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Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung dient insbesondere dem Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Signalen.
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Radar basierte Fahrerassistenzsysteme, Radar basierte Sensoren, wie z. B. Füllstands- oder Abstands- und Geschwindigkeitsmesser, aber auch Kommunikationssysteme zur hochbitratigen drahtlosen Datenübertragung, System der Sicherheitstechnik, Gebäudeüberwachung und Indoor-Navigation arbeiten derzeit vorzugsweise im hohen GHz-Frequenzbereich. Alle genannten Anwendungen benötigen Antennen mit einer gewissen Richtwirkung, die üblicherweise auch noch räumlich veränderbar sein muss. Bei Radarsystemen, wie sie z. B. in „adaptive cruise control”-Systemen der Automobilindustrie eingesetzt werden, dient die Richtwirkung der räumlichen Erfassung des Ziels. Bei hochbitratigen Kommunikationssystemen wird durch eine gerichtete Abstrahlung eine Wiederverwendung des Frequenzspektrums ermöglicht. Darüber hinaus werden durch die Verwendung gerichtet abstrahlender Antennen Übertragungsverluste zwischen Sender und Empfänger teilweise kompensiert, und störende Reflektionen können ausgeblendet werden.
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Ein räumliches Schwenken der Strahlrichtung einer Antenne kann mechanisch mit Hilfe von Stellmotoren durchgeführt werden, wie es z. B. bei Parabolantennen für die Radioastronomie der Fall ist. Diese Möglichkeit der Einstellung ist sehr präzise, aber die Zeiten, um eine bestimmte Position zu erreichen, liegen im Minutenbereich. Ein sehr schnelles Schwenken im Mikrosekundenbereich erlauben dagegen sogenannte phased array Antennensysteme, die aus einer Vielzahl von Einzelantennen (häufig planar aufgebaut) bestehen, und die jeweils über einen elektronisch einstellbaren Phasenschieber verfügen. Zur Erzielung einer Richtwirkung benötigen phased array Antennen mindestens zwei Einzelstrahler. Darüber hinaus ist ein kompliziertes Ansteuernetzwerk notwendig.
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Vielfach werden auch Kombinationen aus langsamer mechanischer und schneller elektronischer Strahlschwenkung eingesetzt.
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Mikrowellenantennen werden vielfach als separate Komponente auf Mikrowellen geeigneten Substraten wie z. B. Aluminiumoxidkeramik Al2O3 realisiert, und über einer Leitungsverbindung mit der aktiven Komponente (Sender, Empfänger) verbunden. Die Wafer-Level Integration von on-chip Antennen auf Silizium wird seit einigen Jahren intensiv untersucht. Hintergrund ist dabei der Wunsch nach Miniaturisierung und Kostenreduktion. In [1] werden inverted-F sowie Yagi-Antennen auf Silizium-Substrat beschrieben und erste Messergebnisse präsentiert. Eine Schwenkbarkeit der Richtcharakteristik wird dagegen nicht untersucht.
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Ein auf Silizium-Germanium SiGe integrierter 77 GHz Transceiver mit einer aus vier Strahlerelementen bestehenden phased Array Anordnung zur Strahlschwenkung ist in [2] beschrieben. Dabei wird jedes Strahlerelement durch eine Schaltung bestehend aus zwei Mischern, einem Phasenschieber und einem Leistungskombinierer angesteuert. Eine Erhöhung der abgestrahlten Mikrowellenleistung erfordert je einen Leistungsverstärker für jedes Antennenelement. Bei den integrierten Antennenelementen handelt es sich um einfache Dipolantennen. Der gesamte Schaltungsaufwand ist erheblich.
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Eine Antennenanordnung für eine Frequenz von 60 GHz bestehend aus fünf Monopol-Antennen, die über mit MEMS-Schaltern geschaltete digitale Phasenschieber angesteuert werden, ist in [3] beschrieben. Die Phasenschieber sind in 20 Grad-Schritten schaltbar und erlauben damit lediglich eine diskrete Strahlschwenkung.
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Ein erster Vorschlag für eine mechanisch schwenkbare Antennencharakteristik mit Hilfe von MEMS wird in [4] gemacht. Es handelt sich dabei um einen Halbwellendipol, dessen Arme unabhängig voneinander mit Hilfe von MEMS Linear Aktoren bewegt werden können.
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In [5] wird eine Anordnung beschrieben, in der eine elektronische und eine MEMS basierte mechanische Schwenkung der Antennenrichtcharakteristik vorgeschlagen wird. Hier wird jedes Antennenelement einer Arrayanordnung einzeln schwenkbar ausgeführt. Zusätzlich wird vorgeschlagen, die Ansteuerphase zu variieren. Die Anordnung basiert auf einem 2D optischen Scanner mit Spiegelflächen von 400 um × 400 um [6]. Patchantennen für eine Frequenz von 76,5 GHz benötigen eine Fläche von mindestens 800 um × 600 um. Weiterhin werden keine Angaben darüber gemacht, wie die einzelnen Antennenelemente angesteuert werden.
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Ein mechanisch schwenkbares 2 × 2 Patch Array für eine Frequenz von 60 GHz wird in [7, 8, 9] beschrieben. Der Aufbau erfolgt auf einem Glassubstrat, für die Aufhängung und Substratmaterial für die Antennen wird ein dielektrisches Polymermaterial Benzo-Cyclo-Buten (BCB) verwendet; stabilisiert wird die Struktur durch einen Siliziumrahmen. Die Schwenkung erfolgt mit Hilfe von Magnetkräften um zwei Achsen um einen Winkel von +–20 Grad. Der Aufbau ist komplex und eine zusätzliche Integration von aktiven Komponenten erscheint fraglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antennenvorrichtung vorzuschlagen, die eine Miniaturisierung erlaubt, ohne dass sich signifikante Einbußen der Strahlungseigenschaften ergeben.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung weist mindestens ein Antennenelement auf. Das Antennenelement ist derartig ausgestaltet, elektromagnetische Strahlung vorzugsweise mit Frequenzen im GHz-Bereich in eine Strahlrichtung abzustrahlen und/oder aus einer Strahlrichtung zu empfangen. Die Antennenvorrichtung weist ein Trägerelement auf. Dabei sind das Antennenelement und das Trägerelement derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass das Trägerelement relativ zum Halteelement bewegbar ist.
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Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung weist mindestens ein Antennenelement und ein Trägerelement auf. Das Antennenelement strahlt elektromagnetische Strahlung vorzugsweise im GHz-Bereich in Richtung einer Strahlrichtung aus und/oder empfängt solche Strahlung aus der Strahlrichtung. Der Empfang bzw. das Senden erfolgt somit hauptsächlich in Strahlrichtung, in der in einer Ausgestaltung eine Hauptkeule des Antennenelements liegt. Es handelt sich dabei in einer Ausgestaltung um eine Millimeterwellen-Antennenvorrichtung. Das mindestens eine Antennenelement (in einer Ausgestaltung sind mehrere Antennenelemente vorhanden) ist dabei auf dem Trägerelement angeordnet. Das Trägerelement wiederum ist relativ zu einem Halteelement angeordnet. In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement insbesondere in einer Aussparung des Halteelements angeordnet. Die mechanisch erzeugte Bewegung der Strahlrichtung erfolgt dadurch, dass das Trägerelement relativ zum Halteelement bewegt wird. Das Trägerelement bzw. das Halteelement sind mechanische Komponenten der Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung zeichnet sich daher dadurch aus, dass ihre Richtcharakteristik mechanisch im Raum geschwenkt werden kann, wodurch sich die Strahlrichtung schnell ändern lässt und insbesondere auch kontinuierliche Veränderungen möglich sind. In einer Ausgestaltung ist die Richtcharakteristik vor allem durch die Ausrichtung einer Antennenkeule gegeben. In einer Ausgestaltung erfolgt das mechanische Schwenken der Strahlrichtung mit Hilfe eines Aktors. In einer Ausgestaltung sind das mindestens eine Antennenelement und das Trägerelement direkt auf dem Aktor integriert.
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Die Antennenvorrichtung stellt eine in Bezug auf die Strahlrichtung schwenkbare Millimeterwellenantenne dar, die je nach Ausgestaltung zumindest einige von den folgenden Vorteilen mit sich bringt:
- • Da Standardprozesse aus der Halbleiterindustrie die Fertigung erlauben, ergeben sich damit Kostenvorteile.
- • Durch die mechanische Ausgestaltung ist eine kontinuierliche Schwenkung möglich.
- • Weiterhin kann ein sehr schnelles Schwenken der Strahlrichtung, z. B. im Millisekundenbereich erzielt werden.
- • Das Schwenken erfolgt bedingt durch die mechanischen Ausgestaltung der Komponenten, so dass z. B. im Gegensatz zu phased Array Systemen keine weiteren aktiven, insbesondere elektronischen Elemente erforderlich sind.
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In einer Ausgestaltung ist das Antennenelement fest mit dem Trägerelement kontaktiert bzw. verbunden, so dass das Trägerelement relativ zu dem Halteelement bewegt wird, wodurch sich die Bewegung des Antennenelements relativ zum Halteelement ergibt.
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In einer Ausgestaltung liegen die Abmessungen des Antennenelements (also dessen Dimensionierung) zwischen einem Zehntel und einem Tausendfachen einer Wellenlänge einer der abgestrahlten und/oder empfangenen elektromagnetischen Strahlung. Ist die Wellenlänge mit λ bezeichnet, so liegen die Dimensionierungen zwischen λ/10 und 1000·λ in dieser Ausgestaltung.
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In einer Ausgestaltung ist die Antennenvorrichtung zumindest teilweise mit Methoden der Mikrosystem-Technik erzeugt worden.
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Gemäß einer Ausgestaltung besteht das Trägerelement zumindest teilweise aus einem dielektrischen und verlustarmen Material.
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In einer Ausgestaltung erfolgt das Schwenken der Strahlrichtung elektrostatisch über einen entsprechend ausgestalteten Aktor bzw. Aktuator.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich um einen MEMS-Aktor.
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In einer Ausgestaltung bewirkt der Aktor eine Bewegung in der Ebene, in der sich das Trägerelement in einer Ruhelage befindet und/oder in der das Antennenelement angeordnet ist. in einer alternativen Ausgestaltung erfolgt eine Bewegung senkrecht zu dieser Ebene.
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In einer Ausgestaltung ist eine Aufhängung des Trägerelements relativ zu einem Halteelement vorhanden. Die Aufhängung erlaubt dabei unterschiedliche Bewegungen. Dabei sind je nach Ausgestaltung einachsige oder mehrachsige Aufhängungen realisiert. Die Aufhängungen erlauben linienförmige (quasistatisch oder resonant), rasterförmige (eine Achse quasistatisch, eine Achse resonant), lissajousförmige (beide Achsen resonant) oder vollkommen vektorielle (beide Achsen quasistatisch) Bewegungen. Diese Bewegungen bringen jeweils unterschiedliche Orientierungen der Strahlrichtung bzw. der Keule des Antennenelements mit sich.
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Kommunikations-Anwendungen erfordern beispielsweise quasistatisches vektorielles Nachführen der Strahlrichtung. Bei Automobil-Radar-Systemen ist ggf. ein resonantes Abtasten eines möglichst großen Raumwinkelbereichs erforderlich.
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In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement in Form eines MEMS Mikrospiegelscanners ausgestaltet. Solche Scanner werden z. B. aus Silizium gefertigt und sind z. B. in [10] beschrieben. Hierbei wird für die Ausgestaltung die Spiegeloberfläche durch eine metallische Struktur ersetzt, die als Antenne wirkt. Es wird somit mindestens eine Struktur für ein Antennenelement aufgebracht. Die üblichen Anwendungsgebiete von solchen Mikrospiegelscannern sind mikromechanische Laser-Strahlablenksysteme, vgl. beispielsweise [11].
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In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement in einer Aussparung eines Halteelements angeordnet. Das Trägerelement befindet sich somit zumindest teilweise in einem Halteelement bzw. wird von einem Halteelement umfasst. Die Aussparung des Halteelements ist in einer Ausgestaltung von einem Boden beschränkt und ist in einer alternativen Ausgestaltung eine durchgehende Aussparung.
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In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement über mindestens ein Fixierelement mittelbar mit einem Halteelement verbunden. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fixierelement um eine Feder, über die das Trägerelement schwenkbar um eine Achse im Halteelement gelagert ist. Das federnde Fixierelement erzeugt damit eine Rückstellkraft.
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In einer Ausgestaltung ist das Fixierelement derartig ausgestaltet, dass das Fixierelement mechanisch federn ist. Das Fixierelement ist daher elastisch verformbar, wobei sich durch die Verformung bzw. durch eine Bewegung des Trägerelements eine Federkraft ergibt, die entgegen der Richtung der Verformung und daher zurück in einen Ausgangszustand wirkt.
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In einer Ausgestaltung ist das Fixierelement als Torsionsfeder ausgestaltet.
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Gemäß einer Ausgestaltung besteht das Fixierelement zumindest teilweise aus Silizium oder Polysilizium.
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In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement in dem Halteelement zumindest drehbar um eine Drehachse angeordnet. In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement drehbar innerhalb des Halteelements angeordnet.
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In einer Ausgestaltung steht die Drehachse senkrecht auf dem Trägerelement. In dieser Ausgestaltung wird das Trägerelement innerhalb der Ebene gedreht, in der das Trägerelement liegt. Handelt es sich in einer Ausgestaltung bei dem Trägerelement um eine Scheibe, so wird die Scheibe in der Ebene gedreht, in der sich ihre größte Ausdehnung befindet.
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In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung liegt die Drehachse in einer Ebene, in der das Trägerelement bei einer Orientierung liegt. Das Trägerelement wird in dieser Ausgestaltung um eine Drehachse gekippt. In einer Ausgestaltung verläuft die Drehachse durch das Trägerelement oder durch eine Ebene parallel zu der Ebene, in der das Trägerelement vorzugsweise seine größte Ausdehnung hat.
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Gemäß einer Ausgestaltung erzeugen Drehungen des Trägerelements um die Drehachse einen Winkel zwischen +90° und –90° relativ zu einer Ruhelage.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden Drehwinkel zwischen +20° und –20° relativ zu einer Ruhelage erzeugt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Trägerelement translatorisch bewegbar. Das Trägerelement wird somit verschoben. Dies geschieht in einer Ausgestaltung relativ zu dem Halteelement.
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In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung eine Vakuumkapselung auf. Eine solche hermetische Kapselung führt dazu, dass eine Dämpfung durch Gasmoleküle auf ein Minimum reduziert wird. Im Resonanzbetrieb führt dies zu einem deutlichen Amplitudengewinn. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil große Schwingungsamplituden es erlauben, einen möglichst großen Raumwinkel zu erfassen.
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Alternativ oder ergänzend ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Antennenvorrichtung hermetisch verkapselt ist.
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In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung mindestens einen Aktor auf, der entsprechend ausgestaltet ist, um das Trägerelement zusammen mit dem Antennenelement relativ zu dem Halteelement zu bewegen.
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Dabei ist in einer Ausgestaltung der Aktor derartig ausgestaltet ist, das Trägerelement aufgrund elektrostatischer und/oder elektromagnetischer und/oder piezoelektrischer und/oder thermischer Prinzipien zu bewegen. Dies bezieht sich somit auf die unterschiedlichen Varianten zur Erzeugung einer Kraft, die die Bewegung des Trägerelements bewirkt.
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In einer Ausgestaltung ist das Antennenelement als Vivaldi-Antenne ausgestaltet. Eine solche Antenne zeichnet sich durch eine hohe Bandbreite aus.
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Alternativ ist das Antennenelement als Antennenpatch oder als Dipol oder als Schlitzantenne oder als Yagi-Antenne ausgestaltet. In einer Ausgestaltung ist mindestens ein quadratischer, rechteckiger oder runder Patch vorhanden. In einer weiteren Ausgestaltung besteht das Antennenelement aus einem Array mit mehreren Patchs. Dies bewirkt eine höhere Richtwirkung.
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In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung mehrere Antennenelemente auf. Die Antennenelemente sind dabei in einer Ausgestaltung nur auf dem Trägerelement angeordnet.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung mehrere Antennenelemente auf. Dabei sind die Antennenelemente auf unterschiedlichen Trägerelementen angeordnet sind, die jeweils in einem Halteelement angeordnet sind.
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In einer Ausgestaltung sind die mehreren Antennenelemente regelmäßig und vorzugsweise in einer Matrix-Struktur angeordnet.
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In einer Ausgestaltung wird das mechanische Ausrichten der Strahlrichtung durch eine elektronische Variante ergänzt. Dabei ist vorgesehen, dass die Antennenvorrichtung eine Ansteuervorrichtung aufweist. Die Ansteuervorrichtung ist derartig ausgestaltet, die mehreren Antennenelemente derartig elektrisch anzusteuern, dass die Strahlrichtung von der Ansteuerung abhängt.
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In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung eine Leitungsstruktur für eine elektrische Kontaktierung des Antennenelements auf. Sind mehrere Antennenelemente vorhanden, so sind in einer Ausgestaltung mehrere Leitungsstrukturen vorhanden und dient in einer alternativen Ausgestaltung die Leitungsstruktur der Kontaktierung von mehreren Antennenelementen. Dabei ist die Leitungsstruktur – oder sind ggf. die Leitungsstrukturen – zumindest teilweise auf dem Trägerelement angeordnet.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Leitungsstruktur als koplanare Leitung ausgestaltet ist.
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In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung mindestens eine Strahlformungsstruktur auf. Die Strahlformungsstruktur wirkt dabei auf die Strahlung ein, die von dem Antennenelement (oder von den Antennenelementen) ausgeht, und/oder die Strahlformungsstruktur bedingt die Form der Strahlung, die von dem Antennenelement (oder den Antennenelementen) empfangen wird.
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Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf einzelne Varianten der Strahlformungsstruktur, wobei in weiteren Ausgestaltungen Kombinationen der genannten Varianten vorliegen.
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So ist gemäß einer Ausgestaltung die Strahlformungsstruktur in Form einer Linse ausgestaltet. Die Strahlformungsstruktur und das Antennenelement sind dabei in einer Ausgestaltung derartig zueinander angeordnet, dass sich das Antennenelement im Brennpunkt der als Linse ausgeführten Strahlformungsstruktur befindet. Dabei handelt es sich in einer Ausgestaltung um eine Kugellinse oder eine Zylinderlinse.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Strahlformungsstruktur in Form eines Reflektors ausgeführt.
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In einer anderen Ausgestaltung liegt die Strahlformungsstruktur in Form eines Parabolspiegels vor.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht die Strahlformungsstruktur aus einer Anpassstruktur, einem konischen Abschnitt und einem Halbzylinder.
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In einer Ausgestaltung, die sich auf den Aufbau der Antennenvorrichtung bezieht, ist zwischen dem Trägerelement und dem Antennenelement eine Glasschicht angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung besteht das Trägerelement aus Silizium. In einer Ausgestaltung ist daher das Antennenelement auf einem Glas-Silizium-Substrat als Trägerelement aufgebracht. Ein solches Substrat erhöht den Wirkungsgrad des Antennenelements. Silizium weist aufgrund seiner Restleitfähigkeit – verglichen mit anderen Substratmaterialien – relativ hohe Verluste für elektromagnetische Wellen auf. Die Verluste lassen sich reduzieren, wenn auf das Siliziumsubstrat eine dünne Schicht eines verlustarmen Glases aufgebracht wird. Die elektromagnetischen Wellen breiten sich dann nur noch zum Teil in dem verlustbehafteten Silizium aus. Daher ergibt sich die Steigerung des Wirkungsgrads der Antenne.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer ersten Variante der Antennenvorrichtung,
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2 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer zweiten Variante der Antennenvorrichtung,
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3 einen Schnitt durch eine Variante der Antennenvorrichtung,
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4 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer dritten Variante der Antennenvorrichtung,
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5 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer vierten Variante der Antennenvorrichtung,
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6 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer fünften Variante der Antennenvorrichtung,
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7 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer sechsten Variante der Antennenvorrichtung,
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8 eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer siebten Variante der Antennenvorrichtung,
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9 eine Draufsicht auf eine achte Variante der Antennenvorrichtung,
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10 einen Schnitt durch die Ausgestaltung der 9,
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11 einen Schnitt durch eine neunte Variante der Antennenvorrichtung,
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12 einen Schnitt durch eine zehnte Variante der Antennenvorrichtung,
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13 einen Schnitt durch eine elfte Variante der Antennenvorrichtung und
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14 eine räumliche und teilweise transparente Darstellung einer zwölften Variante der Antennenvorrichtung mit mehreren Halteelementen.
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Die 1 zeigt einen Siliziumblock als Halteelement 5. In der Aussparung 50 ist das Trägerelement 4, das z. B. in der Art eines Mikrospiegels ausgestaltet ist, drehbar um die Drehachse 7 aufgehängt. Als Antennenelement 2 ist hier ein rechteckiger Patch vorgesehen. Die Herstellung eines solchen Patchs erfolgt beispielsweise durch Aufsputtern oder Aufdampfen einer dünnen Metallschicht. Bei dem Metall handelt es sich beispielsweise um Gold oder Aluminium. Alternative Patchs haben quadratische oder runde Außenkonturen. Eine Zuführung von Signalen bzw. das Abführen von Signalen erfolgt beispielsweise in Verbindung mit der mechanischen Aufhängung über – hier nicht dargestellte – koplanare, grounded koplanare oder Mikrostreifenleitungen. Die Strahlrichtung 3 steht hier senkrecht auf dem Trägerelement 4, so dass das Drehen des Trägerelements 4 auch die Strahlrichtung 3 dreht. In der Strahlrichtung 3 als Hauptstrahlrichtung liegt beispielsweise eine – hier nicht dargestellte – Strahlungskeule.
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Vorzugsweise weisen das Trägerelement 4 und das mindestens eine darauf befindliche Antennenelement 2 eine möglichst geringe Masse auf, so dass durch einen Aktor möglichst hohe Geschwindigkeiten für das Bewegen des Antennenelements 2 erreichbar sind. Die MEMS-Anordnung der Antennenvorrichtung 1 erlaubt somit beispielsweise Anwendungen in einem abbildenden Millimeterwellen-Radar.
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Die 2 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung der Antennenvorrichtung 1 wie die 1. Das Antennenelement 2 ist jedoch ein Dipol, das über eine Leitungsstruktur 10 gespeist wird.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch eine Antennenvorrichtung 1 mit einem Antennenelement 2 auf dem Trägerelement 4. Das Trägerelement 4 ist über zwei Fixierelemente 42 mit dem Halteelement 5 verbunden, in dessen Aussparung 50 es sich befindet. Die Fixierelemente 42 sind dabei derartig ausgestaltet, dass sie elastisch federnd sind. Die Fixierelemente 42 sind in einer Ausgestaltung als Torsionsfedern ausgestaltet, so dass sich nach eine Auslenkung eine Federkraft ergibt, die zurück in eine Ausgangs- oder auch Ruhelage wirkt. Weiterhin ist ein Aktor 9 vorhanden, der das Trägerelement 4 hier um zwei Drehachsen 7a, 7b bewegt. Eine Drehachse 7a liegt dabei in der Ebene, in der sich das Trägerelement 4 in Ruhelage befindet, hier also in dem Fall, dass das als Scheibe ausgeführte Trägerelement 4 parallel zum Boden des Haltelements 5 liegt. Um diese Drehachse 7a findet also eine Art von Kippen statt. Die andere Drehachse 7b steht senkrecht auf dem Trägerelement 4, so dass bei einer Drehung das Trägerelement 4 in einer Ruheebene liegen bleibt. Weiterhin ist hier noch eine Vakuumverkapselung 8 angedeutet.
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Bei der in der 4 dargestellten Ausgestaltung der Antennenvorrichtung 1 ist das Antennenelement 2 eine Schlitzantenne und die Leitungsstruktur 10 ist als koplanare Leitung ausgeführt.
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Eine Erhöhung des Antennengewinns kann z. B. durch Verwendung eines Array Strahlers als Antennenelement 2 erreicht werden, wobei das Antennenelement 2 beispielsweise aus quadratischen, rechteckigen oder runden Einzelpatchantennen besteht.
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Die 5 zeigt eine derartige Antennenvorrichtung 1 mit rechteckigen Einzelpatchantennenstrahlern, die zum Antennenelement 2 gehören. Alternativ kann auch die Anordnung der 8 merfach in Art eines Arrays angeordnet sein. Zu sehen ist auch die Ansteuervorrichtung 20, die hier für die Übersichtlichkeit nur mit zwei Antennenelementen 2 verbunden ist und die die Antennenelemente 2 derartig elektrisch ansteuert, dass zusätzlich zur mechanischen Schwenkung der Strahlrichtung 3 noch eine elektronische Schwenkung bewirkt wird.
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Eine weitere Erhöhung des Antennengewinns ergibt sich durch Verwendung einer geeignet dimensionierten Strahlformungsstruktur 11.
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Eine solche zeigt die 6. Dabei ist die Strahlformungsstruktur 11 als dielektrische Linse und bei dem Beispiel insbesondere als Kugellinse ausgestaltet. Eine Schwenkung der Strahlungskeule bzw. der Strahlrichtung 3 erfolgt bei der gezeigten Ausgestaltung durch eine laterale Verschiebung des Trägerelements 4 und in dem Beispiel auch des Halteelements 5 entlang einer Bewegungsachse 7'. Anstelle einer Kugellinse 11 sehen – nicht dargestellte – Alternativen parabol-, hyperbel-, ellipsen- oder cosinusförmige Körper aus einem geeigneten dielektrischen Material als Linse vor.
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Die 7 zeigt eine Antennenvorrichtung 1, bei der die Drehachse 7 senkrecht auf dem Trägerelement 4 steht und somit eine Schwenkung der Antennenkeule bzw. der Strahlrichtung 3 um die Drehachse 7 erfolgt. Die Keule bleibt dabei in der gleichen Ebene. Das Antennenelement 2 ist dabei eine Vivaldi-Antenne. Bei der ähnlichen Ausgestaltung der 8 handelt es sich bei dem Antennenelement 2 um eine Yagi-Anordnung.
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Die 9 zeigt eine Aufsicht einer Antennenvorrichtung 1 mit einer Vivaidi-Antenne als Antennenelement 2. Zur Erhöhung des Antennengewinns wird eine Strahlformungsstruktur 11 verwendet, die sich halbkreisförmig um das Halteelement 5 bzw. um das hier kreisförmige Trägerelement 4 erstreckt. Die Strahlformungsstruktur 11 ist dabei – wie der Schnitt der 10 zeigt – eine Zylinderlinse.
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Die Strahlformungsstruktur 11 der Ausgestaltung der 11 verfügt über einen Halbzylinder 112, der über eine konusförmige Struktur 111 auf eine Anpassstruktur 110 führt. Dabei werden die elektromagnetischen Wellen des Antennenelements 2 an den Halbzylinder 112 angepasst.
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Anstelle eines Halbzylinders weist die Strahlformungsstruktur in einer alternativen – nicht dargestellten – Variante einen parabol-, hyperbel-, ellipsen- oder cosinusgeformten Körper auf.
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Bei den Ausgestaltungen der 12 und der 13 handelt es sich bei der Strahlformungsstruktur 11 jeweils um einen Parabolspiegel.
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Die Ausgestaltungen der 10 bis 12 zeigen jeweils das Trägerelement 4, auf dem sich das mindestens eine Antennenelement 2 befindet. Das Trägerelement 4 ist weiterhin in einer – hier durchgehenden – Aussparung 50 eines Halteelements 5 angeordnet.
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Bei der Ausgestaltung der 13 ist zwischen dem Trägerelement 4, das beispielsweise aus Silizium besteht, und dem Antennenelement 2 eine Glasschicht 12 angeordnet. Die Glasschicht 12 erhöht dabei den Antennenwirkungsgrad, indem Verluste reduziert werden.
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Die 14 zeigt eine Anordnung, in der die Antennenvorrichtung 1 über mehrere Antennenelemente 2 verfügt, die jeweils auf einem Trägerelement 4 angeordnet sind. Die Trägerelemente 4 befinden sich wiederum jeweils in einer Aussparung 50 eines Halteelements 5. Die Trägerelemente 4 lassen sich dabei jeweils einzeln drehen bzw. hier insbesondere kippen.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Referenzen:
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- [1] Y. P. Zhan et al. "On-Chip Antennas for 60-GHz Radios in Silicon technology", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 52, No. 7, July 2005.
- [2] A. Nataraja et al. "A 77-GHz Phase-Array Transceiver With On-Chip Antennas in Silicon: Transmitter and Local LO-Path Phase Shifting", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 41, Nor. 12, December 2006.
- [3] M. Kyrö et al. "5 × 1 Linear Antenna Array for 60 GHz Beam Steering Applications", Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Rome, 2012.
- [4] J.-C. Chiao et al. "MEMS Reconfigurable Vee Antenna", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Anaheim, CA, pp. 1515–1518, 1999.
- [5] US 2003/0034916 A1 .
- [6] L. Fan, M. C. Wu, „Two-Dimensional Optical Scanner with Large Angular Rotation Realized by Self-Assembled Micro-Elevator"
- [7] C.-W. Baek et al. "2-D Mechanical Beam Steering Antenna Fabricated Using MEMS Technology", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, San Francisco, CA, pp. 211–214, 2001
- [8] C.-W. Baek et al. "A V-band micromachined 2-D beam-steering antenna driven by magnetic force with polymer-based hinges", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 51, no. 1, pp. 325–331, Jan. 2003
- [9] US 2003/0160722 A1 .
- [10] Senger, Frank; Hofmann, Ulrich G.; Wantoch, T. von; Mallas, Christian; Janes, Joachim; Benecke, Wolfgang; Herwig, Patrick; Gawlitza, Peter; Ortega Delgado, Moises Alberto; Gruhne, Christoph; Hannweber, Jan; Wetzig, Andreas, "Centimeter scale MEMS scanning mirrors for high power laser application", Proceedings of SPIE 9375, 2015
- [11] K. E. Petersen, "Silicon torsional scanning mirror", IBM Journal of Research and Development, Volume 24 Issue 5, pp. 631–637, Sep. 1980
