DE10035623A1 - Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen und Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen (2) einer bestimmten Frequenz, aufweisend mindestens eine Antenne (3) mit einem bestimmten Antennengewinn der elektromagnetischen Wellen und mindestens einen in einem bestimmten Abstand zur Antenne angeordneten Reflektor (5) zur Erhöhung des Antennengewinns. Zur Erniedrigung der Abmessung der Vorrichtung sind Antenne und Reflektor durch eine Keramik (7) miteinander verbunden. Die Vorrichtung wird in einem keramischen Mehrschichtkörper (8) mit Hilfe der LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic)-Technologie integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Frequenz, aufweisend mindestens eine Antenne mit einem bestimmten Antennengewinn der elektromagnetischen Wellen und mindestens einen in einem bestimmten Abstand zur Antenne angeordneten Reflektor zur Erhöhung des Antennengewinns. Neben der Vorrichtung wird ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung angegeben.

Eine Antenne dient einem Energietransport mittels elektromagnetischer Wellen beziehungsweise elektromagnetischer Strahlung in einen und/oder aus einem freien Raum. Der Energietransport ist dabei zumeist nicht nur auf eine einzige Frequenz beziehungsweise Wellenlänge beschränkt. Der Energietransport erfolgt mit einer bestimmten Frequenzbandbreite. Die Antenne ist also in der Lage, elektromagnetische Wellen eines Frequenzbereichs abzustrahlen und/oder zu empfangen.

Eine Leistungsdichte der Antenne für den Energietransport ist frequenzabhängig. Zudem ist die Leistungsdichte ortsabhängig. Mit zunehmender Entfernung von der Antenne nimmt die Leistungsdichte der Antenne ab. Darüber hinaus ist die Leistungsdichte vielfach richtungsabhängig. In einer bestimmten Entfernung zur Antenne ist die Leistungsdichte in einer Hauptstrahlrichtung der Antenne höher als in einer von der Hauptstrahlrichtung verschiedenen Strahlrichtung der Antenne.

Die Antenne zeichnet sich durch den Antennengewinn aus. Der Antennengewinn ist definiert als das Verhältnis der in einer bestimmten Entfernung zur Antenne in Hauptstrahlrichtung gemessenen Leistungsdichte zu einer Leistungsdichte, die bei einer in allen Richtungen gleichmäßig abstrahlenden Vergleichsantenne (Kugelstrahler) vorliegen würde.

Der Reflektor reflektiert beziehungsweise bündelt (beispielsweise von der Antenne ausgesandte) elektromagnetische Wellen in Hauptstrahlrichtung der Antenne. Dadurch wird der Antennengewinn der Antenne erhöht. Beispielsweise ist der Reflektor eine flache Metallplatte. Ein derartiger Reflektor wird als Grundplatte oder als Erdebene (ground plane) bezeichnet. Der Abstand zwischen Antenne und Reflektor beträgt ungefähr ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen.

Ein Problem des Reflektors besteht darin, dass eine elektromagnetische Welle nicht nur reflektiert werden kann. Die elektromagnetische Welle kann sich auch auf einer Oberfläche des Reflektors in Form einer Oberflächenwelle fortpflanzen. Es kann in der Folge zu einer tangentialen Transmission der Frequenz kommen. An einer Ecke oder Kante des Reflektors wird die Oberflächenwelle in den Raum abgestrahlt. Es entsteht eine elektromagnetische Störwelle mit einer Störfrequenz. Die tangentiale Transmission einer flachen Metallplatte kann bei einer Frequenz von 12 GHz beispielsweise -35 dB betragen.

Aus der Veröffentlichung IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, Nov. 1999, Seiten 2059 bis 2074, geht eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen hervor, bei der dieses Problem mit Hilfe eines Reflektors mit sogenannter Band- Lücke-Struktur (band gap structure) umgangen wird. Innerhalb einer bestimmten Frequenzbandlücke (band gap) bildet sich auf einer Oberfläche des Reflektors nahezu keine Oberflächenwelle aus. In der Folge tritt auch keine Störfrequenz auf. Die Oberfläche des Reflektors wird als Hoch-Impedanz-Oberfläche (high impedance surface) bezeichnet. Die elektromagnetische Impedanz der Oberfläche des Reflektors ist sehr hoch. Ein Charakteristikum einer solchen Oberfläche ist eine metallische, periodische Strukturierung.

Ein Verfahren, mit dessen Hilfe eine Antenne in einen keramischen Mehrschichtkörper integriert werden kann, geht beispielsweise aus D. L. Wilcox et al., Proceedings 1997 ISHM, Philadelphia, Seiten 17 bis 23, hervor. Unter Verwendung der LTCC(low temperature cofired ceramic)-Technologie wird eine Keramikmasse mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante und elektrisch hochleitfähiges Material wie Silber oder Kupfer einem gemeinsamen Sinterprozess unterworfen. Als Keramikmasse wird dabei Glaskeramik eingesetzt. Glaskeramik besteht aus einem Keramikmaterial und einem Glasmaterial. Nach dem Sinterprozess ist die Antenne aus Kupfer oder Silber in der aus der Keramikmasse gebildeten Keramik des Mehrschichtkörpers eingebettet. Eine Abmessung der Antenne hängt von der (effektiven) Dielektrizitätskonstante der Keramik ab. Je niedriger die Dielektrizitätskonstante der Keramik ist, desto größer ist die Abmessung der Antenne und damit auch die Abmessung des gesamten Mehrschichtkörpers. Um die Abmessung des Mehrschichtkörpers möglichst niedrig zu halten, ist die Antenne im Mehrschichtkörper beispielsweise als horizontale oder vertikale Helix ausgebildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte und leistungsfähige Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen bereit zu stellen.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Frequenz angegeben. Die Vorrichtung weist mindestens eine Antenne mit einem bestimmten Antennengewinn der elektromagnetischen Wellen und mindestens einen in einem bestimmten Abstand zur Antenne angeordneten Reflektor zur Erhöhung des Antennengewinns auf. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem durch den Abstand definierten Zwischenraum zwischen der Antenne und dem Reflektor mindestens eine die Antenne und den Reflektor berührende Keramik angeordnet ist.

Antenne, Reflektor und Keramik bilden zusammen eine kompakte Vorrichtung. Die Vorrichtung kann dabei bedarfsgerecht gestaltet sein. Je nach Anforderung, die an die Vorrichtung gestellt wird, kann jede der Komponenten unabhängig voneinander ausgestaltet sein. Eine derartige Anforderung ist beispielsweise eine möglichst kleine Abmessung der Vorrichtung und/oder ein möglichst hoher Antennengewinn der Antenne.

Die Antenne ist in jeder Beziehung beliebig. Die Antenne kann eine Monopol- oder Dipolantenne sein. Bezüglich einer Form der Antenne ist insbesondere eine planare Antenne denkbar, die als Streifenleitungsantenne (Microstrip- oder Patch- Antenne) bezeichnet wird. Möglich ist auch eine Antenne in Form einer Stabantenne. Die Abmessung der Antenne beträgt beispielsweise eine Hälfte (λ/2) oder ein Viertel (λ/4) der Wellenlänge (λ) der elektromagnetischen Wellen. Die Antenne kann zur Erhöhung der Frequenzbandbreite gefaltet sein und/oder über mindestens ein parasitäres Element verfügen. Denkbar ist auch, dass die Antenne in Form eines Antennenstapels ausgebildet ist. Die Antenne besteht aus übereinander angeordneten Einzelantennen beziehungsweise Antennenebenen.

Der Reflektor ist ebenfalls beliebig gestaltet. Die Antenne und der Reflektor sind in einem bestimmten Abstand zu einander angeordnet. Durch den Abstand ist ein Zwischenraum zwischen Antenne und Reflektor festgelegt. Dieser Zwischenraum kann vollständig oder nur teilweise mit der Keramik ausgefüllt sein.

Bezüglich der Keramik spielt deren Dielektrizitätskonstante eine wichtige Rolle. Je höher die Dielektrizitätskonstante der Keramik ist, desto kleiner ist bei einer bestimmten Frequenz ein Ausmaß der mit der Keramik verbundenen Antenne. Je höher die Dielektrizitätskonstante ist, desto kompakter ist die resultierende Vorrichtung. Je höher aber die Dielektrizitätskonstante der Keramik ist, desto kleiner ist der Antennengewinn der Antenne. Um diesen Nachteil einer hohen Dielektrizitätskonstante auszugleichen, ist der Reflektor vorhanden. Der Reflektor ist in der Lage, einen durch die Keramik hervorgerufenen Verlust des Antennengewinns zu kompensieren. Durch eine Kombination Reflektor, Keramik und Antenne ist also eine kompakte Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen bei gleichzeitig relativ hohem Antennengewinn möglich.

Die Vorrichtung besteht beispielsweise aus einer Patch- Antenne, einer Grundplatte und einer Keramik in Form einer Keramikplatte, die sich durch zwei zueinander nahezu planparallelen Hauptflächen auszeichnet. An einer der Hauptflächen ist die Antenne und an der zweiten Hauptfläche der Reflektor angeordnet. Eine Plattendicke der Keramikplatte bildet den Abstand zwischen der Antenne und dem Reflektor. Für den Abstand zwischen Antenne und Reflektor ist eine Reflexionseigenschaft des Reflektors maßgeblich. Um zu verhindern, dass durch negative Interferenz der von der Antenne ausgesandten elektromagnetischen Wellen und der vom Reflektor reflektierten elektromagnetischen Wellen der Antennengewinn der Antenne reduziert wird, beträgt der Abstand zwischen Antenne und Reflektor etwa ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen.

Die elektromagnetischen Wellen, die mit Hilfe der Vorrichtung ausgesandt beziehungsweise empfangen werden können, sind vor allem Radiowellen (Wellenlängenbereich von 1 mm bis 20 m beziehungsweise Frequenzbereich von 300 GHz bis 15 MHz). Insbesondere ist die Frequenz der elektromagnetischen Wellen aus einem Bereich von einschließlich 900 MHz bis einschließlich 12 GHz gewählt.

Der Reflektor kann beliebig gestaltet sein. In einer besonderen Ausgestaltung zeichnet sich der Reflektor durch eine Band-Lücke-Struktur aus. Der Reflektor weist eine Band- Lücke-Struktur mit einer Frequenzbandlücke auf, die die Frequenz der elektromagnetischen Wellen aufweist. Die an dem Reflektor auftretende tangentiale Transmission der Frequenz der elektromagnetischen Wellen ist innerhalb der Frequenzbandlücke niedriger als außerhalb der Frequenzbandlücke. Beispielsweise weist der Reflektor für Frequenzen der Frequenzbandlücke eine tangentiale Transmission der Frequenz auf, die aus dem Bereich von einschließlich -80 dB bis einschließlich -40 dB gewählt ist. Für Frequenz außerhalb der Frequenzbandlücke liegt ist die tangentiale Transmission dagegen beispielsweise bei -30 dB.

Ein Reflektor mit Band-Lücke-Struktur zeichnet sich durch eine periodisch strukturierte Oberfläche aus Metall aus. Der Reflektor ist insbesondere zweidimensional strukturiert. Dabei liegt eine Strukturierung quasi in einer Ebene vor. Denkbar ist aber auch, dass die Strukturierung eine dritte Dimension einschließt. Die strukturierte Oberfläche erstreckt sich über mehrere Ebenen. Denkbar ist beispielsweise, dass bei einer Keramikplatte auf einer der Hauptflächen die Antenne und auf beiden Hauptflächen der Reflektor angeordnet ist. Der Reflektor besteht aus mindestens zwei Teilen, wobei die Teile des Reflektors auf jeweils unterschiedlichen Hauptflächen angeordnet sind. Die Teile des Reflektors bilden dadurch eine Einheit, dass beispielsweise in Dickenrichtung der Keramikplatte in der Keramikplatte eine elektrische Durchkontaktierung (via) vorhanden ist. Die Durchkontaktierung sorgt für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Teilen des Reflektors der beiden Hauptflächen.

Insbesondere ist es mit Hilfe der Vorrichtung möglich, dass der Abstand zwischen Antenne und Reflektor kleiner ist als ein Viertel einer Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen. Dies gelingt mit Hilfe des Reflektors mit "Band-Gap-Stuktur". Der Abstand kann dabei sogar wesentlich kleiner sein als λ/4. Beispielsweise beträgt der Abstand lediglich λ/10 oder noch weniger.

Bezüglich der Dielektrizitätskonstante der Keramik gibt es keine Einschränkung. Die Keramik kann entsprechend den Anforderungen an die Vorrichtung (beispielsweise hinsichtlich Abmessung und Leistungsdichte der Antenne) ausgewählt sein. In einer besonderen Ausgestaltung weist die Keramik eine relative Dielektrizitätskonstante auf, die aus einem Bereich von einschließlich 6 bis einschließlich 40 ausgewählt ist. Wie oben erwähnt, erniedrigt sich die Abmessung der Antenne durch eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante der Keramik. Der damit einhergehende Verlust des Antennengewinns wird primär durch den Reflektor ausgeglichen. Zur Abstimmung von der Abmessung und der Leistungsdichte der Antenne ist es auch denkbar, dass die Keramik aus unterschiedlichen keramischen Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten gebildet ist. Es resultiert eine Keramik mit einer effektiven, also wirksamen Dielektrizitätskonstante.

Zur weiteren Erhöhung des Antennengewinns der Antenne ist insbesondere zwischen der Antenne und dem Reflektor mindestens ein nieder-dielektrisches Material angeordnet, das eine relative Dielektrizitätskonstante aufweist, die aus einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 2 ausgewählt ist. Ein Einbau des nieder-dielektrischen Materials, der zu einer Erniedrigung der effektiven Dielektrizitätskonstante der Keramik führt, kann dabei strukturiert oder durch eine statistische Verteilung des nieder-dielektrischen Materials erfolgen. Das nieder- dielektrische Material ist dabei in der Keramik homogen verteilt.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das nieder- dielektrische Material ein Gas, das sich in mindestens einem zwischen der Antenne und dem Reflektor angeordneten Hohlraum befindet. Der Hohlraum ist dabei vorzugsweise von der Keramik umschlossen. Beispielsweise liegt eine poröse Keramik vor und der Hohlraum ist eine Pore der Keramik. Die Pore ist beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Denkbar ist auch, dass die Hohlräume in einem Herstellungsprozess der Vorrichtung gezielt integriert werden. Beispielsweise wird ein organisches Material in einen keramischen Grünkörper eingebracht. Das organische Material kann im Grünkörper homogen verteilt werden. Es kann aber auch selbst eine organische Struktur (Matrix) bilden, die in eine Keramikmasse eingebettet wird. Die Organische Struktur und die Keramikmasse bilden zusammen den keramischen Grünkörper. Aus dem keramischen Grünkörper wird durch Sintern die Keramik gebildet. Das organische Material verbrennt beim Sintern, wobei nach dem Sintern die Hohlräume verbleiben. Durch die Hohlräume wird die effektive Dielektrizitätskonstante im Zwischenraum zwischen Antenne und Reflektor erniedrigt. Dadurch wird die Reflexionseigenschaft des Reflektors verbessert. Mit Hilfe einer durch die Hohlräume erzeugten Hohlraumstruktur ist es somit möglich, den Antennengewinn auch bei hohen Frequenzen (beispielsweise über 5 GHz) zu erhöhen.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Keramik eine Glaskeramik auf. Dabei kann das Glasmaterial der Glaskeramik als nieder-dielektrisches Material fungieren. Durch Erhöhung des Anteils des Glasmaterials an der Keramik wird automatisch die effektive Dielektrizitätskonstante der Keramik reduziert. Der besondere Vorteil der Glaskeramik besteht aber darin, dass im Zusammenhang mit der LTCC-Technologie eine große Strukturvielfalt mit einem elektrisch hochleitfähigen Material möglich ist. Die Strukturvielfalt betrifft die Antenne und den Reflektor. Es kann sehr leicht ein Reflektor mit Band-Lücke-Struktur realisiert sein. Insbesondere weisen die Antenne und/oder der Reflektor ein Material auf, das aus der Gruppe Gold und/oder Kupfer und/oder Silber ausgewählt ist.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Keramik mindestens eine Keramikschicht eines keramischen Mehrschichtkörpers auf. Die Keramik kann von einer oder von mehreren, übereinander angeordneten Keramikschichten gebildet sein. Die Antenne und der Reflektor sind in dem keramischen Mehrschichtkörper integriert. Der keramische Mehrschichtkörper bildet die Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen. Insbesondere können in dem Mehrschichtkörper mehrere Antennen und zugehörige Reflektoren integriert sein. Dadurch können in dem Mehrschichtkörper mehrere Frequenzen und/oder Frequenzbänder abgedeckt werden. Denkbar ist auch, dass in dem Mehrschichtkörper neben der Antenne eine Messantenne untergebracht ist zur Messung der Leistungsdichte der Antenne.

Neben Antenne und Reflektor sind vorteilhaft weitere elektronische Bauteile integriert. Ein derartiges Bauteil ist beispielsweise eine Antennenschaltung mit Sende- /Empfangsweiche und/oder Sende-/Empfangsschalter. Denkbar ist auch ein Verstärker (power amplifier) oder eine ganze Vorverstärkerschaltung. Diese Bauteile können direkt mit der Antenne verbunden sein. Dadurch entfällt eine Verbindungsleitung und/oder eine Anpassungsschaltung. Er resultiert eine geringer Platz- und/oder Leistungsbedarf der Vorrichtung.

Die Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen kann dabei als sogenannte "Stand- alone-Antenne" vorliegen. Denkbar ist aber insbesondere, dass mit Hilfe des Mehrschichtkörpers ein komplettes Radiofrequenzmodul (Rf-Modul) inklusive Antenne realisiert ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird neben der Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen ein Verfahren zum Herstellen der beschriebenen Vorrichtung angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

• a) Bereitstellen einer keramischen Grünfolie,
• b) Anordnen der Antenne und des Reflektors an der Grünfolie und
• c) gemeinsames Sintern der keramischen Grünfolie, der Antenne und des Reflektors, wobei die Vorrichtung gebildet wird.

Das Bereitstellen der keramischen Grünfolie erfolgt in üblicher Weise. Beispielsweise wird aus einer keramischen Gießmasse eine keramische Grünfolie mit Hilfe eines Ziehschuhs gezogen und anschließend getrocknet. Das Anordnen des Reflektors und der Antenne geschieht beispielsweise mit Hilfe einer Dick- oder Dünnschichttechnik. Die keramische Grünfolie wird beispielsweise mit elektrisch leitendem Material in Form einer Metallpaste in einem Siebdruckverfahren bedruckt. Das elektrisch leitende Material bildet nach dem Sintern die Antenne oder den Reflektor. Denkbar ist auch, dass zwei oder mehrere keramische Grünfolien jeweils mit elektrisch leitendem Material bedruckt werden. Die bedruckten Grünfolien werden übereinander zu einem Verbund gestapelt, der laminiert und gesintert wird. Insbesondere ist auch denkbar, dass eine strukturierte Metallfolie verwendet wird. Diese Metallfolie bildet die Antenne und/oder den Reflektor. Die Metallfolie wird mit der Grünfolie verbunden und zusammen mit der Grünfolie gesintert. Zum Herstellen einer elektrischen Durchkontaktierung in der Keramik wird beispielsweise in eine keramische Grünfolie ein Loch gestanzt, das nachfolgend mit elektrisch leitfähigem Material befüllt wird. Dies geschieht beispielsweise mit Hilfe der Dickschichttechnik.

In einer besonderen Ausgestaltung wird eine keramische Grünfolie mit Glaskeramik verwendet. Es wird auf die eingangs erwähnte LTCC-Technologie zurückgegriffen. Mit der LTCC- Technologie sind folgende Vorteile verbunden:

• - Die LTCC-Technologie ist besonders dafür geeignet, einen komplexen keramischen Mehrschichtkörper herzustellen. In dem keramischen Mehrschichtkörper können die verschiedensten elektronischen Bauteile, beispielsweise ein komplettes RF-Modul integriert werden.
• - Es kann eine Dickschichttechnik eingesetzt werden. Damit ist eine feine Struktur mit einer auch für eine hohe Frequenz im GHz-Bereich notwendigen Strukturgenauigkeit möglich. Beispielsweise sind Drähte mit einem Durchmesser von 80 µm und einem Draht-zu-Draht-Abstand von 80 µm möglich.
• - Die LTCC-Technologie ist leicht automatisierbar und kann standardmäßig im Nutzen (Multi up) mit einer Bearbeitungsfläche von beispielsweise 300 × 300 mm² angewendet werden. Dadurch sind niedrige Stückkosten möglich.
• - Eine elektromagnetische Abschirmung einer elektronischen Schaltung im Inneren eines Mehrschichtkörpers beispielsweise durch eine oder mehrere Grundplatten ist sehr leicht möglich.
• - Ein Mehrschichtkörper in LTCC-Technologie ist robust.
• - Ein Mehrschichtkörper in LTCC-Technologie ist in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar. Dadurch ist insbesondere ein Einsatz des Mehrschichtkörpers im Automobilbereich denkbar.
• - Ein Mehrschichtkörper in LTCC-Technologie zeichnet sich durch eine hohe Umweltverträglichkeit aus. Der Mehrschichtkörper kann einer Wiederverwertung (Recycling) zugeführt werden kann.

Neben den allgemeinen Vorteilen der LTCC-Technologie beziehungsweise der mit der LTCC-Technologie hergestellten keramischen Mehrschichtkörper ergeben sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Vorrichtung folgende besondere Vorteile:

• - Es ist eine kompakte und leistungsstarke Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen realisierbar.
• - Auf Basis der LTCC-Technologie gelangt man zu einem keramischen Mehrschichtkörper, in dem die Antenne und der Reflektor und vorteilhaft auch eine Ankoppelstruktur der Antenne integriert sind. Dies führt zu einem geringen Platzbedarf der Vorrichtung.
• - Insbesondere kann ein komplettes RF-Modul integriert werden. Bei einer passenden Ausgestaltung kann der Reflektor die elektromagnetische Abschirmung eines beliebigen elektronischen Bausteins des RF-Moduls gegen die elektromagnetischen Wellen der Antenne übernehmen. Umgekehrt ist die Antenne mit Hilfe des Reflektors gegen eine elektromagnetische Störquelle des RF-Moduls abgeschirmt.
• - Es kann sehr leicht eine breitbandige Antenne hergestellt werden. Dies gelingt beispielsweise mit Hilfe eines gefalteten Dipols und/oder einer Antenne mit parasitären Elementen und/oder einer gestapelten Antenne. Im Mehrschichtkörper ist ein Antennenstapel mit mehreren Antennenebenen integriert.
• - Insbesondere, wenn sämtliche elektronischen Bauteile, die für einen Betrieb der Vorrichtung notwendig sind, in dem keramischen Mehrschichtkörper integriert sind, kann ein Leistungsbedarf der Vorrichtung reduziert werden. Eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, zur Energieversorgung der Vorrichtung kann relativ klein dimensioniert werden.
• - Die Vorrichtung zeichnet sich bei Verwendung einer Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante durch eine kleine Abmessung aus.
• - In den Mehrschichtkörper kann ein Reflektor mit komplizierter Band-Lücke-Struktur leicht integriert werden. Die resultierende Vorrichtung verfügt trotz Verwendung einer Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante über eine Antenne mit hohem Antennengewinn.
• - Mit Hilfe von Hohlräumen zwischen Antenne und Reflektor und mit Hilfe der variabel einstellbaren, effektiven Dielektrizitätskonstante ist eine Frequenzanpassung und/oder eine Anpassung der Abmessung der Vorrichtung leicht möglich.
• - Bei einem geringen Platzbedarf und/oder einem geringen Leistungsbedarf eignet sich die Vorrichtung insbesondere zur Anwendung in der Mobilfunktechnik.

Anhand mehrer Beispiele und der dazugehörigen Figuren wird eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen und ein Verfahren zu deren Herstellung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Fig. 1a bis 6a zeigen verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung jeweils in einem Querschnitt.

Fig. 1b bis 6b zeigen die Ausführungsformen der Vorrichtung in Aufsicht auf die jeweilige Antenne.

Fig. 7a zeigt einen Mehrschichtkörper mit Band-Lücke- Struktur im Querschnitt.

Fig. 7b zeigt einen Mehrschichtkörper mit Reflektor mit Band-Lücke-Struktur in Aufsicht.

Fig. 8a bis d zeigen verschiedene Koppelschlitze.

Fig. 9 zeigt ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung.

Gegeben ist eine Vorrichtung 1 zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen 2 mit einer Frequenz aus dem Radiowellenbereich. Die Vorrichtung 1 verfügt über mindestens eine Antenne 3 in Form einer Patch-Antenne. Die Antenne 3 verfügt über einen bestimmten Antennengewinn der elektromagnetischen Wellen 2. Zur Erhöhung des Antennengewinns der Antenne 3 ist im Abstand 4 zur Antenne 3 ein Reflektor 5 angeordnet. Im durch den Abstand 4 definierten Zwischenraum 6 zwischen der Antenne 3 und dem Reflektor 5 ist eine Keramik 7 angeordnet.

Gemäß nachfolgender Beispiele ist die Vorrichtung 1 in einem keramischen Mehrschichtkörper 8 integriert. Die Keramik 7, die die Antenne 3 und den Reflektor 5 verbindet, ist eine Keramikschicht 9 des Mehrschichtkörpers 8. Die Keramik 7 ist eine Glaskeramik mit einem keramischen Material und einem Glasmaterial.

Der Mehrschichtkörper 8 ist mit Hilfe der LTCC-Technologie hergestellt (Fig. 9). Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt (901) keramische Grünfolien bereitgestellt. Darauf folgend wird auf eine der keramische Grünfolie mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens elektrisch leitendes Material aufgebracht (902). Das elektrisch leitende Material ist eine Silberpaste, die nach dem Sintern die Antenne 3 bildet. Auf einer zweiten keramischen Grünfolie wird mit Hilfe des Siebdruckverfahrens der Reflektor 5 aufgebracht. Der Reflektor 5 ist ebenfalls aus einer Silberpaste. Im nächsten Schritt (903) werden die beiden keramischen Grünfolien übereinander gestapelt, laminiert und zum entsprechenden Mehrschichtkörper 8 gesintert. Antenne 3, Reflektor 5 und Keramik 7 werden durch gemeinsames Sintern entsprechender Ausgangsverbindungen (keramische Grünfolie, aufgedruckte Silberpasten) erhalten. Neben der Antenne 3 und dem Reflektor 5 sind zusätzliche elektronische Bauteile 10 und/oder 21 in dem Mehrschichtkörper 8 zur Speisung der Antenne 3 und/oder zur internen elektrischen Signalverarbeitung integriert. Zudem ist jeweils zur zusätzlichen Abschirmung der Antenne 3 eine weitere Grundplatte 23 vorhanden.

Beispiel 1

Die Vorrichtung eignet sich zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz von 900 MHz (Mobilfunkfrequenz). Eine Grundfläche des zugehörigen Mehrschichtkörpers 8 beträgt etwa 50 × 50 mm². Die Patch-Antenne 3 verfügt über eine rechteckige Grundstruktur (Fig. 1a und 1b). Der keramische Mehrschichtkörper 8 weist sogenannte parasitäre Elemente 11 der Patch-Antenne 3 auf, die zusammen mit der Patch-Antenne 3 auf einer Hauptfläche 13 der Keramikschicht 9 des Mehrschichtkörpers 8 angeordnet sind. Die Keramikschicht 9 weist eine Schichtdicke 12 von etwa λ/4 auf. Auf der zweiten Hauptfläche 14 der Keramikschicht 9 ist ein Reflektor 5 in Form einer Grundplatte angeordnet. Die Grundplatte 5 verfügt über einen Koppelschlitz (Aperturschlitz) 15, über den die Patch-Antenne 3 mit Hilfe einer Stripline (Triplate-Leitung) 10 gespeist wird. Bei einer Stripline ist eine Signal führende Leitung im Inneren eines plattenförmigen, dielektrischen Substrates eingebettet. Die gegenüber liegenden Oberflächen (Hauptflächen) des Substrates sind metallisiert und werden auf Masse-Potential gelegt. Die Stripline ist symmetrisch. Bei einer symmetrischen Stripline liegt die Signalleitung in der Mitte zwischen den metallisierten Oberflächen. Alternativ dazu wird die Patch-Antenne 3 mit Hilfe einer asymmetrischen Stripline gespeist. Eine Stripline kann leicht in einem keramischen Mehrschichtkörper integriert werden.

Für den Koppelschlitz 15 sind verschiedene Ausführungsformen (Dogbone-, H-shaped, Butterfly-Slot, siehe Fig. 8a bis 8d) möglich. Mit Hilfe der Koppelschlitze 15 wird die Frequenzbandbreite der Antenne 3 erhöht.

Beispiel 2

Im Unterschied zum Beispiel 1 besteht die Patch-Antenne 3 aus zwei gefalteten Dipolantennen mit jeweils einer Größe von λ/2 (Fig. 2a und 2b). Die Größe der Patch-Antenne 3 ist in jeder Richtung im Vergleich zur nicht gefalteten Patch- Antenne halbiert. Jede der Dipolantennen wird separat gespeist.

Beispiel 3

Gemäß diesem Beispiel (Fig. 3a und 3b) wird eine Vorrichtung für elektromagnetische Wellen mit Frequenzen um 10 GHz angegeben. Hier kommt die Möglichkeit der LTCC-Technik zum Tragen, Hohlräume 15 zu integrieren. Im Unterschied zum Beispiel 1 sind zwischen der Antenne 3 und dem Reflektor 5 in der Keramik 7 Poren 15 eingebracht. Die Poren 15 sind mit Luft gefüllt. Die Luft dient als nieder-dielektrisches Material 16 der weiteren Erhöhung des Antennengewinns. Im Gegensatz zum Beispiel 1 ist die Schichtdicke 12 deutlich kleiner als λ/4.

Beispiel 4

Der Mehrschichtkörper 8 weist eine Grundfläche von etwa 25 × 50 mm² auf (Fig. 4a und 4b). In dem Mehrschichtkörper 8 ist eine sogenannte Dual-Band-Patch-Antenne 3 für 900 MHz und 1800 MHz realisiert.

Beispiel 5

Im Unterschied zu den vorangegangen Beispielen ist hier ein Reflektor 5 mit Band-Lücke-Struktur angegeben (Fig. 5a und 5b). Der Reflektor 5 ist beidseitig an der Keramikschicht 9 angebracht. Die beiden Teile 18 und 19 des Reflektors 5 sind über elektrische Durchkontaktierungen 20 elektrisch miteinander verbunden. Ein Teil 18 des Reflektors 5 zeichnet sich durch eine periodische Struktur aus. Ein Strukturelement 22 tritt wiederholt auf. Das Strukturelement hat eine sechseckige Grundfläche. Die Antenne 3 ist von dem Teil 18 des Reflektors 5 mit der metallischen, periodischen Struktur umgeben.

Beispiel 6

Im Beispiel 6 (Fig. 6a und 6b) ist eine zum Beispiel 5 alternative Lösung aus Antenne 3 und Reflektor 5 mit Band- Lücke-Struktur angegeben. Der Reflektor 5 beziehungsweise ein Teil des Reflektors 5 umschließt nicht die Antenne 3. Beide Teile 18 und 19 des Reflektors 5 befinden sich zumindest im Abstand 4 von der Antenne 3 in Dickenrichtung des Mehrschichtkörpers 8, wobei die Teile 18 und 19 auf zwei Schichtebenen (Metallebenen) des Mehrschichtkörpers 8 verteilt sind. Alternativ kann dazu kann der Reflektor 5 mit Band-Lücke-Struktur auch auf drei Metallebenen verteilt sein. Die Fig. 7a und 7b zeigen einen derartigen Reflektor. Mit Hilfe der drei Metallebenen ist ein relativ großer Kapazitätsbeleg möglich und damit auch ein Einsatz des Reflektors für relativ niedrige Frequenzen.

Claims (12)

1. Vorrichtung (1) zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen (2) einer bestimmten Frequenz, aufweisend
mindestens eine Antenne (3) mit einem bestimmten Antennengewinn der elektromagnetischen Wellen (2) und
mindestens einen in einem bestimmten Abstand (4) zur Antenne (3) angeordneten Reflektor (5) zur Erhöhung des Antennengewinns,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem durch den Abstand (4) definierten Zwischenraum (6) zwischen der Antenne (3) und dem Reflektor (5) mindestens eine die Antenne (3) und den Reflektor (5) berührende Keramik (7) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung (2) aus einem Bereich von einschließlich 900 MHz bis einschließlich 12 GHz gewählt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reflektor (5) eine Band-Lücke-Struktur aufweist mit einer Frequenzbandlücke, die die Frequenz der elektromagnetischen Wellen aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abstand (4) zwischen Antenne (3) und Reflektor (5) kleiner ist als ein Viertel einer durch die Frequenz bestimmten Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen (2).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Keramik (7) eine relative Dielektrizitätskonstante aufweist, die aus einem Bereich von einschließlich 6 bis einschließlich 40 ausgewählt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur weiteren Erhöhung des Antennengewinns zwischen der Antenne (3) und dem Reflektor (5) mindestens ein nieder- dielektrisches Material (17) angeordnet ist, das eine relative Dielektrizitätskonstante aufweist, die aus einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 2 ausgewählt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das nieder- dielektrische Material (17) ein Gas ist, das sich in mindestens einem zwischen der Antenne (3) und dem Reflektor (5) angeordneten Hohlraum (16) befindet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Keramik (7) eine Glaskeramik aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Antenne (3) und/oder der Reflektor (5) ein Material aufweisen, das aus der Gruppe Gold und/oder Kupfer und/oder Silber gewählt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Keramik (7) mindestens eine Keramikschicht (9) eines keramischen Mehrschichtkörpers (8) aufweist.

11. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Verfahrensschritten:

• a) Bereitstellen einer keramischen Grünfolie,
• b) Anordnen der Antenne und des Reflektors an der Grünfolie und
• c) Gemeinsames Sintern der keramischen Grünfolie, der Antenne und des Reflektors, wobei die Vorrichtung gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine keramische Grünfolie mit Glaskeramik verwendet wird.