DE102018218891B4

DE102018218891B4 - Dreidimensionale Schleifen-Antennenvorrichtung

Info

Publication number: DE102018218891B4
Application number: DE102018218891.2A
Authority: DE
Inventors: Ivan Ndip; Christine Kallmayer; Klaus-Dieter Lang
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: DE102018218891A1; US20200144721A1; US11177569B2

Abstract

Antennenvorrichtung (10) mit
einem Substrat (11), das sich in einer Substratebene (12) erstreckt,
wobei das Substrat (11) eine erste Seite (11A) und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite (11B) aufweist, und
einer auf der ersten Seite (11A) angeordneten dreidimensionalen Formstruktur (14), die sich aus der Substratebene (12) heraus erhebt, und
einer an der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordneten Streifenstruktur (15; 15₁), und einer auf der zweiten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnete Rückseitenmetallisierung (13), die elektrisch mit der Streifenstruktur (15; 15₁) gekoppelt ist, so dass die Streifenstruktur und die Rückseitenmetallisierung eine Schleifenantenne bilden;
wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) eine erste dreidimensionale Formstruktur (14₁) ist, wobei die Antennenvorrichtung eine zweite dreidimensionale Formstruktur (14₂) aufweist, die sich aus der Substratebene (12) heraus erhebt, wobei die erste dreidimensionale Formstruktur (14₁) zwischen dem Substrat (11) und der zweiten dreidimensionalen Formstruktur (14₂) angeordnet ist, wobei an einer der ersten dreidimensionalen Formstruktur (14₁) abgewandten Seite der zweiten dreidimensionalen Formstruktur (14₂) eine ergänzende Streifenstruktur (15₂) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antennenvorrichtungen, und insbesondere auf dreidimensionale Schleifen-Antennenvorrichtungen.
Bei höheren Frequenzen, wie etwa im Millimeter-Wellenlängenbereich und höher leidet die Abstrahleffizienz planar integrierten Antennen stark unter Verlusten im Zusammenhang mit Dielektrika, die mit der Herstellung von Antennen verwendet werden. Hierzu gehören dielektrische Verluste und Oberflächenwellenverluste. 3D Antennen, die nicht direkt auf Substrat liegen haben eine bessere Effizienz. Aber bei niedrigen Frequenzen (z.B. in dem unteren GHz Bereich) sind die Länge von solchen Antennen sehr lang. Manche Strukturen sind bei derartigen Längen instabil.
In US 5,784,032 ist eine kompakte Antenne beschrieben, die zwei elektrisch isolierte Schleifenleiter aufweist, die an einem Mittelpunkt verbunden sind.
In DE 10 2017 200 130 A1 ist eine Antennenvorrichtung mit einem zumindest bereichsweise von einem Substrat beabstandetes Bändchen beschrieben.
In US 2012/0299783 A1 wird eine Antennenstruktur mit einem Substrat und dreidimensionalen Antennenstruktur beschrieben.
Es wäre demnach wünschenswert, eine Antennenvorrichtung für hohe Frequenzen bereitzustellen, die trotz geringer Abmessungen eine hohe Stabilität und gleichzeitig eine hohe Effizienz aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Antennenvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte dieser Antennenvorrichtung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung ist in Patentanspruch 1 definiert und weist eine dreidimensionale Formstruktur auf. An der dreidimensionalen Formstruktur ist eine Streifenstruktur angeordnet. Das heißt, die Streifenstruktur muss sich nicht selbst tragen, sondern kann direkt auf der stabilen dreidimensionalen Formstruktur angeordnet werden. Dadurch weist die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung eine deutlich höhere Stabilität gegenüber konventionellen dreidimensionalen Antennen auf. Durch die dreidimensionale Formstruktur wird die Streifenstruktur außerdem von dem Substrat beabstandet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Antennenstruktur kann eine mit Bändchenbondantennen (Bändchen = engl.: Ribbon) und/oder Bonddrahtantennen vergleichbare Strahlungscharakteristik erhalten werden, was vorteilhaft ist. Gleichzeitig kann basierend auf einer flexibel einstellbaren Ausdehnung der Streifenstruktur kann eine vergleichsweise höhere Abstrahleffizienz erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine hohe Zahl unterschiedlicher Ausgestaltungen möglich, da die dreidimensionale Formstruktur eine hohe Steifigkeit der Anordnung ermöglicht, die eine hohe mechanische Stabilität ermöglicht.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Beispiel;
2A eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung;
2B eine schematische Aufsicht auf die Ausgestaltung aus 2A;
3A-B ein weiteres Beispiel im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung mit einer bogenförmig ausgestalteten dreidimensionalen Formstruktur;
4 eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung gemäß einem weiteren Beispiel, bei dem eine Versorgungsleitung an der Substratvorderseite nicht erforderlich ist, da die Streifenstruktur über eine Durchkontaktierung mit der Versorgungsleitung verbunden ist;
5A-B Ausgestaltungen der Durchkontaktierung aus 4;
6A eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung in einer weiteren Ausführung gemäß einem Beispiel, bei dem eine Vorderseitenmetallisierung an der Substratvorderseite angeordnet ist, die die Versorgungsleitung zumindest bereichsweise umschließt;
6B eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung aus 6A;
6C eine schematische Aufsicht der Antennenvorrichtung aus 6A;
6D eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung aus 6A;
7A eine schematische Seitenschnittansicht einer beispielhaften Antennenvorrichtung, bei der die Vorderseitenmetallisierung lediglich einen Teilbereich der Substratvorderseite bedeckt;
7B eine schematische Seitenschnittansicht einer beispielhaften Antennenvorrichtung, bei der das zweite Ende der Schleifenantenne mit der Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist;
7C eine schematische Aufsicht auf die Antennenvorrichtung aus 7A oder 7B;
8A eine schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften Antennenvorrichtung bei der an der Substratvorderseite die Vorderseitenmetallisierung angeordnet ist,
8B eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung aus 8A;
9A eine schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften Antennenvorrichtung mit einer eckigen dreidimensionalen Formstruktur;
9B eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung aus 9A;
10A-B schematische Ansichten einer beispielhaften Antennenvorrichtung der Winkel zwischen Abschnitten der dreidimensionalen Formstruktur einen Wert von 90° aufweisen;
10C eine schematische Aufsicht auf eine beispielhaften Antennenvorrichtung in einer Konfiguration, in welcher die Streifenstruktur als gefaltete Streifenstruktur gebildet ist;
11A-C schematische Seitenschnittansichten einer beispielhaften Antennenvorrichtung aus 6A oder 6D;
12 eine schematische Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung, mit zumindest einer ersten dreidimensionale Formstruktur und einer zweiten dreidimensionalen Formstruktur;
13A eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die ein Gehäuse aufweist;
13B eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die ein Gehäuse aufweist und bei der die Rückseitenmetallisierung mit einer Wand des Gehäuses verbunden ist oder die Wand bildet;
13C eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei der das Gehäuse im Vergleich zu 13B als eine Linse ausgeführt ist;
14 eine schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel;
15 eine weitere schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel; und
16 eine weitere schematische seitliche Schnittansicht einer elektrischen Vorrichtung mit einer Antennenvorrichtung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Antennenvorrichtung wird zunächst strukturell unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Außerdem wird die dreidimensionale Formstruktur hierin beispielhaft anhand einer konvex gekrümmten sowie einer eckigen dreidimensionalen Formstruktur beschrieben. Die geometrische Form der dreidimensionalen Formstruktur ist jedoch nicht darauf eingeschränkt, sondern kann beliebige andere Formen aufweisen, bspw. konkav, kontinuierlich oder diskontinuierlich gerade und/oder gekrümmt, insbesondere rund oder elliptisch und/oder eine Kombination hieraus.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer beispielhaften Antennenvorrichtung 10. Die Antennenvorrichtung 10 weist ein Substrat 11 auf. Das Substrat 11 kann, wie abgebildet, eine planare Form aufweisen. Alternativ dazu kann das Substrat 11 aber auch eine von der planaren Form abweichende geometrische Form aufweisen und zum Beispiel gekrümmt, geknickt, gewölbt oder dergleichen ausgestaltet sein.
Dabei erstreckt sich das Substrat 11 stets in einer zweidimensionalen Substratebene 12. Die zweidimensionale Substratebene 12 kann entlang der Haupterstreckungsrichtung des Substrats 11 mittig durch das Substrat 11 verlaufen und das Substrat 11, wie abgebildet, der Länge nach schneiden. Somit kann auch die Substratebene 12 planar oder von der planaren Form abweichend geometrische ausgestaltet sein. An der zweiten Seite des Substrats ist eine Rückseitenmetallisierung 13 angeordnet, die sich ganzflächig oder zumindest großflächig mit mindestens 50 %, 60 % oder 80 % über die Seite 11 B in dem Bereich der Antennenstrukturen erstreckt.
Das Substrat 11 weist eine erste Seite 11A und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite 11B auf. Auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 ist eine dreidimensionale Formstruktur 14 angeordnet. Die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich aus der zweidimensionalen Substratebene 12 heraus. Das heißt, die zweidimensionale Substratebene 12 erstreckt sich in eine erste und eine zweite Richtung (z.B. x- und y-Richtung), und die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich zusätzlich in eine dritte Richtung (z.B. z-Richtung). Dies ist ohne Einschränkungen auf eine nicht-planare Substratebene 12 überführbar, bei welcher sich die dreidimensionale Formstruktur 14 aus ebenjener nichtplanaren Substratebene erhebt.
Auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 ist eine elektrisch leitfähige Streifenstruktur 15 angeordnet, die sich zwischen einem ersten Ende 15A und einem zweiten Ende 15B der elektrisch leitfähigen Streifenstruktur erstreckt. Die elektrisch leitfähige Streifenstruktur kann bspw. ein oder mehrere Metallmaterialien, ein oder mehrere dotierte Hableitermaterialien und/oder eine Kombination hieraus umfassen. Das verwendete Material bzw. die verwendete Materialkombination kann elektrisch leitfähig sein und ist bevorzugt niederohmig.
Die Rückseitenmetallisierung 13 ist dabei bevorzugt so angeordnet, dass ein Bereich in den die Streifenstruktur 15 durch Projektion entlang einer Oberflächennormalen der Seite 11B des Substrats 11 in die Seite 11 B projiziert wird, in einem Umfang von zumindest 80 %, zumindest 90 % oder zumindest 95 %, bevorzugt vollständig mit der Rückseitenmetallisierung 13 bedeckt ist.
Das erste Ende 15A kann bspw. am Ort oder in einem Bereich einer Verbindung der Streifenstruktur 15 mit einer Versorgungsleitung 23 verstanden werden. Alternativ kann das Ende 15A auch dadurch bestimmt sein, wo sich die erhaltene Antennenstruktur ausgehend von der Versorgungsleitung 23 von der Substratebene 12 abhebt.
Die Streifenstruktur 15 kann gemeinsam mit der Rückseitenmetallisierung 13 eine Schleifenantenne bilden. Hierfür ist die Streifenstruktur 15 elektrisch mit der Rückseitenmetallisierung 13. Die Streifenstruktur 15 kann kapazitiv oder galvanisch mit der Rückseitenmetallisierung 13 gekoppelt sein.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine kapazitive Kopplung gemäß derer die Streifenstruktur 15 galvanisch von der Rückseitenmetallisierung getrennt ist. Ein Abstand d zwischen dem zweiten Ende 15B und der Rückseitenmetallisierung kann dabei so eingestellt sein, dass bei Beaufschlagen der Antennenvorrichtung mit einem elektrischen Signal, das eine Signalfrequenz aufweist, (Sender) oder elektromagnetischen Signal (Empfänger) eine gewünschte elektrische Eigenschaft erhalten wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Abstand d so gering wie möglich und bspw. entsprechend einer Dicke des Substrats 11 eingestellt. In diesem Fall würde die Streifenstruktur 15 bis an die Seite 11A herabreichen oder sogar in das Substrat 11 hineinreichen. Anders ausgedrückt kann das Ende 15B auch in oder an einem Oberflächenbereich der Seite 11A angeordnet sein.
Für eine galvanische Kopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Antennenvorrichtung bspw. eine Durchkontaktierung auf, die sich zwischen dem Ende 15B und der Rückseitenmetallisierung 13 durch das Substrat 11 erstreckt.
Ein Bereich der dreidimensionalen Formstruktur 14 und/oder der Streifenstruktur 15 kann einen Antennenbereich definieren, an welchem die zweite Seite 11B des Substrats 11 großflächig oder ganzflächig von der Rückseitenmetallisierung 13 bedeckt ist. Die Streifenstruktur 15 kann flexibel sein. Die Streifenstruktur 15 kann konform zu der dreidimensionalen Formstruktur 14 sein, das heißt die an der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnete Streifenstruktur 15 kann die gleiche Form annehmen wie die dreidimensionale Formstruktur 14 selbst, beziehungsweise wie zumindest derjenige Abschnitt 18 der dreidimensionalen Formstruktur 14, an dem die Streifenstruktur 15 angeordnet ist. Die Streifenstruktur 15 kann mittels Verfahren wie einer Metallabscheidung, insbesondere einer Kupferabscheidung, einem Klebeverfahren und/oder einer sonstigen mechanischen Befestigungsart an dem Abschnitt 18 befestigt werden. Es ist ebenfalls möglich, dass die dreidimensionale Formstruktur 14 aus einem Leiterplattenplattensubstrat gebildet ist, so dass die Streifenstruktur 15 aus einer Schicht des Leiterplattensubstrats gebildet ist.
In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel weist die dreidimensionale Formstruktur 14 eine eckige Form auf. Dabei kann die dreidimensionalen Formstruktur 14 einen ersten Abschnitt 18 aufweisen, der etwa parallel zum Substrat 11 verläuft. Außerdem kann die dreidimensionale Formstruktur 14 zwei Stützstrukturen 19₁, 19₂ aufweisen, die den ersten Abschnitt 18 mit dem Substrat 11 verbinden und den ersten Abschnitt 18 dabei beabstandet von dem Substrat 11 halten. Die Stützstrukturen 19₁, 19₂ können in einem Winkel 20 zu dem ersten Abschnitt 18 verlaufen und/oder senkrecht zu dem Substrat 11 verlaufen. Generell kann der Winkel 20 bei beiden Stützstrukturen 19₁, 19₂ zwischen 1° und 179°, zwischen 10° und 170° oder zwischen 120° und 60° betragen. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel kann der Winkel beispielsweise etwa 90° betragen.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 weist außerdem einen ersten Substratkontaktabschnitt 16 und einen zweiten Substratkontaktabschnitt 17 auf. Das heißt, die dreidimensionale Formstruktur 14 ist sowohl an dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 als auch an dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 physisch mit dem Substrat 11 in Kontakt. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel weisen beispielsweise die beiden Stützstrukturen 19₁, 19₂ der dreidimensionalen Formstruktur 14 die Substratkontaktabschnitte 16, 17 auf und sind darüber physisch mit dem Substrat 11 in Kontakt. In zuvor erwähnter kapazitiver Kopplung zwischen der Streifenstruktur 15 und der Rückseitenmetallisierung 13 bei geringem Abstand d kann das Ende 15B im Bereich des Substratkontaktabschnitts 16 angeordnet sein.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich dreidimensional zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17. Das heißt, die dreidimensionale Formstruktur 14 erstreckt sich der Länge nach parallel zur Substratebene 12 in einer ersten und/oder zweiten Richtung (z.B. in x- und/oder y-Richtung) und ist dabei von dem Substrat 11 beabstandet, und zwar in einer dritten Richtung (z.B. z-Richtung).
Zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 ist die Streifenstruktur 15 auf der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet, und zwar in einer Haupterstreckungsrichtung. Die Haupterstreckungsrichtung kann auch als axiale Erstreckungsrichtung verstanden werden und kann eine Ausdehnung der Streifenstruktur 15 zwischen dem ersten Ende 15A und dem zweiten Ende 15B beschreiben, entlang der sich die Streifenstruktur axial erstreckt, etwa entlang der x-Richtung. Die Streifenstruktur 15 kann jedoch auch anders im Raum angeordnet sein. Im Rahmen eines nicht einschränkenden Beispiels ist die Ausdehnung oder Erstreckung der Streifenstruktur 15 entlang der x-Richtung als größte Ausdehnung der Streifenstruktur 15 verstanden und wird als Länge der Streifenstruktur 15 beschrieben. Eine Ausdehnung oder Abmessung senkrecht hierzu und möglicherweise parallel zu der Substratebene 12 wird als Breite beschrieben und ist geringer als die Länge. Eine dritte Ausdehnung senkrecht zur Länge und senkrecht zur Substratebene 12, etwa entlang der z-Richtung, wird als Dicke verstanden. Die Länge kann beispielweise um zumindest eine Größenordnung, d. h., zumindest um den Faktor 10, größer sein als die Breite und/oder die Höhe der Streifenstruktur 15. Die Breite und/oder Höhe kann einen Querschnitt der Streifenstruktur 15 zumindest beeinflussen und über den Querschnitt auch eine Impedanz der Antenne einstellen. Die Länge der Streifenstruktur kann eine Antennenfrequenz eines von der Streifenantenne empfangenen oder gesendeten Signals zumindest beeinflussen oder gar bestimmen.
Das Antennenende 15A ist mit einer Versorgungsleitung 23 elektrisch gekoppelt, so dass die schleife der Schleifenantenne umfassend die Streifenstruktur 15 und die Rückseitenmetallisierung 13 geschlossen ist. Das zweite Antennenende kann in unterschiedlichen Konfigurationen der Antennenvorrichtung entweder mit der Rückseitenmetallisierung 13 kapazitiv gekoppelt sein oder kann galvanisch mit dieser verbunden sein, etwa über eine Durchkontaktierung (Via).
Über die Versorgungsleitung 23 kann die Schleifenantenne mit einer weiteren Struktur elektrisch verbunden werden, etwa einem Hochfrequenz-Chip. Die Schleifenantenne kann für die weitere Struktur bspw. eine Sendeantenne und/oder Empfangsantenne bereitstellen. Dadurch kann über die Versorgungsleitung 23 ein von der Schleifenantenne zu sendendes Signal an die Streifenstruktur gesendet werden und/oder ein drahtloses Signal von der Streifenstruktur 15 empfangen werden und ein hierauf erhaltenes elektrisches Signal an der Versorgungsleitung 23 bereitgestellt werden.
In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die dreidimensionale Formstruktur 14 über einen Oberflächenbereich des Substrats bzw. der Seite 11A hinweg, d. h., sie ist von der Seite 11A bereichsweise beabstandet. Die Streifenstruktur 15 erstreckt sich dadurch in einer Ebene, die außerhalb der Substratebene 12, etwa parallel zu der Substratebene 12, verlaufen kann.
Durch die planare Ausgestaltung des Substrats und mithin der Rückseitenmetallisierung kann eine einfache Kontaktierung der Antennenstruktur mit einer elektrischen Vorrichtung erfolgen. Eine derartige elektrische Vorrichtung kann bspw. einen Hochfrequenz-Chip aufweisen, der ein zu sendendes Hochfrequenzsignal bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich kann der Chip auch ein Hochfrequenz-Signal empfangen. Der Hochfrequenz-Chip kann ein Teil einer Leiterplattenanordnung sein. In diese Leiterplattenanordnung kann die Antennenvorrichtung durch ihre planare rückseitige Ausgestaltung einfach integriert werden, während die dreidimensionale Ausgestaltung vorderseitig eine hohe Abstrahlgüte ermöglicht.
Die 2A zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 gemäß einer Ausgestaltung. 2B zeigt eine schematische Aufsicht auf die Ausgestaltung aus 2A. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die dreidimensionale Formstruktur 14 zumindest an der Seite 21 kontinuierlich gekrümmt, so dass auch die Streifenstruktur 15 kontinuierlich gekrümmt ist. Eine Länge A der Streifenstruktur 15 erstreckt sich zwischen den Substratkontaktabschnitten 16 und 17 und bildet in dem Bereich, der sich aus der Substratebene erhebt einen Teil der Schleifenantenne. Die Länge A kann bspw. so gewählt sein, dass sie beispielweise einem Achtel (λ/8), einem Viertel (λ/4), einem Halben (λ/2) oder einem Ganzen (λ) oder einem Mehrfachen (xλ), etwa 3/2λ einer Mittenfrequenz eines zu sendenden oder zu empfangenen Signals in etwa entspricht.
Die Versorgungsleitung 23 kann planar auf der Seite 11A des Substrats 11 angeordnet sein, die der Rückseitenmetallisierung 13 gegenüberliegend angeordnet ist. Bei anderen Ausgestaltungen, bei denen sich die Versorgungsleitung 23 mit auf die dreidimensionale Formstruktur erstreckt, kann sie in diesem Bereich auch als Teil der Antennenstruktur wirken. In gleicher Weise kann ein Teil der Streifenstruktur 15, der sich planar auf der Seite 11A erstreckt als Versordnungsleitung verstanden werden.
Ein erster Antennenanschluss kann mit der Streifenstruktur 15 galvanisch verbunden sein, etwa mittels der Versorgungsleitung 23. Ein zweiter Antennenanschluss kann mit der Rückseitenmetallisierung galvanisch verbunden sein. Die Schleifenantenne kann durch Verbinden einer Signalquelle oder einer Signalsenke mit dem ersten und zweiten Antennenanschluss betrieben werden, etwa indem ein elektrisches Wechselsignal zwischen die beiden Anschlüsse angelegt wird oder von dort empfangen wird.
Die Streifenantenne kann bspw. konfiguriert, um ein Funksignal beispielweise entlang einer Hauptabstrahlrichtung 24 auszusenden und/oder aus dieser zu empfangen. Die Streifenstruktur kann sich über den gesamten Verlauf der Streifenstruktur in axialer Richtung, etwa entlang der x-Richtung, erstrecken, so dass eine elektrische Verbindung zwischen der Streifenstruktur 15 und der Versorgungsleitung bspw. am Ort des Substratkontaktabschnitts 17 angeordnet sein kann. Alternativ kann eine elektrische Kontaktierung der Streifenstruktur 15 auch anders, etwa über eine Durchkontaktierung erfolgen, so dass die Versorgungsleitung auch innerhalb des Substrats 11 oder an der Rückseite 11 B angeordnet sein kann.
Wie es in 2B dargestellt ist, kann eine Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 entlang der y-Richtung im Wesentlichen, d. h., innerhalb eines Toleranzbereichs von 10 %, 5 %, 2 % oder weniger, bspw. 0 % der Breite B_S der Streifenstruktur 15 entsprechen, was einen geringen Materialaufwand ermöglicht.
Die Streifenstruktur 15 kann sich anders als in 1, wo sich die Streifenstruktur 15 in einer Ebene parallel zu der Substratebene (12) erstreckt, auch in einer relativ zu der Substratebene (12) nicht parallel verlaufenden Ebene erstrecken, etwa wenn die dreidimensionale Formstruktur gegenüber der Substratebene 12 gekrümmt ist.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 weist eine erste Seite 21 und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite 22 auf. Die erste Seite 21 ist dem Substrat 11 gegenüberliegend angeordnet und der Seite 11A zugewandt. Die zweite Seite 22 ist der Seite 11A abgewandt. Die Streifenstruktur 15 ist auf der zweiten Seite 22 der dreidimensionalen Formstruktur 14 angeordnet.
In dem in den 2A und 2B abgebildeten Ausführungsbeispiel bildet die dreidimensionale Formstruktur 14 einen Bogen, der sich zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt 16 und dem zweiten Substratkontaktabschnitt 17 über das Substrat 11 hinweg spannt. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich demnach die Streifenstruktur 15 in einer zweiten Ebene, die gekrümmt gegenüber der Substratebene 12 verläuft. Es wäre aber auch denkbar, dass diese zweite Ebene zusätzlich oder alternativ zu einer Krümmung mindestens einen Knick aufweist.
Wie in den 1, 2A und 2B gezeigt ist, können das Substrat 11 und die Streifenstruktur 15 in der dritten Richtung (z-Richtung) übereinander angeordnet sein. Beispielsweise können das Substrat 11 und die Streifenstruktur 15 in einer Richtung senkrecht zur Substratebene 12 übereinander angeordnet sein.
Die 3A und 3B zeigen ein weiteres Beispiel im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung mit einer ebenfalls bogenförmig ausgestalteten dreidimensionalen Formstruktur 14. Die Breite B_F der dreidimensionalen Formstruktur 14 ist größer als die Breite B_S der Streifenstruktur 15, d. h. B_F>B_S. Die Breite B_F kann um zumindest 10 %, zumindest 20 % oder zumindest 50 % größer sein als die Breite Bs. Eine zunehmend größere Breite ermöglicht eine zunehmend größere mechanische Stabilität, wobei hierfür ein zusätzlicher Materialeinsatz in Kauf genommen werden kann. Auch kann eine zusätzliche Breite B_F zu einer zunehmenden Dämpfung eines Sendesignals der Streifenantenne führen.
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Beispiel im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Versorgungsleitung an der Seite 11A nicht erforderlich ist, da die Streifenstruktur 15 über eine in den 5A und 5B näher gezeigte Durchkontaktierung 42A mit der Versorgungsleitung 23 verbunden ist. Die Versorgungsleitung 23 ist in diesem Fall an der zweiten Seite 11B angeordnet.
5A zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung 10, bei der die Durchkontaktierung 42A die Kontaktierung der Streifenantenne durch die Substratebene hindurch ermöglicht. Gleichzeitig ist das zweite Ende 15B der Schleifenantenne 15 unter Verwendung eines Befestigungsbereichs 43 mit dem Substrat 11 verbunden. Der Befestigungsbereich 43 kann bspw. als Metallisierung, etwa als Bondpad oder dergleichen ausgeführt sein und ist an der ersten Seite 11A angeordnet. In Abwesenheit einer Durchkontaktierung sind das Ende 15B und der Befestigungsbereich von der Rückseitenmetallisierung 13 galvanisch getrennt und kapazitiv gekoppelt.
Bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Antennenstruktur, bspw. durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen der Versorgungsleitung 23 und der Rückseitenmetallisierung kann durch einen Verschiebungsstrom eine resonierende Stromschleife erhalten werden, die als Antenne wirkt, falls die Vorrichtung beispielsweise von λ/2 lang ist. Es sei angemerkt, dass ein Ort der Versorgungsleitung 23 auch an der Seite 11A sein kann, ohne die Funktionalität zu ändern. 5B zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung 10 in einer zur 5A alternativen Ausgestaltung, bei der das Ende 15B der Schleifenstruktur 15 unter Verwendung einer Durchkontaktierung (Via) 42B mit der Rückseitenmetallisierung 13 elektrisch verbunden ist, bevorzugt niederohmig.
6A zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung 10 in einer weiteren Ausführung gemäß einem Beispiel im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Vorderseitenmetallisierung 44 an der ersten Seite 11A angeordnet ist, die die Versorgungsleitung zumindest bereichsweise umschließt, um eine koplanare Versorgung der Schleifenantenne zu erhalten. Hierfür ist das Ende 15B der Streifenstruktur 15 mit der Vorderseitenmetallisierung 44 elektrisch verbunden, so dass die Vorderseitenmetallisierung 44 eine Rückleitung elektrischer Ströme aus der Streifenstruktur 15 ermöglicht. Die Vorderseitenmetallisierung 44 kann die erste Seite 11A des Substrats 11 zumindest in einem Bereich der Antennenvorrichtung 10 ganzflächig oder zumindest hauptsächlich bedecken, etwa in einem Umfang von zumindest 50 %, zumindest 60 % oder zumindest 70 %. Alternativ ist auch ein geringerer Umfang möglich wie es anhand der 7A bis 7C beschrieben ist.
6B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 aus 6A.
6C zeigt eine schematische Aufsicht der Antennenvorrichtung 10 aus 6A.
6D zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 aus 6A.
7A zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Antennenvorrichtung 10, bei der die Vorderseitenmetallisierung 44 lediglich einen Teilbereich der ersten Seite 11A bedeckt, bspw. höchstens 50 %, höchstens 40 % oder höchstens 30 % oder weniger. Unabhängig von dem Ausmaß der Flächenbedeckung kann die Vorderseitenmetallisierung 44, wie in den 6A bis 6D dargestellt, einstückig sein, oder aber mehrstückig sein und zumindest zwei, zumindest drei oder eine höhere Anzahl, etwa vier, Anzahl von Segmenten aufweisen, wie es bspw. für die Segmente 44A und 44B in 7C beschreiben ist.
Gemäß 7A ist das zweite Ende 15B der Streifenstruktur 15 mit dem an der ersten Seite 11A angeordneten Befestigungsbereich 43 elektrisch verbunden. Gemäß der Ausführungsform, die in 7B gezeigt ist, ist das zweite Ende 15B der Streifenstruktur 15 mit der Durchkontaktierung 42B elektrisch verbunden, die konfiguriert ist, um das zweite Ende 15B mit der Rückseitenmetallisierung 13 elektrisch zu verbinden. Dies kann auch so verstanden werden, dass die Antennenvorrichtung gemäß der 6A bis 6C mit einer Vorderseitenmetallisierung ausführbar ist, die die Seite 11A des Substrats 11 ganz oder Teilweise in einstückig oder mehrstückig bedeckt.
7C zeigt eine schematische Aufsicht auf die Antennenvorrichtung aus 7A oder 7B bei der die Segmente 44A und 44B lateral benachbart zu der Versorgungsleitung 23 angeordnet sind, so dass die Versorgungsleitung 23 entlang einer axialen Erstreckungsrichtung, bspw. der x-Richtung in einem Umfang von zumindest 20 %, zumindest 50 % oder zumindest 80 % oder auch mehr von den Vorderseitenmetallisierungssegmenten 44A und 44B umgeben ist. Die Segmente können somit ebenfalls eine Metallisierungsfläche bereitstellen und können eine Impedanzanpassung der Versorgungsleitung 23 und/oder der Schleifenantenne bereitstellen und/oder mit einem Referenzpotential elektrisch verbunden werden. Ein Ausmaß der Impedanzanpassung kann über eine Auslegung einer Länge L entlang der x-Richtung und einer Breite W entlang der y-Richtung erfolgen. Die Impedanzanpassung kann durch die Variation des Abstands zwischen Signalleitung und Referenz erfolgen, sowie durch die Substratdicke und Breite der Groundplane. Die Segmente können direkt, etwa über elektrisch leitfähige Verbindungsstrukturen, oder über ein gemeinsames elektrisches Potential galvanisch mit einander verbunden sein.
8A zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 in einer Konfiguration bei der an der ersten Seite 11A die Vorderseitenmetallisierung 44 angeordnet ist, die ferner über die Durchkontaktierung 42B mit der Rückseitenmetallisierung 13 elektrisch verbunden ist, wie es anhand der 8B gezeigt ist. Obwohl die dreidimensionale Formstruktur 14 so gezeigt ist, dass die Breite im Wesentlichen der Breite der Streifenstruktur 15 entspricht, kann auch eine geringere aber insbesondere größere Breite verwendet werden.
9A zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 in einer Konfiguration mit einer bezüglich der dreidimensionalen Formstruktur 14 und der Streifenstruktur 15 übereinstimmenden Breite und der Vorderseitenmetallisierung 44. Die Vorderseitenmetallisierung 44 ist bspw. galvanisch von der Rückseitenmetallisierung 13 getrennt, wie es in 9B gezeigt ist. Unabhängig hiervon ist die dreidimensionale Formstruktur 14 aus einer Aneinanderreihung mehrerer zumindest abschnittsweiser gerader Formsegmente 14A bis 14C gebildet. Eine Anzahl der Formsegmente 14A bis 14C kann einen beliebigen Wert von zumindest 1, zumindest 2, zumindest 3 oder mehr aufweisen, wobei jedes Segment gerade, geknickt oder gekrümmt sein kann. Verglichen mit der 1 kann der Winkel 20 vorliegend bspw. 120° betragen, wobei auch ungleiche Winkel zwischen Segmenten 14A und 14B bzw. zwischen den Segmenten 14B und 14C angeordnet sein können.
Die Streifenstruktur 15 kann sich über mehrere Segmente 14A bis 14C erstrecken und sich bspw. vollständig zwischen den Substratkontaktabschnitten 16 und 17 erstrecken oder nahezu vollständig, d. h., in zumindest 70 %, zumindest 80 % oder zumindest 90 % der Distanz auf der dreidimensionalen Formstruktur zwischen den Substratkontaktabschnitten 16 und 17.
Die 10A und 10B zeigen eine schematische perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung 10 in einer Konfiguration gemäß 1, bei der die Winkel 20 einen Wert von 90° aufweisen. Die Breiten der Streifenstruktur 15 und der dreidimensionalen Formstruktur stimmen im Wesentlichen überein. Ferner bedeckt die Streifenstruktur 15 die dreidimensionale Formstruktur über eine gesamte axiale Erstreckung zwischen den Substratkontaktabschnitten 16 und 17.
10C zeigt eine schematische Aufsicht der Antennenvorrichtung 10 in einer Konfiguration, in welcher die Streifenstruktur 15 als gefaltete Streifenstruktur gebildet ist, was eine verlängerte Streifenlänge in einem geringen Oberflächenbereich ermöglicht und somit das Erzeugen einer geringen Sende- und/oder Empfangsfrequenz bei kleinen Bauteilen. Gemäß Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich eine ergänzende Antennenstruktur gefaltet gebildet ist. Eine Anzahl der Faltungen kann beliebig sein und ermöglicht eine nicht-gerade oder abschnittsweise gerade gebildete Streifenstruktur. Die Streifenstruktur 15 kann geknickt oder gekrümmt, also kontinuierlich oder diskontinuierlich gebogen geformt sein.
Die 11A, 11B und 11C zeigen schematische Seitenschnittansichten der Antennenvorrichtung 10 gemäß der Konfiguration aus 6A oder 6D, wobei die Erläuterungen auf sämtliche andere Konfigurationen ohne Einschränkungen anwendbar sind. Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann unterschiedliche Abmessungen, etwa Dicken, in der x/z-Ebene aufweisen. Bei gleichem maximalen Abstand 45 zwischen der Streifenstruktur 15 und der Substratseite 11A kann deshalb in einem veränderlichen Anteil 46 hiervon ein von der dreidimensionalen Formstruktur 14 verschiedener Stoff oder ein verschiedenes Material angeordnet sein, bspw. Luft. Es ist außerdem denkbar, dass die von dem Substrat 11 beabstandete dreidimensionale Formstruktur 14 einen Zwischenraum zwischen der dreidimensionalen Formstruktur 14 und dem Substrat 11 bildet, wobei dieser Zwischenrum ein Dielektrikum aufweist.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise Luft als Dielektrikum zwischen der dreidimensionalen Formstruktur 14 und dem Substrat 11vorgesehen. Prinzipiell kann es sich bei dem in dem Zwischenraum angeordneten Dielektrikum auch um andere Dielektrika als Luft handeln.
So wäre es beispielsweise vorstellbar, dass die dreidimensionale Formstruktur 14 selbst ein Dielektrikum aufweist, oder aus einem Dielektrikum hergestellt ist, wobei die dreidimensionale Formstruktur 14 weiter in den Zwischenraum hineinragen kann als es in 11A abgebildet ist. Beispielsweise kann die dreidimensionale Formstruktur 14 bis zur Hälfte des Zwischenraums hineinragen. Es wäre aber auch denkbar, dass die dreidimensionale Formstruktur 14 den Zwischenraum vollständig ausfüllt.
In den hier abgebildeten Ausführungsbeispielen weist die dreidimensionale Formstruktur 14 eine Dicke d_F auf. Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann beispielsweise aus demselben Material gefertigt sein wie das Substrat 11. In einigen denkbaren Ausführungsbeispielen kann die dreidimensionale Formstruktur 14 einstückig mit dem Substrat 11 ausgebildet sein. Die Dicke d_F kann bspw. einen Wert in einem Bereich von einigen Mikrometern oder einigen Millimetern aufweisen, um gleichzeitig eine hohe Stabilität und geringe Effizienzverluste zu erhalten, bspw. zumindest 1 µm und höchstens 10 mm, zumindest 10 µm und höchstens 1 mm oder zumindest 30 µm und höchstens 100 µm, etwa 50 µm, wobei andere Werte ebenso möglich sind.
Die Dicke der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann bspw. abhängig von benötigten mechanischen Stabilitäten und/oder dielektrischen Eigenschaften der dreidimensionalen Formstruktur 14 gewählt werden. Je höher die mechanische Stabilität, desto dicker kann die dreidimensionalen Formstruktur 14 gebildet werden. Je hochqualitativer ein Material der dreidimensionalen Formstruktur 14, desto dicker kann diese ausgeführt werden, ohne übermäßige Verluste der Schleifenantenne zu erzeugen und andersherum.
12 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit zumindest einer ersten dreidimensionale Formstruktur 14₁ und einer zweiten dreidimensionalen Formstruktur 14₂. Die zweiten dreidimensionalen Formstruktur 14₂ erhebt sich ebenfalls aus der Substratebene heraus. Die erste dreidimensionale Formstruktur 14₁ ist zwischen dem Substrat 11 und der zweiten dreidimensionalen Formstruktur 14₂ angeordnet, wobei an einer der ersten dreidimensionalen Formstruktur 14₁ abgewandten Seite der zweiten dreidimensionalen Formstruktur 14₁ eine ergänzende Streifenstruktur 15₂ angeordnet ist.
Die Streifenstruktur 15₁ und die ergänzende Streifenstruktur 15₂ können galvanisch getrennt voneinander sein. Die ergänzende Streifenstruktur15₂ kann von der Streifenstruktur 15₁ beabstandet sein.
In der abgebildeten bogenförmigen Ausgestaltung der dreidimensionalen Formstruktur 14₁ und/oder 14₂ kann es sich bei dieser Beabstandung D₁ oder D₂ um eine Beabstandung zwischen den Streifenstruktur 15₁ und 15₂ handeln. Bei der Beabstandung D₁ kann es sich beispielsweise auch um eine maximale Beabstandung zwischen den Streifenstrukturen handeln, beispielsweise auch bei einer anders als bogenförmig geformten dreidimensionalen Formstrukturen 14₁ und/oder 14₂, beziehungsweise bei einer anderen Form der darauf angeordneten zweiten ergänzenden Streifenstruktur 15₂. Bei komplexer geformten dreidimensionalen Formstrukturen 14 kann es sich bei der Beabstandung D₁ beispielsweise auch um eine durchschnittliche Beabstandung zwischen den beiden Streifenstrukturen15₁ und 15₂ handeln.
Ausführungsbeispiele sind nicht auf die Anordnung von 2 dreidimensionalen Formstrukturen beschränkt sondern sehen unter anderem Antennenvorrichtungen vor, die zumindest eine dritten dreidimensionalen Formstruktur aufweisen, die so angeordnet ist, dass die zweite dreidimensionale Formstruktur zwischen der zumindest dritten dreidimensionalen Formstruktur und dem Substrat angeordnet ist, wobei die ergänzende Streifenstruktur eine erste ergänzende Streifenstruktur ist, und wobei eine zweite ergänzende Streifenstruktur an der zumindest dritten dreidimensionalen Formstruktur angeordnet ist.
13A zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die ein Gehäuse 136 aufweist. Das Gehäuse 136 ist zumindest bereichsweise umfassend ein dielektrisches oder elektrisch isolierendes Material gebildet, um einen Austritt des Funksignals aus dem Gehäuse 136 zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Gehäuse 136 ein Kunststoffmaterial oder ein Glasmaterial umfassen. Kunststoffmaterial kann während einer Vereinzelung und Verkapselung der Antennenvorrichtung 10 aus einem Wafer heraus angeordnet werden. Im Inneren des Gehäuses 136 kann die Antennenvorrichtung 10 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine andere Antennenvorrichtung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen, zumindest ein Antennenarray und/oder zumindest eine elektrische Vorrichtung 10 gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen im Inneren des Gehäuses 136 angeordnet sein. Ein Innenvolumen 137 des Gehäuses 136 kann zumindest teilweise mit einem Gas, wie etwa Luft oder einem Material mit einer geringen Dielektrizitätskonstante oder zu einem geringen Leistungsverlust führendem Material gefüllt sein.
Ein Antennenarray gemäß Ausführungsformen kann zumindest eine erste und eine zweite Antennenvorrichtung aufweisen-
Das Gehäuse 136 umfasst einen Anschluss 138a, der mit der Antennen-Speiseleitung 23 verbunden sein kann. Der Anschluss 138a ist konfiguriert, um mit einem Signalausgang eines Hochfrequenzchips verbunden zu werden. Das bedeutet, dass über den Anschluss 138a beispielsweise ein Hochfrequenzsignal empfangen werden kann. Das Gehäuse 136 kann einen weiteren Anschluss 138b aufweisen, der mit einer möglicherweise angeordneten Vorderseitenmetallisierung 44 und/oder der Rückseitenmetallisierung 13 verbunden sein kann. Beispielsweise ist der Anschluss 138b mit einer als Rückleitung konfigurierten elektrischen Leitung verbunden, die durch die Rückseitenmetallisierung 42 implementiert sein kann.
13B zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die ein Gehäuse 136 aufweist und bei der die Rückseitenmetallisierung 13 mit einer Wand des Gehäuses 136 verbunden ist oder die Wand bildet, um eine Kontaktierung der Rückseitenmetallisierung 13 mit anderen Komponenten auf einfachem Wege zu ermöglichen. Der Anschluss 138a kann mit einer elektrisch leitfähigen Struktur 42, wie zum Beispiel einem Via, verbunden sein. Der Anschluss 138a kann zum Bereitstellen einer vertikalen Verbindung zu der Antennenvorrichtung 10 dienen, etwa an der Antennen-Speiseleitung 23, um die Antennenvorrichtung 10 anzuregen. Somit kann der Anschluss 138a einen Kontakt zur Umgebung der Antennenvorrichtung 10 bereitstellen.
13C zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Antennenvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Beispiel im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, bei der das Gehäuse 136 im Vergleich zu 13B als eine Linse ausgeführt ist, die ausgebildet ist, um eine Abstrahlcharakteristik des Funksignals zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Linse ausgebildet sein, um das Funksignal zu bündeln. Beispielsweise kann der Innenraum 137 des Gehäuses 136 zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt sein und eine äußere Form des Gehäuses 136 kann eine konkave oder konvexe Form aufweisen, um eine streuende oder bündelnde Funktion der Linse zu erhalten. Das Gehäuse 136 kann bei sämtlichen Antennenvorrichtungen gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet sein.
Die 14 bis 16 zeigen eine elektrische Vorrichtung 100 mit einer hierin beschriebenen Antennenvorrichtung 10. Die elektrische Vorrichtung 100 weist ein Substrat 111 mit einer mehrlagigen Schaltungsstruktur auf. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Leiterplatten-Substrat handeln.
Die mehrlagige Schaltungsstruktur kann mindestens eine eingebettete beziehungsweise integrierte Schaltungskomponente 113 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die mehrlagige Schaltungsstruktur mindestens einen Hochfrequenzchip 112 aufweisen, der in der mehrlagigen Schaltungsstruktur eingebettet beziehungsweise integriert sein kann.
Die Antennenvorrichtung 10 ist an dem Substrat 111 angeordnet und mit der mehrlagigen Schaltungsstruktur gekoppelt. Beispielsweise kann die Antennenvorrichtung 10 mit ihrer Rückseitenmetallisierung 13 direkt an dem Substrat 111 angeordnet werden und hierüber mechanisch mit dem Substrat 111 sowie elektrisch mit der mehrlagigen Schaltungsstruktur gekoppelt sein. Somit kann die Antennenvorrichtung 10 einfach auf einer oberen Schicht von konventionellen Packages oder Systemboards angeordnet und in eine konventionelle Hochfrequenzschaltung integriert werden.
Die Antennenvorrichtung 10 kann hierbei mit dem Hochfrequenzchip 112 elektrisch verbunden sein. Dies kann beispielsweise mittels eines Vias (Durchkontaktierung) 42 bewerkstelligt werden, das den Hochfrequenzchip 112 elektrisch mit der Antennen-Speiseleitung 23 und/oder direkt mit der Streifenstruktur 15 koppelt. Die Antennenvorrichtung 10 ist ausgestaltet, um ein Hochfrequenzsignal des Hochfrequenzchips 112 auszusenden und/oder ein Hochfrequenzsignal zu empfangen und dies dem Hochfrequenzchip 112 zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen.
Die Einbindung der Antennenvorrichtung 10 in die elektrische Vorrichtung 100 ist besonders einfach, weil das Substrat eben ausgestaltet ist, wenngleich die Antennenstruktur zumindest im Bereich der Streifenstruktur dreidimensional ist.
Für die Verbindung oder Ankontaktierung der elektrischen Vorrichtung 100 auf einem weiteren (hier nicht explizit dargestellten) Substrat können, etwa in 14 dargestellt, Kontaktierungselemente 115, etwa Lotkugeln, um eine nicht-lösbare Verbindung unter Verwendung des Lots zu ermögliche, etwa durch Löten und/oder sogenannte Reflow-Prozesse.
Zur thermischen Entkopplung des Hochfrequenzchips 112 können die Lotkugeln 115 an dem Hochfrequenzchip 112 angeordnet werden. Die Lotkugeln 115 weisen einen großen Wärmeleitwert auf, um entstehende Hitze von dem Hochfrequenzchip 112 abzuleiten. Alternativ oder zusätzlich kann eine Wärmeabfuhr oder Entwärmung ist durch die Verwendung einer Hitzesenke 117 (engl.: heat sink) erhalten werden, wie es in 15 dargestellt ist. Die Hitzesenke 117 kann mittels eines leitfähigen Klebers mit dem Hochfrequenzchip 112 verbunden werden.
Eine andere Möglichkeit zur thermischen Entkopplung, die alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden kann, ist in 15 gezeigt. Im Vergleich zu 14 kann zusätzlich oder alternativ zu den Lotkugeln 115 ein Hitzeleitungselement 116 mit großem Wärmeleitwert, beispielsweise ein Metallblock, vorgesehen sein. Dieser Metallblock beschränkt sich nicht nur direkt unter dem Chip, sondern kann auch auf die gesamte Breite des Substrats ausgedehnt werden. Das Substrat 111 kann, im Vergleich zu 14, beispielsweise eine zusätzliche Substratschicht 111A aufweisen, in der das Hitzeleitungselement 116 angeordnet sein kann. Optional kann zusätzlich eine Hitzesenke 117 vorgesehen sein. Die Hitzesenke 117 kann auf der Unterseite des Hitzeleitungselements 116 angeordnet sein, sodass das Hitzeleitungselement 116 zwischen dem Hochfrequenzchip 112 und der Hitzesenke 117 angeordnet ist. Die Hitzesenke 117 kann auf einem weiteren (hier nicht explizit dargestellten) Substrat angeordnet werden. Das Hitzeleitungselement kann alternativ ganz oder teilweise als Klebematerial implementiert sein, wobei hierfür unterschiedliche Materialien verwendet werden können, etwa ein aushärtender Klebstoff und/oder Wärmeleitpasten.
Eine weitere Alternative zur thermischen Entkopplung ist in 16 dargestellt. Im Vergleich zu 15 kann zusätzlich oder alternativ zu dem Hitzeleitungselement 116 mindestens ein thermisches Via 118 vorgesehen sein. Dieses Via 118 kann im Wesentlichen dieselben Zwecke erfüllen wie das Hitzeleitungselement 116. Das Via 118 kann mittels thermischer Bälle 115 und/oder mittels einer (hier nicht dargestellten) Hitzesenke, vergleichbar mit der in 15 dargestellten Hitzesenke 117, gekoppelt sein.
Gemäß weiteren, hier nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispielen, können mindestens zwei der hierin beschriebenen Antennenvorrichtungen 10 zu einem Antennenarray zusammengefasst werden.
Obwohl in vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Breite der dreidimensionalen Formstruktur 14 konstant ist, kann die Breite über die Länge L der Streifenstruktur auch veränderlich sein. Die Streifenstruktur, 15, kann auch gefaltet sein, nicht nur geradlinig wie es bisher beschrieben ist. Dadurch kann innerhalb der Länge A (s. 2A) eine längere Länge der Streifenstruktur angeordnet werden, als wenn sie Streifenstruktur geradlinig ausgelegt ist. Diese ermöglicht, dass die Streifenantenne auch für niedrige Frequenzanwendungen, beispielsweise in den Megahertz-Frequenzbereich, verwendet werden kann.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann eine nicht konstante Breite aufweisen. So kann beispielsweise die dreidimensionale Formstruktur 14 einen ersten Abschnitt aufweisen, der in einer Projektion senkrecht zur Substratebene 12 dem Substrat 11 gegenüberliegend angeordnet ist.
Dieser erste Abschnitt der dreidimensionalen Formstruktur 14 kann eine Breite aufweisen, die gleich groß wie oder größer als eine Breite der Streifenstruktur 15 ist.
Die dreidimensionale Formstruktur 14 kann außerdem mindestens einen zweiten Abschnitt aufweisen, der im Vergleich zu dem ersten Abschnitt eine geringere oder höhere Breite aufweist.
Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung 10 kann vorteilhaft in Frequenzbereichen zwischen 1 GHz und 1 THz betrieben werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Antennenvorrichtung (10) mit einem Substrat (11), das sich in einer Substratebene (12) erstreckt, wobei das Substrat (11) eine erste Seite (11A) und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seite (11B) aufweist, und einer auf der ersten Seite (11A) angeordneten dreidimensionalen Formstruktur (14), die sich aus der Substratebene (12) heraus erhebt, und einer an der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordneten Streifenstruktur (15; 15₁), und einer auf der zweiten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnete Rückseitenmetallisierung (13), die elektrisch mit der Streifenstruktur (15; 15₁) gekoppelt ist, so dass die Streifenstruktur und die Rückseitenmetallisierung eine Schleifenantenne bilden; wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) eine erste dreidimensionale Formstruktur (14₁) ist, wobei die Antennenvorrichtung eine zweite dreidimensionale Formstruktur (14₂) aufweist, die sich aus der Substratebene (12) heraus erhebt, wobei die erste dreidimensionale Formstruktur (14₁) zwischen dem Substrat (11) und der zweiten dreidimensionalen Formstruktur (14₂) angeordnet ist, wobei an einer der ersten dreidimensionalen Formstruktur (14₁) abgewandten Seite der zweiten dreidimensionalen Formstruktur (14₂) eine ergänzende Streifenstruktur (15₂) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Streifenstruktur (15; 15₁) durch eine Durchkontaktierung (42B), die sich von der ersten Seite (11A) des Substrats (11) zur zweiten Seite (11B) des Substrats (11) erstreckt, galvanisch mit der Rückseitenmetallisierung (13) gekoppelt ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Streifenstruktur (15; 15₁) galvanisch getrennt von der Rückseitenmetallisierung (13) und kapazitiv mit der Rückseitenmetallisierung (13) gekoppelt ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 3, die eine an der ersten Seite angeordnete Vorderseitenmetallisierung (44) aufweist, die mit einer Versorgungsleitung (23) eine koplanare Anordnung bildet, wobei ein der Versorgungsleitung (23) abgewandtes Antennenende (15B) mit der Vorderseitenmetallisierung (44) elektrisch verbunden ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die eine an der ersten Seite angeordnete Vorderseitenmetallisierung (44) aufweist, die mit der Rückseitenmetallisierung (13) über eine Durchkontaktierung (42B) elektrisch mit einander verbunden ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem ersten Antennenanschluss der mit der Streifenstruktur (15, 15₁) galvanisch verbunden ist, und einem zweiten Antennenanschluss, der mit der Rückseitenmetallisierung (13) galvanisch verbunden ist, wobei die Schleifenantenne durch Verbinden einer Signalquelle oder einer Signalsenke mit dem ersten und zweiten Antennenanschluss betreibbar ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Streifenstruktur (15; 15₁) eine axiale Erstreckung zwischen einem ersten Antennenende (15A) und einem zweiten Antennenende (15B) aufweist, wobei eine Antennenfrequenz der Streifenstruktur (15; 15₁) von der axialen Erstreckung zumindest beeinflusst ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 4, bei der an der ersten Substratseite (11A) benachbart zu der Versorgungsleitung (23) zumindest eine Vorderseitenmetallisierung (44) angeordnet ist, die wirksam ist, um eine Impedanzanpassung der Streifenantenne zu erhalten.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) einen ersten Substratkontaktabschnitt (16) und einen zweiten Substratkontaktabschnitt (17) aufweist und sich zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt (16) und dem zweiten Substratkontaktabschnitt (17) von dem Substrat (11) beabstandet erstreckt, und wobei die Streifenstruktur (15; 15₁) zwischen dem ersten Substratkontaktabschnitt (16) und dem zweiten Substratkontaktabschnitt (17) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Streifenstruktur (15; 15₁) in einer Ebene parallel zu der Substratebene (12) erstreckt oder in einer relativ zu der Substratebene (12) nicht parallel verlaufenden zweiten Ebene erstreckt.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) eine erste Seite (21) aufweist, die dem Substrat gegenüberliegend angeordnet und diesem zugewandt ist, und wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) eine der ersten Seite (21) gegenüberliegend angeordnete zweite Seite (22) aufweist, die dem Substrat abgewandt ist, wobei die Streifenstruktur (15; 15₁) auf der zweiten Seite (22) der dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Streifenstruktur (15; 15₁) in einer Richtung senkrecht zur Substratebene (12) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) von dem Substrat bereichsweise beabstandet ist, und wobei ein Zwischenraum (41) zwischen der dreidimensionalen Formstruktur (14) und dem Substrat ein Dielektrikum aufweist.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) ein Dielektrikum aufweist, und/oder wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) aus demselben Material gefertigt ist wie das Substrat (11) und/oder wobei die dreidimensionale Formstruktur (14) und das Substrat (11) einstückig ausgebildet sind.
Antennenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dreidimensionale Formstruktur in einer Projektion senkrecht zur Substratebene (12) eine Breite (B_F1) senkrecht zu einer axialen Erstreckung der Streifenstruktur (15; 15₁) aufweist, die größer als oder gleich groß wie eine Breite (Bs) der Streifenstruktur (15; 15₁) ist.
Antennenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Streifenstruktur (15; 15₁) und die ergänzende Streifenstruktur (15₂) galvanisch getrennt voneinander sind.
Antennenvorrichtung (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ergänzende Streifenstruktur (15₂) von der Streifenstruktur (15; 15₁) beabstandet ist.
Antennenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit zumindest einer dritten dreidimensionalen Formstruktur, die so angeordnet ist, dass die zweite dreidimensionale Formstruktur (14₂) zwischen der zumindest dritten dreidimensionalen Formstruktur und dem Substrat (11) angeordnet ist, wobei die ergänzende Streifenstruktur (15₂) eine erste ergänzende Streifenstruktur ist, und wobei eine zweite ergänzende Streifenstruktur an der zumindest dritten dreidimensionalen Formstruktur (14) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Gehäuse (136), in dem die Antennenvorrichtung (10) angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen Anschluss (138a) zum Verbinden der Antennenvorrichtung (10) mit einem Hochfrequenz-Chip (112) aufweist.
Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der das Gehäuse (136) eine Linse bildet, die ausgebildet ist, um ein von der Antennenvorrichtung (10) erzeugtes oder von der Antennenvorrichtung (10) empfangenes Funksignal zu bündeln oder zu streuen.
Antennenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Streifenstruktur (15; 15₁) oder eine ergänzende Streifenstruktur (15₂) als gefaltete Streifenstruktur gebildet ist.
Antennenarray mit einer ersten Antennenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und einer zweiten Antennenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Elektrische Vorrichtung (100) mit einer mehrlagigen Schaltungsstruktur, die zumindest einen Hochfrequenzchip (112) aufweist, und mit einer Antennenanordnung, die eine Antennenvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 und/oder ein Antennenarray gemäß Anspruch 22 umfasst, wobei die Antennenanordnung an der mehrlagigen Schaltungsstruktur angeordnet und mit dem Hochfrequenzchip (112) elektrisch verbunden ist, und wobei die Antennenanordnung ausgestaltet ist, um ein Hochfrequenzsignal des Hochfrequenzchips (112) auszusenden und/oder ein Hochfrequenzsignal zu empfangen und dem Hochfrequenzchip (112) bereitzustellen.