberliegt, und wobei eine dielektrische Platte auf der Erdungsschicht angeordnet ist, um den Schlitz abzudecken.

Die US-A-4132995 bezieht sich auf eine Schlitzantenne mit einem dielektrischen Substrat, einer Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung, die auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und ein offenes Ende aufweist, und eine Erdungsschicht auf der anderen Oberfläche des Substrats, wobei die Erdungsschicht einen Schlitz an einer Stelle aufweist, die dem offenen Ende der Übertragungsleitung gegenüberliegt. Die Antenne beinhaltet ein Luftvolumen, das ein dielektrisches Element bildet und in einem Leiter eingeschlossen ist, der in Verbindung mit der Erdungsschicht steht und um das genannte dielektrisches Element herum angeordnet ist.

Eine Schlitzantenne hat einen Aufbau, bei dem an einer Oberfläche eines dielektrischen Substrats eine Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung, z. B. eine Mikrostreifenleitung, ausgebildet ist, eine Erdungsleitung auf der anderen Oberfläche des dielektrischen Substrats vorliegt, an einer Stelle, die einem offenen Ende der Übertragungsleitung gegenüberliegt, ein Schlitz eingerichtet ist sowie die Übertragungsleitung und der Schlitz elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Die Schlitzantenne mit einem solchen Aufbau ist insofern vorteilhaft als sie durch Anwendung einer allgemeinen Schichtlaminierungstechnologie hergestellt werden kann, unter den vorgenannten verschiedenen Antennenarten besonders billig produziert werden kann und für diejenige Systeme sehr geeignet ist, die in geringen Größen und mit niedrigem Gewicht gebaut werden müssen.

Jedoch haben die existierenden Schlitzantennen den Nachteil einer geringen Leistungsfähigkeit (bezüglich der Signalübertragungseigenschaften). Somit entstand das Bedürfnis nach einer Verbesserung dieser Leistungsfähigkeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schlitzantenne anzugeben, die Hochfrequenzsignale übermitteln kann und dabei eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schlitzantenne angegeben, mit einem dielektrischen Substrat, einer Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung, die auf einer Oberfläche des dielektrischen Substrats ausgebildet ist und ein offenes Ende aufweist, und einer Erdungsschicht auf der anderen Oberfläche des dielektrischen Substrats, wobei die Erdungsschicht an einer Stelle mit einem Schlitz versehen ist, die dem offenen Ende der Übertragungsleitung gegenüberliegt, und wobei eine dielektrische Platte zur Impedanzanpassung auf die Oberfläche der Erdungsschicht auf der Seite, wo sich der Schlitz befindet, auflaminiert ist, so daß der Schlitz abgedeckt wird.

Die Schlitzantenne ist dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Platte zur Impedanzanpassung eine Dicke h (mm) aufweist, welche die Bedingung entsprechend der folgenden Formel (1)

Bezüglich der konventionellen Schlitzantenne ist festzustellen, daß es hier eine fehlende Anpassung zwischen der Impedanz des Schlitzbereichs und der Impedanz des externen Raums, in dem sich die elektromagnetischen Wellen ausbreiten, existiert und aufgrund der fehlenden Anpassung Hochfrequenzsignale durch den Schlitzbereich reflektiert werden sowie als Ergebnis hiervon die Leistungsfähigkeit der Antenne gering bleibt. Andererseits weist gemäß der vorliegenden Erfindung die dielektrische Platte zur Impedanzanpassung eine spezielle Dicke h auf, wodurch eine fehlende Anpassung der Impedanz unterdrückt wird, Hochfrequenzsignale werden durch den Schlitzbereich nicht reflektiert und es wird eine hohe Leistungsfähigkeit der Antenne erreicht.

1 ist eine Draufsicht, die eine Schlitzantenne gemäß der Erfindung erläutert;

2 ist eine seitliche Schnittansicht (Schnittansicht entsprechend X-X) der Schlitzantenne gemäß 1;

3 ist eine seitliche Schnittansicht, die eine Schlitzantenne gemäß der am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert; und

4 ist eine seitliche Schnittansicht, die eine Leiterplatte erläutert, welche mit der erfindungsgemäßen Schlitzantenne ausgerüstet ist.

Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Schlitzantenne mit einem dielektrischen Substrat 1 ausgerüstet, das an einer Oberfläche eine Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung 2 mit einem offenen Ende 2a sowie an der anderen Oberfläche eine Erdungsschicht 3 aufweist. Die Erdungsschicht 3 ist mit einem Schlitz 4 versehen, der an einer Stelle ausgebildet ist, die dem offenen Ende 2a gegenüberliegt.

Eine dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung ist mit einem Klebstoff oder dergleichen derart auf die Erdungsschicht 3 aufgeklebt, daß sie den Schlitz 4 vollständig abdeckt.

Bei der so aufgebauten Schlitzantenne werden die über die Übertragungsleitung 2 übermittelten Hochfrequenzsignale aufgrund der elektromagnetischen Kopplung, welche durch die Kombination des offenen Endes 2a mit dem Schlitz 4 entsteht, dem Schlitz 4 zugeführt. Hier weist der Schlitz 4 eine Impedanz auf, die von jener des externen Raums verschieden ist. Deshalb werden aufgrund der fehlenden Übereinstimmung der Impedanz die Hochfrequenzsignale durch den Schlitz 4 direkt reflektiert, obwohl versucht wird, die elektromagnetischen Wellen direkt von dem Schlitz 4 in den externen Raum abzustrahlen. Gemäß der Erfindung werden die elektromagnetischen Wellen mit hoher Effizienz in den externen Raum abgestrahlt, und die Leistungsfähigkeit der Antenne ist verbessert.

Bei der vorliegenden Erfindung hat die dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung eine Dicke h (mm), welche die Bedingung gemäß der folgenden Formel (1)

Wenn die dielektrische Platte 5 eine Dicke h aufweist, die außerhalb des vorgenannten Bereichs liegt, nimmt die Wirkung zur Verminderung der fehlenden Anpassung zwischen der Impedanz des Schlitzes 4 und jener des externen Raums ab, und es entsteht die Tendenz einer Reflexion der Signale durch den Schlitz 4.

Um die elektromagnetische Kopplung zwischen der Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung 2 und dem Schlitz 4 zu verbessern, ist es ferner erwünscht, daß der Schlitz 4 eine Größe aufweist, welche die folgenden Bedingungen erfüllt. Das heißt, es ist erwünscht, daß die Länge ML (mm) von dem offenen Ende 2a der Übertragungsleitung 2 bis zu dem Bereich, welcher der Mitte des Schlitzes 4 entspricht, und die Länge SL (mm) des Schlitzes 4 im rechten Winkel zu der Richtung, in der sich die Übertragungsleitung 2 erstreckt, die Bedingungen entsprechend der folgenden Formeln (2) und (3)

Wenn die Längen ML und SL die vorgenannten Formeln (2) und (3) erfüllen, wird die elektromagnetische Kopplung zwischen der Übertragungsleitung 2 und dem Schlitz 4 am größten, und die Signale werden durch den Schlitz 4 am wenigsten reflektiert.

Obwohl 1 den Schlitz 4 in einer rechtwinkligen Form zeigt, gibt es bezüglich der Schlitzform keine besondere Beschränkung. Deshalb kann sie auch elliptisch sein. Es ist erwünscht, daß die Bedingungen der vorgenannten Formeln (2) und (3) selbst dann erfüllt werden, wenn der Schlitz 4 eine elliptische Gestalt aufweist, was selbstverständlich ist.

Bei der vorliegenden Erfindung gibt es keine besondere Beschränkung der Größe (Breite) der dielektrischen Platte 5 zur Impedanzanpassung, solange der Schlitz 4 von der dielektrischen Platte 5 vollständig abgedeckt ist. Beispielsweise kann die dielektrische Platte 5 eine Größe aufweisen, die nur ausreicht, um gerade den Umfang des Schlitzes 4 abzudecken, wie in 2 dargestellt ist, oder sie kann von einer Größe sein, die ausreicht, um fast die ganze Oberfläche der Erdungsschicht 3 abzudecken.

Es ist ferner bevorzugt, daß die dielektrische Platte 5 mit einem Leiter versehen ist, der in elektrischer Verbindung mit der Erdungsschicht 3 steht, in der Weise, daß er den Schlitz 4 umgibt, der von der dielektrischen Platte 5 abgedeckt wird. 3 erläutert einen Hauptteil der Schlitzantenne, die mit einem derartigen Leiter versehen ist.

In 3 wird die Erdungsschicht 3 von der dielektrischen Platte 5 abgedeckt, die eine Mehrzahl von Durchgangsleitern 8 aufweist, die mit der Erdungsschicht 3 derart elektrisch verbunden sind, daß sie den Schlitz 4 umgeben. Das heißt, bei dem in 3 gezeigten Zustand bildet ein Bereich der dielektrischen Platte 5, der von den Durchgangsleitern 8 umgeben ist, eine Funktion zur Impedanzanpassung. Die von dem Schlitz 4 ausgesandten elektromagnetischen Wellen werden über die dielektrische Platte 5 in den externen Raum abgestrahlt. Ohne solche Durchgangsleiter 8 kann die Reflexion der Signale durch den Schlitz 4 auf beispielsweise höchstens –10dB gedrückt werden. Jedoch werden die elektromagnetischen Wellen von dem Schlitz 4 teilweise in der dielektrischen Platte 5 gestreut und breiten sich in den Umfangsrichtungen aus. Durch Ausbilden der Durchgangsleiter 8, wie in 3 dargestellt ist, werden die in der dielektrischen Platte 5 gestreuten elektromagnetischen Wellen durch die Durchgangsleiter beseitigt. Deshalb werden alle elektromagnetischen Wellen von dem Schlitz 4 in den externen Raum abgestrahlt, um die Antenneneigenschaften weiter zu verbessern.

Es ist erwünscht, daß der Zwischenraum zwischen den mehreren Durchgangsleitern 8 nicht größer ist als ein Viertel der Wellenlänge der übermittelten Hochfrequenzsignale ist, und zwar unter dem Gesichtspunkt des Erreichens eines genügenden Wirkungsgrads zum Abschirmen der elektromagnetischen Wellen. Es ist ferner möglich, anstelle der Mehrzahl der Durchgangsleiter 8 einen plattenähnlichen kontinuierlichen Leiter vorzusehen. Es ist erwünscht, daß die Mehrzahl der Durchgangsleiter 8 derart entlang dem Schlitz 4 ausgebildet ist, daß sie ihn umgeben. Wenn die dielektrische Platte 5 eine geringe Größe aufweist, wie in 2 dargestellt ist, können die Durchgangsleiter 8 oder die Leiternplatte so ausgebildet sein, daß sie die dielektrische Platte 5 umgeben.

Bei der in den 1 bis 3 gezeigten erfindungsgemäßen Schlitzantenne können das dielektrische Substrat 1 und die dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung aus einer Vielzahl bekannter Substratmaterialien hergestellt sein, z. B. aus einem anorganischen Material, wie Al₂O₃, Si₃N₄, AlN oder Glaskeramik, einem organischen Harz, wie Bismaleinimidharz oder Polyphenylenoxid, oder einem Verbundmaterial aus einem organischen Harz und einem anorganischen Füllstoff. Diese Elemente können aus dem gleichen dielektrischen Material hergestellt sein. Wenn das dielektrische Substrat und dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung aus anorganischen Stoffen hergestellt werden, können diese Stoffe derart ausgewählt werden, daß sie gleichzeitig gebrannt werden können, was den Vorteil bietet, daß die Schlitzantenne durch das gleichzeitige Brennen zu einer Zeit hergestellt werden kann.

Die Erdungsschicht 3 und die Durchgangsleiter 8 können aus einem bekannten Leitermaterial hergestellt sein, z. B. aus W, Mo, Mo-Mn, Cu, Au oder Ag. Um den Übertragungsverlust der Hochfrequenzsignale zu vermindern, ist es erwünscht, einen Leiter mit niedrigem Widerstand, z. B. Cu, Au oder Ag, einzusetzen.

Die vorgenannte Schlitzantenne der vorliegenden Erfindung hat nicht nur eine hohe Antennenleistungsfähigkeit sondern kann durch ein Schichtlaminierungsverfahren, das eine allgemein angewandte Technologie zum Herstellen von mehrschichtigen Leiterplattensubstraten darstellt, leicht und billig hergestellt werden. Daneben hat die Schlitzantenne einen sehr einfachen Aufbau, der eine geringe Größe und ein geringes Gewicht aufweist sowie sehr gut den Systemen angepaßt werden kann, welche die vorgenannten Eigenschaften erfordern. Insbesondere erlaubt es das dielektrische Substrat 1, ein Halbleiterelement direkt daran anzubringen, und kann deshalb leicht zusammen mit einer Leiterplatte hergestellt werden, an der Halbleiterelemente befestigt sind.

4 erläutert den Aufbau einer Leiterplatte, bei der die Schlitzantenne der vorliegenden Erfindung einstückig damit ausgebildet ist.

Bei dieser Leiterplatte ist die Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung 2 in Form eines kreisförmigen Musters an einer Oberfläche des dielektrischen Substrats 1 ausgebildet, und die Erdungssicht 3 mit dem Schlitz 4 liegt an der Oberfläche des dielektrischen Substrats 1 vor. Das heißt, wie oben beschrieben wurde, der Schlitz 4 ist an einer Stelle ausgebildet, die dem offenen Ende 2a der Übertragungsleitung 2 gegenüberliegt, und die Übertragungsleitung 2 und der Schlitz 4 sind miteinander elektromagnetisch gekoppelt, wodurch ein Grundaufbau der Schlitzantenne entsteht.

Ferner ist eine dielektrische Schicht 7 auf die Erdungsschicht 3 laminiert, und eine Mehrzahl von Durchgangsleitern 8, die mit der Erdungsschicht 3 elektrisch verbunden sind, ist derart in der dielektrischen Schicht 7 ausgebildet, daß sie den Schlitz 4 umgeben. Die dielektrische Schicht 7 entspricht der oben genannten dielektrischen Platte 5 zur Impedanzanpassung. Jedoch ist hier das, was die Funktion zur Anpassung der Impedanz aufweist, nur ein von den Durchgangsleitern 8 umgebene Bereich. Deshalb wird in 4 dieser Bereich mit 5 bezeichnet.

Ein Halbleiterelement 9, z. B. ein Siliconchip oder dergleichen wird an der Oberfläche des dielektrischen Substrats 1 an der Seite der Übertragungsleitung 2 befestigt und ist durch Bonddrähte mit der Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung 2 verbunden. Ferner ist an dem dielektrischen Substrat 1 eine Kappe 10 angebracht, die aus einem Leiter, z. B. einem Metall, hergestellt ist. Aufgrund der Kappe 10 wird das Halbleiterelement 9 in einem luftdichten Zustand gehalten.

In der Leiterplatte mit dem oben genannten Aufbau wird die Schlitzantenne der vorliegenden Erfindung leicht einstückig mit dem Aufbau ausgebildet, und zwar mit Hilfe der bekannten Mehrschichtentechnologie. Es ist deshalb verständlich, daß die Leiterplatte eine kleine Größe und ein geringes Gewicht aufweist sowie kostengünstig hergestellt wird. Selbstverständlich ist es bei der Leiterplatte möglich, das dielektrische Substrat 1 als Mehrschichtenaufbau auszubilden. Beispielsweise können die Übertragungsleitung 2, welche mit dem Schlitz 4 elektromagnetisch gekoppelt ist, auf der Innenseite ausgebildet und das Halbleiterelement 9 auf der obersten Schicht angebracht sein.

Die Erfindung wird nun beispielhaft erläutert.

Durch Metallisieren mit Wolfram wurde auf einer Oberfläche einer grünen Platte aus Aluminiumoxid mit einer Dielektrizitätskonstante von 8,9 ein linearer Leiterdurchgang mit einem vorgegebenen Muster ausgebildet. Durch Metallisieren mit Wolfram wurde auf der anderen Oberfläche der grünen Platte eine Leiterschicht mit einem Schlitz erzeugt. Es folgte ein gleichzeitiges Brennen, um einstückig ein dielektrisches Substrat 1, eine Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitung (Mikrostreifenleitung 2) und eine Erdungsschicht 3 mit einem Schlitz 4 herzustellen. Anschließend wurden die Oberflächen der Übertragungsleitung 2 und der Erdungsschicht 3 mit Gold plattiert, um eine Vergleichsschlitzantenne zu erhalten (Probe Nr. 0).

Bei der Vergleichsschlitzantenne waren die Dicke des dielektrischen Substrats 1, die Länge ML von dem offenen Ende 2a der Übertragungsleitung 2 bis zu dem Bereich, welcher der Mitte des Schlitzes 4 entsprach, und die Länge SL des Schlitzes 4 in der Richtung senkrecht zur Richtung, in der sich die Übertragungsleitung 2 erstreckte, wie folgt:

Dicke des dielektrischen Substrats: 0,2 mm

ML: 3,0 mm

SL: 6,6 mm.

Dann wurde eine dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung (20 mm hoch, 10 mm breit und 2,4 mm dick) aus dem gleichen Material wie das dielektrische Substrat 1 mit einem Epoxidklebstoff auf die Oberfläche des Schlitzes 4 geklebt, um eine erfindungsgemäße Schlitzantenne herzustellen (Probe Nr.1).

Ferner wurden in der oben beschriebenen Weise verschiedene Schlitzantennen (Proben Nr. 2 bis 66) hergestellt, und zwar durch Ändern der Längen ML, SL sowie der Dicke (h) der dielektrischen Platte 5.

Um die Übertragungseigenschaften zu bewerten, wurde bei jeder der nach obiger Beschreibung hergestellten Schlitzantennen an einem Ende auf der Seite, die dem offenen Ende 2a der Übertragungsleitung 2 gegenüberlag, eine Umwandlungsleitung von der Mikrostreifenleitung in einen geerdeten koplanaren Wellenleiter ausgebildet. Eine koplanare Sonde eines Netzwerkanalysators wurde mit dem mit einem Leiter hinterlegten koplanaren Wellenleiter verbunden, um die Reflexionseigenschaften der Hochfrequenzsignale von 10 oder 60 GHz zu messen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.

Bei einigen Schlitzantennen wurde um die dielektrische Platte 5 herum eine Leiterschicht aus Ag angeklebt, um die Übertragungseigenschaften in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, zu bewerten. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 aufgezeigt.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Bereiche von h, ML und SL, welche durch die oben genannten Formeln (1) bis (3) als F (h), F (ML) und F (SL) definiert werden.

Aus den Ergebnissen in den Tabellen 1 und 2 ist ersichtlich, daß dann, wenn h, ML und SL die Bedingungen der Formeln (1) bis (3) erfüllen, die Reflexion den Wert von –10dB nicht übersteigt und hochwirksame Antennen erhalten werden. Es ist auch ersichtlich, daß die Leistungsfähigkeit der Antenne durch Ausbilden einer Leiterschicht um die dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung herum weiter verbessert wird.

Die mit * markierten Proben sind jene, welche die Bedingungen der Formeln (1), (2) und (3) nicht erfüllen (das Gleiche gilt auch für die Tabellen 2 und 3).

In der gleichen Weise wie im Beispiel 1 wurden verschiedenen Schlitzantennen (Proben Nr. 67 bis 83) hergestellt, jedoch unter Einsatz einer Glaskeramik mit einer Dielektrizitätskonstante von 5,6 als dielektrischem Material zur Ausbildung der dielektrischen Platte 5 zur Impedanzanpassung. Die Reflexion der Hochfrequenzsignale wurden bei 60 GHz gemessen. Bei einigen Schlitzantennen wurde um die dielektrische Platte 5 herum eine Leiterschicht aus Ag angebracht, um die Übertragungseigenschaften in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, zu bewerten. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 angegeben.

Aus den Ergebnissen der Tabelle 3 ist ersichtlich, daß dann, wenn h, ML und SL die Bedingungen der Formeln (1) bis (3) erfüllen, die Reflexion nicht größer als –10dB wird und hochwirksame Antennen erhalten werden. Es ist ferner ersichtlich, daß die Leistungsfähigkeit der Antenne durch Ausbilden einer Leiterschicht um die dielektrische Platte 5 zur Impedanzanpassung herum verbessert wird.