DE69600976T2

DE69600976T2 - Integrierte Flachantenne mit Umwandlungsfunktion

Info

Publication number: DE69600976T2
Application number: DE69600976T
Authority: DE
Inventors: Eiki C/O Mitsumi Elec. Co. Ltd. Sakai Kanagawa Hosaka; Toshikazu C/O Mitsumi Elec. Co. Ltd. Sakai Kanagawa Ogino; Hayato C/O Mitsumi Elec. Co. Ltd. Sakai Kanagawa Shibano
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: EP0725457A1; JPH08204444A; DE69600976D1; EP0725457B1; US5668563A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrale Flachantenne, die mit einer Umsetzerfunktion versehen ist, und insbesondere eine integrale Flachantenne, die mit einer Umsetzerfunktion versehen ist und die hauptsächlich dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Wellen zu empfangen, die von Satelliten gesendet werden. Genauer gesagt ist die Flachantenne gemäß der vorliegenden Erfindung dazu ausgelegt, als GPS-Antenne (GPS steht für Global Positioning System bzw. Globalpositionierungssystem) zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen von GPS-Satelliten zu dienen, und eine derartige Antenne wird insbesondere für Kraftfahrzeug-Navigationssysteme eingesetzt.

Beschreibung des Standes der Technik

Unterschiedliche Typen von integralen Flachantennen, die mit Umsetzerfunktionen versehen sind, gehören zum Stand der Technik, und eine dieser Antennen zum Einsatz für GPS ist in Fig. 1 gezeigt.
Diesbezüglich zeigt Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen integralen GPS-Antenne, die mit einer Umsetzerfunktion versehen ist. Wie in dieser Zeichnung gezeigt, ist die GPS-Antenne grundsätzlich aus einem Antennenelement 1, einem Antennensubstrat 5, welches das Antennenelement 1 trägt, und einem Gehäuse 12 aufgebaut, das aus einer Stahlplatte hergestellt ist, die unter dem Antennensubstrat 5 vorgesehen ist, um das Antennensubstrat 5 zu tragen.
Das Antennenelement 1 umfaßt einen dielektrischen Abschnitt 1a, der aus einer dielektrischen Substanz, wie etwa Keramik oder dergleichen, hergestellt ist, und ein Aufgabepunkt 2 ist im wesentlichen im Zentrum der Oberseite des dielektrischen Abschnitts 1a vorgesehen. Da der umgebende Bereich Anlaß zur Ausbildung statischer Aufladungen am dielektrischen Abschnitt 1a geben kann, muß das Antennenelement 1 geerdet sein, um seine Eigenschaften zu stabilisieren. Um dies zu erzielen, sind Erdungsebenen 3, 4, hergestellt aus einer Kupferfolie, auf der Ober- und Unterseite des Antennensubstrats 5 vorgesehen. Erden wird durch Anbringen des Antennenelements 1 im Zentrum der Oberseite der Erdungsebene 3 erzielt, die auf der Oberseite des Antennensubstrats 5 vorgesehen ist, und durch Verbinden der Erdungsebene 3 mit Erde über einen Außenleiter eines Koaxialkabels 20 (nachfolgend erläutert).
Ein Anschlußabschnitt 6 erstreckt sich außerdem abwärts ausgehend vom Aufgabepunkt 2 des Antennenelements 1 durch die Innenseite des Antennenelements 1 und durch ein Durchgangsloch 7, das in dem Antennensubstrat 5 derart gebildet ist, daß es unter die Unterseite des Antennensubstrats 5 vorsteht. Der vorstehende Abschnitt des Anschlußabschnitts 6 ist an das Antennensubstrat 5 an einem Lötabschnitt 8 angelötet. Außerdem ist eine Steckhülse 9 unter dem Antennensubstrat 5 im Bereich des Durchgangslochs 7 vorgesehen, und die Steckhülse 9 ist mit dem Lötabschnitt 8 über ein Schaltungsmuster 10 verbunden.
Die Erdungsplatte 4, die unter dem Antennensubstrat S vorgesehen ist, weist um den Rand des Lötabschnitts 8, des Schaltungsmusters 10 und der Steckhülse 9 Ausschnittabschnitte auf, und sie ist deshalb elektrisch von diesen Elementen isoliert. Die Erdungsebene 3, die auf der Oberseite des Antennensubstrats 5 vorgesehen ist, ist außerdem elektrisch von dem Anschlußabschnitt 6 isoliert.
Außerdem sind Positionierungsausnehmungen 11, 12 im Antennensubstrat 5 gebildet und Vorsprünge 13, 13 stehen auf der Oberseite des oberen Gehäuses 12a eines Gehäuses 12 in Positionen entsprechend den Positionierungsausnehmungen 11, 11 hoch. Auf diese Weise wird das mit dem Antennenelement 1 versehene Antennensubstrat 5 auf der Oberseite des Gehäuses 12a durch Anbringen der Positionierungsausnehmungen 11, 11 über den Vorsprüngen 13, 13 montiert.
In dem oberen Gehäuse 12a vorgesehen befindet sich ein Frontendsubstrat 17, auf welchem eine Frequenzumsetzschaltung 16 angebracht ist. Die Frequenzumsetzschaltung 16 ist durch Anbringen elektrischer Teile 15, 15, wie etwa integrierte Schaltungen, Oszillatoren und dergleichen, auf der Bodenseite eines doppelseitigen Substrats 14 aufgebaut. Rechteckige Durchbrüche 18, 19 sind außerdem im wesentlichen im Zentrum des oberen Gehäuses 12a und des Frontendsubstrats 17 in Positionen gebildet, welche der Steckhülse 9 entsprechen. Ein Ende des Innenleiters des Koaxialkabels 20, die als Aufgabeleitung mit einer vorbestimmten Impedanz (beispielsweise 50 Ω) dient, ist mit der Steckhülse 9 verbunden, und das andere Ende des Innen leiters ist mit der Frequenzumsetzschaltung 16 des Frontendsubstrats 17 über die rechteckigen Durchbrüche 18, 19 verbunden. Um das Antennenelement 1 zu erden, wie vorstehend erläutert, ist diesbezüglich ein Ende des Außenleiters des Koaxialkabels 20 mit der Erdungsebene 4 verbunden und das andere Ende hiervon ist mit dem Gehäuse 12 und dergleichen verbunden.
Da elektrische GPS-Wellen und dergleichen, ausgesondert von Satelliten, üblicherweise Hochfrequenzwellen im Gigahertz- Bereich von 3 bis 30 GHz sind, können die Signaleigenschaften leicht beeinträchtigt werden, wenn elektrische Signale auf Grundlage derartiger empfangener elektromagnetischer Wellen in der Frequenzumsetzschaltung 16 verarbeitet werden. Um eine derartige Beeinträchtigung der Signaleigenschaften zu verhindern, ist es deshalb bevorzugt, daß die Frequenzumsetzschaltung 16 einen Schaltungsaufbau hat, bei welchem die Signale so linear wie möglich fließen.
Bei der GPS-Antenne gemäß dem Stand der Technik verläuft deshalb das Koaxialkabel im wesentlichen um 90º gebogen, nachdem es die rechteckigen Ausnehmungen 18, 19 durchsetzt hat, und es verläuft daraufhin parallel zu der Unterseite des Frontendsubstrats 17, bis es eine Position in der Nähe von einem Ende des Frontendsubstrats 17 erreicht (in der Zeichnung das rechte Ende). In dieser Position ist das Koaxialkabel 20 mit einer Steckhülse 21 verbunden, die auf dem Frontendsubstrat 17 vorgesehen ist, um als Signaleingabeabschnitt zu dienen. Die Schaltung ist außerdem derart aufgebaut, daß die Signale, die an dem Eingabeabschnitt der Frequenzumsetzschaltung 16 (d. h. der Steckhülse 21) eingegeben werden, im wesentlichen linear in Richtung auf das andere Ende des Frontendsubstrats 17 fließen (in der Zeichnung das linke Ende) und einen Ausgangsstecker 22 erreichen, der am anderen Ende des Frontendsubstrats 17 vorgesehen ist, um als Ausgabeabschnitt zu dienen.
Da dieser Typ einer GPS-Antenne hauptsächlich für Kraftfahrzeug-Navigationssysteme verwendet wird, ist sie üblicherweise an der Oberseite der Fahrzeugkarosserie oder dergleichen befestigt. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, daß die Antenne so dünn wie möglich hergestellt wird.
Wie vorstehend erläutert, müssen jedoch bei diesem Typ einer integralen GPS-Antenne gemäß dem Stand der Technik, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, zwei Substrate, nämlich das Antennensubstrat 5 und das Frequenzumsetzschaltungssubstrat 17 (d. h., das Frontendsubstrat 17) getrennt vorgesehen werden und lediglich das Frontendsubstrat 17 ist in dem Gehäuse 12 untergebracht. Da das Koaxialkabel 20 zum Verbinden des Aufgabepunkts 2 des Antennenelements 1 und die Frequenzumsetzschaltung 16 unter dem Frontendsubstrat 17 hinauf zu dem Signaleingabeabschnitt (Steckhülse) 21 verlaufen müssen, muß unter dem Frontendsubstrat 17 ein vorbestimmter Raum bereitgestellt sein. Aus diesen Gründen muß das Gehäuse eine spezifische bzw. spezielle bzw. geeignete Höhe aufweisen und außerdem muß die Antenne eine bestimmte Höhe zur Montage des Antennensubstrats 5 über dem Gehäuse 12 aufweisen. Es ist deshalb sehr schwierig, eine dünnere Flachantenne aufzubauen.
Da diese Antenne gemäß dem Stand der Technik zwei Substrate erfordert, die getrennt hergestellt werden müssen, sowie ein Koaxialkabel, liegt eine erhöhte Anzahl von Teilen vor und eine erhöhte Anzahl von Herstellungsschritten ist erforderlich. Diese Struktur führt zu einem komplexen Herstellungsprozeß und außerdem zu hohen Herstellungskosten aufgrund des relativ hohen Preises von Koaxialkabeln.
Beim Einsatz für die Kraftfahrzeug-Navigation ist es außerdem bevorzugt, daß diese GPS-Antennen so aufgebaut sind, daß sie gegen Vibrationen beständig sind, die vom Kraftfahrzeug übertragen werden. Bei der vorstehend erläuterten Struktur besteht jedoch die Gefahr, daß die Antenne durch diese Vibrationen beeinträchtigt wird, weil das Antennenelement 1 und das Antennensubstrat 5 (und die Erdungsebenen 3, 4) außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet und durch die Vorsprünge getragen sind. Infolge davon besteht die Gefahr, daß die elektrischen Verbindungen, wie etwa der Lötabschnitt 8 aufgrund der Vibrationen eine Beschädigung erleiden. Da die Verbindungen des Koaxialkabels 20 mittels der Steckhülsen 9, 21 ausgeführt sind, vermögen Vibrationen des Kraftfahrzeugs das Koaxialkabel 20 zu veranlassen, lose zu werden oder aus den Steckhülsen herauszufallen, was Anlaß zu schlechten oder unterbrochenen Verbindungen gibt.
Da diese Typen von Flachantennen üblicherweise im Freien verwendet werden, ist es außerdem erwünscht, daß diese Antennen dazu ausgelegt sind, in der Lage zu sein, Umgebungsbedingungen, wie etwa Regen, Schnee, Hitze und dergleichen, in adäquater Weise zu widerstehen.
Aus der JP-A-06-045824 ist eine Antenne für GPS-Systeme bekannt. Diese Antenne weist ein gedrucktes Mehrschicht-Schaltungssubstrat auf, das eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht umfaßt. Ein Antennenelement ist auf der Oberseite der ersten dielektrischen Schicht gebildet und ein Schaltungsmuster ist auf der Unterseite der dielektrischen Schicht gebildet. Das Schaltungsmuster umfaßt elektrische Teile, welche einen Verstärker bilden. Zwischen den ersten und zweiten elektrischen Schichten ist eine leitende Schicht zur Erdung vorgesehen, die als gemeinsame Erde für das Antennenelement und den Verstärker dient. In dieser Antenne ist ein Stiftelement vorgesehen, welches das Substrat in seiner Dickenrichtung durchsetzt, um das Antennenelement mit einem Signaleingabeanschluß des Schaltungsmusters des Verstärkers zu verbinden. Das Stiftelement ist derart gebildet, daß es elektrisch die leitende Schicht zur Erdung kontaktiert.
In der JP-A-06-045824 sind weitere Ausführungsformen offenbart, von welchen jede Stiftelemente umfaßt, welche das mehrschichtige bedruckte Schaltungssubstrat vertikal durchsetzen, um das Antennenelement mit dem Schaltungsmuster zu verbinden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend erläuterten Probleme beim Stand der Technik gemacht worden.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine integrale Flachantenne zu schaffen, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist und es ermöglicht, ihre Struktur zu vereinfachen und dadurch eine dünnere Flachantenne bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine integrale Flachantenne zu schaffen, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, die weniger Teile aufweist und weniger Herstellungsschritte erfordert und damit eine problemlose Herstellung und niedrigere Herstellungskosten ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine integrale Flachantenne zu schaffen, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, die äußeren Umgebungsbedingungen oder Vibrationen gegenüber beständig ist.
Um diese Aufgaben zu lösen, wird eine integrale Flachantenne mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Flachantenne mit dem vorstehend genannten Aufbau ist demnach mit einem integral gebildeten mehrschichtigen Substrat versehen, das in einem einzigen Schichtkörper realisiert ist, in welchem die Erdungsebenenschicht auf der äußersten Schicht zum Bereitstellen einer Erde für das Antennenelement versehen ist, die zweite isolierende Schicht, auf welcher die Frequenzumsetzschaltung angeordnet ist, auf der untersten Schicht vorgesehen ist, und die leitende Schicht, die als Aufgabeleitung dient, welche den Aufgabepunkt des Antennenelements mit dem Eingang der Frequenzumsetzschaltung verbindet, zwischen dieser Erdungsebenenschicht und der zweiten isolierenden Schicht vorgesehen ist. Auf diese Weise sind in dem Mehrschichtsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung die meisten der Hauptbestand teile, die aus den getrennten Teilen nach dem Stand der Technik gebildet sind, sämtliche in dem Mehrschichtsubstrat enthalten, das in Gestalt eines einzigen Schichtkörpers gebildet ist. Infolge davon weist die Flachantenne gemäß der vorliegenden Erfindung einen einfachen Aufbau im Vergleich zum Stand der Technik auf, was es ermöglicht, die Antenne als dünnere Flachantenne aufzubauen. Da die Flachantenne gemäß der vorliegenden Erfindung weniger Teile aufweist und weniger Herstellungsschritte erfordert als der Stand der Technik, und weil sie relativ teure Teile, wie etwa Koaxialkabel nicht erfordert, kann die Antenne mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Da die Hauptbestandteile außerdem in einen integralen Körper ohne die Verwendung von Koaxialkabel gebildet sind, das lösbar angebracht ist, ist die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber Vibrationen beständig, weshalb eine geringe Wahrscheinlichkeit vorliegt, daß eine schlechte Verbindung oder dergleichen verursacht wird.
Bei dervorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß das Antennenelement im wesentlichen im Zentrum der Erdungsplatte positioniert ist, und die leitende Schicht ist elektrisch mit dem Aufgabepunkt des Antennenelements in einer Position unter dem Antennenelement angeschlossen, und die leitende Schicht ist aus einem streifenförmigen Muster gebildet, das sich ausgehend von dieser Position zur Signaleingabe bzw. zum Signaleingang der Frequenzumsetzschaltung erstreckt.
Durch Ändern der Breite und/oder Dicke der leitenden Schicht in geeigneter Weise ist es damit möglich, die Impedanz der leitenden Schicht in gewünschter Weise festzulegen. Außerdem ist es möglich, die Impedanz der leitenden Schicht einzustellen, indem zwischen den ersten und zweiten isolierenden Schichten ein Prepreg zusätzlich vorgesehen wird, woraufhin die Induktanz und/oder Dicke der ersten isolierenden Schicht, der zweiten isolierenden Schicht und/oder des Prepregs in geeigneter Weise eingestellt wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung können auf diese Weise die Impedanzeigenschaften der Aufgabeleitung problemlos in unterschiedlicher Weise eingestellt werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß die leitende Schicht auf der unteren Oberfläche bzw. Unterseite der ersten leitenden Schicht über einen Ätzprozeß ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf eine integrale Flachantenne, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, die ein flaches Gehäuse umfaßt, das in Kastenform gebildet ist, ein Antennenelement mit einem Aufgabepunkt und ein integral gebildetes Mehrschichtensubstrat, das in dem Gehäuse untergebracht ist. Das Mehrschichtensubstrat umfaßt zumindest eine Erdungsebenenschicht, um darauf das Antennenelement im wesentlichen im zentralen Abschnitt zu tragen, eine Frontendsubstratschicht, die mit einer Frequenzumsetzschaltung zum Ausführen einer Umsetzfunktion bezüglich der Frequenz der empfangenen Signale ausführt und einen Eingang für die Frequenzumsetzschaltung aufweist, der bzw. die an einem Ende der Frontendsubstratschicht vorgesehen ist, und eine leitende Schicht, die zwischen der Erdungsebenenschicht und der Frontendsubstratschicht vorgesehen ist, um den Aufgabepunkt des Antennenelements mit dem Eingang der Frequenzumsetzschaltung elektrisch zu verbinden.
In Übereinstimmung mit der Flachantenne mit dem vorstehend genannten Aufbau ist der größte Teil der Hauptbestandteile innerhalb des Gehäuses untergebracht. Zusätzlich zu dem vorstehend erläuterten Vorteil liegt der zusätzliche Vorteil vor, daß die Antenne durch äußere Umgebungsbedingungen kaum beeinträchtigt wird.
Weitere Aufgaben, Strukturen und Funktionen der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer GPS-Antenne gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer GPS- Antenne gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer GPS-Antenne gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3. Es wird an diesem Punkt bemerkt, daß, obwohl die vorliegende Erfindung in der bevorzugten Ausführungsform als integrale GPS-Antenne erläutert wird, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, die vorliegende Erfindung in keinster Weise auf Flachantennen mit dieser speziellen Verwendung beschränkt ist.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer GPS- Antenne 30 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die GPS-Antenne 30 ist grundsätzlich aufgebaut aus einem flachen rechteckigen kastenförmigen Gehäuse, welches ein Mehrschichtensubstrat 33 aufnimmt, auf welchem ein Antennenelement 42 angebracht ist.
Das Gehäuse besteht aus einem oberen Gehäuse 31 und einem unteren Gehäuse 32, die voneinander gelöst werden können. Das untere Gehäuse 31 umfaßt einen im wesentlichen rechteckigen Bodenplattenabschnitt 31a sowie vier Seitenwandabschnitte 31b, die durch Aufwärtsfalten der Außenränder des Bodenplattenabschnitts 31a (in der Ansicht der Zeichung) gebildet sind. In jedem der Seitenwandabschnitte 31b sind mehrere miteinander übereinstimmende Durchbrüche 31c vorgesehen.
Das obere Gehäuse 32 umfaßt außerdem einen oberen Plattenabschnitt 32a, der Rechteckform aufweist, die geringfügig kleiner ist als diejenige des unteren Plattenabschnitts 31a des unteren Gehäuses 31, und vier Seitenwandabschnitte 32b, die durch Falten der Außenränder des oberen Plattenabschnitts 32a abwärts gebildet sind, um rechte Winkel zu bilden. Auf diese Weise erzeugen die Seitenwandabschnitte 32b und der obere Plattenabschnitt 32a einen Raum zum Aufnehmen des Mehrschichtensubstrats 33. Miteinander übereinstimmende Vorsprünge 32c sind auf jedem Seitenwandabschnitt 32b gebildet, und sie sind in Eingriff mit den miteinander übereinstimmenden Durchbrüchen 31c bringbar, die in den Seitenwandabschnitten 31 des unteren Gehäuses 31 gebildet sind. Außerdem ist eine achteckige Öffnung 32c im wesentlichen im Zentrum des oberen Plattenabschnitts 32a gebildet, durch welche Öffnung das Antennenelement 32, das auf dem Mehrschichtensubstrat 33 vorgesehen ist, teilweise über die Oberseite des oberen Plattenabschnitts 32a vorsteht.
Wenn die Antenne 30 zusammengebaut werden soll, wird das Mehrschichtensubstrat 33 innerhalb des oberen Gehäuses 32 angeordnet, wobei das Antennenelement 42, das auf dem Mehrschichtensubstrat 33 vorgesehen ist, in die Öffnung 32d des oberen Gehäuses 32 eingeführt wird, woraufhin das obere Gehäuse 32 und das untere Gehäuse 31 miteinander verbunden bzw. vereinigt werden. Durch Ausrichten der miteinander übereinstimmenden Vorsprünge 32c, die auf den Seitenwandabschnitten 32b des oberen Gehäuses 32 vorgesehen sind, wobei die miteinander übereinstimmenden Durchbrüche 31c, die in den Seitenwandabschnitten 31b des unteren Gehäuses 31 gebildet sind, wird die GPS-Antenne vollständig zusammengebaut. In diesem zusammengebauten Zustand erstreckt sich ein Ausgabestecker 48 (nachfolgend erläutert) des Mehrschichtensubstrats 33 aus dem Gehäuse durch eine Öffnung 50 hinaus, die in einem der miteinander übereinstimmenden Seitenwandabschnitte 31b, 32b der oberen und unteren Gehäuse 31, 32 gebildet ist.
In diesem Hinblick wird bemerkt, daß, um die gesamte GPS- Antenne abzuschirmen und zu erden, die oberen und unteren Gehäuse 31, 32 des Gehäuses aus leitenden Metallblechen hergestellt sind, bevorzugt aus Kohlenstoffstahl oder Messing.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 erfolgt nunmehr eine Erläuterung der Struktur des Mehrschichtensubstrats 33. Das Mehrschichtensubstrat 33 besteht aus einer obersten Erdungsebenenschicht 41, auf welcher das Antennenelement 42 im wesentlichen im zentralen Abschnitt angebracht ist, einer ersten isolierenden Schicht 34, die unter der Erdungsebene 41 vorgesehen ist, einer leitenden Schicht 36, die auf der Unterseite der ersten isolierenden Schicht 34 vorgesehen ist, einer zweiten isolierenden Schicht 35, die mit einem vorbestimmten Abstand unter der ersten isolierenden Schicht 34 angeordnet ist, und einer Frequenzumsetzschaltung 45, die auf der zweiten isolierenden Schicht 35 vorgesehen ist, um eine Umsetzfunktion bezüglich der Frequenz der empfangenen Signale auszuführen. Die Frequenzumsetzschaltung 45 besteht aus einem Signaleingabeabschnitt, der an einem Ende der zweiten isolierenden Schicht 35 positioniert ist, und einem Signalausgabeabschnitt, der am anderen Ende der zweiten isolierenden Schicht 35 vorgesehen ist, die weit entfernt von dem einen Ende der zweiten isolierenden Schicht 35 entfernt ist, und die leitende Schicht 36 ist mit einem Aufgabepunkt 46 des Antennenelements 42 und dem Signaleingabeabschnitt 37a der Frequenzumsetzschaltung 45 verbunden.
Die detaillierte Struktur des Mehrschichtensubstrats 33 wird nachfolgend in Übereinstimmung mit ihrem Herstellungsverfahren erläutert. Die ersten und zweiten isolierenden Schichten werden zunächst aus oberen und unteren Epoxidsubstraten 34, 35 gebildet, die aus Epoxidharz bestehen. Als nächstes wird ein Muster 36, welches die leitende Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, durch einen Ätzprozeß auf der Unterseite des oberen Epoxidsubstrats 34 gebildet. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird das Muster 36 derart gebildet, daß es sich im wesentlichen ausgehend vom Zentrum des Epoxidsubstrats 34 zu einem Endabschnitt (auf der rechten Seite der Zeichnung gezeigt) des Epoxidsubstrats 34 erstreckt. Auf diese Weise dient das Muster 36 als Aufgabeleitung bzw. Speiseleitung, welche den Aufgabepunkt bzw. Speisepunkt 46 des Antennenelements 42 mit der Frequenzumsetzschaltung 45 des Mehrschichtensubstrats 33 verbindet.
Derselbe Ätzprozeß wird eingesetzt, um ein Muster 37 auf der Oberseite des Epoxidsubstrats 35 (d. h., der zweiten isolierenden Schicht) zu bilden.
Als nächstes werden diese Epoxidsubstrate 34, 35 durch ein Prepreg 38 wärmekomprimiert, das aus einem halbgehärteten Epoxidharz besteht und daraufhin miteinander verbunden, um eine laminierte Struktur bzw. Schichtstruktur zu bilden. Nachdem dieser Laminierprozeß bzw. Schichtausbildungsprozeß beendet ist, wird ein Bohrer verwendet, um Durchgangslöcher 39, 39a, 39b in vorbestimmten Positionen zu bilden, woraufhin Durchgangslochplattierungen 40, 40a, 40b jeweils in diesen Positionen gebildet werden. In diesem Fall werden die Durchgangslochplattierung 40a des Durchgangslochs 39a, das im wesentlichen im zentralen Abschnitt des Mehrschichtensubstrats 33 gebildet ist, und die Durchgangslochplattierung 40b des Durchgangslochs 39b, das im Bereich des Signaleingabeabschnitts 37a der Frequenzumsetzschaltung 45 gebildet ist, die an einem Endabschnitt des Mehrschichtensubstrats 33 positioniert ist, elektrisch mit dem Muster 36 verbunden, welches die leitende Schicht bildet. Diesbezüglich wird bemerkt, daß bei der vorliegenden Ausführungsform das Muster 36 in ein streifenförmiges Muster gebildet ist, welches sich im wesentlichen ausgehend vom Zentrum des Mehrschichtensubstrats 33 in Richtung auf den Signaleingabeabschnitt 37a erstreckt.
Durch geeignetes Einstellen von Faktoren, wie etwa der Dielektrizitätskonstante, der Breite und/oder Dicke des Epoxidsubstrates 34 und des Prepreg 38 wird in diesem Fall das Muster (die leitende Schicht) 36 derart gebildet, daß es eine vorbestimmte Impedanz (beispielsweise 50 Ω) aufweist.
Als nächstes wird die Erdungsebene 41 für das Antennenelement 42 durch Anbringen einer Kupferfolie auf der Oberseite des oberen Epoxidsubstrats 34 gebildet, welches die oberste Schicht des Mehrschichtensubstrats 33 bildet. Die Erdungsebene 41 wird elektrisch mit dem oberen Gehäuse 32 des Gehäuses 130 verbunden, um das Antennenelement 42 zu erden. In diesem Hinblick wird bemerkt, daß deshalb, weil die Erdungsebene 41 auf der Oberseite des oberen Epoxidsubstrats 34 mit Ausnahme der Durchgangslochabschnitte 39, 39a, 39b angeordnet ist, die Erdungsebene 41 elektrisch von den Durchgangslochplattierungen 40, 40a, 40b isoliert ist.
Außerdem wird ein Schaltungsmuster 43 durch einen Kupferfolienätzprozeß auf der Unterseitenfläche des unteren Epoxidsubstrats 35 gebildet, nämlich auf der untersten Oberfläche des Mehrschichtensubstrats 33. Auf dem Schaltungsmuster 43 werden zahlreiche elektrische Teile 44, 44, wie etwa integrierte Schaltungen, Oszillatoren, Widerstände und dergleichen, angebracht. Auf diese Weise wird die Frequenzumsetzschaltung 45 durch die elektrischen Teile 44, 44, das Muster 37 und das Schaltungsmuster 43 gebildet. In dieser Struktur bildet das Epoxidsubstrat 35, auf welchem eine derartige Frequenzumsetzschaltung 45 gebildet ist, das Frontendsubstrat.
Die Frequenzumsetzschaltung 45 führt eine Frequenzumsetzung bezüglich der Frequenz der Signale auf Grundlage empfangender elektromagnetischer Wellen durch, wobei der Signaleingabeabschnitt 37a im Bereich des einen Endabschnitts (in der Ansicht von Fig. 3 des rechten Endabschnitts) des Mehrschichtensubstrats 33 vorgesehen ist. Der Eingangsabschnitt 37a ist elektrisch mit der Durchgangslochplattierung 40b des Durchgangslochs 39b verbunden. Der Ausgangsstecker 48, welcher den Signalausgabeabschnitt bildet, ist am anderen Endabschnitt (in Fig. 3 der rechte Endabschnitt) des Mehrschichtensubstrats 33 vorgesehen. Auf diese Weise ist die Frequenzumsetzschaltung 45 dazu ausgelegt, es den elektrischen Signalen zu ermöglichen, vom Signaleingabeabschnitt 37a zum Signalausgabeabschnitt in im wesentlichen linearer Weise zu fließen.
In diesem Zusammenhang wird bemerkt, daß ein Teil des Schaltungsmusters 43, das auf der Unterseitenfläche des Mehrschichtensubstrats 33 vorgesehen ist, gleichzeitig als Erdungsebene der Frequenzumsetzschaltung 45 dient. Aus diesem Grund wird ein Teil des Schaltungsmusters 43 an das obere Gehäuse 31 gelötet, um eine Erdung mit dem Gehäuse herzustellen. Auf diese Weise wird das Mehrschichtensubstrat 33 an der Innenseite des oberen Gehäuses 31 festgelegt.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, wird nunmehr das Antennenelement 42 auf im wesentlichen dem zentralen Abschnitt der Erdungsebene 41 angebracht, die auf der obersten Oberseite des Mehrschichtensubstrats 33 angeordnet ist. Durch Anbringen des Antennenelements 42 auf der Erdungsebene 41 in dieser Weise wird das Antennenelement 42 geerdet, und dies ermöglicht es, die Antenneneigenschaften zu stabilisieren.
Das Antennenelement 42 besteht aus einem im wesentlichen achteckigen säulenförmigen dielektrischen Abschnitt 42a, der durch die Öffnung 32d des oberen Gehäuses 32 einführbar ist. Der dielektrische Abschnitt 42a besteht aus einer dielektrischen Substanz, wie etwa Keramik oder dergleichen. Ein Metallaufgabepunkt 46 ist in im wesentlichen im Zentrum der oberen Endfläche des dielektrischen Abschnitts 42a vorgesehen. Außerdem erstreckt sich ein Anschluß 47 ausgehend vom Aufgabepunkt 46 durch die Innenseite des leitenden Abschnitts 42a. Der Anschluß 47 ist durch das vorausgehend gebildete Durchgangsloch 39a des Mehrschichtensubstrats 33 im Preßsitz geführt und wird elektrisch mit der Durchgangslochplattierung 40a verbunden. Das untere Ende des Anschlusses 47 steht unter die Unterseitenoberfläche der untersten Schicht des Epoxidsubstrats 35 des Mehrschichtensubstrats 33 vor, und dieser untere vorstehende Abschnitt des Anschlusses 47 wird angelötet, um ihn an Ort und Stelle zu fixieren.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der vorstehend erläuterten Flachantenne 30 erläutert. Elektrische Wellen, die von Satelliten gesendet werden, werden zunächst durch das Antennenelement 42 empfangen, wodurch ein induzierter elektrischer Strom am Aufgabepunkt 46 erzeugt wird. Als nächstes werden elektrische Signale auf Grundlage dieses induzierten elektrischen Stroms zu der Durchgangslochplattierung 40a des Durchgangslochs 39a des Mehrschichtensubstrats 33 über den Anschluß 47 übertragen, der mit dem Aufgabepunkt 46 verbunden ist. Nachdem sie von der Durchgangslochplattierung 40a zu der Durchgangslochplattierung 40b des Durchgangslochs 39b über das Muster 36 übertragen sind, welches eine leitende Schicht bildet, werden diese elektrischen Signale von der Durchgangslochplattierung 40b zu dem Signaleingabeabschnitt 37a der Frequenzumsetzschaltung 45 übertragen. In der Frequenzumsetzschaltung 45 fließen die elektrischen Signale im wesentlichen in linearer Weise von dem Signaleingabeabschnitt 37a in Richtung auf den Ausgabe- bzw. Ausgangsstecker 48, in Übereinstimmung mit der vorstehend erläuterten Schaltungsstruktur und dabei durchlaufen die elektrischen Signale verschiedene Schaltungselemente, welche eine Frequenzumsetzung bezüglich dieser elektrischen Signale durchführen, um deren Frequenz abzusenken. Die elektrischen Signale, deren Frequenz derartig umgesetzt worden ist, werden von dem Signalausgangsstecker an einen (in den Zeichnungen nicht gezeigten) Empfänger oder dergleichen ausgegeben.
Auf diese Weise vermag das Mehrschichtensubstrat 33 gemäß der vorliegenden Erfindung die drei Funktionen auszuführen, welche durch die getrennten Bestandteile bei den integralen GPS-Antennen gemäß dem Stand der Technik durchgeführt werden, die mit Umsetzfunktionen versehen sind, nämlich das Antennensubstrat, das zum Erden des Antennenelements verwendet wird, das Frontendsubstrat, welches die Frequenzumsetzschaltung aufweist, und die Aufgabeleitung, wie etwa das Koaxialkabel. Im Gegensatz zu diesen Antennen gemäß dem Stand der Technik, bei denen ein Substrat innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist, und das andere Substrat über dem Gehäuse vorgesehen ist, weist die vorliegende Erfindung ein einziges Substrat auf, das innerhalb eines Gehäuses vorgesehen ist. Da die vorliegende Erfindung eine Aufgabeleitung, wie etwa das Koaxialkabel, nicht benötigt, das beim Stand der Technik verwendet wird, gestattet die vorliegende Erfindung eine Vereinfachung ihrer Struktur, wodurch eine dünnere Flachantenne bereitgestellt wird.
Durch Verwenden eines Mehrschichtensubstrats, wie vorstehend erläutert, weist die vorliegende Erfindung außerdem weniger Teile auf und erfordert weniger Herstellungsschritte im Vergleich zu den Antennen gemäß dem Stand der Technik. Da die Flachantenne gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem eine Aufgabeleitung verwendet, die aus einem Muster besteht, das auf dem Mehrschichtensubstrat gebildet ist, besteht keine Notwendigkeit für relativ teure Teile, wie etwa Koaxialkabel, die beim Stand der Technik verwendet werden. Infolge davon vereinfacht die vorliegende Erfindung das Herstellungsverfahren und senkt damit die Herstellungskosten.
Da die meisten der Hauptbestandteile integral in dem Mehrschichtensubstrat gebildet sind, unterliegen keine Teile, wie etwa Koaxialkabel und dergleichen, einer Gefahr, durch Vibrationen gelockert zu werden, weshalb die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung Vibrationen und dergleichen widerstehen kann.
Da das untere Gehäuse 31 entfernt werden kann, um die elektrischen Teile der Frequenzumsetzschaltung 45 und dergleichen freizulegen, kann eine Wartung der Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung problemlos ausgeführt werden.
Mit Ausnahme des Antennenelements 1 sind außerdem sämtliche Bestandteile der Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse 130 untergebracht. Im Gegensatz zu den in Fig. 1 gezeigten Antennen gemäß dem Stand der Technik, vermag die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung äußeren Umgebungsbedingungen, wie etwa Regen, Schnee und dergleichen, zu widerstehen.
Obwohl bei den vorstehend angeführten Erläuterungen die vorliegende Erfindung für den Fall erläutert wurde, daß sie auf eine integrale GPS-Flachantenne angewendet ist, die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, ist die Erfindung in keinster Weise auf diese Anwendung beschränkt. Vielmehr kann die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf andere Flachantennen angewendet werden, die für Empfänger zum Empfangen anderer Typen von Satellitensendewellen oder Satellitenkommunikationswellen verwendet werden. In diesen Fällen umfaßt das Antennenelement bevorzugt einen dielektrischen Körper, der in flacher Form gebildet ist, und eine Antennenschaltung, die auf der Oberseite dieses leitenden Körpers gebildet ist, wobei die Antennenschaltung bevorzugt aus einem Mikrostreifenmuster gebildet ist, das als Aufgabepunkt dient.

Claims

1. Integrale Flachantenne (30), die mit einer Umsetzfunktion versehen ist, aufweisend:

Ein Antennenelement (42) mit einem Aufgabepunkt (46), und ein integral gebildetes Mehrschichtensubstrat (33) zum Tragen des Antennenelements (42), wobei das Mehrschichtensubstrat (33) aufweist: Eine Erdungsebenenschicht (41) zum Bereitstellen einer Erde für das Antennenelement (42), eine erste isolierende Schicht (34), die unter der Erdungsebenenschicht (41) vorgesehen ist, eine zweite isolierende Schicht (35) mit einem Endabschnitt, wobei die zweite isolierende Schicht (35) unter der ersten isolierenden Schicht (34) angeordnet und mit einer Frequenzumsetzschaltung (45) zum Ausführen einer Umsetzfunktion bezüglich der Frequenz empfangener Signale versehen ist, und die Frequenzumsetzschaltung (45) einen Signaleingang (37a) aufweist, der an einem Endabschnitt der zweiten isolierenden Schicht (35) positioniert ist, und eine leitende Einrichtung (36) zum elektrischen Verbinden des Aufgabepunkts (46) des Antennenelements (42) mit dem Signaleingang (37a) der Frequenzumsetzschaltung (45), dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschichtensubstrat (33) außerdem eine dritte isolierende Schicht umfaßt, die zwischen den ersten und zweiten isolierenden Schichten (34, 35) vorgesehen ist, und die leitende Einrichtung (36) aus einer leitenden Schicht besteht, die in eine flache streifenförmige Struktur gebildet ist, welche sich zwischen den ersten und dritten isolierenden Schichten erstreckt.

2. Flachantenne (30) nach Anspruch 1, wobei das Antennenelement (42) im wesentlichen im Zentrum der Erdungsebene (41) angeordnet ist, wobei die leitende Schicht (36) elektrisch mit dem Aufgabepunkt (46) des Antennenelements (42) in einer Position unter dem Antennenelement (42) verbunden ist, und die leitende Schicht (36) in ein streifenförmiges Muster gebildet ist, welches sich von dieser Position zum Signaleingang (37a) der Frequenzumsetzschaltung (45) erstreckt, wobei die leitende Schicht (36) und der Signaleingang (37a) miteinander mittels einer elektrischen Verbindungseinrichtung (40b) verbunden sind, welche die dritte isolierende Schicht (38) in Richtung deren Dicke durchsetzt.

3. Flachantenne (30) nach Anspruch 1, wobei die Breite und/oder Dicke der leitenden Schicht (36) derart eingestellt ist, daß die leitende Schicht (36) eine vorbestimmte Impedanz aufweist.

4. Flachantenne (30) nach Anspruch 2, wobei die dritte Schicht aus einem Prepreg (38) gebildet ist, wobei die Induktanz und/oder Dicke der isolierenden Schicht (34) und/oder des Prepreg (38) derart eingestellt ist, daß die leitende Schicht (36) eine vorbestimmte Impedanz aufweist.

5. Flachantenne (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem aufweisend ein flaches Gehäuse (31, 32) mit einer Oberseite zum Aufnehmen des Mehrschichtensubstrats (33) darin, und wobei das Antennenelement (42) teilweise über die Oberseite des Gehäuses (31, 32) vorsteht.

6. Flachantenne (30) nach Anspruch 5, wobei die Erdungsebenenschicht (41) elektrisch mit dem Gehäuse (31, 32) verbunden ist, um eine Erde des Antennenelements (42) bereitzustellen.

7. Flachantenne (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Antennenelement (42) im wesentlichen im Zentrum der Erdungsebenenschicht (41) angeordnet ist und ein unterer Endabschnitt eines Anschlusses (47), der mit dem Aufgabepunkt (46) verbunden ist, in dem Mehrschichtensubstrat angeordnet ist, und die elektrische Verbindungseinrichtung (40b) an einem Ende des Mehrschichtensubstrats angeordnet ist, wobei die leitende Schicht (36) den unteren Endabschnitt des Aufgabepunkts (46) elektrisch mit der elektrischen Verbindungseinrichtung (40b) verbindet.