DE102018218894B4

DE102018218894B4 - Dreidimensionale Antennenvorrichtung

Info

Publication number: DE102018218894B4
Application number: DE102018218894.7A
Authority: DE
Inventors: Ivan Ndip; Christine Kallmayer; Klaus-Dieter Lang
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: US11271297B2; DE102018218894A1; US20200144709A1

Abstract

Antennenvorrichtung (10) mit
einer Antennenstruktur (13) und einer die Antennenstruktur (13) speisenden Antennenspeiseleitung (23),
einer bogenförmigen dreidimensionalen Formstruktur (14), die zumindest einen Abschnitt (18) aufweist, auf dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, und
einem Substrat (11), das sich in einer Substratebene (12) erstreckt, wobei das Substrat (11) eine erste Seite (11A) und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite (11B) aufweist, und die dreidimensionale Formstruktur (14) auf der ersten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnet ist,
wobei die bogenförmige dreidimensionale Formstruktur (14) einen ersten Substratkontaktabschnitt (16) und einen zweiten Substratkontaktabschnitt (17) aufweist und wobei sich der zumindest eine Abschnitt (18), auf dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt (16) und dem zweiten Substratkontaktabschnitt (17) von dem Substrat (11) beabstandet erstreckt, und
wobei sich der zumindest eine Abschnitt (18), auf dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, aus der Substratebene (12) heraus erstreckt und berührungslos von dem Substrat (11) beabstandet ist, sodass die darauf angeordnete Antennenstruktur (13) ebenfalls bogenförmig sowie räumlich und berührungslos von dem Substrat (11) beabstandet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antennenvorrichtungen, und insbesondere auf eine dreidimensionale Antennenvorrichtung mit einer gespeisten Antennenstruktur.
Bei höheren Frequenzen, wie etwa im Millimeter-Wellenlängenbereich und höher leidet die Abstrahleffizienz planarer Antennen, die direkt auf einem Substrat liegen, stark unter Verlusten im Zusammenhang mit Dielektrika, die mit der Herstellung von Antennen verwendet werden. Hierzu gehören dielektrische Verluste und Oberflächenwellenverluste. Dreidimensionale Antennen, die nicht direkt auf einem Substrat angeordnet sind, haben zwar eine bessere Effizienz. Aber bei niedrigen Frequenzen, z.B. im unteren GHz Bereich, weisen die hierfür benötigten Antennen eine im Vergleich zur restlichen Schaltung sehr große und damit unpraktikable Länge auf. Manche Strukturen sind bei derartigen Längen instabil.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2008 048 289 B3 , im Umfeld einer Fahrzeugintegration, eine gestapelte Antennenordnung mit zwei planaren Antennen, die jeweils direkt auf einem Substrat liegen. Eine SDARS-Antenne weist ein planes Substrat auf, auf dem ein entsprechender Strahler angeordnet ist. Vertikal über der SDARS-Antenne ist eine GPS-Antenne angeordnet, die ebenfalls ein planes Substrat mit einem darauf angeordneten Strahler aufweist. Zwischen den beiden Antennen ist ein parasitäres Patchelement angeordnet.
Antennenstrukturen, die hingegen bei höheren Frequenzen betrieben werden können, weisen zwar sehr kleine Abmessungen auf. Die effektiv nutzbare Bandbreite derartiger, zum Beispiel Gigahertz-Antennen, ist dabei jedoch auf ein relativ enges Frequenzband eingeschränkt.
Es wäre demnach wünschenswert, eine Antennenvorrichtung für hohe Frequenzen bereitzustellen, die geringe Abmessungen, eine hohe Stabilität und gleichzeitig eine hohe effektiv nutzbare Bandbreite aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Antennenvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte dieser Antennenvorrichtung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung weist ein Substrat und eine bogenförmige dreidimensionale Formstruktur auf. Die bogenförmige dreidimensionale Formstruktur weist zumindest einen Abschnitt auf, an dem eine Antennenstruktur angeordnet ist. Der zumindest eine Abschnitt der dreidimensionalen Formstruktur erstreckt sich aus der Substratebene heraus ohne dabei das Substrat zu berühren. Die Antennenstruktur, die auf dem zumindest einen Abschnitt der dreidimensionalen Formstruktur angeordnet ist, wird somit mittels der dreidimensionalen Formstruktur räumlich zu dem Substrat beabstandet, ohne dabei das Substrat zu berühren. Die dreidimensionale Formstruktur wirkt dabei für die Antennenstruktur als eine Art Stützstruktur. Das heißt, die Antennenstruktur muss sich nicht selbst tragen, sondern kann direkt auf der stabilen dreidimensionalen Formstruktur angeordnet werden, sodass die auf der bogenförmigen dreidimensionalen Formstruktur angeordnete Antennenstruktur ebenfalls bogenförmig und von dem Substrat beabstandet ist. Dadurch weist die erfindungsgemäße bogenförmige Antennenvorrichtung eine deutlich höhere Stabilität gegenüber konventionellen dreidimensionalen Antennen auf. Die Antennenstruktur ist ein aktiver Strahler, der mittels einer Antennenspeiseleitung gespeist wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Antennenstruktur eine Patchantenne sein. Hierbei kann das Substrat eine Rückseitenmetallisierung aufweisen, die auf der zweiten Seite des Substrats, d.h. auf der der dreidimensionalen Formstruktur abgewandten Seite des Substrats, angeordnet sein kann. Durch diese dreidimensionale Konfiguration ist der Abstand zwischen der Antennenstruktur und der Rückseitenmetallisierung der Antennenstruktur groß, das heißt die effektive Höhe des Antennensubstrats ist groß. Dadurch kann die Bandbreite der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung gegenüber konventionellen dreidimensionalen Antennen, die direkt auf dem Substrat liegen, enorm erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Vorrichtung mit einem mehrlagigen Substrat, das eine Hochfrequenzschaltung aufweist, und mit einer erfindungsgemäßen bogenförmigen Antennenvorrichtung vorgeschlagen. Die bogenförmige Antennenvorrichtung ist an dem mehrlagigen Substrat angeordnet und mit der Hochfrequenzschaltung gekoppelt. Die Antennenvorrichtung ist ausgestaltet, um ein Hochfrequenzsignal der Hochfrequenzschaltung auszusenden und/oder ein Hochfrequenzsignal zu empfangen und der Hochfrequenzschaltung bereitzustellen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer rein beispielhaft beschriebenen Antennenvorrichtung,
2 eine weitere schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Draufsicht auf eine Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 eine weitere schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
6 eine weitere schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
7 eine weitere schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
8 eine schematische seitliche Schnittansicht einer rein beispielhaft beschriebenen Antennenvorrichtung,
9 eine weitere schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10 eine weitere schematische Draufsicht auf eine Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
11 eine schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
12 eine weitere schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
13 eine weitere schematische Seitenansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
14 eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
15 eine weitere schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
16 eine schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
17 eine weitere schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
18 eine weitere schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
19 eine schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
20A eine schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung mit einem Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel,
20B eine weitere schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung mit einem Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
20C eine weitere schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung mit einem Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Antennenvorrichtung wird zunächst strukturell unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Anschließend erfolgt eine funktionelle Beschreibung der Antennenvorrichtung.
Die Antennenstruktur wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Patchantenne beschrieben. Die Art der Antennenstruktur ist jedoch nicht darauf eingeschränkt, d.h. bei der Antennenstruktur kann es sich beispielsweise auch um Monopole, Dipole, gefaltete Dipole, mäandrierte Strahler und dergleichen handeln.
Außerdem wird die dreidimensionale Formstruktur hierin beispielhaft anhand einer erfindungsgemäß bogenförmigen, d.h. konvex (in Richtung von dem Substrat weg) gekrümmten, sowie am Beispiel einer nicht zur Erfindung gehörigen eckigen dreidimensionalen Formstruktur beschrieben.
1 zeigt ein Beispiel einer Antennenvorrichtung 10. Mit Ausnahme der hier fehlenden erfindungsgemäßen bogenförmigen dreidimensionalen Struktur, sowie der erfindungsgemäßen bogenförmigen Antennenstruktur, gelten die unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen weiteren Merkmale jedoch auch für die bogenförmigen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Antennenvorrichtung 10 weist ein Substrat 11 auf. Das Substrat 11 kann, wie abgebildet, eine planare Form aufweisen. Alternativ dazu kann das Substrat 11 aber auch eine von der planaren Form abweichende geometrische Form aufweisen und zum Beispiel gekrümmt, geknickt, gewölbt oder dergleichen ausgestaltet sein.
Das Substrat 11 erstreckt sich in einer zweidimensionalen Substratebene 12. Bei einem planaren Substrat 11, weist dementsprechend auch die Substratebene 12 eine planare Form auf, wie dies in 1 abgebildet ist. Bei einem beispielsweise gekrümmten, geknickten oder gewölbten Substrat 11 wiese demnach auch die Substratebene 12 eine entsprechend gekrümmte, geknickte oder gewölbte Form auf. Vorzugsweise können das Substrat 11 und die Substratebene 12 planar ausgebildet sein.
Die zweidimensionale Substratebene 12 kann außerdem entlang der Haupterstreckungsrichtung des Substrats 11 mittig durch das Substrat 11 verlaufen und das Substrat 11, wie abgebildet, der Länge nach schneiden. Somit entspricht die Form der Substratebene 12 der Form des Substrats 11, d.h. wenn beispielsweise das Substrat 11 gewölbt ist, dann kann auch die entlang der Haupterstreckungsrichtung des Substrats 11 mittig durch das Substrat 11 verlaufende Substratebene 12 die gleiche Wölbung aufweisen.
Das Substrat 11 weist eine erste Seite 11A und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite 11 B auf. Auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 ist eine dreidimensionale Formstruktur 14 angeordnet. Die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich aus der zweidimensionalen Substratebene 12 heraus. Das heißt, die zweidimensionale Substratebene 12 erstreckt sich in eine erste und eine zweite Richtung (z.B. x- und y-Richtung), und die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich zusätzlich in eine dritte Richtung (z.B. z-Richtung).
Die dreidimensionale Formstruktur 14 weist zumindest einen Abschnitt 18 auf, an dem eine Antennenstruktur 13 angeordnet ist. Die Antennenstruktur 13 kann als eine Patchantenne ausgestaltet sein, und eine für Patchantennen übliche Abmessung aufweisen, was die Patchantenne 13 sowohl strukturell als auch funktionell von anderen Antennenbauformen, wie beispielsweise Streifenantennen, Bändchenantennen, einfache Drahtantennen, und dergleichen unterscheidet. Bei diesen anderen Antennenbauformen ist das Verhältnis von Länge zu Breite derart, dass die Länge um ein Vielfaches größer ist als die Breite, d.h. L >>> B. Beispielweise kann bei diesen anderen Antennenbauformen die Länge um mindestens das Zehnfache größer sein als die Breite. Bei der hier beispielhaft abgebildeten Patchantenne 13 hingegen kann die Länge kleiner als das Zehnfache der Breite sein. Beispielsweise kann die Länge der Patchantenne 13 das Fünffache der Breite oder weniger betragen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Länge der Patchantenne 13 das Doppelte der Breite oder weniger betragen. In wiederum anderen denkbaren Ausführungsformen können die Länge und die Breite der Patchantenne 13 etwa gleich groß sein.
Die Antennenstruktur 13 kann flexibel sein. Die Antennenstruktur 13 kann konform zu der dreidimensionalen Formstruktur 14 sein, das heißt die an der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnete Antennenstruktur 13 kann die gleiche Form annehmen beziehungsweise aufweisen wie die dreidimensionale Formstruktur 14 selbst, beziehungsweise wie der zumindest eine Abschnitt 18 der dreidimensionalen Formstruktur 14, an dem die Antennenstruktur 13 angeordnet ist.
Dieser Abschnitt 18 ist in der oben genannten dritten Raumrichtung (z.B. z-Richtung) räumlich von der ersten Seite 11A des Substrats 11 beabstandet. Der Abschnitt 18 berührt die erste Seite 11A des Substrats 11 dabei nicht. Somit ist auch die an der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnete Antennenstruktur 13 räumlich von dem Substrat 11 beabstandet, ohne die erste Seite 11A des Substrats 11 dabei zu berühren.
In dem hier abgebildeten, nicht zur Erfindung gehörigen, Beispiel weist die dreidimensionale Formstruktur 14 eine eckige Form auf. Dabei kann die dreidimensionalen Formstruktur 14 einen ersten Abschnitt 18 aufweisen, der beispielsweise etwa parallel zum Substrat 11 verläuft. Außerdem kann die dreidimensionale Formstruktur 14 zwei Stützstrukturen 19₁, 19₂ aufweisen, die den ersten Abschnitt 18 mit dem Substrat 11 verbinden und den ersten Abschnitt 18 dabei beabstandet von dem Substrat 11 halten. Die Stützstrukturen 19₁, 19₂ können in einem Winkel 20 zu dem ersten Abschnitt 18 verlaufen und/oder senkrecht zu dem Substrat 11 verlaufen. Generell kann der Winkel 20 bei beiden Stützstrukturen 19₁, 19₂ zwischen 1° und 179° betragen. In dem hier abgebildeten Beispiel kann der Winkel beispielsweise etwa 90° betragen. Der Winkel wird später mit Bezug auf 8 nochmals näher beschrieben.
Auf dem Abschnitt 18 ist außerdem eine Antennenspeiseleitung 23 angeordnet, die die Antennenstruktur 13 galvanisch kontaktiert. Mittels der Antennenspeiseleitung 23 kann die Antennenstruktur 13 gespeist werden und ein entsprechendes Funksignal aussenden, oder ein mittels der Antennenstruktur 13 empfangenes Funksignal kann über die Speiseleitung 23 abgegriffen werden. Die Antennenspeiseleitung 23 dient also der elektrischen Kontaktierung beziehungsweise der Signalkontaktierung der Antennenstruktur 13.
Vorzugsweise ist die Antennenspeiseleitung 23 planar und vorzugsweise unmittelbar auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet. Darüber hinaus kann die Antennenspeiseleitung 23 auch auf der ersten Seite 11A des Substrats 11, und dabei vorzugsweise ebenfalls planar und vorzugsweise unmittelbar auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 angeordnet sein. Dadurch, dass die Antennenspeiseleitung 23 als eine möglichst dünne Streifenleitung ausgestaltet ist, wirkt die Antennenspeiseleitung 23 selbst nicht als Strahler, sondern lediglich die deutlich breitere Antennenstruktur 13 wirkt als Strahler.
Wie eingangs erwähnt, kann es sich bei der Antennenstruktur 13 beispielsweise um eine Patchantenne handeln. Hierbei kann die Antennenvorrichtung 10 auf der zweiten Seite 11 B des Substrats 11 beispielsweise eine Metallisierung 42 aufweisen, die auch als eine Rückseitenmetallisierung bezeichnet werden kann.
Die Metallisierung 42 kann beispielsweise eine auf der zweiten Seite 11 B des Substrats 11 abgeschiedene Metallschicht sein. Die Metallisierung 42 kann sich über die gesamte zweite Seite 11 B des Substrats 11 erstrecken, optional mit Ausnahme einer Durchkontaktierung 39 (3), oder die Metallisierung 42 kann zumindest an einem Abschnitt der zweiten Seite 11B des Substrats 11 angeordnet sein, der in einer Projektion senkrecht zur Substratebene 12 im Bereich der Patchantenne 13 angeordnet ist.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 weist außerdem einen ersten Substratkontaktabschnitt 16 und einen zweiten Substratkontaktabschnitt 17 auf. Das heißt, die dreidimensionale Formstruktur 14 ist sowohl an dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 als auch an dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 physisch mit dem Substrat 11 in Kontakt. In dem abgebildeten Beispiel weisen beispielsweise die beiden Stützstrukturen 19₁, 19₂ der dreidimensionalen Formstruktur 14 die Substratkontaktabschnitte 16, 17 auf und sind darüber physisch mit dem Substrat 11 in Kontakt.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich dreidimensional zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17. Das heißt, die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich der Länge nach parallel zur Substratebene 12 in einer ersten und/oder zweiten Richtung (z.B. in x- und/oder y-Richtung) und ist dabei von dem Substrat 11 beabstandet, und zwar in einer dritten Richtung (z.B. z-Richtung).
Die dreidimensionale Formstruktur 14 weist eine erste Seite 21 auf, die der ersten Seite 11A des Substrats 11 gegenüberliegend angeordnet und dieser zugewandt ist. Die dreidimensionale Formstruktur 14 weist außerdem eine der ersten Seite 21 gegenüberliegend angeordnete zweite Seite 22 auf, die der ersten Seite 11A des Substrats 11 abgewandt ist. Die Antennenstruktur 13 ist auf der zweiten Seite 22 der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet.
Die Antennenstruktur 13 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene parallel zu der Substratebene 12.
Die 2 und 3 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 10. Hier erstreckt sich die Antennenstruktur 13 in einer Ebene, die nicht parallel zu der Substratebene 12 verläuft.
In dem in den 2 und 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel bildet die dreidimensionale Formstruktur 14 erfindungsgemäß einen Bogen, der sich zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 über die erste Seite 11A des Substrats 11 hinweg spannt. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich demnach die Antennenstruktur 13 in einer Ebene, die gekrümmt gegenüber der Substratebene 12 verläuft. Es wäre aber auch denkbar, dass diese Ebene zusätzlich oder alternativ zu einer Krümmung mindestens einen Knick aufweist.
Die Antennenstruktur 13 ist auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 angeordnet. Das heißt, die Antennenstruktur 13 erstreckt sich zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17. Dabei kommt die Antennenstruktur 13 jedoch nicht mit der ersten Seite 11A des Substrats 11 in Berührung.
Die Antennenstruktur 13 ist somit räumlich von dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 und somit auch von der ersten Seite 11A des Substrats 11 getrennt. Die Antennenstruktur 13 kann hierbei auch galvanisch von dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 und somit auch von der ersten Seite 11A des Substrats 11 getrennt sein.
Die Antennenstruktur 13 kann mittig auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet sein. Das heißt, ein erster Abstand D₁ zwischen der Antennenstruktur 13 und dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 kann etwa gleich groß sein wie ein zweiter Abstand D₂ zwischen der Antennenstruktur 13 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17.
3 zeigt eine Seitenansicht der Antennenvorrichtung 10 mit der bogenförmig ausgestalteten dreidimensionalen Formstruktur 14. In dieser Ansicht sind die Geometrien der einzelnen Teile der Antennenvorrichtung 10, die nicht maßstabsgetreu sein müssen, gut zu erkennen.
So ist beispielsweise zu sehen, dass die Antennenstruktur 13 in einer Projektion senkrecht zu der Substratebene 12 eine Länge L_Pro aufweisen kann. Von der Länge L_Pro in der Projektion senkrecht zu der Substratebene 12 wird insbesondere dann gesprochen, wenn die Antennenstruktur 13 eine von der planaren Form abweichende Form aufweist. Das heißt, zum Beispiel wenn die Antennenstruktur 13 gekrümmt ist.
Anderenfalls spricht man meist von einer geometrischen Länge L_Geo der Antennenstruktur 13. Dabei handelt es sich um die tatsächliche geometrische Länge der Antennenstruktur 13, unabhängig von deren Form. Die geometrische Länge L_Geo der Antennenstruktur 13 ist beispielhaft in 3 für die gekrümmte Form der Antennenstruktur 13 eingezeichnet. Bei einer planaren Antennenstruktur 13, wie z.B. in 1 abgebildet, entspricht die geometrische Länge L_Geo der Länge L_Pro in der Projektion senkrecht zu der Substratebene 12.
Wenn hierin von der Länge L der Antennenstruktur 13 die Rede ist, so kann sich diese Länge L sowohl auf die Länge L_Pro der Antennenstruktur 13 in einer Projektion senkrecht zu der Substratebene 12, als auch auf die geometrische Länge L_Geo der Antennenstruktur 13 beziehen. Selbiges gilt gleichsam auch für eine Länge der dreidimensionalen Formstruktur 14, die eine Länge L_F in der Projektion senkrecht zu der Substratebene 12 oder eine geometrische Länge der dreidimensionalen Formstruktur 14 einschließen kann.
So kann beispielsweise die Länge L der Antennenstruktur 13 die Hälfte oder ein Viertel der Resonanzwellenlänge der Antennenstruktur 13 betragen, d.h. L = λ/2 oder L = λ/4.
Die Antennenstruktur 13 kann beispielsweise 2.5 mm lang und 2 mm breit sein, und insbesondere für einen Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 1 THz ausgelegt sein.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann ein Dielektrikum aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die dreidimensionale Formstruktur 14 aus demselben Material gefertigt sein wie das Substrat 11, wobei dieses Material ebenfalls ein Dielektrikum aufweisen kann. Des weiteren können, alternativ oder zusätzlich, die dreidimensionale Formstruktur 14 und das Substrat 11 einstückig ausgebildet sein, wobei auch wiederum die dreidimensionale Formstruktur 14 und das Substrat 11 ein Dielektrikum aufweisen können. Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann somit die Antennenstruktur 13 galvanisch von der ersten Seite 11A des Substrats 11 isolieren.
Wie eingangs erwähnt, weist die Antennenstruktur 13 eine Antennenspeiseleitung 23 auf. Die Antennenstruktur 13 kann somit also eine aktive Antenne sein. Die Antennenspeiseleitung 23 kann, zumindest abschnittsweise, ebenfalls auf der dreidimensionalen Formstruktur 14, genauer gesagt auf der zweiten Seite 22 der dreidimensionalen Formstruktur 14, angeordnet sein und die Antennenstruktur 13 kontaktieren. Die Antennenspeiseleitung 23 kann als eine möglichst dünne Streifenleitung ausgeführt sein, die beispielsweise in Form einer Metallisierung auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 ausgestaltet sein kann.
Wie in 3 zu erkennen ist, kann die Antennenvorrichtung 10 eine Durchkontaktierung 39 aufweisen. Die Durchkontaktierung 39, die auch als Via bezeichnet werden kann, erstreckt sich von der ersten Seite 11A des Substrats 11 zu der zweiten Seite 11B des Substrats 11 durch das Substrat 11 hindurch. Die Metallisierung 42 auf der zweiten Seite 11B des Substrats 11 kann eine Unterbrechung, beispielsweise eine Aussparung, aufweisen, in der ein Anschluss 38 zum Kontaktieren der Durchkontaktierung 39 angeordnet sein kann. Der Anschluss 38 kann somit mittels der Durchkontaktierung 39 und gegebenenfalls einem Teil der Antennenspeiseleitung 23 die Antennenstruktur 13 kontaktieren und gleichzeitig galvanisch von der Metallisierung 42 getrennt beziehungsweise isoliert sein. Das heißt, die Durchkontaktierung 39 kontaktiert die auf der zweiten Seite 11B des Substrats 11 angeordnete Metallisierung 42 nicht. Alternativ dazu wäre es aber auch denkbar, dass die Durchkontaktierung 39 die Metallisierung 42 galvanisch kontaktiert. Ein Anschluss könnte dann entlang der gesamten Metallisierung 42 erfolgen.
Die Antennenspeiseleitung 23 erstreckt sich auf der zweiten Seite 22 der dreidimensionalen Formstruktur 14, möglichst geradlinig, zwischen der Antennenstruktur 13 und der Durchkontaktierung 39 und verbindet somit die Antennenstruktur 13 galvanisch mit der Durchkontaktierung 39 und mit dem Anschluss 38.
Die 4 und 5 zeigen eine alternative Ausgestaltung für eine Anschlussmöglichkeit der Antennenstruktur 13. Hier weist die Antennenspeiseleitung 23 einen ersten Abschnitt 23₁ und einen zweiten Abschnitt 23₂ auf. Der erste Abschnitt 23₁ der Antennenspeiseleitung 23 ist, wie zuvor mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben, auf der zweiten Seite 22 der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet. Der zweite Abschnitt 23₂ der Antennenspeiseleitung 23 ist auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 angeordnet. Der erste Abschnitt 23₁ und der zweite Abschnitt 23₂ sind zusammenhängend ausgebildet. Der zweite Abschnitt 23₂ kann eine auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 angeordnete möglichst dünne Streifenleitung, z.B. in Form einer Metallisierung, sein.
Die Antennenstruktur 13 kann eine bevorzugte Hauptabstrahlrichtung 24 aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die bevorzugte Hauptabstrahlrichtung 24 von dem Substrat 11 weg gerichtet.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung 10. Diese Antennenvorrichtung 10 unterscheidet sich von den vorgenannten Antennenvorrichtungen unter anderem dadurch, dass die erste Seite 11A des Substrats 11 eine Metallisierungslage 61 aufweist. Die Metallisierungslage 61 ist galvanisch von der Speiseleitung 23 getrennt beziehungsweise isoliert. Hierfür können eine oder mehrere nicht leitende Abschnitte 62, 63 in der Metallisierungslage 61 vorgesehen sein, die zwischen der Antennenspeiseleitung 23 und der Metallisierungslage 61 angeordnet sind.
In 6 weist die Antennenspeiseleitung 23 einen ersten Abschnitt 23₁, der auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt 23₂, der auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 angeordnet ist, auf. Alternativ oder zusätzlich wäre aber ebenso eine Kombination der hierin beschriebenen Metallisierungslage 61 und einer, mit Bezug auf 3 zuvor beschriebenen Durchkontaktierung 39 möglich, wobei die Durchkontaktierung 39 ebenfalls galvanisch von der Metallisierungslage 61 getrennt bzw. isoliert sein könnte.
Die Metallisierungslage 61 kann sich über die gesamte erste Seite 11A des Substrats 11, mit Ausnahme eines gegebenenfalls vorhandenen auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 angeordneten Abschnitts 23₂ der Antennenspeiseleitung 23 und/oder einer Durchkontaktierung 39, sowie mit Ausnahme der gegebenenfalls vorhandenen einen oder mehreren nicht leitenden Abschnitte 62, 63, erstrecken. Gemäß eines Ausführungsbeispiels kann sich die Metallisierungslage 61 demnach über mindestens 95% der gesamten ersten Seite 11A des Substrats 11 erstrecken. Gemäß eines alternativen Ausführungsbeispiels kann sich die Metallisierungslage 61 aber auch nur zwischen dem Substrat 11 und der dreidimensionalen Formstruktur 14 erstrecken.
7 zeigt eine perspektivische Seitenansicht der Antennenvorrichtung 10 aus 6. Wie hier gut zu erkennen ist, kann die dreidimensionale Formstruktur 14 direkt auf der Metallisierungslage 61 angeordnet sein. Genauer gesagt können der erste und der zweite Substratkontaktabschnitt 16, 17 direkt auf der Metallisierungslage 61 angeordnet sein. Der Abschnitt 18 der dreidimensionalen Formstruktur 14, auf dem die Antennenstruktur 13 angeordnet ist, kann hingegen von dem Substrat 11 und von der Metallisierungslage 61 räumlich beabstandet sein, ohne dabei die erste Seite 11A des Substrats 11 zu berühren. Wenn die dreidimensionale Formstruktur 14 beispielsweise ein Dielektrikum aufweist, kann die dreidimensionale Formstruktur 14 die Antennenstruktur 13 galvanisch von der Metallisierungslage 61 isolieren.
8 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Teils einer nicht zur Erfindung gehörigen Antennenvorrichtung 10. Mit Ausnahme der hier fehlenden erfindungsgemäßen bogenförmigen dreidimensionalen Struktur, sowie der erfindungsgemäßen bogenförmigen Antennenstruktur, gelten die unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen weiteren Merkmale jedoch auch für die bogenförmigen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung. In der in 8 gezeigten Ansicht sind die Geometrien einzelner Teile der Antennenvorrichtung 10, die nicht maßstabsgetreu sein müssen, gut zu erkennen. 8 zeigt die dreidimensionale Formstruktur 14, die einen Abschnitt 18 aufweist, an dem die Antennenstruktur 13 angeordnet ist. Außerdem ist die Antennenspeiseleitung 23 zu erkennen. Diese kann einen ersten Abschnitt 23₁ und einen zweiten Abschnitt 23₂ aufweisen, wobei der zweite Abschnitt 23₂ hier nur ausschnittsweise dargestellt ist. Der zweite Abschnitt 23₂ kann ein Anschlusspad sein. Die erste Substratseite 11A kann eine Metallisierungslage 61 aufweisen. Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann auf der Metallisierungslage 61 angeordnet sein. Die Metallisierungslage 61 kann ein Anschlusspad sein.
Der Abschnitt 18 der dreidimensionalen Formstruktur 14, an dem die Antennenstruktur 13 angeordnet ist, ist von der ersten Seite 11A des Substrats 11 beabstandet. Somit ist die an dem Abschnitt 18 angeordnete Antennenstruktur 13 um ein Maß H₁ von der ersten Seite 11A des Substrats 11 beabstandet. Sofern die erste Seite 11A des Substrats 11, wie zuvor erwähnt, eine Metallisierungslage 61 aufweist, so bemisst sich dieser Abstand H₁ zwischen der Metallisierungslage 61 und der Antennenstruktur 13. Die Metallisierungslage 61 zählt jedoch zu der ersten Seite 11A des Substrats 11.
Die Antennenstruktur 13 ist mittels der dreidimensionalen Formstruktur 14 berührungslos von der ersten Seite 11A des Substrats 11 beabstandet und von der ersten Seite 11A des Substrats 11 und/oder von der gegebenenfalls vorhandenen Metallisierungslage 61 und/oder von dem Substrat 11 selbst und/oder von der Rückseitenmetallisierung 42 galvanisch getrennt bzw. isoliert. Es handelt sich hierbei also nicht um eine Schleifenantenne bzw. um eine nicht abgeschlossene Antenne.
9 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 10 mit einer bogenförmigen dreidimensionalen Formstruktur 14 und darin denkbaren Beabstandungen zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und der Antennenstruktur 13. In der abgebildeten bogenförmigen Ausgestaltung der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann es sich bei der Beabstandung H₁ beispielsweise um eine Beabstandung zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und einem oberen Scheitelpunkt der ebenfalls bogenförmigen Antennenstruktur 13 handeln. Bei der Beabstandung H₁ kann es sich beispielsweise auch um eine maximale Beabstandung zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und der Antennenstruktur 13 handeln, beispielsweise auch bei einer anders als bogenförmig geformten dreidimensionalen Formstruktur 14, beziehungsweise bei einer anderen Form der darauf angeordneten Antennenstruktur 13. Bei komplexer geformten dreidimensionalen Formstrukturen 14 kann es sich bei der Beabstandung H₁ beispielsweise auch um eine durchschnittliche Beabstandung zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und der Antennenstruktur 13 handeln.
Die Antennenvorrichtung 10 kann auch ein zweites Maß H₂ aufweisen, das eine Beanstandung zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und der Antennenstruktur 13 definiert. Das zweite Maß H₂ kann kleiner sein als das erste Maß H₁, d.h. H₂ < H₁. In der abgebildeten bogenförmigen Ausgestaltung der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann es sich bei der zuvor beschriebenen zweiten Beabstandung H₂ beispielsweise um eine Beabstandung zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und einem unteren Scheitelpunkt der ebenfalls bogenförmigen Antennenstruktur 13 handeln. Bei der Beabstandung H₂ kann es sich beispielsweise auch um eine minimale Beabstandung zwischen der ersten Seite 11A des Substrats 11 und der Antennenstruktur 13 handeln, beispielsweise auch bei einer anders als bogenförmig geformten dreidimensionalen Formstruktur 14, beziehungsweise bei einer anderen Form der darauf angeordneten Antennenstruktur 13.
10 zeigt eine Draufsicht auf die Antennenvorrichtung 10. Die Draufsicht entspricht einer Ansicht auf die Antennenvorrichtung 10 in einer Projektion senkrecht zur Substratebene 12.
Die Antennenstruktur 13 kann in dieser Projektion senkrecht zur Substratebene 12 eine Länge L aufweisen, die beispielsweise etwa der Breite B entspricht. Diese Länge kann beispielsweise die Hälfte oder ein Viertel der Resonanzwellenlänge der Antennenstruktur 13 betragen. Unter der Länge L kann die längere der beiden Erstreckungsrichtungen der Antennenstruktur 13 verstanden werden, was insbesondere bei der hier abgebildeten rechteckigen Form der Antennenstruktur 13 zutrifft. Außerdem kann die Länge L der Antennenstruktur 13 entlang der Erstreckungsrichtung der dreidimensionalen Formstruktur 14 zwischen den ersten und zweiten Substratkontaktabschnitten 16, 17 gemessen werden, was beispielsweise bei anderen geometrischen Formen der Antennenstruktur 13 zutreffend sein kann.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die hier nicht explizit abgebildet sind, kann die Antennenstruktur 13 beispielsweise rund oder trapezförmig sein, oder auch andere Geometrien aufweisen. Außerdem kann die Antennenstruktur 13 strukturiert sein, um beispielsweise eine gewünschte Polarisation zu erzeugen, oder um Einfach- oder Mehrfachresonanzen zu erzeugen, oder um die Effizienz, Gewinn und Bandbreite zu erhöhen.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in den 11, 12 und 13 gezeigt. Hier ist zu erkennen, dass die von der ersten Seite 11A des Substrats 11 beabstandete dreidimensionale Formstruktur 14 einen Zwischenraum 41 zwischen der dreidimensionalen Formstruktur 14 und der ersten Seite 11A des Substrats 11 aufweist. Dieser Zwischenraum 41 kann ein Dielektrikum aufweisen.
In anderen Worten ist also zumindest der Abschnitt 18 der dreidimensionalen Formstruktur 14, an dem die Antennenstruktur 13 angeordnet ist, berührungslos von der ersten Seite 11A des Substrats 11 beabstandet, wodurch ein Zwischenraum 41 zwischen dem Abschnitt 18 der dreidimensionalen Formstruktur 14 und der ersten Seite 11A des Substrats 11 gebildet wird, und wobei der Zwischenraum 41 ein Dielektrikum aufweisen kann.
In dem in 11 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise Luft als Dielektrikum zwischen der dreidimensionalen Formstruktur 14 bzw. der Antennenstruktur 13 und der ersten Seite 11A des Substrats 11 vorgesehen. Luft als Dielektrikum ist besonders vorteilhaft für das Abstrahlverhalten der Antennenstruktur 13. Daher ist Luft als Dielektrikum zwischen der Antennenstruktur 13 und der ersten Seite 11A des Substrats 11 bevorzugt. Prinzipiell kann es sich bei dem in dem Zwischenraum 41 angeordneten Dielektrikum aber auch um andere Dielektrika als Luft handeln.
So wäre es beispielsweise vorstellbar, dass die dreidimensionale Formstruktur 14 selbst ein Dielektrikum aufweist, oder aus einem Dielektrikum hergestellt ist, wobei die dreidimensionale Formstruktur 14 weiter in den Zwischenraum 41 hinein ragen kann als es in 11 abgebildet ist.
Derartige Ausführungsbeispiele sind in den 11, 12 und 13 gezeigt, wobei das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem in den 3 und 9 abgebildeten Ausführungsbeispielen entspricht. Die Dicke d_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann beispielweise etwa zwischen 20 µm bis 100 µm, oder zwischen 20 µm und 60µm, und beispielsweise etwa 50 µm oder größer als 100 µm betragen.
Beispielsweise kann sich die dreidimensionale Formstruktur 14 etwa bis zur Hälfte des Zwischenraums 41 in diesen hinein erstrecken. Die dreidimensionale Formstruktur 14 füllt dabei etwa die Hälfte des Zwischenraums 41 aus. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 12 abgebildet. Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann sich auch noch weiter in den Zwischenraum 41 hinein erstrecken und dabei bis zu etwa Dreiviertel des Zwischenraums 41 ausfüllen.
Es wäre aber auch denkbar, dass die dreidimensionale Formstruktur 14 den Zwischenraum 41 vollständig ausfüllt. Dabei kann die dreidimensionale Formstruktur 14 die erste Seite 11A des Substrats 11 berühren. Die erste Seite 11A des Substrats 11 kann, wie bereits zuvor beschrieben, eine Metallisierungslage 61 aufweisen. In diesem Fall kann die dreidimensionale Formstruktur 14 die Metallisierungslage 61 berühren. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 13 gezeigt.
Wenn die dreidimensionale Formstruktur 14 ein Dielektrikum aufweist, kann die dreidimensionale Formstruktur 14 die Antennenstruktur 13 von der Metallisierungslage 61 galvanisch isolieren.
Die 14 und 15 zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer Antennenvorrichtung 10. In 14 weist die Antennenstruktur 13 eine Breite B auf, und die dreidimensionale Formstruktur 14 weist eine Breite B_F auf. Generell kann die dreidimensionale Formstruktur 14 breiter sein als die daran angeordnete Antennenstruktur 13. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 etwa dreimal so groß wie die Breite B der Antennenstruktur 13. Es ist aber auch denkbar, dass die Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 etwa viermal so groß wie die Breite B der Antennenstruktur 13 ist, oder dass die Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 etwa doppelt so groß wie die Breite B der Antennenstruktur 13 ist. Die Antennenstruktur 13 kann hierbei symmetrisch an der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet sein, wobei die Antennenstruktur 13 in der Breitenrichtung etwa gleich weit von beiden Enden der dreidimensionalen Formstruktur 14 beabstandet ist, wie dies ebenfalls in 14 abgebildet ist.
15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hier ist die dreidimensionale Formstruktur 14 etwa gleich breit wie die Antennenstruktur 13. Das heißt, die Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann gleich groß sein wie die Breite B der Antennenstruktur 13. Die Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann aber auch etwa um bis zu 10%, oder um bis zu 20% größer sein als die Breite B der Antennenstruktur 13.
In einer Projektion senkrecht zur Substratebene 12 kann eine Länge L der Antennenstruktur 13 etwa die Hälfte oder ein Viertel der Länge L_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 betragen.
Die 16 bis 18 zeigen eine elektrische Vorrichtung 100 mit einer hierin beschriebenen erfindungsgemäßen bogenförmigen Antennenvorrichtung 10. Die elektrische Vorrichtung 100 weist ein Substrat 111 mit einer mehrlagigen Schaltungsstruktur auf. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Leiterplatten-basiertes Substrat mit integriertem Chip handeln. Das Substrat 111 kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Das Substrat 111 kann eine oder mehrere Schichten beziehungsweise Lagen aufweisen.
Das Substrat 111 kann mindestens eine eingebettete beziehungsweise integrierte Schaltungskomponente 113 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat 111 mindestens eine Hochfrequenzschaltung, zum Beispiel einen Hochfrequenzchip 112, aufweisen, der in dem Substrat 111 eingebettet beziehungsweise integriert sein kann.
Die Antennenvorrichtung 10 ist an dem Substrat 111 angeordnet. Beispielsweise kann die Antennenvorrichtung 10 mit ihrer Rückseitenmetallisierung 42 direkt an dem Substrat 111 angeordnet werden und hierüber mechanisch mit dem Substrat 111 sowie elektrisch mit den ein oder mehreren Schaltungskomponenten 113, und insbesondere mit dem Hochfrequenzchip 112, gekoppelt sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Substrat 11 der Antennenvorrichtung 10 planar ausgeführt ist, und wenn auch die auf der zweiten Seite 11B des Substrats 11 angeordnete Rückseitenmetallisierung 42 planar ausgeführt ist. Somit kann die Antennenvorrichtung 10 einfach auf einer oberen Schicht von konventionellen Packages oder Systemboards angeordnet und in eine konventionelle Hochfrequenzschaltung integriert werden. Diese einfache Integration der Antennenvorrichtung 10 in bestehende HF-Packages ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Es ist außerdem denkbar, dass die Rückseitenmetallisierung 42 eine Schirmung gegen die von der Antennenstruktur 13 abgegebene Strahlung bereitstellt. Somit könnte der Hochfrequenzchip 112 geeignet gegen elektromagnetische Wellen abgeschirmt werden, wodurch die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) der elektrischen Vorrichtung 100 deutlich erhöht werden kann.
Die Antennenvorrichtung 10 kann außerdem mit dem Hochfrequenzchip 112 elektrisch verbunden sein. Dies kann beispielsweise mittels des vorangehend beschriebenen Vias (Durchkontaktierung) 39, und optional mittels eines in dem Substrat 111 vorgesehenen weiteren Vias 114, bewerkstelligt werden, worüber der Hochfrequenzchip 112 elektrisch mit der Antennen-Speiseleitung 23 und/oder direkt mit der Antennenstruktur 13 koppelbar ist. Die Antennenvorrichtung 10 ist ausgestaltet, um ein Hochfrequenzsignal des Hochfrequenzchips 112 auszusenden und/oder ein Hochfrequenzsignal zu empfangen und dies dem Hochfrequenzchip 112 zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen. Es wäre aber ebenso denkbar, dass anstatt der Durchkontaktierung 39 der zweite Abschnitt 23₂ der Antennenspeiseleitung 23, wie beispielsweise in den 4 und 5 dargestellt, vorhanden ist und kontaktiert wird.
Für die Ankontaktierung der elektrischen Vorrichtung 100 auf einem weiteren (hier nicht explizit dargestellten) Substrat können Kontaktierungselemente, beispielsweise Lötkugeln (engl.: solder balls) 115, vorgesehen sein.
Zur thermischen Entkopplung des Hochfrequenzchips 112 können diese Lötkugeln 115 an dem Hochfrequenzchip 112 angeordnet werden. Die Lotkugeln 115 weisen einen großen Wärmeleitwert auf, um entstehende Hitze von dem Hochfrequenzchip 112 abzuleiten.
19 zeigt eine zu 16 alternative Möglichkeit zur Wärmeabfuhr durch die Verwendung einer Hitzesenke 117 (engl.: heat sink). Die Hitzesenke 117 kann mittels eines leitfähigen Klebers 126 mit dem Hochfrequenzchip 112 verbunden werden.
Eine andere Möglichkeit zur thermischen Entkopplung, die alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden kann, ist in 17 gezeigt. Im Vergleich zu 16 kann zusätzlich oder alternativ zu den Lötkugeln 115 ein Hitzeleitungselement 116 mit großem Wärmeleitwert, beispielsweise ein Metallblock, vorgesehen sein. Das Substrat 111 kann, im Vergleich zu 16, beispielsweise eine zusätzliche Substratschicht 111A aufweisen, in der das Hitzeleitungselement 116 angeordnet sein kann. Optional kann zusätzlich eine Hitzesenke 117 vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um Lötkugeln 115 und/oder um ein Wärme aufnehmendes Material, zum Beispiel eine thermische Leitpaste, handeln. Die Hitzesenke 117 kann auf der Unterseite des Hitzeleitungselements 116 angeordnet sein, sodass das Hitzeleitungselement 116 zwischen dem Hochfrequenzchip 112 und der Hitzesenke 117 angeordnet ist. Die Hitzesenke 117 kann auf einem weiteren (hier nicht explizit dargestellten) Substrat angeordnet werden. Das Hitzeleitungselement 116 kann alternativ ganz oder teilweise als Klebematerial implementiert sein, wobei hierfür unterschiedliche Materialien verwendet werden können, etwa ein aushärtender Klebstoff und/oder Wärmeleitpasten.
Eine weitere Alternative zur thermischen Entkopplung ist in 18 dargestellt. Im Vergleich zu 17 kann zusätzlich oder alternativ zu dem Hitzeleitungselement 116 mindestens ein thermisches Via 118 vorgesehen sein. Dieses Via 118 kann im Wesentlichen dieselben Zwecke erfüllen wie das Hitzeleitungselement 116. Das Via 118 kann mittels Lötkugeln 115 und/oder mittels einer (hier nicht dargestellten) Hitzesenke, vergleichbar mit der in 17 dargestellten Hitzesenke 117, gekoppelt sein.
Gemäß weiteren, hier nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispielen, können mindestens zwei der hierin beschriebenen Antennenvorrichtungen 10 zu einem Antennenarray zusammengefasst werden.
20A zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die ein Gehäuse 136 aufweist. Das Gehäuse 136 ist zumindest bereichsweise umfassend ein dielektrisches oder elektrisch isolierendes Material gebildet, um einen Austritt des Funksignals aus dem Gehäuse 136 zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Gehäuse 136 ein Kunststoffmaterial oder ein Glasmaterial umfassen. Kunststoffmaterial kann während einer Vereinzelung und Verkapselung der Antennenvorrichtung 10 aus einem Wafer heraus angeordnet werden. Im Inneren des Gehäuses 136 kann die Antennenvorrichtung 10 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine andere Antennenvorrichtung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen, zumindest ein Antennenarray und/oder zumindest eine elektrische Vorrichtung 100 gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen im Inneren des Gehäuses 136 angeordnet sein. Ein Innenvolumen 137 des Gehäuses 136 kann zumindest teilweise mit einem Gas, wie etwa Luft oder einem Material mit einer geringen Dielektrizitätskonstante oder zu einem geringen Leistungsverlust führendem Material gefüllt sein.
Das Gehäuse 136 umfasst einen Anschluss 138a, der mit der Antennen-Speiseleitung 23 verbunden sein kann. Der Anschluss 138a ist konfiguriert, um mit einem Signalausgang eines Hochfrequenzchips 112 (siehe z.B. 16 bis 18) verbunden zu werden. Das bedeutet, dass über den Anschluss 138a beispielsweise ein Hochfrequenzsignal empfangen werden kann. Das Gehäuse 136 kann einen weiteren Anschluss 138b aufweisen, der als Rückleitung mit der Antennenspeiseleitung 23 oder optional mit der Rückseitenmetallisierung 42 verbunden sein kann. Beispielsweise ist der Anschluss 138b mit einer als Rückleitung konfigurierten elektrischen Leitung verbunden, die durch die Antennen-Speiseleitung 23 implementiert sein kann oder durch die Rückseitenmetallisierung 42 implementiert sein kann.
20B zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die ein Gehäuse 136 aufweist und bei der die Rückseitenmetallisierung 42 mit einer Wand des Gehäuses 136 verbunden ist oder die Wand bildet, um eine Kontaktierung der Rückseitenmetallisierung 42 mit anderen Komponenten auf einfachem Wege zu ermöglichen. Der Anschluss 138a kann mit einer elektrisch leitfähigen Struktur 132, wie zum Beispiel einem Via, verbunden sein. Der Anschluss 138a kann zum Bereitstellen einer vertikalen Verbindung zu der Antennenvorrichtung 10 dienen, etwa an der Antennen-Speiseleitung 23, um die Antennenvorrichtung 10 anzuregen. Somit kann der Anschluss 138a einen Kontakt zur Umgebung der Antennenvorrichtung 10 bereitstellen.
20C zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei der das Gehäuse 136 im Vergleich zu 20B als eine Linse ausgeführt ist, die ausgebildet ist, um eine Abstrahlcharakteristik des Funksignals zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Linse ausgebildet sein, um das Funksignal zu bündeln. Beispielsweise kann der Innenraum 137 des Gehäuses 136 zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt sein und eine äußere Form des Gehäuses 136 kann eine konkave oder konvexe Form aufweisen, um eine streuende oder bündelnde Funktion der Linse zu erhalten.
Die Antennenstruktur 13 kann als eine aktive Antenne ausgeführt sein, die mittels der Antennen-Speiseleitung 23 gespeist wird. Die Antennenstruktur 13 strahlt in eine bevorzugte Hauptabstrahlrichtung 24 ab. Diese Hauptabstrahlrichtung 24 ist vom Substrat 11 weg gerichtet.
Strahlungsanteile, die von der Antennenstruktur 13 in die Gegenrichtung, das heißt in Richtung des Substrats 11 emittiert werden, können mittels der Rückseitenmetallisierung 42 reflektiert oder absorbiert werden.
Durch die dreidimensionale Konfiguration, ist der Abstand zwischen 13 (Strahler) und 42 (Rückseite-Metallisierung) der Antenne groß, d.h. die effektive Höhe des Antennensubstrats ist groß. Dadurch kann die Bandbreite der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 10 gegenüber konventionellen dreidimensionalen Antennen, die direkt auf dem Substrat liegen, enorm erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung 10 kann vorteilhaft in Frequenzbereichen beispielweise zwischen 1 GHz und 1 THz betrieben werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Antennenvorrichtung (10) mit einer Antennenstruktur (13) und einer die Antennenstruktur (13) speisenden Antennenspeiseleitung (23), einer bogenförmigen dreidimensionalen Formstruktur (14), die zumindest einen Abschnitt (18) aufweist, auf dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, und einem Substrat (11), das sich in einer Substratebene (12) erstreckt, wobei das Substrat (11) eine erste Seite (11A) und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite (11B) aufweist, und die dreidimensionale Formstruktur (14) auf der ersten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnet ist, wobei die bogenförmige dreidimensionale Formstruktur (14) einen ersten Substratkontaktabschnitt (16) und einen zweiten Substratkontaktabschnitt (17) aufweist und wobei sich der zumindest eine Abschnitt (18), auf dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt (16) und dem zweiten Substratkontaktabschnitt (17) von dem Substrat (11) beabstandet erstreckt, und wobei sich der zumindest eine Abschnitt (18), auf dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, aus der Substratebene (12) heraus erstreckt und berührungslos von dem Substrat (11) beabstandet ist, sodass die darauf angeordnete Antennenstruktur (13) ebenfalls bogenförmig sowie räumlich und berührungslos von dem Substrat (11) beabstandet ist.
Antennenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die zweite Seite (11B) des Substrats (11) eine Metallisierung (42) aufweist, und wobei die Antennenstruktur (13) eine Patchantenne ist.
Antennenvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Antennenspeiseleitung (23) auf der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet ist und die Antennenstruktur (13) galvanisch mit einer auf der ersten Seite (11A) des Substrats (11) angeordneten Durchkontaktierung (39) verbindet, wobei sich die Durchkontaktierung (39) von der ersten Seite (11A) des Substrats (11) zu der zweiten Seite (11B) des Substrats (11) erstreckt, ohne dabei die auf der zweiten Seite (11B) des Substrats (11) angeordnete Metallisierung (42) zu kontaktieren.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) eine erste Seite (21) aufweist, die der ersten Seite (11A) des Substrats (11) gegenüberliegend angeordnet und dieser zugewandt ist, und wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) eine der ersten Seite (21) gegenüberliegend angeordnete zweite Seite (22) aufweist, die der ersten Seite (11A) des Substrats (11) abgewandt ist, wobei die Antennenstruktur (13) auf der zweiten Seite (22) der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenstruktur (13) zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt (16) und dem zweiten Substratkontaktabschnitt (17) auf der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet ist, ohne dabei mit der ersten Seite (11A) des Substrats (11) in Berührung zu kommen.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenstruktur (13) mittig auf der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet ist, wobei ein Abstand D₁ zwischen der Antennenstruktur (13) und dem ersten Substratkontaktabschnitt (16) gleich groß ist wie ein Abstand D₂ zwischen der Antennenstruktur (13) und dem zweiten Substratkontaktabschnitt (17).
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) ein Dielektrikum aufweist, und/oder wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) aus demselben Material gefertigt ist wie das Substrat (11) und/oder wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) und das Substrat (11) einstückig ausgebildet sind.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Abschnitt (23₁) der Antennenspeiseleitung (23) auf der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet, und ein zweiter Abschnitt (23₂) der Antennenspeiseleitung (23) auf der ersten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Seite (11A) des Substrats (11) eine galvanisch von der Antennenspeiseleitung (23) getrennte Metallisierungslage (61) aufweist, wobei sich die Metallisierungslage (61) über mindestens 95% der gesamten ersten Seite (11A) des Substrats (11) erstreckt, oder wobei sich die Metallisierungslage (61) zumindest zwischen dem Substrat (11) und der dreidimensionalen Formstruktur (14) erstreckt.
Antennenvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) auf der Metallisierungslage (61) angeordnet ist und die Antennenstruktur (13) galvanisch von der Metallisierungslage (61) isoliert.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Abschnitt (18) der dreidimensionalen Formstruktur (14), an dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, von der ersten Seite (11A) des Substrats (11) beabstandet ist, wobei ein Maß H₁, H₂ der Beabstandung der ersten Seite (11A) des Substrats (11) zu der auf dem Abschnitt (18) der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordneten Antennenstruktur (13) die Hälfte λ/2 oder ein Viertel λ/4 einer Resonanzwellenlänge der Antennenstruktur (13) beträgt.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Abschnitt (18) der dreidimensionalen Formstruktur (14), an dem die Antennenstruktur (13) angeordnet ist, berührungslos von der ersten Seite (11A) des Substrats (11) beabstandet ist, und wobei ein Zwischenraum (41) zwischen dem Abschnitt (18) der dreidimensionalen Formstruktur (14) und der ersten Seite (11A) des Substrats (11) ein Dielektrikum aufweist.
Antennenvorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei sich die dreidimensionale Formstruktur (14) in den Zwischenraum (41) hinein erstreckt und mindestens ein Viertel, oder mindestens die Hälfte, oder mindestens Dreiviertel des Zwischenraums (41) ausfüllt.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Antennenstruktur (13) in einer Ebene parallel zu der Substratebene (12) oder in einer relativ zu der Substratebene (12) nicht parallel verlaufenden Ebene erstreckt.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenstruktur (13) ein Monopol, ein Dipol, ein gefalteter Dipol oder ein mäandrierter Strahler ist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenstruktur (13) mindestens eine geometrische Struktur aufweist, die die elektrische Eigenschaft der Antennenstruktur, insbesondere deren Polarisation, Bandbreite, Resonanzfrequenz, Effizienz und Gewinn, beeinflusst.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenstruktur (13) mindestens einen Schlitz aufweist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenvorrichtung (10) als ein Array ausgestaltet ist, das mindestens zwei Antennenstrukturen (13) aufweist.
Elektrische Vorrichtung (100) mit einem mehrlagigen Substrat (111), das eine Hochfrequenzschaltung aufweist, und mit einer Antennenvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenvorrichtung (10) an dem mehrlagigen Substrat (111) angeordnet und mit der Hochfrequenzschaltung gekoppelt ist, und wobei die Antennenvorrichtung (10) ausgestaltet ist, um ein Hochfrequenzsignal der Hochfrequenzschaltung auszusenden und/oder ein Hochfrequenzsignal zu empfangen und der Hochfrequenzschaltung bereitzustellen.