CH718917A1 - Antennenmodul und Antennenbaugruppe. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul (10) umfassend einen dreidimensionalen Schaltungsträger (3), der zumindest eine erste Antenne und eine zweite Antenne einer Phased-Array-Antennenanordnung trägt. Die erste Antenne umfasst einen ersten metallisierten Bereich (1) des dreidimensionalen Schaltungsträgers (3). Die zweite Antenne (2) umfasst einen zweiten metallisierten Bereich (2) des dreidimensionalen Schaltungsträgers (3). Die Bereiche (1,2) sind so ausgerichtet, dass ihre Orthogonalen nicht-parallel zueinander sind. Der dreidimensionale Schaltungsträger (3) weist eine Auflagefläche (A) auf zum Aufsetzen des Antennenmoduls (10) auf einen weiteren Schaltungsträger auf. Die Orthogonale der Auflagefläche (A) ist nicht-parallel zu zumindest einer der Orthogonalen von erstem oder zweitem Bereich (1,2). Darüber hinaus sind Kontaktstellen auf oder neben der Auflagefläche (A) des dreidimensionalen Schaltungsträgers (3) vorgesehen zum elektrischen Kontaktieren des Antennenmoduls (10) . Ebenfalls betrifft die Erfindung eine Antennenbaugruppe.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul.

Hintergrund

[0002] Als Träger für Antennenarrays werden bevorzugt starre oder flexible Standard-Leiterplatten verwendet. Für die Integration von Antennen auf solchen Leiterplatten wurden insbesondere Patchantennen entwickelt, welche als flache Patches auf eine Leiterplatte integriert sind. Die Hauptrichtung der Richtcharakteristik einer solchen Patchantenne ist dann orthogonal zur flächigen Ausdehnung der Leiterplatte. Sind mehrere Patchantennen auf einer Leiterplatte vorgesehen, kann etwa durch geeignete Ansteuerung die resultierende Hauptrichtung relativ zur Orthogonalen der Leiterplatte modifiziert werden. Verwertbare Signale lassen sich allerdings nur bis hin zu Winkeln von etwa + / - 25° erzielen.

Darstellung der Erfindung

[0003] Insofern liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche eine winkelmässig breitere Signal- / Wellenabdeckung ermöglicht.

[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Antennenmodul nach den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0005] Das Antennenmodul umfasst dabei einen dreidimensionalen Schaltungsträger, im Folgenden kurz als 3D Schaltungstrager bezeichnet. Der 3D Schaltungsträger trägt zumindest eine erste Antenne und eine zweite Antenne. Dabei umfasst die erste Antenne einen ersten metallisierten Bereich des dreidimensionalen Schaltungsträgers, und die zweite Antenne einen zweiten metallisierten Bereich des dreidimensionalen Schaltungsträgers. Vorzugsweise sind die metallisierten Bereiche direkt auf ein Substrat des 3D Schaltungsträgers aufgebracht, etwa neben Leiterbahnen, Kontaktflächen, oder anderen leitenden Strukturen. Der metallisierte Bereich kann beispielsweise bereits die jeweilige Antenne als Patchantenne repräsentieren. In diesem Falle weist jeder metallisierte Bereich vorzugsweise eine Metallfläche mit einer Kantenlänge von vorzugsweise λ/2 auf und wirkt als Resonator. Die Form kann ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat, oder aber auch eine andere geometrische Form sein. Auch kann der metallisierte Bereich eine Streifenform aufweisen, etwa zum Einspeisen des Signals in eine Resonatorstruktur.

[0006] In einer anderen Ausführungsform weist die Antenne neben dem metallisierten Bereich noch weitere Bestandteile auf, z.B. über dem metallisierten Bereich, wie etwa einen Streifenleiter im Falle einer PIF (Planar Inverted F-Shaped)-Antenne, oder auch einen dielektrischen Resonator im Falle einer DRA (Dielectric Resonator Antenna). In beiden Varianten kann der metallisierte Bereich des Schaltungsträgers eine Massefläche darstellen. In anderen Ausbildungsformen kann der metallisierte Bereich einen Reflektor einer Antenne darstellen.

[0007] Die Bereiche sind auf dem 3D Schaltungsträger so angeordnet, dass die Orthogonale des ersten Bereichs nicht parallel ist zur Orthogonalen des zweiten Bereichs. Vorzugsweise weisen damit auch die beiden Antennen bereits ohne aktive Strahllenkung („Beam Steering“) eine unterschiedliche Hauptrichtung in ihrer Richtcharakteristik auf. Da die Antennen aber Bestandteil einer Phased-Array-Antennenanordnung sind, sind die metallisierten Bereiche des Schaltungsträgers voneinander elektrisch isoliert, und können gegebenenfalls separat voneinander angesteuert werden. Gleichzeitig wird durch den Begriff „Bereich“ verdeutlicht, dass seine Metallisierung eine gewisse Ausdehnung aufweist, vorzugsweise mindestens 9 cm<2>. In einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste Bereich und der zweite Bereich plane Bereiche, d.h. Bereiche ohne Krümmung, die aber in unterschiedlich ausgerichteten Ebenen, insbesondere nicht-parallelen Ebenen angeordnet sind. In einer anderen Weiterbildung sind die Bereiche gekrümmte Bereiche, z.B. auf einer gekrümmten Oberfläche des 3D Schaltungsträgers angeordnet.

[0008] Auch ist der 3D Schaltungsträger so ausgestaltet, dass er auf einen weiteren Schaltungsträger aufgesetzt und mit diesem elektrisch leitend verbunden wird. Der weitere Schaltungsträger wird im Folgenden auch als Leiterplatte bezeichnet, da er vorzugsweise eine herkömmliche Leiterplatte ist, welche als zweidimensional charakterisiert wird im Gegensatz zur dreidimensionalen Leiterplatte, obwohl sie natürlich auch eine geringe Bauteilhöhe aufweist.

[0009] Für diese Anforderung weist das Antennenmodul eine Auflagefläche auf, mit der das Antennenmodul auf der Leiterplatte aufsitzen kann. Dabei ist der 3D Schaltungsträger vorteilhafterweise geometrisch so gestaltet, dass er nach seinem Aufsetzen auf die Leiterplatte stabil positioniert ist, also etwa ohne das Einwirken äusserer Kräfte nicht leicht umfällt. Natürlich kann seine Position mit weiteren Befestigungsmitteln wie Kleber, Lötzinn, etc. fixiert werden. Hierbei kann sich die Auflagefläche aus mehreren voneinander separierten Teilflächen zusammensetzen. Beispielweise kann der 3D Schaltungsträger mit mehreren Stützen auf der Leiterplatte aufsitzen, sodass mit dieser Massnahme eine stabile Position gewährleistet wird. Die Stützen sind dabei integraler Bestandteil des 3D Schaltungsträgers. Da die Auflagefläche des 3D Schaltungsträgers parallel ist zur Ausdehnung der Leiterplatte, auf der das Antennenmodul montiert werden soll, entspricht die Orthogonale der Auflagefläche eben auch der Orthogonalen der Leiterplatte. Da aber andererseits eine variablere Richtcharakteristik erzielt werden soll ist gefordert, dass die Orthogonale zumindest einer der Bereiche nicht-parallel ist zur Orthogonalen der Auflagefläche. Dies bedeutet, dass zumindest eine der Bereiche in einer Ebene angeordnet ist, welche Ebene nicht der Ebene der Leiterplatte entspricht. Bevorzugt ist die Ausrichtung der Orthogonalen der Auflagefläche nicht-parallel zu den Orthogonalen beider, bzw. aller Bereiche der Antennen des Antennenmoduls.

[0010] Im Bereich der Auflagefläche, und bevorzugt auf / in die Auflagefläche integriert sind elektrische Kontaktstellen, z.B. Kontaktpads, in den 3D Schaltungsträger integriert, mit denen das Antennenmodul auch elektrisch mit der Leiterplatte verbunden werden kann, beispielsweise mittels Lötzinns, oder Lötklebers. Auch Kontaktstellen nahe bei der Auflagefläche, beispielsweise an Wänden des 3D Schaltungsträgers seitlich der Auflagefläche, etwa bis zum einem Abstand vom maximal 0.5 cm zur seitlichen Kontaktierung sollen mitumfasst sein.

[0011] Der 3D Schaltungsträger ist dahingehend dreidimensional ausgestaltet, als er gegenüber einem planaren zweidimensionalen Schaltungsträger wie der herkömmlichen Leiterplatte (PCB) eine Erstreckung in die dritte /vertikale Dimension aufweist, welche über die üblicherweise geringe Dicke einer herkömmlichen Leiterplatte hinausgeht, also insbesondere eine Ausdehnung in der dritten Dimension von grösser 1 cm, bevorzugt grösser 5 cm aufweist. Der 3D Schaltungsträger als solcher weist Leiterzüge und leitende Flächen wie den ersten und den zweiten Bereich auf.

[0012] Der dreidimensionale Schaltungsträger ist insbesondere als 3D MID (Molded Interconnect Device) ausgebildet. Hierbei wird der dreidimensionale Korpus des Schaltungsträgers durch Kunststoffspritzguss hergestellt. In einem weiteren Schritt werden zumindest die zu den Antennen zugehörigen Bereiche wie auch Leiterbahnen oder andere leitende Strukturen direkt auf den spritzgegossenen Kunststoffkorpus aufgebracht, beispielsweise mittels LDS (Laser-Direkt-Strukturierung). Die MID-Technologie ist vorteilhaft, da mit ihr nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen erstellt und zur Leiterplatte gestaltet werden können.

[0013] In einer Alternative ist der 3D Schaltungsträger als überspritztes Stanzgitter ausgebildet. Das Stanzgitter, auch Leadframe genannt, wird zunächst entsprechend der gewünschten Leiterbahnzüge z.B. aus einer Kupferplatte gestanzt, allenfalls gebogen, und schliesslich mit Kunststoff umspritzt. Verbindungen, die lediglich der mechanischen Stabilität während der Herstellung dienen, werden während des Herstellungsprozesses oder an dessen Ende getrennt. Das überspritzte Stanzgitter zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass seine Leiterzüge im 3D Schaltungsträger integriert, d.h. vom gespritzten Kunststoff umgeben und damit geschützt sind. Vorzugsweise sind aber auch Leiterzüge an die Oberfläche des 3D Schaltungsträgers geführt, z.B. zu Zwecken der Kontaktierung. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Kontaktfläche oder ein Leiterzug während des Überspritzens am Werkzeug anliegt. In einer Ausführungsform kann das Stanzgitter auch eine oder mehrere grössere Metallflächen aufweisen, z.B. jeweils als Reflektor für eine Antenne, oder auch als Masse. Diese Metallflächen können innenliegend, also vollständig überspritzt sein.

[0014] Anstelle eines Stanzgitters kann auch vorgefertigter elektrisch leitender Einlegerahmen z.B. aus Metall überspritzt werden, ohne dass gleichzeitig komplexe Leiterbahnstrukturen als Stanzgitter überspritzt werden. Die/jede Metallfläche eines solchen Einlegerahmens kann ebenfalls als Resonator für eine Antenne oder als Massefläche dienen, z.B. auch für eine DRA. Folgt das Überspritzen der Herstellungstechnologie für ein Molded Interconnect Device, d.h. werden nach dem Überspritzen auf der Oberfläche des Kunststoffs mit dafür üblichen Verfahrensschritten wie etwa LDS Leiterbahnen auf der Oberfläche des Kunststoffs erzeugt oder darauf aufgetragen, so ist der gesamte 3D Schaltungsträger ein Molded Interconnect Device, in dessen Korpus ein oder mehrere Einlegerahmen eingebracht sind. Der Einlegerahmen kann auch aus Keramik hergestellt sein.

[0015] Metallflächen, die im Inneren des 3D Schaltungsträgers liegen und z.B. als Massefläche dienen, können auf eine weitere Art vollständig in MID-Technologie hergestellt werden. So wird beispielweise ein erster MID-Korpus spritzgegossen mit einer Geometrie und Ausrichtung von Aussenflächen, welche beispielsweise parallel sind zu den späteren Aussenflächen des 3D Schaltungsträgers, nur in kleinerem Massstab. Bereiche dieses ersten MID-Korpus werden mit einem im Rahmen der MID-Fertigung üblichen Verfahren metallisiert. Dieses erste MID-Bauteil wird dann nochmals mit Kunststoff umspritzt, zumindest partiell, bevorzugt auf gleiche Gestalt wie das erste MID-Bauteil, aber in grösserem Massstab. Der daraus resultierende weitere MID-Korpus wird dann abermals an seinen Aussenflächen mit einer im Rahmen der MID-Fertigung üblichen Metallisierungsverfahren behandelt zum Erzeugen der Bereiche und von Leiterbahnen.

[0016] Eine im Inneren des 3D Schaltungsträgers angeordnete Metallfläche als Reflektor ist bevorzugt parallele zur zugehörigen Antennenstruktur orientiert. Vorzugsweise ist jeder Antenne eine solche Metallfläche im Inneren des 3D Schaltungsträgers zugeordnet.

[0017] Alternativ kann der 3D Schaltungsträger aber auch aus Keramik hergestellt sein.

[0018] Der 3D Schaltungsträger ist also zum einen dadurch charakterisiert, dass er einstückig ausgebildet ist, also gerade nicht aus mehreren Bauteilen nachträglich zusammengefügt ist, und dass Leiterbahnen und / oder andere leitende Strukturen direkt auf seiner Oberfläche angebracht oder integriert sind. Vorzugsweise sind deshalb auch die mindestens zwei Bereiche als leitende Strukturen direkt auf den Korpus des dreidimensionalen Schaltungsträgers aufgebracht, im Rahmen der MID-Fertigung, z.B. bevorzugt mittels LDS, wie etwa auch die Kontaktstellen.

[0019] Weist jeder zu einer Antenne zugehörige Bereich eine ebene Form auf, sind infolge der Massgabe, dass die Orthogonalen der Bereiche nicht gleichgerichtet (nicht-parallel) sind, am 3D Schaltungsträger auch ebene Flächen dafür vorzusehen, die nicht-parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere schliessen diese Flächen einen stumpfen Winkel zueinander ein. Alternativ wird aber auch eine gekrümmte metallene Fläche im Rahmen des vorliegenden Textes als ein einer Antenne zugehöriger Bereich verstanden, sodass auch ein kugelförmiger Korpus eines 3D Schaltungsträgers zwei oder mehr Bereiche und damit zwei oder mehr Antennen tragen kann. Dabei kann die Orthogonale im Mittelpunkt eines Bereichs als für die vorliegende Betrachtung relevante Orthogonale betrachtet werden.

[0020] Generell ermöglicht das erfindungsgemässe Antennenmodul eine winkeldefinierte, geometrische Ausrichtung zweier oder mehrerer Antennen zueinander. Hierdurch wird der Arbeitsbereich für die effektive Strahllenkung - auch nutzbarer Bereich genannt - für ein Antennenmodul auf mindestens + /- 45° erweitert. Indem das Antennenmodul nicht als Stand-Alone-Modul konzipiert ist sondern eine mechanische und elektrische Schnittstelle zu einem weiteren Schaltungsträger aufweist, ist eine maximale Konfigurations- und Designfreiheit für Antennenarrays gegeben durch Reduktion auf ein in herkömmlicher Produktionstechnik herstellbares und mittels herkömmlichen Bestückungsprozessen montierbares Wiederholteil. Denn mehrere Antennenmodule lassen sich mit herkömmlichen Bestückungsautomaten der Leiterplattenindustrie auf einem oder mehreren Leiterplatten zusammenstellen und sind in ihren Signaleigenschaften nach Montage elektronisch kalibrierbar, wie auch dynamisch konfigurierbar.

[0021] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind über die erste und die zweite Antenne hinaus eine oder mehrere weitere Antennen vorgesehen und auf dem dreidimensionalen Schaltungsträger angeordnet. Zur Erweiterung der Richtcharakteristik ist es bevorzugt, dass die Orthogonale eines jeden weiteren Bereichs einer weiteren Antenne nicht-parallel ist zu den Orthogonalen der ersten und der zweiten Bereiche, und bevorzugt auch nicht-parallel zur Orthogonalen eines jeden weiteren Bereichs. Bei planen Bereichen sind insofern ebene Trägerflächen am dreidimensionalen Schaltungsträger vorzusehen, und die Geometrie des dreidimensionalen Schaltungsträgers ist so zu gestalten, dass die Trägerflächen zueinander nicht-parallel sind.

[0022] Bevorzugt weist der dreidimensionale Schaltungsträger einen ersten Flügel auf zum Tragen der ersten Antenne und ihres ersten Bereichs und einen zweiten Flügel zum Tragen der zweiten Antenne und ihres zweiten Bereichs. Die Flügel grenzen an einem Ende aneinander an, während das andere Ende jeweils frei ist. Bevorzugt sind der erste Flügel und der zweite Flügel in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet. Während vorliegend die Bestandteile des 3D Schaltungsträgers, welche einen Bereich tragen, Flügel genannt werden, weist der dreidimensionale Schaltungsträger weiterhin ein Stützarm auf, der keine Bereiche für Antennen trägt, sondern zum einen dem Abstützen der Flügelanordnung auf der Leiterplatte bei montiertem Antennenmodul dient. Der Stützarm kann dabei an der Verbindung zwischen erstem und zweitem Flügel angreifen, oder an einer anderen Stelle einer der beiden Flügel. Greift der Stützarm an der Verbindung der beiden Flügel an, so kann der 3D Schaltungsträger die Form etwa eines Windrades mit drei Flügeln aufweisen. Ist der Winkel zwischen dem ersten Flügel und dem zweiten Flügel stumpf und greift der Stützarm zwischen den Flügeln an, so nimmt der dreidimensionale Schaltungsträger im Schnitt die Form eines kleinen griechischen „Ä“ ein. Die Bereiche sind dann auf den Seiten der Flügel angebracht, welche einen Winkel grösser als 180° definieren. Die Orthogonalen dieser Flächen, und damit die Orthogonalen der Bereiche bilden damit einen Winkel kleiner als 90°.

[0023] Vorzugsweise erfolgt die Montage eines solchen Antennenmoduls auf der Leiterplatte mittels des Stützarms und des ersten Flügels, d.h. das Antennenmodul stützt sich mit dem Stützarm und dem ersten Flügel auf dem weiteren Schaltungsträger ab. Hierbei sitzt das Antennenmodul bevorzugt mit der gegebenenfalls abgeschrägten Stirnseite des Stützarms sowie mit der gegebenenfalls abgeschrägten Stirnseite am freien Ende des ersten Flügels auf dem weiteren Schaltungsträger auf. Diese beiden Stirnseiten bilden also die Auflagefläche. Die Stirnseiten müssen demnach in einer gemeinsamen Ebene liegen. Bevorzugt weist demnach zumindest eine der Stirnseiten, bevorzugt die Stirnseite des Stützarms, auch die elektrisch leitenden Kontaktstellen auf, welche in montiertem Zustand entsprechenden Kontaktstellen auf der Leiterplatte gegenüberstehen und z.B. mittels eines Leitklebers oder Lötzinns miteinander verbunden werden.

[0024] In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Antennenmodul auch einen Signalprozessor auf. Dieser Signalprozessor ist auf dem 3D Schaltungsträger angeordnet, beispielweise auf einem Kontaktpad, welches z.B. auch als Masseanschluss dient, und / oder als Wärmesenke zum Abführen von im Signalprozessor erzeugter Wärme. Der Signalprozessor dient bevorzugt dem Ansteuern der ersten und der zweiten und gegebenenfalls aller weiteren Antennen mit RF-Signalen und / oder zum Auswerten von durch die Antennen gelieferten RF-Signale.

[0025] In einer bevorzugten Ausführung werden die Antennen zur Strahllenkung („Beam Steering“) derart angesteuert, dass sich z.B. infolge einer Phasenverschiebung zwischen den Ansteuersignalen eine erwünschte Richtcharakteristik, und sich insbesondere eine erwünschte Hauptrichtung der durch die Antennen erzeugten elektromagnetischen Strahlung einstellt. Ohne Änderung der Ausrichtung der Antennen kann durch geeignete Ansteuerung eine Hauptrichtung der Richtcharakteristik innerhalb eines nutzbaren Bereichs erzeugt werden. Dieser Ansatz kann natürlich auch bei mehr als zwei Antennen verfolgt werden.

[0026] Die Anordnung des Signalprozessors auf dem 3D Schaltungsträger erlaubt ferner, Fertigungstoleranzen bei der Erstellung der Antennen nachträglich signaltechnisch zu kompensieren, und damit das Antennenmodul auch zu kalibrieren. Ist der Hersteller des Antennenmoduls nicht gleich dem Hersteller einer später beschriebenen Antennenbaugruppe, so kann der Hersteller des Antennenmoduls mittels des Signalprozessors einheitlich kalibrierte Antennenmodule vertreiben.

[0027] Da jeweils eine Seite der Flügel, im folgenden auch Rückseite genannt, überwiegend durch die zugeordnete Antenne belegt ist, verbleiben die gegenüberliegenden Seite, auch Unterseite genannt, für die Anordnung des Signalprozessors, wie auch die beiden Seiten des Stützarms. Grundsätzlich kann der Signalprozessor, wie auch allenfalls weitere elektrische oder elektronische Bauteile auf jeder dieser freien Flächen angeordnet werden. Hinsichtlich einer automatischen Bestückung des 3D Schaltungsträgers mag diejenige Seite von Flügel oder Stützarm zu bevorzugen sein, die am besten zugänglich ist etwa für den Bestückungsarm eines Bestückungsautomaten. So mag der Signalprozessor bevorzugt auf einer Seite des Stützarms angeordnet werden. Es mag aber auch der Fokus auf möglichst kurze Signalwege zwischen Antennen und Signalprozessor gelegt werden, sodass der Signalprozessor auf einer der Rückseiten der Flügel angeordnet wird.

[0028] Generell ist es Bestandteil der MID-Technologie, Leiterbahnen auf der Oberfläche des 3D Schaltungsträgers zu führen. Dennoch können vorteilhafterweise aber auch Durchkontaktierungen, sogenannte Vias, etwa in den Flügeln verwendet werden, und die Bereiche auf der Aussenseite der Flügel mit Leiterbahnen auf der Rückseite zu verbinden. Von dort können die Signale der Antennen dann etwa dem dort angebrachten Signalprozessor zugeführt werden, oder es sind auf der Rückseite Leiterbahnen vorgesehen, welche die Signale dem Signalprozessor auf dem Stützarm zuführen. Gleichfalls sind Leiterbahnen vorgesehen zwischen dem Signalprozessor und den Kontaktstellen, um den Signalprozessor an die Leiterplatte anbinden zu können.

[0029] In einer bevorzugten Weiterbildung weist der 3D Schaltungsträger in seiner Geometrie einen Abschnitt auf mit einer Fläche, die parallel ist zur Auflagefläche. Beispielsweise kann der zweite Flügel an seinem freien Ende einen Fortsatz aufweisen, der parallel ausgerichtet ist zur Auflagefläche und damit parallel zur Leiterplatte, nachdem das Antennenmodul auf dieser montiert wurde. Dieser Abschnitt dient dem Aufnehmen des Antennenmoduls etwa durch den Arm einer Bestückungsanlage. Beispielsweise kann der Arm das Antennenmodul an diesem Abschnitt greifen und es in der vorgesehenen Position auf der Leiterplatte wieder absetzen. Dieser Vorgang wird auch „pick & place“ genannt.

[0030] In einer vorteilhaften Weiterbildung kann auf dem 3D Schaltungsträger, und insbesondere über oder auf dem metallisierten Bereich / jedem metallisierten Bereich ein Resonator aus dielektrischem Material angeordnet sein. Ein solcher Resonator kann insbesondere aus Keramik hergestellt sein, oder auch aus Kunststoff, welcher direkt auf den metallisierten 3D Schaltungsträger aufgespritzt wird. Ein solcher Resonator kann insbesondere Quaderform aufweisen. Ein solcher Resonator kann insbesondere dazu dienen, die Richtcharakteristik der zugrunde liegenden Antenne zu ändern, und insbesondere die Signalcharakteristik der Randbereiche im Verhältnis zur Orthogonalen zu homogenisieren. Insofern ist der Einsatz von solchen Resonatoren insbesondere dort von Vorteil, wo etwa eine weit aufgefächerte Richtcharakteristik gewünscht ist, etwa bei dem Einsatz in einer Antennenbaugruppe als Kugelstrahler oder Rundstrahler, wie nachfolgend beschrieben.

[0031] Ferner wird eine Antennenbaugruppe vorgeschlagen mit einem Antennenmodul nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungen, welches mit seiner Auflagefläche auf dem weiteren Schaltungsträger angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden ist. Wie bereits angedeutet, ist der weitere Schaltungsträger bevorzugt ein zweidimensionaler, beidseitig bestückbarer Schaltungsträger, vorzugsweise eine Leiterplatte. Leiterplatten haben üblicherweise rechteckige Form, sodass eine solche Leiterplatte vier Kanten aufweist. Dabei ist das Antennenmodul so an einer der Kanten der Leiterplatte angeordnet, dass die Strahlung weg von der Leiterplatte gerichtet ist. Beispielsweise mag die Orthogonale des ersten Bereichs eher nach vorne gerichtet sein, etwa in einem Winkel kleiner 45° zur Ebene der Leiterplatte (auch Elevation-Winkel genannt“, und die Orthogonale des zweiten Bereichs etwas mehr nach oben, etwa in einem Winkel zwischen 45° und 90° zur Ebene der Leiterplatte.

[0032] In einer besonderen Weiterentwicklung der Antennenbaugruppe ist auch die Unterseite der Leiterplatte mit einem weiteren Antennenmodul bestückt. Dabei ist das weitere Antennenmodul an derselben Kante der Leiterplatte angeordnet wie das Antennenmodul auf der Oberseite. Im Schnitt sind Antennenmodul und weiteres Antennenmodul achsengespiegelt bezüglich der Leiterplatte angeordnet.

[0033] Eine solche Anordnung der Antennenmodule erlaubt einen nutzbaren Bereich für die Hauptrichtung der Richtcharakteristik von etwa 180°, d.h. Elevationwinkel zwischen -90° und +90° zur Ausrichtung der Leiterplatte.

[0034] In einer weiteren Fortbildung der Antennenbaugruppe kann diese zum Kugelstrahler aufgerüstet werden. Wird durch die obige Antennenbaugruppe mit dem weiteren Antennenmodul auf der Rückseite der Leiterplatte eine nach vorne gerichtete Strahlung im Elevationwinkel zwischen + 90° und - 90° erzielt, so können weitere Anordnungen von solchen Antennenmodul-Kombinationen auch an den anderen Kanten der Leiterplatte angeordnet werden, um auch seitlich und rückseitig abzustrahlen. Um in einem Winkel von 360° rund um die Leiterplatte abzustrahlen (auch Azimuthwinkel genannt), ist es vorteilhaft, vier oder mehr Kanten an der Leiterplatte vorzusehen und mit jeweils einem Antennenmodul auf der Ober- und Unterseite bestücken. Insofern wird hierfür vorgeschlagen, dass die Leiterplatte n Kanten aufweist mit n vorzugsweise grösser oder gleich vier. Eine Leiterplatte mit acht Kanten wird empfohlen, oder mit zehn Kanten, oder mit zwölf Kanten. Die Gesamtheit der Kanten definiert den Umfang der Leiterplatte. Dann sind insgesamt n Antennenmodule auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet, und zwar ein Antennenmodul an jeder Kante. Ferner sind n weitere Antennenmodulen auf der Rückseite der Leiterplatte angeordnet, ebenfalls je ein weiteres Antennenmodul an jeder Kante. Jedes einer Kante zugeordnete Antennenmodul und das derselben Kante zugeordnete weitere Antennenmodul sind im Schnitt achsengespiegelt an dem weiteren Schaltungsträger angeordnet.

[0035] Das Antennenmodul ist also so ausgestaltet, dass damit durch den Nutzer konfigurierbare 3D Antennenarrays mit Beam Forming / Beam Steering - Möglichkeiten für bis zu 360° in Azimuth und Elevation gebildet werden können. Das 3D Antennenarray wird hierbei durch eine Vielzahl einzelner Antennenmodule, insbesondere von in MID-Technologie hergestellten Antennenmodulen hergestellt, und beispielsweise in herkömmlicher SMD Bestückungstechnologie z.B. auf einem Standard PCB aufgebracht.

[0036] In einer vorteilhaften Weiterbildung sowohl des Antennenmoduls, aber auch der Antennenbaugruppe, sind die beiden bzw. alle Bereiche gekrümmt in Azimuthrichtung. Der Einsatz solcher Antennenmodule kann auch bei einer geringen Anzahl von Kanten der Leiterplatte die kritischen Abschnitte an den Ecken der Leiterplatten besser abdecken, als ein nicht gekrümmter Bereich.

[0037] Die vorgestellte Antennenbaugruppe kann beispielweise im Rahmen der Mobilfunk- und / oder Datenübertragung eingesetzt werden. Die Antennenbaugruppe benötigt keinerlei Repositionierung, um bestimmte Richtcharakteristiken zu erreichen. Jegliche Richtcharakteristik kann durch entsprechende Ansteuerung der Antennenmodule mittels Beam Steering erzeugt werden, ohne die Lage der Antennenbaugruppe ändern zu müssen.

[0038] Bevorzugt weist eine Antennenbaugruppe, insbesondere eine Antennenbaugruppe mit 360°-Abdeckung in Azimuth- und Elevation-Richtung ein oder mehrere Rotoren auf, die die Antennenbaugruppe zur Drohne werden lassen. Eine solche Drohne kann etwa in Gebiete navigiert werden, die keinen Mobilfunkempfang aufweisen, und dort temporäre Konnektivität zu einem Mobilfunknetz sicherstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0039] Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen: Figuren 1 und 2 ein Antennenmodul gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, in zwei unterschiedlichen perspektivischen Ansichten; Figuren 3 bis 5 Antennenbaugruppen nach unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung; Figur 6 eine Abstrahlcharakteristik der Antennenbaugruppe aus Figur 5; und Figur 7 eine Anwendung der Antennenbaugruppe nach Figur 5.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

[0040] Figur 1 zeigt ein Antennenmodul 10 in perspektivischer Ansicht gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Antennenmodul 10 umfasst einen 3D MID Schaltungsträger 3 in der dargestellten Form, mit zwei Flügeln 31 und 32, sowie einem Stützarm 33 für die Flügelanordnung. Auf der Aussenseite des Flügels 31 ist ein erster Bereich 1 metallisiert, der zu einer ersten Antenne, bevorzugt einer Patchantenne gehört. Auf der Aussenseite des Flügels 32 ist ein zweiter Bereich 2 metallisiert, der zu einer zweiten Antenne, bevorzugt einer Patchantenne gehört. Der Stützarm 33 des 3D Schaltungsträgers 3 trägt einen in dieser Ansicht gerade noch erkennbaren Signalprozessor 4. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind keine Leiterbahnen auf dem 3D Schaltungsträger 3 eingezeichnet, obwohl vorhanden. Die Stirnseiten des ersten Flügels 31 und des Stützarms 33 sind leicht angeschrägt, liegen in einer gemeinsamen Ebene und dienen gemeinsam als Auflagefläche A für die spätere Anordnung des Antennenmoduls 10 auf einem weiteren Schaltungsträger.

[0041] Figur 2 zeigt das Antennenmodul 10 aus Figur 1 in einer anderen perspektivischer Ansicht, nämlich mit freier Sicht auf den Signalprozessor 4 hin, angeordnet auf dem Stützarm 33. Neben dem Signalprozessor 4 sind noch weitere Bauteile 5 auf dem Stützarm 33 angeordnet.

[0042] Figur 3 zeigt eine Antennenbaugruppe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, in leicht perspektivischer Ansicht. Dabei ist beispielhaft das Antennenmodul 10 aus Figur 1 mit seiner Auflagefläche A auf einem weiteren Schaltungsträger 20, nämlich einer herkömmlichen, planaren Leiterplatte, angeordnet, und zwar an einer Kante K dieser Leiterplatte 20. Die eingezeichnete Orthogonale OA der Auflagefläche A entspricht der Orthogonalen der Leiterplatte 20 und ist illustrierend eingezeichnet, genauso wie die Orthogonalen O1 und O2 der ersten bzw. zweiten Bereiche 1,2. Hieraus ist ersichtlich, dass die Orthogonalen O1, O2 und OA zueinander nicht parallel sind. Infolge einer geeigneten Ansteuerung lässt sich mit der Antennenbaugruppe nach Figur 3 ein nutzbarer Bereich NB zwischen 0° und + 90° Elevationwinkel zur Leiterplatte 20 abdecken für die Hauptrichtung HR der Richt- / Strahlungscharakteristik. Hierbei kann infolge geeigneter Ansteuerung der Bereiche 1 und 2, etwa durch phasenverschobene RF-Signale, eine Hauptrichtung HR der resultierenden Richtcharakteristik RC im nutzbaren Bereich NB erzielt werden. Vorliegend ist eine Hauptrichtung HR von 0° eingestellt.

[0043] In einer nicht in Figur 3 gezeigten Weiterbildung kann der zweite Flügel 32 an seinem freien Ende einen Fortsatz / Abschnitt aufweisen, der sich parallel zur Leiterplatte 20 erstreckt. Dieser Fortsatz dient dem Ansetzen einer Bestückungsanlage, eben dem vorbeschriebenen „pick & place“.

[0044] Figur 4 zeigt eine Antennenbaugruppe nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist, ausgehend von der Antennenbaugruppe aus Figur 3, ein weiteres Antennenmodul 30 auf der Unterseite US der Leiterplatte 20, gegenüber der Oberseite OS an derselben Kante K der Leiterplatte 20 angebracht. Die Antennenmodule 10 und 30 sind achsengespiegelt an der Leiterplatte 20 angeordnet. Infolge der Anordnung von zwei Antennenmodulen 10 und 30 vergrössert sich der nutzbare Bereich NB auf -90° bis +90° Elevationwinkel. Die Antennenbaugruppe nach Figur 4 ist also ein 180°-Strahler. O3 und O4 geben die Orthogonalen der Bereiche des weiteren Antennenmoduls 30 an. Vorliegend ist für das Antennenmodul 10 auf der Oberseite der Leiterplatte 20 ein Beam Steering eingestellt, das zu einer Richtcharakteristik RC mit der Hauptrichtung HR bei etwa 45° führt.

[0045] Figur 5 zeigt eine Antennenbaugruppen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Dabei ist die Leiterplatte 20 zehneckig ausgebildet, also n = 10, und weist demnach zehn Kanten K auf, welche zusammen den Umfang der Leiterplatte 20 definieren. Nun ist an jeder Kante K auf der Oberseite OS der Leiterplatte 20 ein Antennenmodul 10 angeordnet, also in Summe zehn Antennenmodule 10, wie auch an jeder Kante K auf der Unterseite US der Leiterplatte 20 je ein weiteres Antennenmodul 30, also insgesamt zehn weitere Antennenmodule 30. Damit wird ein Kugel- oder Rundumstrahler erschaffen, der nicht nur in Azimuth az = 360° Strahlungscharakteristik aufweist, sondern auch in Elevation. Figur 6 zeigt den zugehörigen nutzbaren Bereich NB.

[0046] Insbesondere wenn wenige Antennenmodule zur Abdeckung der Azimuthrichtung verwendet werden, ist es vorteilhaft, die Antennenmodule zumindest mit gekrümmten Randbereichen oder vollständig gekrümmten Bereichen in oder etwa in Azimuthrichtung vorzusehen, wie für ein Antennenmodul in Figur 5 durch Pfeile angedeutet.

[0047] Figur 7 zeigt eine Fortentwicklung der Antennenbaugruppe nach Figur 5 dahingehend, dass die Antennenbaugruppe nach Figur 5 noch vergossen / spritzgegossen ist und deshalb zumindest eine partielle Einkapselung 6 aufweist. In der Einkapselung 6 sind vier Öffnungen für Rotoren 7 vorgesehen, sodass die vorliegende Antennenbaugruppe als Drohnensender / -empfänger aufgefasst werden kann.

Claims (10)

1. Antennenmodul (10), umfassend einen dreidimensionalen Schaltungsträger (3), der zumindest eine erste und eine zweite Antenne einer Phased-Array-Antennenanordnung trägt, bei dem die erste Antenne einen ersten metallisierten Bereich (1) des dreidimensionalen Schaltungsträgers (3) umfasst, und bei dem die zweite Antenne einen zweiten metallisierten Bereich (2) des dreidimensionalen Schaltungsträgers (3) umfasst, welche Bereiche (1,2) so ausgerichtet sind, dass ihre Orthogonalen (01,02) nicht-parallel zueinander sind, bei dem der dreidimensionale Schaltungsträger (3) eine Auflagefläche (A) aufweist zum Aufsetzen des Antennenmoduls (10) auf einen weiteren Schaltungsträger (20) sowie Kontaktstellen auf oder neben der Auflagefläche (A) zum elektrischen Kontaktieren des Antennenmoduls (10), und bei dem die Orthogonale (OA) der Auflagefläche (A) nicht-parallel ist zu zumindest einer der Orthogonalen (01,02) von erstem oder zweitem Bereich (1,2).

2. Antennenmodul nach Anspruch 1, mit einer oder mehreren weiteren Antennen der Phased-Array-Antennenanordnung, jeweils umfassend einen weiteren metallisierten Bereich des dreidimensionalen Schaltungsträgers (3), bei dem die Orthogonale eines jeden weiteren Bereichs nicht-parallel ist zu den Orthogonalen (O1,O2) des ersten und des zweiten Bereichs (1,2).

3. Antennenmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der erste Bereich (1) die erste Antenne repräsentiert und der zweite Bereich (2) die zweite Antenne, oder bei dem der erste Bereich (1) einen Reflektor der ersten Antenne repräsentiert und der zweite Bereich einen Reflektor der zweiten Antenne.

4. Antennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Bereich (1) und der zweite Bereich (2) plane Bereiche (1,2) sind, oder bei dem der erste Bereich (1) und der zweite Bereich (2) gekrümmte Bereiche (1,2) sind.

5. Antennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Signalprozessor (4) angeordnet auf dem dreidimensionalem Schaltungsträger (3) zum Ansteuern der Antennen (1,2) mit RF-Signalen und / oder zum Verarbeiten von durch die Antennen (1,2) gelieferten RF-Signalen, insbesondere bei dem der Signalprozessor (4) ausgebildet ist zum Steuern einer Phase der RF-Signale für die Antennen (1,2) zum Einstellen einer Abstrahlcharakteristik (AC) der von den Antennen (1,2) erzeugten elektromagnetischen Strahlung, und insbesondere zum Einstellen einer Hauptausrichtung (HR) der von den Antennen (1,2) erzeugten elektromagnetischen Strahlung.

6. Antennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der dreidimensionale Schaltungsträger (3) Leiterbahnen enthält und ausgebildet ist als eines von: • metallisiertes Substrat; • Molded Interconnect Device; • überspritztes Stanzgitter; • überspritzter Einlegerahmen aus Metall oder Keramik; • überspritztes Molded Interconnect Device.

7. Antennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der dreidimensionale Schaltungsträger (3) einen ersten Flügel (31) zum Tragen der ersten Antenne (1) und einen zweiten Flügel (32) zum Tragen der zweiten Antenne (2) aufweist, wobei der erste Flügel (31) und der zweite Flügel (32) in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind, bei dem der dreidimensionale Schaltungsträger (3) einen Stützarm (33) aufweist zum Abstützen der Flügelanordnung aus zumindest erstem und zweitem Flügel (31, 32) bei Anordnung des Antennenmoduls (10) auf dem weiteren Schaltungsträger (20), und bei dem die Auflagefläche (A) gebildet wird zumindest durch eine Stirnseite des Stützarms (33) und durch eine Stirnseite des ersten Flügels (31).

8. Antennenbaugruppe, enthaltend das Antennenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, den weiteren Schaltungsträger (20), bei dem das Antennenmodul (10) auf dem weiteren Schaltungsträger (20) mit seiner Auflagefläche (A) aufsitzt, und bei dem das Antennenmodul (10) über seine Kontaktstellen mit Kontaktstellen des weiteren Schaltungsträgers (20) elektrisch verbunden ist.

9. Antennenbaugruppe nach Anspruch 8, enthaltend ein weiteres Antennenmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem der weitere Schaltungsträger (20) ein zweidimensionaler, beidseitig bestückbarer Schaltungsträger ist, bei dem das Antennenmodul (10) auf einer Oberseite (OS) des weiteren Schaltungsträgers (20) an einer seiner Kanten (K) angeordnet ist, und bei dem das weitere Antennenmodul (30) auf einer Unterseite (US) des weiteren Schaltungsträgers (20) an derselben Kante (K) und im Schnitt am weiteren Schaltungsträger (20) achsengespiegelt angeordnet ist.

10. Antennenbaugruppe nach Anspruch 9, bei dem der weitere Schaltungsträger (20) n Kanten aufweist mit n ≥ 4, welche n Kanten den Umfang des weiteren Schaltungsträgers (20) definieren, mit insgesamt n Antennenmodulen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem jedes der n Antennenmodule (10) auf der Oberseite (OS) des weiteren Schaltungsträgers (20) an einer der n Kanten (K) angeordnet ist, mit insgesamt n weiteren Antennenmodulen (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem jedes der n weiteren Antennenmodule (30) auf der Unterseite (US) des weiteren Schaltungsträgers (20) an einer der n Kanten (K) angeordnet ist, bei dem jedes einer Kante zugeordnete Antennenmodul (10) und das derselben Kante zugeordnete weitere Antennenmodul (30) im Schnitt am weiteren Schaltungsträger (20) achsengespiegelt angeordnet sind.