DE102022119691A1 - Verfahren zur Herstellung eines Antennenelementes für ein Radarsystem - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Antennenelementes für ein Radarsystem Download PDF

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Matthias Hauer
Birgit Möbius
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Antennenelementes (10) für ein Radarsystem (20), wobei das Antennenelement (10) zumindest einen ersten Kunststoffkörper (1) und einen zweiten Kunststoffkörper (2) aufweist, wobei zwischen dem ersten Kunststoffkörper (1) und dem zweiten Kunststoffkörper (2) eine Kanalstruktur mit mindestens einem Kanal (13) angeordnet ist, wobei in einem ersten Schritt der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) bereitgestellt werden, in einem zweiten Schritt der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden werden und in einem dritten Schritt die den mindestens einen Kanal (3) begrenzenden Kanalwände beschichtet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Antennenelements für ein Radarsystem, wobei das Antennenelement zumindest einen ersten Kunststoffkörper und einen zweiten Kunststoffkörper aufweist, wobei zwischen dem ersten Kunststoffkörper und dem zweiten Kunststoffkörper eine Kanalstruktur mit mindestens einem Kanal angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Antennenelement für ein Radarsystem.
  • Ein derartiges Antennenelement ist beispielsweise aus der US 2021/0183797 A1 bekannt. Radarsysteme werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt und bilden dort einen Bestandteil von Fahrerassistenzsystemen. Hierzu erfassen Radarsysteme die Umgebung und ermöglichen anhand der erfassten Daten eine automatische Reaktion eines Kraftfahrzeugs oder zumindest eine Information des Fahrers, insbesondere in Form einer Warnung. Dadurch ist es einerseits möglich, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf eine von dem Fahrer vorgegebene Geschwindigkeit zu regeln, wenn die Verkehrssituation dies zulässt, wobei automatisiert eine Anpassung der Geschwindigkeit an die Verkehrssituation erfolgen kann. In Notsituationen, die durch das Radarsystem erfasst werden, beispielsweise hervorgerufen durch unerwartete Spurwechsel anderer Fahrzeuge, kann eine automatische Notbremsung veranlasst werden. In Fahrerassistenzsystemen und Systemen des Autonomen Fahrens werden Radarsysteme häufig mit weiteren Sensoren, beispielsweise Radsensoren und Kamerasensoren kombiniert. Radarsysteme haben im Vergleich zu den anderen Systemen dabei den Vorteil, dass diese auch bei schlechten Wetterbedingungen zuverlässig sind. Darüber hinaus ist es möglich, neben der Erfassung von Abständen zu erfassten Fahrzeugen und Gegenständen, über die Nutzung des Dopplereffekts auch die Relativgeschwindigkeit zu anderen Fahrzeugen bestimmen zu können. Bei einem Radarsystem bildet das Antennenelement ein zentrales Element, welches die Funktionsfähigkeit des Radarsensors maßgeblich beeinflusst. Dabei ist es bekannt, Antennenelemente aus einem Kunststoffkörper auszubilden, in welchen Kanäle mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, welche einen Hohlleiter bilden. Das Antennenelement wird dabei direkt auf dem elektrischen Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen angeordnet.
  • Das elektrische Bauelement ist zumeist ein Mikrochip in Form eines Hochfrequenzchips, der auf einer Platine angeordnet ist. Dabei ist problematisch, dass während des Betriebs des Radarsystems eine nennenswerte Wärmeemission erfolgt, was insbesondere auf das Erfordernis der Bereitstellung von elektromagnetischen Wellen in einem für Radarwellen üblichen Spektrum mit ausreichender Reichweite zurückzuführen ist. Die Wärmeemission kann je nach Ausgestaltung des Radarsystems mehrere Watt betragen, was insbesondere bei kompakt ausgebildeten Radarsystemen mit einer hohen Wärmebelastung auf kleinem Raum einhergeht. Aus Kunststoff ausgebildete Antennenelemente sind dabei aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit nur bedingt geeignet, Wärme in geeigneter Form aus dem System abzuführen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenelement für ein Radarsystem bereitzustellen, welches kostengünstig herstellbar ist und eine lange Gebrauchsdauer aufweist.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 9 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen jeweils die Unteransprüche Bezug.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Antennenelementes für ein Radarsystem, wobei das Antennenelement zumindest einen ersten Kunststoffkörper und einen zweiten Kunststoffkörper aufweist, wobei zwischen dem ersten Kunststoffkörper und dem zweiten Kunststoffkörper eine Kanalstruktur mit mindestens einem Kanal angeordnet ist, werden in einem ersten Schritt der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper bereitgestellt, in einem zweiten Schritt werden der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden und in einem dritten Schritt werden die den mindestens einen Kanal begrenzenden Kanalwände beschichtet.
  • Dementsprechend ist das Antennenelement mindestens zweiteilig ausgebildet und umfasst zumindest zwei stapelförmig übereinander angeordnete Kunststoffkörper. Durch die mehrteilige Ausgestaltung des Antennenelementes aus mehreren Kunststoffkörpern ist es möglich, komplexe Strukturen im Inneren des Antennenelementes auszubilden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in das Antennenelement Kanäle mit metallisierten Kanalwänden eingebracht werden sollen, welche Hohlleiter bilden und dem Transport von Radarwellen dienen. Des Weiteren ermöglicht die mehrteilige Ausgestaltung die Integration von Kühlelementen und Kühlstrukturen im Inneren des Antennenelementes. Dadurch ist es möglich, das aus Kunststoff ausgebildete Antennenelement und damit auch das Radarsystem effektiv und kostengünstig zu kühlen, sodass das Radarsystem eine lange Gebrauchsdauer aufweist. Erfindungsgemäß werden die Kunststoffkörper gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden, nachdem diese bereitgestellt, beziehungsweise hergestellt wurden.
  • Vorzugsweise werden der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper mittels Spritzgießen unter Verwendung eines thermoplastischen Werkstoffs hergestellt. Als Werkstoff für die Kunststoffkörper kommen insbesondere temperaturbeständige Polymere wie Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyphenylenether (PPE), Polyamid (PA), flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyphthalamid (PPA), Polyetheretherketon (PEEK) oder Mischungen der vorgenannten Polymere in Betracht. Werden gleiche oder zumindest verwandte Kunststoffe zur Ausgestaltung der beiden Kunststoffkörper eingesetzt, ergibt sich aufgrund der Affinität der Kunststoffe zueinander eine besonders stabile Verbindung. Es kann aber auch vorteilhaft sein, für den ersten Kunststoffkörper und den zweiten Kunststoffkörper voneinander abweichende Kunststoffe zu verwenden, weil sich daraus unterschiedliche Werkstoffeigenschaften ergeben, insbesondere im Hinblick auf Schmelzpunkte und optische Eigenschaften.
  • Durch die Herstellung der Kunststoffkörper im Spritzgießverfahren ist es möglich, eine hohe Stückzahl von Kunststoffkörpern kostengünstig herzustellen, wobei die Kunststoffkörper eine komplexe Gestalt aufweisen können. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine komplex ausgebildete Kanalstruktur mit mindestens einem Kanal in die Kunststoffkörper einzuformen. Der Kanal kann dann beispielsweise einen Hohlleiter des Antennenelementes bilden. Dabei kann das Antennenelement mehrere Kunststoffkörper aufweisen, sodass in mehreren Ebenen Kanäle ausgebildet werden können. Darüber hinaus ist es auch denkbar, zwischen dem ersten Kunststoffkörper und dem zweiten Kunststoffkörper mehrere Kanäle vorzusehen. Die Kanäle können darüber hinaus Hinterschnitte aufweisen, was bei Ausgestaltung der Kanäle in einem einteiligen Kunststoffkörper nicht möglich wäre, zumindest aber einen sehr hohen Produktionsaufwand erfordern würde.
  • Der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper können nach dem Spritzgießen gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Vorzugsweise erfolgt das stoffschlüssige Verbinden von erstem Kunststoffkörper und zweitem Kunststoffkörper unmittelbar nach dem Spritzgießen. Zum Spritzgießen wird der die Kunststoffkörper ausbildende Werkstoff verflüssigt und in die Spritzgießform gegeben. In der Spritzgießform kühlt das Material auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur ab und wird aus der Spritzgießform entnommen. Werden die Kunststoffkörper direkt danach gefügt, ist es möglich, einen stoffschlüssigen Verbund der Kunststoffkörper herbeizuführen, wobei zusätzliche Klebemittel und/oder zusätzliche Temperierungen entfallen können. Insofern erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung ohne eine an das Spritzgießen nachfolgende Wärmebehandlung. In diesem Zusammenhang ist es aber denkbar, chemische Agenzien, beispielsweise Lösungsmittel zum Aktivieren polymerer Endgruppen aufzutragen. Ebenso denkbar ist, die Kunststoffkörper zur Aktivierung einer energiereichen Strahlung auszusetzen. Beide Vorbehandlungen verbessern den stoffschlüssigen Verbund der Kunststoffkörper.
  • Alternativ zu dem direkten Fügen nach dem Spritzgießen können die Kunststoffkörper zu einem späteren Zeitpunkt auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt werden, um die Kunststoffkörper stoffschlüssig zu fügen. Hierbei ist es möglich, Kunststoffkörper nach dem Spritzgießen zu bevorraten und zu einem späteren Zeitpunkt zu fügen. Vorzugsweise sind die Kunststoffkörper für das stoffschlüssige Verbinden auf eine Temperatur von 5°C bis 50°C unterhalb der Glasübergangstemperatur für den jeweiligen Werkstoff temperiert. Besonders bevorzugt ist ein Temperaturbereich zwischen 15°C und 30°C unterhalb der Glasübergangstemperatur.
  • Durch die für das Fügen im Vergleich zu einem Lötprozess reduzierten Prozesstemperaturen können der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper aus kostengünstigen Kunststoffen ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang kommen insbesondere kostengünstige und in großen Mengen verfügbare Kunststoffe wie Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polybutylenterephthalat (PBT) in Betracht.
  • Vorzugsweise werden der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper zum stoffschlüssigen Verbinden verpresst. Dadurch ergibt sich eine besonders stabile stoffschlüssige Verbindung der Kunststoffkörper und es kann ein flächiger Kontakt sichergestellt werden.
  • Damit der Kanal als Hohlleiter eines Antennenelementes fungieren kann, werden die den Kanal begrenzenden Kanalwände vorzugsweise mit einer metallischen Beschichtung versehen. Dies kann bei dem vorliegenden Verfahren durch Spülen des Kanals, beziehungsweise der Kanäle erfolgen. Dies kann beispielsweise in einer galvanischen Beschichtungsanlage erfolgen, wobei die Führung des Elektrolyts derart vorgenommen wird, dass ein guter Elektrolytaustausch in den Kanälen erfolgt. Bei dem vorliegenden Verfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur metallischen Abscheidung nur chemisch, beziehungsweise chemisch reduktiv arbeitende Elektrolyte eingesetzt werden. Als Ergebnis ergibt sich eine strahlendichte Beschichtung der Kanalwände, sodass die Kanäle als Hohlleiter fungieren können.
  • Der erste Kunststoffkörper und der zweite Kunststoffkörper können außenseitig mit einer Beschichtung versehen werden. Dadurch ist es möglich, die Oberflächen der Kunststoffkörper zu verändern und beispielsweise die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Durch eine metallische Beschichtung der äußeren Oberflächen kann sich auch eine bessere Wärmeabfuhr ergeben.
  • Das Antennenelement kann mehrere Kunststoffkörper aufweisen, wobei zwischen den Kunststoffkörpern jeweils eine Kanalstruktur ausgebildet ist, wobei die Kunststoffkörper gestapelt und stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch ist es möglich, in mehreren Ebenen Kanäle in das Antennenelement einzubringen.
  • Ein erfindungsgemäßes Antennenelement ist nach einem der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte erhältlich. Vorzugsweise bilden die Kanäle Hohlleiter aus, wobei das Antennenelement Bestandteil eines Radarsystems ist. In das Antennenelement können weitere Kanäle eingebracht sein, wobei die weiteren Kanäle als Kühlkanäle fungieren können. Ebenso ist denkbar, dass in das Antennenelement Kühlelemente eingebracht sind.
  • Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antennenelementes werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen, jeweils schematisch:
    • 1 ein Radarsystem im Schnitt;
    • 2 das Fügen der Kunststoffkörper.
  • 1 zeigt ein Radarsystem 20, welches Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems eines Fahrzeugs ist. Das Radarsystem 20 umfasst ein elektrisches Bauelement 11 zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen und ein Antennenelement 10, welches auf dem elektrischen Bauelement 11 angeordnet ist. Das Bauelement 11 ist in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet und auf einer Platine 12 angeordnet. Das Antennenelement 10 ist über eine Klebeverbindung stoffschlüssig mit dem Bauelement 11 verbunden.
  • Das Antennenelement 10 ist mehrschichtig ausgebildet und umfasst einen ersten Kunststoffkörper 1 und einen zweiten Kunststoffkörper 2. Der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 basieren auf Polycarbonat (PC). Der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 sind stoffschlüssig miteinander verbunden.
  • In die Kunststoffkörper 1, 2 sind Kanäle 3 mit metallisierten Kanalwänden eingebracht, wobei die Kanäle 3 Hohlleiter bilden. Die Hohlleiter stehen mit den Sende-Empfangseinheiten des elektrischen Bauelements 11 in Wirkverbindung. In die Kunststoffkörper 1, 2 sind darüber hinaus weitere Kanäle 4 eingebracht, wobei die weiteren Kanäle 4 Kühlkanäle ausbilden
  • Zur Herstellung des Antennenelementes 10 werden in einem ersten Schritt der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 bereitgestellt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung werden der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 mittels Spritzgießen unter Verwendung des thermoplastischen Werkstoffs Polycarbonat hergestellt.
  • In einem zweiten Schritt werden der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies ist schematisch in 2 dargestellt.
  • Hierzu werden der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 direkt nach dem Spritzgießen gefügt und verpresst. Nach dem Spritzgießen weisen die Kunststoffkörper 1, 2 eine Temperatur auf, die unterhalb der Glasübergangstemperatur liegt. Die Glasübergangstemperatur von Polycarbonat beträgt 140 °C. Zum stoffschlüssigen Verbinden sind die Kunststoffkörper 1, 2 bereits auf eine Temperatur von 120 °C abgekühlt. Bei dieser Temperatur sind die Kunststoffkörper 1, 2 formstabil, die Oberflächen der Kunststoffkörper 1, 2 sind aber dahingehend aktiviert, dass stoffschlüssige Verbindungen möglich sind. Insofern kann durch das Verpressen ein stoffschlüssiger Verbund zwischen den Kunststoffkörpern 1, 2 hergestellt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, ein Bindemittel, beispielsweise einen Klebstoff einzusetzen. Alternativ ist aber der Einsatz eines Lösungsmittels oder von energiereicher Strahlung zur Aktivierung polymerer Endgruppen.
  • In einem dritten Schritt werden die den Kanal 3 begrenzenden Kanalwände beschichtet. Dies erfolgt durch Spülen in einer galvanischen Beschichtungsanlage. In der galvanischen Beschichtungsanlage erfolgt eine metallische Abscheidung, welche die Kanalwände strahlendicht bedeckt. Für die metallische Abscheidung werden chemisch oder chemisch reduktiv arbeitende Elektrolyte eingesetzt.
  • Ferner werden der erste Kunststoffkörper 1 und der zweite Kunststoffkörper 2 außenseitig mit einer Beschichtung versehen. Die äußere Beschichtung kann ebenfalls galvanisch aufgebracht werden. Alternativ ist es möglich, die Beschichtung durch Tauchen, Spritzen oder Bedampfen auf die Oberfläche aufzubringen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2021/0183797 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Antennenelementes (10) für ein Radarsystem (20), wobei das Antennenelement (10) zumindest einen ersten Kunststoffkörper (1) und einen zweiten Kunststoffkörper (2) aufweist, wobei zwischen dem ersten Kunststoffkörper (1) und dem zweiten Kunststoffkörper (2) eine Kanalstruktur mit mindestens einem Kanal (3) angeordnet ist, wobei in einem ersten Schritt der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) bereitgestellt werden, in einem zweiten Schritt der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden werden und in einem dritten Schritt die den mindestens einen Kanal (3) begrenzenden Kanalwände beschichtet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) mittels Spritzgießen unter Verwendung eines thermoplastischen Werkstoffs hergestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) nach dem Spritzgießen gefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) zum stoffschlüssigen Verbinden auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) zum stoffschlüssigen Verbinden verpresst werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Kanalwände durch Spülen erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoffkörper (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) außenseitig mit einer Beschichtung versehen werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenelement (10) mehrere Kunststoffkörper (1, 2) aufweist, wobei zwischen den Kunststoffkörpern (1, 2) jeweils eine Kanalstruktur ausgebildet ist, wobei die Kunststoffkörper (1, 2) gestapelt und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  9. Antennenelement (10) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
  10. Antennenelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3) Hohlleiter ausbilden.
  11. Antennenelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Kanäle (4) vorgesehen sind.
  12. Antennenelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kanäle (4) als Kühlkanäle fungieren.
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