DE102019200922A1

DE102019200922A1 - Verfahren zum Herstellen einer Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur und Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur

Info

Publication number: DE102019200922A1
Application number: DE102019200922.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Strauß; Thomas Studnitzky; Martin Dressler; Ralf Collmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-30
Also published as: EP3915171A1; WO2020152194A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur (4, 5, 6) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, bei dem die mehrdimensionale Struktur (4, 5, 6) mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten (1, 2) aufweist, die nacheinander derart aufgebracht werden, dass sie einander berühren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur bzw. mehrdimensional strukturierte Antennen und eine Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur bzw. eine mehrdimensional strukturierte Antenne.
Hochfrequenzantennen, beispielsweise für den Mobilfunk, besitzen bauartbedingt oftmals eine vergleichsweise geringe Bandbreite. Es gibt unter anderem Antennen, die sämtliche kommerziell relevanten Frequenzbänder abdecken können. Dies liegt insbesondere in dem üblichen Dünnschichtaufbau solcher Bauteile, die nur eine begrenzte Flexibilität aufweisen. Dies führt dazu, dass in einem modernen Mobilfunktelefon teilweise mehr als eine Antenne montiert werden muss.
Um dieses Problem zu beheben, wurden beispielsweise fraktale Antennenstrukturen verwendet. So offenbart die Druckschrift WO 2006/082577 A1 ein sogenanntes Sierpinski-Dreieck als Struktur der Antenne, bei der unterschiedliche elektrische Längen zum Empfang weiterer Frequenzen nutzbar gemacht werden. Messungen an Dünnschichtstrukturen haben die prinzipielle Machbarkeit solcher Antennenstrukturen nachgewiesen, allerdings sind die Empfangspeaks scharf begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur und eine entsprechende Antenne bereitzustellen, mit denen dieser Nachteil vermieden wird und eine breitbandige Antenne mit breiten Empfangspeaks bereitgestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Antenne nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, bei der die mehrdimensionale Struktur mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten aufweist werden, die mindestens zwei Schichten nacheinander derart aufgebracht, dass sie einander berühren.
Durch das Vorsehen einer mehrdimensionalen, typischerweise zweidimensionalen oder dreidimensionalen, vorzugsweise fraktalen Struktur werden mehrere Empfangsbänder abgedeckt, da die mehrdimensionale Struktur unterschiedliche Längen aufweist. Durch den mehrschichtigen Aufbau mit frei definierbaren bzw. gestaltbaren Schichthöhen kann zudem die Breite der verschiedenen Empfangsbänder angepasst werden, so dass insgesamt eine effizientere Struktur mit ausgeweitetem Empfangsband und eine Skalierbarkeit insbesondere in der Höhe als dritter Dimension erreicht wird. Mit dem beschriebenen Verfahren erfolgt daher eine direkte mehrdimensionale, insbesondere dreidimensionale, Strukturierung aus einem einzigen Werkstoff ohne nachträgliche Fügeprozesse zur räumlichen Darstellung der Antenne. Die Antenne kann hierbei als Antennenstruktur, also als die mehrdimensionale Struktur, eine gruppierte, fraktale und bzw. oder flache Antennenstruktur aufweisen. Unter einem elektrisch leitfähigen Werkstoff soll hierbei ein Werkstoff verstanden werden, dessen elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C größer als 10⁶ S/m ist. Unter einer mehrdimensionalen Struktur soll hierbei jede Struktur verstanden werden, die eine nicht vernachlässigbare Ausdehnung in mindestens zwei Raumrichtungen hat. Als vernachlässigbare Ausdehnung in einer Raumrichtung soll hierbei eine Ausdehnung angesehen werden, die geringer als 5 Prozent einer Ausdehnung in einer anderen Raumrichtung ist. Als fraktale Struktur soll hierbei jede Struktur verstanden werden, die immer kleiner werdende selbstähnliche Strukturen aufweist. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für komplexere Antennengeometrien wie die bereits erwähnten fraktalen Antennenstrukturen. Eine der mindestens zwei Schichten wird typischerweise auf einem Substrat aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, mindestens eine der mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aber alle der Schichten in eine auf dem Substrat vorgefertigte Struktur einzubringen.
Vorzugsweise wird mindestens eine der Schichten durch ein dreidimensionales Siebdruckverfahren aufgebracht, bei dem ein Sieb mit vorgegebenen Öffnungen über dem zu beschichtenden Substrat oder der zu beschichtenden Schicht platziert wird und ein zu druckender Werkstoff durch die Öffnungen aufgebracht wird. Dies erlaubt eine definierte und effiziente Strukturierung. Vorzugsweise wird bei dieser Verfahrensart lagenweise eine Paste, typischerweise eine metallhaltige Paste, in beliebiger Form aufeinander gedruckt, so dass die Struktur eine Höhe von mehreren Millimetern erhält.
Bei dreidimensional gestalteten Antennen beträgt eine Höhe typischerweise 80 µm bis 10 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 5 mm. Insbesondere bei fraktalen Antennen kann die Höhe zwischen 0,1 mm und 1,5 mm betragen. Optional kann die Struktur danach gesintert werden, um volle metallische Eigenschaften zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Härten ohne Sintern durchgeführt werden, beispielsweise durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten (200 nm-380 nm) oder infraroten (780 nm-3 µm) Wellenlängenbereich und bzw. oder Kleben.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Schichten durch eine metallische Schmelzbeschichtung aufgebracht wird. Diese auch als „Fused Filament Fabrication“ bezeichnete Verfahrensart kann ebenfalls mit einem nachfolgenden Sinterschritt kombiniert werden, es kann aber auch, wie bereits beschrieben, auch alternativ oder zusätzlich ein Härten ohne Sintern erfolgen.
Mindestens eine der Schichten kann durch ein dreidimensionales Strahlverfahren, vorzugsweise selektives Laserschmelzen (selective laser melting), Elektronenstrahllithographie (electron beam deposition) oder konventionelle Lithographie, vorzugsweise Lithographie im ultravioletten Wellenlängenbereich, erfolgen, um genau definierte Strukturen bei kleinen Längen zu generieren.
Alternativ oder zusätzlich kann eine der Schichten durch ein Rapid-Prototyping-Verfahren, insbesondere durch Laminated Object Manufacturing, aufgebracht werden, um eine zeiteffiziente Ausgestaltung der Schicht zu ermöglichen.
Es kann auch vorgesehen sein, eine Kontur mindestens einer der Schichten durch Stanzen zu erhalten. Bei der fertig abgeschiedenen Schicht kann dann in schneller und einfacher Weise die gewünschte Kontur generiert werden.
Eine Kontur mindestens einer der Schichten kann auch durch Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden ausgebildet werden. Auch bei dieser Verfahrensart wird eine bereits abgeschiedene oder ausgebildete Schicht nachfolgend konturiert und strukturiert.
Mindestens eine der Schichten kann durch Laserauftragsschweißen, das auch als laser-wirecladding bezeichnet wird, ausgebildet werden, um eine definierte Abscheidung elektrisch leitfähigen Werkstoffs in effizienter Weise zu gewährleisten.
Eine Nachbehandlung der mehrdimensionalen Struktur kann durch ein Eingießen in einen elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff, ein Umformen oder ein Infiltrieren mit einem weiteren Funktionswerkstoff und bzw. oder einer zusätzlichen Stützstruktur erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es bei beispielsweise aus Kupfer gefertigten Antennen auch möglich, eine flächige Passivierungsschicht auf diesen vorzusehen.
Die beschriebenen Verfahrensarten zur Herstellung können auch miteinander kombiniert werden, so dass unterschiedliche Schichten mit unterschiedlichen Verfahrensarten hergestellt werden.
Es können mehr als zwei Schichten vorgesehen sein, aus denen die Antenne und die fraktale Struktur aufgebaut sind. Die Schichten können alle eine gleiche Form bzw. Kontur aufweisen, es kann aber auch zumindest paarweise eine unterschiedliche Form und bzw. oder Kontur vorgesehen sein. Ebenso kann der Werkstoff der jeweiligen Schichten immer identisch oder paarweise verschieden sein. Vorzugsweise stehen die Schichten aber in direktem, also unmittelbar einander berührenden, Kontakt. Somit wird ein Mehrschichtsystem realisiert, bei dem die erste Schicht typischerweise nur die benachbarte Schicht oder alternativ nur die benachbarte Schicht und das Substrat berührt, die letzte Schicht nur die ihr benachbarte Schicht berührt und alle zwischend er ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordneten Schichten die jeweils benachbarten Schichten berühren.
Eine Antenne weist eine mehrdimensionale Struktur auf und ist aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet. Die mehrdimensionale Struktur weist mindestens zwei übereinander angeordnete, einander berührende Schichten auf. Eine dieser mindestens zwei Schichten ist vorzugsweise auf einem Substrat aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff angeordnet.
Die fraktale Struktur kann als ein Sierpinski-Dreieck, ein Sierpinski-Teppich oder eine Sinusspiralstruktur ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der elektrisch leitfähige Werkstoff ein Metall, eine elektrisch leitfähige Keramik oder ein mit einem Metall oder einer elektrisch leitfähigen Keramik gefüllter, elektrisch nichtleitender Matrixwerkstoff ist. Vorzugsweise ist der elektrisch leitfähige Werkstoff Kupfer, Aluminium und bzw. oder Edelstahl sowie Legierungen daraus.
Die beschriebene Antenne wird typischerweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt bzw. das beschriebene Verfahren ist zum Herstellen der beschriebenen Antenne geeignet.
In einem Mobiltelefon, einem Radargerät und bzw. oder einem Richtfunkgerät ist typischerweise eine Antenne mit den beschriebenen Eigenschaften eingebaut.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Ansicht einer mehrdimensionalen Antenne;
2 ein Sierpinski-Dreieck;
3 eine Empfangscharakteristik einer als Sierpinski-Dreieck ausgebildeten Antenne verglichen mit einer Simulation;
4 einen Sierpinski-Teppich und
5 eine Sinusspirale.

1 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht einen Schichtaufbau einer Antenne, bei der auf einem Substrat 3 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff in direktem Kontakt eine erste Schicht 1 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff und auf der ersten Schicht 1 ebenfalls in unmittelbar berührendem Kontakt eine zweite Schicht 2 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff aufgebracht sind.
Sowohl die erste Schicht 1 als auch die zweite Schicht 2 sind in Form einer mehrdimensionalen und fraktalen Struktur, im dargestellten Ausführungsbeispiel, in Form eines Sierpinski-Dreiecks 4 gehalten, und fluchtend übereinander angeordnet, d. h. sie weisen insbesondere identische Abmessungen auf. Dieses Sierpinski-Dreieck 4 ist in 2 in Draufsicht dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Sierpinski-Dreieck 4 eine Segmentlänge von 3 mm auf und ist insgesamt 1,2 mm hoch in Kupfer gedruckt und gesintert. In 3 sind die Empfangspeaks dieser Antenne im Vergleich mit einer Simulation dargestellt. Die Antenne zeigt eine große Anzahl an Empfangspeaks, die zudem sehr breit sind, so dass eine Nutzung über eine Breite von fast 18 GHz möglich ist.
Zum Herstellen der in 1 in seitlicher Ansicht dargestellten Antenne kann mindestens eine der Schichten 1 oder 2 durch ein dreidimensionales Siebdruckverfahren abgeschieden werden, durch das in einfacher Weise sowohl die Höhe als auch die Geometrie jeder Schicht 1, 2 definiert werden kann. Eine Höhe der Antenne kann hierbei zwischen 50 µm und 2000 µm betragen.
Als Werkstoff, aus dem die erste Schicht 1 und bzw. oder die zweite Schicht 2 ausgebildet sind, können neben Metallen wie Kupfer oder Aluminium auch Legierungen wie Stahl oder elektrisch leitfähige Keramiken verwendet werden. Die Schichten 1, 2 können auch so ausgebildet werden, dass mindestens eine Schräge, mindestens ein Überhang oder ähnliches in Höhenrichtung integriert ist. Die Schichten 1 und 2 können auch jeweils unterschiedliche Höhen aufweisen, aber auch eine identische Höhe bzw. generell identische Abmessungen aufweisen. Eine Ankoppelart der Antenne an weitere elektrische oder elektronische Einheiten oder Geräte kann sowohl galvanisch als auch kapazitiv sein.
Neben dem dreidimensionalen Siebdruck können als weitere Herstellverfahren für mindestens eine der Schichten 1, 2 metallisches Fused Filament Fabrication, dreidimensionale Strahlverfahren, Laminated Object Modelling, Stanzen, Laserstrahlschneiden, Wasserstrahlschneiden, einer spanenden Bearbeitung oder Laser-Wirecladding verwendet werden. Eine beliebige Kombination der Herstellverfahren ist hierbei möglich.
Wie in 4 in einer Draufsicht gezeigt, kann auch ein Sierpinski-Teppich 5 als fraktale Struktur der Antenne dienen. Generell können fraktale Strukturen mit mehr als drei unterschiedlichen Längen, also mehr als drei selbstähnlichen, sich lediglich in ihrer Länge unterscheidenden Strukturmerkmalen, zum Empfang genutzt werden.
Wie in 5 ebenfalls in Draufsicht gezeigt, kann auch eine Sinusspirale 6 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine weitere sich kontinuierlich ändernde Struktur mit Krümmungen in der zweiten oder dritten Dimension eingesetzt werden.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/082577 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur (4, 5, 6) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, bei dem die mehrdimensionale Struktur (4, 5, 6) mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten (1, 2) aufweist, die nacheinander derart aufgebracht werden, dass sie einander berühren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten durch ein dreidimensionales Siebdruckverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten durch eine metallische Schmelzschichtung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten durch ein dreidimensionales Strahlverfahren, vorzugsweise selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahllithographie und/oder Lithographie, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten durch ein Rapid-Prototyping-Verfahren, insbesondere durch Laminated Object Manufacturing, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur mindestens einer der Schichten durch Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten durch Laserauftragsschweißen ausgebildet wird.
Antenne mit einer mehrdimensionalen Struktur (4, 5, 6) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, wobei die mehrdimensionalen Struktur (4, 5, 6) mindestens zwei übereinander angeordnete, einander berührende Schichten (1, 2) aufweist.
Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensionale Struktur (4, 5, 6), als fraktale Struktur, vorzugsweise als ein Sierpinski-Dreieck (4), ein Sierpinski-Teppich (5) oder eine Sinusspiralstruktur (6) ausgebildet ist.
Antenne nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Werkstoff ein Metall, eine elektrisch leitfähige Keramik oder ein mit Metall oder elektrisch leitfähiger Keramik gefüllter, elektrisch nichtleitender Matrixwerkstoff ist.