WO2000077886A1 - Antenna - Google Patents
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- WO2000077886A1 WO2000077886A1 PCT/DE2000/001449 DE0001449W WO0077886A1 WO 2000077886 A1 WO2000077886 A1 WO 2000077886A1 DE 0001449 W DE0001449 W DE 0001449W WO 0077886 A1 WO0077886 A1 WO 0077886A1
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
Definitions
- the invention relates to an antenna for high frequencies and a method for producing such an antenna.
- An object of the present invention is to provide an antenna with a high efficiency.
- Another object of the present invention is to provide an antenna with a high bandwidth.
- the present invention should also be connectable to existing feed networks or waveguides.
- the antenna has a radiation element which contains at least one substrate and at least one planar resonator on each substrate. In the simplest case, this is a single resonator applied to a substrate. However, several resonators can also be applied to a substrate and / or several substrates can be used.
- the antenna can, for. B. connected to a wave generator. Waves, in particular microwaves and millimeter waves, can be fed into the resonator via the waveguide.
- the resonator is separated from the waveguide by a gap. The gap is parallel to a plane of the resonator. This condition is e.g. B. given when the resonator and the waveguide are arranged in parallel one above the other.
- Such an antenna has the advantage that the gap creates a region of low permittivity between the waveguide and the resonator. This in turn results in a high antenna efficiency, analogous to a low power loss, and a higher bandwidth.
- This antenna is also easy to manufacture because the radiation element and the waveguide can be manufactured separately using flip-chip technology.
- planar waveguide is a coplanar waveguide (CPW) because, among other things, it has a low line loss and a simple one
- a CPW has at least one center conductor (“CPW feed”) and one ground (“ground”), which are typically applied to one side of an electrically insulating substrate.
- CPW feed center conductor
- ground ground
- the waveguide is a CPW
- the central conductor is electrically connected to the resonator, advantageously in such a way that the feed impedance is optimal.
- the waveguide is a microstrip waveguide because it has a low insertion loss and is also widespread.
- a strip - typically a metallization - is positioned above a mass, typically separated by a substrate.
- the substrate of the emitting element is electrically insulating and low-loss.
- flip-chip bonding it is also favorable if this substrate withstands a temperature T 300 300 ° C. during thermocompression bonding without damage. Both advantages are obtained if the substrate is made from A1 2 0, Si 3 N 4 , SiC, Si0 2 , Teflon or Duroid.
- the use of A1 2 0 3 or glass is particularly preferred. Glass is a little less loss-free than A1 2 0 3 , but easier to manufacture or to shape than a ceramic.
- the resonator consists of a highly conductive material.
- a noble metal is particularly preferred due to the good corrosion resistance.
- the expert is familiar with, for. B. Au, Ag, Cu, Pt or an alloy containing these metals, e.g. B. AgAu or PtRd.
- the waveguide is connected to the radiating element by means of the flip-chip technology, because this enables simple manufacture of the individual parts and inexpensive assembly.
- the gap is also easy to manufacture.
- the height of the gap can be adjusted in a simple manner.
- the gap is usually exposed to the environment so that it can fill with air. Due to its low permittivity, an air gap generates a low power loss. In addition to air or vacuum, the gap can also be filled with any other gases.
- the gap can be made with a hardening liquid with the lowest possible permittivity and with the least possible loss be filled at high frequencies, e.g. B. with a resin or a foam.
- a hardening liquid with the lowest possible permittivity and with the least possible loss be filled at high frequencies, e.g. B. with a resin or a foam.
- the liquid is so thin during the filling of the gap that the gap can be filled evenly.
- the radiation element is fixed to the waveguide by means of a spacer in the form of a plurality of support bumps.
- the resonator in the case of an electrical connection between the waveguide and the resonator by means of an RF bump with the wave feed, for. B. the center conductor of the CPW or the strip of the microstrip waveguide, the waveguide.
- field coupling aperture coupling
- the height db of the bumps corresponds approximately to the height of the gap. It is particularly preferred if the height db of the bumps is between 40 ⁇ m and 100 ⁇ m, in particular between 50 ⁇ m and 70 ⁇ m (“microbumps”). However, the height can easily be up to 1000 ⁇ m.
- the antenna is shown schematically in more detail.
- FIG. 1 shows an antenna before assembly
- FIG. 2 shows an antenna after assembly
- FIG. 3 shows an antenna after assembly
- FIGS. 4a to 4c show different possibilities for wave feeding (food network) according to Zürcher et al.
- 5 shows several embodiments of resonators according to Zürcher et al.
- FIGS. 6a to 6f show several embodiments of antennas with different connection types according to Zürcher et al.
- Figure 4a shows a sectional front view of a waveguide in the form of a microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 3.
- a strip 15 ′ and a flat mass 15 are applied to opposite surfaces of a substrate 14.
- the field is guided between strips 15 'and ground area 15.
- the main part of the field is in the substrate, a smaller part in the air.
- Figure 4b shows a sectional view m front view of a waveguide in the form of a slot guide ("Slotline wave guide") according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 3.
- Slotline wave guide a slot guide
- a left mass 16 'and a right mass 16 are applied. The field is guided between left mass 16 'and right mass 16.
- FIG. 4c shows a sectional view in front view of a waveguide in the form of a coplanar waveguide, CPW according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 3.
- a middle conductor 17 '("CPW feed") and two flat metal layers are applied as mass 17 on one side of the substrate 14. The field is guided between the center conductor 17 'and the two ground areas 17.
- planar lines have in common that they represent an inexpensive alternative to conventional waveguides, in particular waveguides.
- the parameters stripe width, high and permittivity of the substrate etc. determine the quality of the conductors (see also 0. Zinke et al.)
- Figure 5 shows different types of planar resonators according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 20.
- the resonators 121 are in microstrip technology on the substrate 14.
- Figure 6a shows an antenna with microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 27.
- the strip 15 ' is electrically connected to the resonator 121.
- Figure 6b shows an antenna with microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 29.
- the resonator 121 is fed by means of a field 15 applied to the same side of the substrate 14 by means of a strip 15 '.
- the strip 15 ' is attached separately from the resonator 121.
- Figure 6c shows an antenna with microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 30.
- the strip 15 ' is attached below the resonator 121 and separated from it by an additional insulating layer 14'.
- the resonator 121 is operated via the strip 15 'by means of field coupling.
- FIG. 6d shows a further embodiment of an antenna in SSFIP ("strip slot foam inverted patch") design according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 47.
- the strip 15 ' is separated from a layer provided with a slot by a substrate 14 and the layer is in turn separated from the resonator 121 by a layer 15' 'of hardened foam.
- the patch is glued directly onto the foam using a flexible film.
- Figure 1 shows an oblique view of an antenna before its assembly using flip-chip technology.
- a coplanar waveguide 2 (CPW) consists of a substrate 21 made of A1 2 0 3 , which is coated with a central conductor 22 in the form of a metallic tongue. From this, electrically isolated, the mass 23 is applied to the substrate 21 in the form of a metallic layer. 3 support bumps 31 are applied to the mass 23 as spacers. On the wave ter is an electrically conductive HF (radio frequency) Bu p 4 attached.
- CPW coplanar waveguide 2
- a radiation element 1 which consists of a substrate 11, a resonator 12 mounted thereon and four metallizations 13.
- the metallizations 13 are positioned so that they correspond to the distribution of the support bumps 31.
- the radiating element 1 is folded onto the waveguide 2 such that the metallizations 13 rest on the support bumps 31 and then the radiating element 1 and the waveguide 2 are pressed onto one another (indicated by the arrows).
- thermocompression bonding is done by means of thermocompression bonding at a temperature T between 250 ° C and 300 ° C. Because of its high temperature resistance, a substrate 13, 21 made of A1 2 0 3 is well suited for this.
- Pressing creates a fixed connection between the radiating element 1 and the waveguide 2.
- the pressing process is controlled so that the resonator 12 is at a constant distance db from the waveguide 2.
- the center conductor 22 is also connected to the resonator 12 by means of the HF bump 4 during pressing.
- Figure 2 shows a sectional view in front view of the antenna of Figure 1 after assembly.
- the use of other non-conductive materials is also possible, e.g. As SiC, Si 3 N 4 , Teflon or Duroid, which also have the advantage of withstanding the temperatures necessary for thermocompression bonding.
- the resonator 12 can also be connected to the waveguide by means of other flip-chip techniques, e.g. B. reflux bonding ("reflow bonding") or adhesive bonding.
- the support bumps 31 rest on the mass 23 of the waveguide 2 in the form of the metallic layer and on the metallization 13 of the radiating element, the HF bump 4 on the central conductor 22 and on the resonator 12.
- this high db can be set with an accuracy of ⁇ 1 ⁇ m, which is the case at high frequencies, e.g. B. millimeter waves with f> 20 GHz, is of great importance.
- wire bonds or wire bonds show a significantly higher disturbance in wave propagation.
- the use of bumps 4.31 made of gold is particularly advantageous.
- the gap between the resonator 12 and the waveguide 2 produced by the bumps 31 is generally filled with air.
- An electric field E forms between the resonator 12 and the metallic layer 23 within the gap.
- This arrangement is analogous to a microstrip line in which the resonator 12 corresponds to the strip 15 '.
- the substrate 14 then essentially consists of the contents of the gap, e.g. Air or vacuum.
- the resonator 12 borders directly on the gap.
- one or more layers to be additionally applied between the resonator 12 and the gap. This is easily possible with the flip-chip technology, because the radiation element 1 can be finished separately before the bonding. For example, it is possible to combine an MMIC with an antenna without any particular additional effort.
- This antenna thus has the advantage that, due to the low dielectric constant ⁇ r of the gap content, the radiation efficiency is very high, or is optimal in the case of air.
- Figure 3 shows a plot of the amount of adjustment or input reflection (mag Sll) in dB against the radiation frequency f in GHz. Each graph corresponds to a different height db of the bumps 4.31 and thus a different gap height.
- the center frequency of the antenna can easily be set in a wide range of approximately 10 GHz.
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
The invention relates to an antenna, comprising a radiation element (1), which contains at least one substrate (11) and at least one planar resonator (12) that is applied to said substrate (11), and a planar waveguide (2). The inventive antenna is characterized in that the resonator (12) is separated from the waveguide (2) by a gap which lies parallel to a plane of the resonator (12).
Description
Beschreibungdescription
Antenneantenna
Die Erfindung betrifft eine Antenne für hohe Frequenzen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Antenne.The invention relates to an antenna for high frequencies and a method for producing such an antenna.
In: J.-F. Zürcher, F.E. Gardiol, "Broadband Patch-Antennas" , Artech-House 1995, Seiten 3 bis 47, werden verschiedene Aus- führungsformen von Patch-Antennen beschrieben. Dabei werden mehrere Formen von Resonatoren (sog. "Patches") und Wellenleitern ("wave guides") dargestellt. Der Resonator ist entweder auf dem gleichen Träger wie der Wellenleiter aufgebracht oder mittels einer weiteren Schicht von diesem getrennt.In: J.-F. Zürcher, F.E. Gardiol, "Broadband Patch Antennas", Artech-House 1995, pages 3 to 47, describe various embodiments of patch antennas. Several forms of resonators (so-called "patches") and waveguides ("wave guides") are shown. The resonator is either applied to the same carrier as the waveguide or separated from it by means of a further layer.
In: 0. Zinke, H. Brunswig, "Hochfrequenztechnik 1", 5. Aufl. Springer, Seiten 157 bisl77 sind verschiedene Wellenleiter bzw. Speisenetzwerke beschrieben wie die Mikrostreifen- leitung ( "Mikrostrip") , koplanare Leitungen und die offene Schlitzleitung ("Slotline") .In: 0. Zinke, H. Brunswig, "Hochfrequenztechnik 1", 5th edition Springer, pages 157 to 177, various waveguides or feed networks are described such as the microstrip line ("microstrip"), coplanar lines and the open slot line (" Slotline ").
Aus P. Petre et al., "Simulation and Performance of Passive Microwave and Millimeter Wave Coplanar Waveguide Circuit Devices with Flip Chip Packaging", Electrical Performance of Electronic Packaging, IEEE, New York, NY, 1997, Conference paper, San Jose, CA, 27-29 October 1997 ist ein Koplanar-Wel- lenleiter ("Coplanar Wave Guide", CPW) bekannt, welcher Mikrowellen oder Millimeterwellen in einen monolithischen Mikrowellen-Schaltkreis ("Monolithic Microwave Integrated Cir- cuit", MMIC) einspeist. Der MMIC ist mit dem CPW mittels Flip-Chip-Technik verbunden worden.From P. Petre et al., "Simulation and Performance of Passive Microwave and Millimeter Wave Coplanar Waveguide Circuit Devices with Flip Chip Packaging", Electrical Performance of Electronic Packaging, IEEE, New York, NY, 1997, Conference paper, San Jose, CA. , October 27-29, 1997 a coplanar wave guide ("Coplanar Wave Guide", CPW) is known which feeds microwaves or millimeter waves into a monolithic microwave circuit ("Monolithic Microwave Integrated Circuit", MMIC). The MMIC has been connected to the CPW using flip-chip technology.
In W. Heinrich et al., "Millimeterwave characteristics of Flip-Chip interconnects for multi-chip modules" werden Schaltkreis-Einheiten ("Chips") in Viellagenbauweise beschrieben, welche mittels eines CPWs gespeist werden.
Die Flip-Chip-Technik zur Kontaktierung von Halbleiterchips wird beispielsweise in Hans-Jürgen Hacke: Montage Integrierter Schaltungen, Springer Verlag, 1987, seiten 108 bis 118 beschrieben.In W. Heinrich et al., "Millimeter wave characteristics of flip-chip interconnects for multi-chip modules", multi-layer circuit units ("chips") are described, which are fed by means of a CPW. The flip-chip technology for contacting semiconductor chips is described, for example, in Hans-Jürgen Hacke: Montage Integrated Circuits, Springer Verlag, 1987, pages 108 to 118.
Ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antenne mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.An object of the present invention is to provide an antenna with a high efficiency.
Ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antenne mit einer hohen Bandbreite bereitzustellen.Another object of the present invention is to provide an antenna with a high bandwidth.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach montierbare Antenne bereitzustellen.It is also an object of the present invention to provide an easily mountable antenna.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach herstellbare Antenne bereitzustellen.It is another object of the present invention to provide an antenna that is easy to manufacture.
Die vorliegende Erfindung soll auch an bestehende Speisenetzwerke bzw. Wellenleiter anschließbar sein.The present invention should also be connectable to existing feed networks or waveguides.
Die Aufgaben werden durch eine Antenne gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.The objects are achieved by an antenna according to claim 1 and a method for producing the same according to claim 8. Advantageous refinements can be found in the respective subclaims.
Die Antenne weist ein Abstrahlelement auf, welches mindestens ein Substrat und mindestens einen planaren Resonator auf jedem Substrat enthält. Im einfachsten Fall ist dies ein einziger auf einem Substrat aufgebrachter Resonator. Es können aber auch mehrere Resonatoren auf einem Substrat aufgebracht sein und / oder mehrere Substrate verwendet werden.The antenna has a radiation element which contains at least one substrate and at least one planar resonator on each substrate. In the simplest case, this is a single resonator applied to a substrate. However, several resonators can also be applied to a substrate and / or several substrates can be used.
Weiterhin ist ein planarer Wellenleiter vorhanden. Mittels des Wellenleiters kann die Antenne z. B. an einen Wellen- erzeuger angeschlossen werden. Über den Wellenleiter können Wellen, insbesondere Mikrowellen und Millimeterwellen, in den Resonator eingespeist werden.
Der Resonator ist vom Wellenleiter durch einen Spalt getrennt. Der Spalts liegt dabei parallel zu einer Ebene des Resonators. Diese Bedingung ist z. B. gegeben, wenn der Re- sonator und der Wellenleiter parallel übereinander angeordnet sind.There is also a planar waveguide. By means of the waveguide, the antenna can, for. B. connected to a wave generator. Waves, in particular microwaves and millimeter waves, can be fed into the resonator via the waveguide. The resonator is separated from the waveguide by a gap. The gap is parallel to a plane of the resonator. This condition is e.g. B. given when the resonator and the waveguide are arranged in parallel one above the other.
Eine solche Antenne besitzt den Vorteil, daß durch den Spalt ein Bereich geringer Permittivität zwischen Wellenleiter und Resonator erzeugt wird. Daraus ergibt sich wiederum ein hoher Wirkungsgrad der Antenne, analog einem geringen Leistungsverlust, sowie eine höhere Bandbreite.Such an antenna has the advantage that the gap creates a region of low permittivity between the waveguide and the resonator. This in turn results in a high antenna efficiency, analogous to a low power loss, and a higher bandwidth.
Diese Antenne ist zudem einfach herstellbar, weil das Ab- strahlelement und der Wellenleiter in Flip-Chip-Technik getrennt hergestellt werden können.This antenna is also easy to manufacture because the radiation element and the waveguide can be manufactured separately using flip-chip technology.
Es ist vorteilhaft, wenn der planare Wellenleiter ein Ko- planar-Wellenleiter (CPW) ist, weil dieser unter anderem ei- nen geringen Leitsungsverlust aufweist und eine einfacheIt is advantageous if the planar waveguide is a coplanar waveguide (CPW) because, among other things, it has a low line loss and a simple one
Struktur besitzt. Ein CPW besitzt mindestens einen Mittelleiter ("CPW-Feed") und eine Masse ("Ground"), die typischerweise auf einer Seite eines elektrisch isolierenden Substrats aufgebracht sind.Has structure. A CPW has at least one center conductor (“CPW feed”) and one ground (“ground”), which are typically applied to one side of an electrically insulating substrate.
Falls der Wellenleiter ein CPW ist, ist es günstig, daß der Mittelleiter mit dem Resonator elektrisch verbunden ist, und zwar vorteilhafterweise so, daß die Einspeisungsimpedanz optimal ist.If the waveguide is a CPW, it is favorable that the central conductor is electrically connected to the resonator, advantageously in such a way that the feed impedance is optimal.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn der Wellenleiter ein Mikrostreifen-Wellenleiter ("Microstrip wave guide") ist, weil dieser eine geringe Einfügedämpfung aufweist und zudem weit verbreitet ist. In diesem Fall ist ein Streifen - typi- scherweise eine Metallisierung - oberhalb einer Masse positioniert, typischerweise durch ein Substrat getrennt.
Es ist vorteilhaft, wenn das Substrat des Abstrahlelementes elektrisch isolierend und verlustarm ist. Zur Anwendung des Flip-Chip-Verfahrens ("Flip-Chip-Bondens") ist es auch günstig, wenn dieses Substrat eine Temperatur T ≥ 300 °C beim Thermokompressions-Bonden schädigungsfrei widersteht. Beide Vorteile werden erlangt, wenn das Substrat aus A120, Si3N4, SiC, Si02, Teflon oder Duroid gefertigt wird. Dabei wird eine Verwendung von A1203 oder Glas besonders bevorzugt. Glas ist etwas weniger verlustarm als A1203, aber einfacher her- zustellen bzw. zu formen als eine Keramik.However, it can also be advantageous if the waveguide is a microstrip waveguide because it has a low insertion loss and is also widespread. In this case, a strip - typically a metallization - is positioned above a mass, typically separated by a substrate. It is advantageous if the substrate of the emitting element is electrically insulating and low-loss. To use the flip-chip method ("flip-chip bonding"), it is also favorable if this substrate withstands a temperature T 300 300 ° C. during thermocompression bonding without damage. Both advantages are obtained if the substrate is made from A1 2 0, Si 3 N 4 , SiC, Si0 2 , Teflon or Duroid. The use of A1 2 0 3 or glass is particularly preferred. Glass is a little less loss-free than A1 2 0 3 , but easier to manufacture or to shape than a ceramic.
Die gleichen Vorteile gelten auch für ein Substrat des Wellenleiters .The same advantages also apply to a substrate of the waveguide.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Resonator aus einem gut leitenden Material besteht. Dabei wird die Verwendung eines Edelmetalls aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit besonders bevorzugt. Dem Fachmann geläufig sind z. B. Au, Ag, Cu, Pt oder eine diese Metalle enthaltende Legierung, z. B. AgAu oder PtRd.It is also advantageous if the resonator consists of a highly conductive material. The use of a noble metal is particularly preferred due to the good corrosion resistance. The expert is familiar with, for. B. Au, Ag, Cu, Pt or an alloy containing these metals, e.g. B. AgAu or PtRd.
Es ist vorteilhaft, wenn der Wellenleiter mit dem Abstrahlelement mittels der Flip-Chip-Technik verbunden wird, weil diese eine einfache Herstellung der Einzelteile und eine preisgünstige Montage ermöglicht. Auch ist so der Spalt einfach herstellbar. Zudem läßt sich die Höhe des Spaltes in einfacher Weise einstellen.It is advantageous if the waveguide is connected to the radiating element by means of the flip-chip technology, because this enables simple manufacture of the individual parts and inexpensive assembly. The gap is also easy to manufacture. In addition, the height of the gap can be adjusted in a simple manner.
Der Spalt wird in der Regel der Umgebung ausgesetzt, so daß er sich mit Luft füllen kann. Ein Luftspalt erzeugt aufgrund seiner geringen Permittivität eine günstig geringe Verlustleistung. Außer mit Luft oder auch Vakuum kann der Spalt aber auch mit beliebigen anderen Gasen gefüllt werden.The gap is usually exposed to the environment so that it can fill with air. Due to its low permittivity, an air gap generates a low power loss. In addition to air or vacuum, the gap can also be filled with any other gases.
Der Spalt kann aber auch nach der Anwendung der Flip-Chip- Technik mit einer aushärtenden Flüssigkeit möglichst niedriger Permittivität und mit einem möglichst geringen Verlust
bei hohen Frequenzen gefüllt werden, z. B. mit einem Harz oder einem Schaum. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß das Abstrahlelement besser fixiert wird und gegen Verunreinigungen geschützt ist. Gunstigerweise ist die Flüssigkeit wahrend des Ausfullens des Spalts so dünnflüssig, daß der Spalt gleichmäßig ausfullbar ist.However, even after using the flip-chip technique, the gap can be made with a hardening liquid with the lowest possible permittivity and with the least possible loss be filled at high frequencies, e.g. B. with a resin or a foam. This has the advantage that the radiation element is better fixed and is protected against contamination. Favorably, the liquid is so thin during the filling of the gap that the gap can be filled evenly.
Zur einfachen insbesondere Herstellung, insbesondere mittels der Flip-Chip-Technik, ist es vorteilhaft, wenn das Abstrahl- element mittels eines Abstandshalters in Form mehrerer Stutz- Bumps am Wellenleiter fixiert ist.For simple, in particular manufacture, in particular by means of flip-chip technology, it is advantageous if the radiation element is fixed to the waveguide by means of a spacer in the form of a plurality of support bumps.
Zudem kann der Resonator im Falle einer elektrischen Verbindung zwischen Wellenleiter und Resonator mittels eines HF- Bumps mit der Wellenzufuhrung, z. B. dem Mittelleiter des CPW oder dem Streifen des Mikrostreifen-Wellenleiters, des Wellenleiters verbunden sein. Es ist aber auch eine Feldkopplung (Aperturkopplung) möglichIn addition, the resonator in the case of an electrical connection between the waveguide and the resonator by means of an RF bump with the wave feed, for. B. the center conductor of the CPW or the strip of the microstrip waveguide, the waveguide. However, field coupling (aperture coupling) is also possible
Die Hohe db der Bumps entspricht m etwa der Hohe des Spal- tes. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn die Hohe db der Bumps zwischen 40 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 50 μm und 70 μm, betragt ( "Microbumps" ) . Die Hohe kann aber auch problemlos bis zu 1000 μm betragen.The height db of the bumps corresponds approximately to the height of the gap. It is particularly preferred if the height db of the bumps is between 40 μm and 100 μm, in particular between 50 μm and 70 μm (“microbumps”). However, the height can easily be up to 1000 μm.
In den folgenden Ausfuhrungsbeispielen wird die Antenne schematisch naher ausgeführt.In the following exemplary embodiments, the antenna is shown schematically in more detail.
Die Figuren 1 zeigt eine Antenne vor einem Zusammenbau, Figur 2 zeigt eine Antenne nach dem Zusammenbau die Figur 3 zeigt eine Antenne nach dem Zusammenbau, die Figuren 4a bis 4c zeigen verschiedenen Möglichkeiten der Wellenzufuhrung (Speisenetzwerk) nach Zürcher et al . , die Figur 5 zeigt mehrere Ausführungsformen von Resonatoren nach Zürcher et al., die Figuren 6a bis 6f zeigen mehrere Ausführungsformen von Antennen mit unterschiedlichen Anschlußarten nach Zürcher et al.
Figur 4a zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht einen Wellenleiter in Form eines Mikrostreifen-Wellenleiters nach J.-F. Zürcher et al . (s.o.), Seite 3.FIG. 1 shows an antenna before assembly, FIG. 2 shows an antenna after assembly, FIG. 3 shows an antenna after assembly, FIGS. 4a to 4c show different possibilities for wave feeding (food network) according to Zürcher et al. 5 shows several embodiments of resonators according to Zürcher et al., FIGS. 6a to 6f show several embodiments of antennas with different connection types according to Zürcher et al. Figure 4a shows a sectional front view of a waveguide in the form of a microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 3.
Auf entgegengesetzten Flachen eines Substrats 14 sind ein Streifen 15' und eine flachige Masse 15 aufgebracht. Bei der Mikrostreifenleitung wird das Feld zwischen Streifen 15' und Masseflache 15 gefuhrt. Der wesentliche Teil des Feldes befindet sich im Substrat, ein kleinerer Teil in der Luft.A strip 15 ′ and a flat mass 15 are applied to opposite surfaces of a substrate 14. In the microstrip line, the field is guided between strips 15 'and ground area 15. The main part of the field is in the substrate, a smaller part in the air.
Figur 4b zeigt als Schnittdarstellung m Frontansicht einen Wellenleiter in Form eines Schlitzleiters ("Slotline wave guide") nach J.-F. Zürcher et al . (s.o.), Seite 3. Auf der gleichen Flache des Substrats 14 sind ein linke Masse 16' und eine rechte Masse 16 aufgebracht. Das Feld wird zwischen linker Masse 16' und rechter Masse 16 gefuhrt.Figure 4b shows a sectional view m front view of a waveguide in the form of a slot guide ("Slotline wave guide") according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 3. On the same surface of the substrate 14, a left mass 16 'and a right mass 16 are applied. The field is guided between left mass 16 'and right mass 16.
Figur 4c zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht einen Wellenleiter m Form eines Koplanar-Wellenleiters, CPW nach J.-F. Zürcher et al . (s.o.), Seite 3. Hierbei sind ein Mitteileiter 17' ("CPW-Feed") und zwei flächige Metallschichten als Masse 17 auf einer Seite des Substrats 14 aufgebracht. Das Feld wird zwischen dem Mittelleiter 17' und den beiden Masseflachen 17 gefuhrt.FIG. 4c shows a sectional view in front view of a waveguide in the form of a coplanar waveguide, CPW according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 3. Here, a middle conductor 17 '("CPW feed") and two flat metal layers are applied as mass 17 on one side of the substrate 14. The field is guided between the center conductor 17 'and the two ground areas 17.
Den planaren Leitungen ist gemeinsam, daß sie eine kostengünstige Alternative zu konventionelle Wellenleitern, insbesondere Hohlleitern, darstellen. Die Parameter (Streifenbreite, Hohe und Permittivität des Substrats etc.) bestimmen die Qualltat der Leiter (siehe auch 0. Zinke et al.)The planar lines have in common that they represent an inexpensive alternative to conventional waveguides, in particular waveguides. The parameters (stripe width, high and permittivity of the substrate etc.) determine the quality of the conductors (see also 0. Zinke et al.)
Figur 5 zeigt verschiedene Arten von planaren Resonatoren nach J.-F. Zürcher et al . (s.o.), Seite 20. Die Resonatoren 121 sind in Mikrostreifen-Technik auf dem Substrat 14. Man erkennt die vielfaltigen planaren Antennenformen, wie z. B. viereckig, dreieckig etc..
Figur 6a zeigt eine Antenne mit Mikrostreifen-Wellenleiter nach J.-F. Zürcher et al. (s.o.), Seite 27. Hierbei ist der Streifen 15' mit dem Resonator 121 elektrisch verbunden.Figure 5 shows different types of planar resonators according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 20. The resonators 121 are in microstrip technology on the substrate 14. One recognizes the diverse planar antenna shapes, such as. B. square, triangular etc. Figure 6a shows an antenna with microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 27. Here, the strip 15 'is electrically connected to the resonator 121.
Figur 6b zeigt eine Antenne mit Mikrostreifen-Wellenleiter nach J.-F. Zürcher et al . (s.o.), Seite 29.Figure 6b shows an antenna with microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 29.
Der Resonator 121 wird mittels eines auf der gleichen Seite des Substrats 14 aufgebrachten Streifens 15' durch Feldkopplung gespeist. Der Streifen 15' ist vom Resonator 121 seit- lieh getrennt angebracht.The resonator 121 is fed by means of a field 15 applied to the same side of the substrate 14 by means of a strip 15 '. The strip 15 'is attached separately from the resonator 121.
Figur 6c zeigt eine Antenne mit Mikrostreifen-Wellenleiter nach J.-F. Zürcher et al. (s.o.), Seite 30.Figure 6c shows an antenna with microstrip waveguide according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 30.
Der Streifen 15' ist unterhalb des Resonators 121 angebracht und von diesem durch eine zusätzliche isolierende Schicht 14' getrennt. Der Resonator 121 wird über den Streifen 15' mittels Feldkopplung betrieben.The strip 15 'is attached below the resonator 121 and separated from it by an additional insulating layer 14'. The resonator 121 is operated via the strip 15 'by means of field coupling.
Figur 6d zeigt eine weitere Ausführungsform einer Antenne in SSFIP- ("Strip-Slot-Foam-Inverted Patch"-) Ausfuhrung nach J.-F. Zürcher et al . (s.o.), Seite 47.FIG. 6d shows a further embodiment of an antenna in SSFIP ("strip slot foam inverted patch") design according to J.-F. Zürcher et al. (see above), page 47.
Hierbei ist der Streifen 15' von einer mit einem Schlitz ausgestatteten Schicht durch ein Substrat 14 getrennt und die Schicht wiederum vom Resonator 121 durch eine Lage 15'' aus gehärtetem Schaum. Das Patch ist direkt auf dem Schaum mittels einer flexiblen Folie aufgeklebt.Here, the strip 15 'is separated from a layer provided with a slot by a substrate 14 and the layer is in turn separated from the resonator 121 by a layer 15' 'of hardened foam. The patch is glued directly onto the foam using a flexible film.
Figur 1 zeigt in Schragansicht eine Antenne vor ihrer Montage mittels Flip-Chip-Technik.Figure 1 shows an oblique view of an antenna before its assembly using flip-chip technology.
Ein koplanarer Wellenleiter 2 (CPW) besteht aus einem Substrat 21 aus A1203, das mit einem Mittelleiter 22 in Form einer metallischen Zunge beschichtet ist. Davon elektrisch isoliert ist die Masse 23 in Form einer metallischen Schicht auf dem Substrat 21 aufgebracht. Auf der Masse 23 sind als Abstandshalter 3 Stutz-Bumps 31 aufgebracht. Auf dem Wellenlei-
ter ist ein elektrisch leitender HF- (Hochfrequenz-) Bu p 4 befestigt.A coplanar waveguide 2 (CPW) consists of a substrate 21 made of A1 2 0 3 , which is coated with a central conductor 22 in the form of a metallic tongue. From this, electrically isolated, the mass 23 is applied to the substrate 21 in the form of a metallic layer. 3 support bumps 31 are applied to the mass 23 as spacers. On the wave ter is an electrically conductive HF (radio frequency) Bu p 4 attached.
Ebenfalls vorhanden ist ein Abstrahlelement 1, das aus einem Substrat 11, einem darauf angebrachten Resonator 12 und vier Metallisierungen 13 besteht. Die Metallisierungen 13 sind so positioniert, daß sie der Verteilung der Stütz-Bumps 31 entsprechen.There is also a radiation element 1, which consists of a substrate 11, a resonator 12 mounted thereon and four metallizations 13. The metallizations 13 are positioned so that they correspond to the distribution of the support bumps 31.
Zur Montage wird das Abstrahlelement 1 so auf den Wellenleiter 2 geklappt, daß die Metallisierungen 13 auf den Stütz- Bumps 31 aufliegen und dann das Abstrahlelement 1 und der Wellenleiter 2 aufeinander gepreßt werden (angedeutet durch die Pfeile) .For assembly, the radiating element 1 is folded onto the waveguide 2 such that the metallizations 13 rest on the support bumps 31 and then the radiating element 1 and the waveguide 2 are pressed onto one another (indicated by the arrows).
Dies geschieht mittels Thermokompressions-Bondens bei einer Temperatur T zwischen 250 °C und ca. 300 °C. Wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit ist dazu ein Substrat 13,21 aus A1203 gut geeignet.This is done by means of thermocompression bonding at a temperature T between 250 ° C and 300 ° C. Because of its high temperature resistance, a substrate 13, 21 made of A1 2 0 3 is well suited for this.
Durch das Aufpressen entsteht eine feste Verbindung des Abstrahlelementes 1 mit dem Wellenleiter 2. Der Preßvorgang wird so gesteuert, daß der Resonator 12 einen konstanten Abstand db vom Wellenleiter 2 aufweist. Gleichzeitig wird bei Verpressen auch der Mittelleiter 22 mit dem Resonator 12 mittels des HF-Bumps 4 verbunden.Pressing creates a fixed connection between the radiating element 1 and the waveguide 2. The pressing process is controlled so that the resonator 12 is at a constant distance db from the waveguide 2. At the same time, the center conductor 22 is also connected to the resonator 12 by means of the HF bump 4 during pressing.
Figur 2 zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht die Antenne aus Figur 1 nach der Montage.Figure 2 shows a sectional view in front view of the antenna of Figure 1 after assembly.
Das Substrat 21 des Wellenleiters 2 aus A1203 weist eine Dik- ke ds = 635 μm auf. Außer A1203 ist auch eine Verwendung anderer nichtleitender Materialien möglich, z. B. SiC, Si3N4, Teflon oder Duroid, welche zudem den Vorteil aufweisen, die zum Thermokompressions-Bonden notwendigen Temperaturen auszuhalten.
Das Abstrahlelement 1 weist ebenfalls ein Al203-Substrat 13 der Dicke dp = 127 μm auf.The substrate 21 of the waveguide 2 from A1 2 0 3 has a thickness ds = 635 μm. In addition to A1 2 0 3 , the use of other non-conductive materials is also possible, e.g. As SiC, Si 3 N 4 , Teflon or Duroid, which also have the advantage of withstanding the temperatures necessary for thermocompression bonding. The radiation element 1 also has an Al 2 0 3 substrate 13 with a thickness of dp = 127 μm.
Selbstverständlich kann der Resonator 12 auch mittels anderer Flip-Chip-Techniken mit dem Wellenleiter verbunden werden, z. B. Ruckfluß-Bonden ("reflow bonding" ) oder Adhasiv-Bonden.Of course, the resonator 12 can also be connected to the waveguide by means of other flip-chip techniques, e.g. B. reflux bonding ("reflow bonding") or adhesive bonding.
Die Stutz-Bumps 31 liegen auf der Masse 23 des Wellenleiters 2 in Form der metallischen Schicht und auf der Metallisierung 13 des Abstrahlelementes auf, der HF-Bump 4 auf dem Mittelleiter 22 und auf dem Resonator 12. Durch das Flip-Chip-Bon- den eine Hohe db der Bumps 4,31 von 60 μm eingestellt. Mittels des Flip-Chip-Bondens kann diese Hohe db mit einer Genauigkeit < 1 μm eingestellt werden, was bei hohen Frequen- zen, z. B. Millimeterwellen mit f > 20 GHz, von großer Bedeutung ist. Wire-Bond oder Draht-Bonds zeigen demgegenüber eine deutlich höhere Störung der Wellenausbreitung. Beim Thermokompressions-Bonden ist ein Einsatz von Bumps 4,31 aus Gold besonders vorteilhaft.The support bumps 31 rest on the mass 23 of the waveguide 2 in the form of the metallic layer and on the metallization 13 of the radiating element, the HF bump 4 on the central conductor 22 and on the resonator 12. By means of the flip chip receipt set a high db of the bumps 4.31 of 60 μm. Using flip-chip bonding, this high db can be set with an accuracy of <1 μm, which is the case at high frequencies, e.g. B. millimeter waves with f> 20 GHz, is of great importance. In contrast, wire bonds or wire bonds show a significantly higher disturbance in wave propagation. For thermocompression bonding, the use of bumps 4.31 made of gold is particularly advantageous.
Der durch die Bumps 31 hergestellte Spalt zwischen Resonator 12 und Wellenleiter 2 ist m der Regel mit Luft gefüllt. Innerhalb des Spaltes bildet sich ein elektrisches Feld E zwischen dem Resonator 12 und der metallischen Schicht 23 aus. Diese Anordnung ist analog zu einer Mikrostreifen-Leitung, bei der der Resonator 12 dem Streifen 15' entspricht. Das Substrat 14 besteht dann im wesentlichen aus dem Inhalt des Spaltes, z.B. Luft oder Vakuum.The gap between the resonator 12 and the waveguide 2 produced by the bumps 31 is generally filled with air. An electric field E forms between the resonator 12 and the metallic layer 23 within the gap. This arrangement is analogous to a microstrip line in which the resonator 12 corresponds to the strip 15 '. The substrate 14 then essentially consists of the contents of the gap, e.g. Air or vacuum.
In diesem Ausfuhrungsbeispiel grenzt der Resonator 12 direkt an den Spalt. Es ist aber auch möglich, daß zwischen dem Resonator 12 und dem Spalt zusätzlich eine oder mehrere Schichten aufgebracht sind. Dies ist mit der Flip-Chip-Technik problemlos möglich, weil das Abstrahlelement 1 vor dem Bonden gesondert fertiggestellt werden kann. So ist es beispielsweise ohne besonderen Mehraufwand möglich, ein MMIC mit einer Antenne zu kombinieren.
Diese Antenne besitzt somit den Vorteil, daß aufgrund der geringen Dielektrizitätskonstante εr des Spaltinhaltes die Abstrahleffizient sehr hoch, bzw. im Fall der Luft optimal ist.In this exemplary embodiment, the resonator 12 borders directly on the gap. However, it is also possible for one or more layers to be additionally applied between the resonator 12 and the gap. This is easily possible with the flip-chip technology, because the radiation element 1 can be finished separately before the bonding. For example, it is possible to combine an MMIC with an antenna without any particular additional effort. This antenna thus has the advantage that, due to the low dielectric constant ε r of the gap content, the radiation efficiency is very high, or is optimal in the case of air.
Figur 3 zeigt eine Auftragung des Betrags der Anpassung bzw. Eingangsreflexion (mag Sll) in dB gegen die Abstrahlfrequenz f in GHz. Jeder Graph entspricht einer anderen Höhe db der Bumps 4,31 und damit einer anderen Spalthöhe.Figure 3 shows a plot of the amount of adjustment or input reflection (mag Sll) in dB against the radiation frequency f in GHz. Each graph corresponds to a different height db of the bumps 4.31 and thus a different gap height.
Es ist erkennbar, daß sich durch eine Einstellung der Spalthöhe die Mittenfrequenz der Antenne in einem weiten Bereich von ca. 10 GHz problemlos einstellen läßt.
It can be seen that by adjusting the gap height, the center frequency of the antenna can easily be set in a wide range of approximately 10 GHz.
Claims
1. Antenne, aufweisend1. antenna, having
- ein Abstrahlelement (1), das mindestens ein Substrat (11) und mindestens einen auf dem Substrat (11) aufgebrachten planaren Resonator (12) enthalt,a radiation element (1) which contains at least one substrate (11) and at least one planar resonator (12) applied to the substrate (11),
- einen planaren Wellenleiter (2 ) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß- a planar waveguide (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß
- der Resonator (12) vom Wellenleiter (2) durch einen Spalt getrennt ist, der parallel zu einer Ebene des Resonators- The resonator (12) is separated from the waveguide (2) by a gap which is parallel to a plane of the resonator
(12) liegt.(12) lies.
2. Antenne nach Anspruch 1, bei der das Abstrahlelement (1) mittels mehrerer Stutz-Bumps (31) am Wellenleiter (2) fixiert ist.2. Antenna according to claim 1, wherein the radiation element (1) by means of a plurality of support bumps (31) on the waveguide (2) is fixed.
3. Antenne nach Anspruch 2, bei der die Bumps (4,31) zwischen 40 μm und 1000 μm, insbesondere zwischen 40 μm und 100 μm, hoch sind.3. Antenna according to claim 2, in which the bumps (4.31) are between 40 μm and 1000 μm, in particular between 40 μm and 100 μm, high.
4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wellenleiter (2) ein Koplanar-Wellenleiter ist.4. Antenna according to one of the preceding claims, wherein the waveguide (2) is a coplanar waveguide.
5. Antenne nach Anspruch 4, bei der der Resonator (12) dem Wellenleiter (2) zugewandt und mit einem Mittelleiter (22) des Wellenleiters (2) elektrisch verbunden ist.5. Antenna according to claim 4, wherein the resonator (12) faces the waveguide (2) and is electrically connected to a center conductor (22) of the waveguide (2).
6. Antenne nach Anspruch 5, bei der der Resonator (12) mit dem Mittelleiter (22) mittels mindestens eines HF-Bumps (4) elektrisch verbunden ist.6. Antenna according to claim 5, wherein the resonator (12) with the center conductor (22) by means of at least one RF bump (4) is electrically connected.
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Wellenleiter (2) ein Mikrostreifen-Wellenleiter ist 6. Antenna according to one of claims 1 to 3, wherein the waveguide (2) is a microstrip waveguide
7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens das Substrat (11) des Abstrahlelementes (1) oder ein Substrat (21) des Wellenleiters (2) aus A1203 oder Glas besteht.7. Antenna according to one of the preceding claims, in which at least the substrate (11) of the radiating element (1) or a substrate (21) of the waveguide (2) consists of A1 2 0 3 or glass.
8. Verfahren zur Herstellung einer Antenne nach einem der vorhergehenden Anspr che, bei dem das Abstrahlelement (1) mittels einer Flip-Chip-Technik auf dem Wellenleiter (2) befestigt wird.8. A method for producing an antenna according to one of the preceding claims, in which the radiation element (1) is attached to the waveguide (2) by means of a flip-chip technology.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Spalt nach der Anwendung der Flip-Chip-Technik mit einer aushärtenden Flüssigkeit gefüllt wird. 9. The method according to claim 8, wherein the gap is filled with a hardening liquid after the application of the flip-chip technique.
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