DE10354986A1

DE10354986A1 - Hochfrequenzantenne

Info

Publication number: DE10354986A1
Application number: DE10354986A
Authority: DE
Inventors: C. Allen Saline Marlow; Jay DeAvis West Bloomfield Baker; Lawrence LeRoy Novi Kneisel; Rosa Lynda Berkley Nuno; William David Farmington Hills Hopfe
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2004-06-17
Also published as: US20040095214A1; GB2396978A; GB0326542D0; US7015869B2; GB2396978B

Abstract

Die Erfindung besteht aus einem elektrischen Übertragungsapparat, der ein dreidimensionales Substrat und eine Vielzahl darauf befestigter elektrischer Geräte enthält. Das Substrat ist vorzugsweise ein Dielektrikum. Das elektrische Gerät ist vorzugsweise von der Art, wie es zum Leiten von Hochfrequenzübertragungen erforderlich ist, wie z. B. eine Mikrowellenantenne sowie Photonenempfänger und -sender. Die elektrischen Geräte sind auf dem Substrat an den Anschlusspunkten befestigt, die bei der Durchdringung einer Reihe von Durchgängen mit einer der Substratflächen gebildet werden. Die elektrischen Geräte sind auf dem Substrat auf vielfältige Weise einschließlich Lot, Flip-Chip-Kugelverbindungen, Drahtverbindungen oder Goldstiftmontage befestigt. Die Goldstiftmontage wird vor allem zur Befestigung einer Antenne auf dem Substrat eingesetzt, wodurch zwischen beiden ein vorher festgelegter Luftspalt bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Übertragungsapparat und insbesondere auf ein Lichtkanalübertragungsgerät für Hochfrequenzantennenübertragungsanwendungen.
Mikrowellen- und Lichtübertragungen werden im Allgemeinen durch Höchstfrequenzknotenpunkte ausgeführt. Für die Anweisungen und die Steuerung eines diffusen Netzwerks von individuellen Knotenpunkten ist eine zentrale Steuerung verantwortlich. Die Vernetzung zwischen der zentralen Steuerung und den Knotenpunkten ist drahtlos, und die Signale werden durch Laser oder Mikrowellen übertragen.
Anspruchsvolle Übertragungen erfordern komplexe und teure Hardware, die aus Antennen, Photorezeptoren, Festkörperlaser und Prozessoren besteht, wobei alle diese Komponenten kompakt und effizient angeordnet sein müssen. Eine Folge der räumlich engen Unterbringung dieser Komponenten ist die allgemeine Verschlechterung der elektrischen Signale und der Verlust von Übertragungsgüte bei der Datenübertragung. Die Konsequenzen sind elektrische Verluste und Interferenz, induktive und kapazitive Störungen, Laufzeitverzögerungen, Signal-Signal-Schrägverzerrrungen, Signal-Signal-Kopplung, verringerte Signalstärke und Änderung in der Phasenbeziehung zwischen den Spannungs- und Stromkomponenten eines Signals.
In Reaktion darauf ist die Erfindung ein elektrischer Übertragungsapparat, der Signalverluste und Interferenz bei Aufrechterhaltung der Übertragungsgüte von Datenübertragungen minimiert. Außerdem umfasst die Erfindung die gesamte voranstehend genannte komplexe Hardware, die jedoch effizient und kostengünstig angeordnet ist.
Die Erfindung enthält ein ein Volumen bildendes dielektrisches Material und mindestens einen innerhalb des dielektrischen Materials eingearbeiteten Durchgang. Der mindestens eine Durchgang durchdringt das Volumen an einer ersten ebenen Fläche, einer zweiten ebenen Fläche oder der dritten ebenen Fläche, wodurch eine Vielzahl von Anschlusspunkten auf der ersten ebenen Fläche, der zweiten ebenen Fläche und der dritten ebenen Fläche bereitgestellt wird. Der Durchgang besteht vorzugsweise aus einem leitenden Material. In einer Ausgestaltung durchdringen sich die erste ebene Fläche, die zweite ebene Fläche und die dritte ebene Fläche entlang einer ersten Linie, einer zweiten Linie und einer dritten Linie, und die erste Linie, die zweite Linie und die dritte Linie stehen senkrecht zueinander. Diese Konfiguration bildet im Allgemeinen ein würfelförmiges Volumen.
Auf dem dielektrischen Material oder Substrat ist mindestens ein elektrisches Gerät befestigt. Das elektrische Gerät ist vorzugsweise von der Art, wie es zum Leiten von Hochfrequenzübertragungen erforderlich ist, wie z. B. eine Antenne. Das elektrische Gerät ist auf dem Substrat an den Anschlusspunkten befestigt, die durch die Durchdringung der Durchgänge und einer der ebenen Flächen entstanden sind. Das elektrische Gerät könnte auf dem Substrat auf vielfältige Weise einschließlich Löten, Flip-Chip-Kugelverbindungen, Drahtverbindungen oder einer Goldstiftmontage befestigt sein. Die Goldstiftmontage wird vor allem zur Befestigung einer Antenne auf dem Substrat eingesetzt, wodurch dazwischen ein vorher festgelegter Luftspalt bereitgestellt wird.
1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Übertragungsapparats.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung des elektrischen Übertragungsapparats in Übereinstimmung mit der Vorzugsausgestaltung der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Übertragungsapparats, die vor allem eine Vielzahl von Durchgängen in Übereinstimmung mit einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Übertragungsapparats, die vor allem eine Vielzahl von Durchgängen in Übereinstimmung mit einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt.
5 ist eine perspektivische Darstellung des elektrischen Übertragungsapparats in einer Vorzugsausgestaltung.
Entsprechend der Vorzugsausgestaltung besteht der elektrische Übertragungsapparat 10 der Erfindung im Allgemeinen aus einem Substrat 11 mit einer darauf befestigten Anzahl von elektrischen Geräten 24, 26, 28. Obwohl drei elektrische Geräte dargestellt sind, ist klar, dass eine größere oder kleinere Anzahl von elektrischen Geräten eingesetzt werden könnte. Die elektrischen Geräte 24, 26, 28 stehen zum Beispiel durch die Leiterzüge 30 in Kommunikation, die die elektrischen Geräte 26 und 28 miteinander verbinden.
Wie in 1 gezeigt, bildet das Substrat 11 ein an sechs Seiten begrenztes Volumen, wodurch eine Vielzahl von ebenen Flächen gebildet wird. Insbesondere bildet das Substrat 11 ein Volumen mit einer ersten ebenen Fläche 12, einer zweiten ebenen Fläche 14, einer dritten ebenen Fläche 16, einer vierten ebenen Fläche 18, einer fünften ebenen Fläche 20 und einer sechsten ebenen Fläche 22. Das Substrat 11 besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen Material.
Die erste ebene Fläche 12 und die zweite ebene Fläche 14 schneiden sich entlang einer Linie A. Die erste ebene Fläche 12 und die dritte ebene Fläche 16 schneiden sich entlang einer Linie C. Die zweite ebene Fläche 14 und die dritte ebene Fläche 16 schneiden sich entlang einer Linie B. Wie in 1 gezeigt, befinden sich die Linien A, B und C senkrecht zueinander. Analog schneiden sich die vierte ebene Fläche 18 und die fünfte ebene Fläche 20 entlang einer Linie D. Die vierte ebene Fläche 18 und die sechste ebene Fläche 22 schneiden sich entlang einer Linie E. Die fünfte ebene Fläche 20 und die sechste ebene Fläche 22 schneiden sich entlang einer Linie F. Wie in 1 gezeigt, befinden sich die Linien D, E und F senkrecht zueinander. Insbesondere ist das Substrat 11 von 1 von Natur aus würfelförmig, so dass die Linien A und E, B und F bzw. C und D parallel sind.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Übertragungsapparats 10. Am in dieser Figur gezeigten Substrat 11 ist eine zweite Gruppe von elektrischen Geräten 32, 36, 40 befestigt. Die elektrischen Geräte 32, 36, 40 könnten auf unterschiedliche Art auf dem Substrat 11 befestigt sein. Die Befestigung des Elektronikgeräts 32 auf dem Substrat 11 ist zum Beispiel als Goldstiftmontage 34 dargestellt, die besonders zum Abstandhalten des Elektronikgeräts 32 zum Substrat 11 ausgelegt ist. Alternativ dazu ist die Befestigung des Elektronikgeräts 36 auf dem Substrat 11 durch Bonddrähte 38 dargestellt. Die Befestigung des Elektronikgeräts 40 auf dem Substrat 11 ist als Flip-Chip-Kugelverbindungen 42 dargestellt. Die voranstehend genannten Befestigungsmittel der jeweiligen Elektronikgeräte werden alternativ entweder in Kombination oder einzeln bei dem üblichen (nicht dargestellten) Lötverfahren angewendet.
Die in 2 gezeigten elektrischen Geräte 32, 36, 40 stehen durch mindestens einen wie in 3 gezeigten Durchgang miteinander in Verbindung. Der hier verwendete Durchgang ist ein Kanal, der durch das Substrat 11 verläuft und anschließend mit einem leitenden Metall gefüllt wird. Aus diesen Gründen bezieht sich der Ausdruck Durchgang sowohl auf den Kanal als auch seine leitenden Eigenschaften. Der Durchgang durchdringt mindestens zwei der ebenen Flächen an einem Punkt, so dass ein schmaler Leiterzug auf dem zur Befestigung eines elektrischen Geräts geeigneten Substrat 11 gebildet wird.
Das in 3 dargestellte Substrat 11 besitzt eine Vielzahl von innen angeordneten Durchgängen 44, 46, 48, 50. Die Durchgänge 44 verlaufen zum Beispiel parallel von der zweiten ebenen Fläche 14 zur sechsten ebenen Fläche 22 durch das Zentrum des Substrats 11. Analog verlaufen die Durchgänge 46 von der dritten ebenen Fläche 16 zur fünften ebenen Fläche 20 durch das Zentrum des Substrats 11. In den voranstehenden Beispielen könnten die Durchgänge 46, 48 zum Leiten elektrischer Signale quer durch die Breite des Substrats 11 verwendet werden, ohne dass sie den Umfang des Substrats 11 durchlaufen müssen, so dass sich die Gesamtlänge des Leitungswegs verringert.
Analog könnten die Durchgänge zum Leiten elektrischer Signale durch das Substrat 11 zu benachbarten Flächen verwendet werden. 3 zeigt zum Beispiel die Durchgänge 48, die von der dritten ebenen Fläche 16 zur vierten ebenen Fläche 18 verlaufen. Analog könnten die Durchgänge 50 elektrische Signale von der ersten ebenen Fläche 12 zur sechsten ebenen Fläche 22 übertragen.
Ein alternatives System von Durchgängen wird in 4 gezeigt. Dieses System enthält die Durchgänge 52, 54, 56, 58, die sich in verschiedenen Winkeln durch das Substrat 11 erstrecken. Die Durchgänge 52 stellen zum Beispiel eine elektrische Verbindung zwischen der zweiten ebenen Fläche 14 und der vierten ebenen Fläche 18 bereit. Die Durchgänge 56 verbinden die erste ebene Fläche 12 diagonal mit der sechsten ebenen Fläche 22. Die Durchgänge 54 und die Durchgänge 58 verbinden gemeinsam die dritte ebene Fläche 16 und die fünfte ebene Fläche 20, wobei sie unter Bildung einer Bogenverbindung an der sechsten ebenen Fläche 22 die sechste ebene Fläche 22 durchdringen.
5 ist eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Übertragungsapparats 10. Das Substrat 11 wird mit den in der dargestellten Perspektivansicht sichtbaren Flächen, nämlich der ersten ebenen Fläche 60, der zweiten ebenen Fläche 62 und der dritten ebenen Fläche 64 gezeigt. Eine Anzahl von elektrischen Geräten ist auf dem Substrat 11 befestigt. Ein auf der dritten ebenen Fläche 64 angeordnetes erstes elektrisches Gerät 66 ist mit einem auf der ersten ebenen Fläche 60 angeordneten zweiten elektrischen Gerät 70 über ein auf den Flächen 60, 64 des Substrats 11 befestigtes Paar Leiterzüge 68 verbunden. Das zweite elektrische Gerät 70 ist an ein ebenfalls auf der ersten ebenen Fläche 60 angeordnetes drittes elektrisches Gerät 74 und an ein auf der zweiten ebenen Fläche 62 angeordnetes viertes elektrisches Gerät 80 über die Flächenleiterzüge 72 bzw. 76 gekoppelt.
In seiner Vorzugsausgestaltung ist der erfindungsgemäße elektrische Übertragungsapparat 10 ein Hochfrequenzantennenübertragungssystem. Insbesondere das vierte elektrische Gerät 80 ist vorzugsweise eine GaAs-Antenne. Die GaAs-Antenne 80 ist mittels einer Goldstiftmontage 78 an das Substrat 11 gekoppelt. Die Goldstiftmontage 78 ist vor allem bei der Kopplung der GaAs-Antenne 80 an das Substrat 11 von Nutzen, da die Größe des Luftspalts zur Maximierung der Gesamtleistung des elektrischen Übertragungsapparats 10 vorher festgelegt werden kann.
Das erste elektrische Gerät 66, das zweite elektrische Gerät 70 und das dritte elektrische Gerät 74 umfassen im Allgemeinen eine optische Übertragungsgruppe, die besonders zur Verwendung in einer in Phase gebrachten Gruppenantenne ausgelegt ist. Bei der Ausgestaltung einer in Phase gebrachten Gruppenantenne ist das erste elektrische Gerät 66 eine CMOS-Steuerung, das dritte elektrische Gerät 74 eine PIN-Diode und das zweite elektrische Gerät 70 ein vertikaler Hohlraumlaser (VCSEL).
Als Teil einer in Phase gebrachten Gruppenantenne ist der elektrische Übernagungsapparat 10 so angeordnet, dass er mit einer (nicht dargestellten) zentralisierten Antenne und einem (nicht dargestellten) Datentransmitter optisch gekoppelt ist. Die Kommunikation und die Datenübertragung zwischen der zentralisierten Antenne und dem elektrischen Übertragungsapparat 10 werden über Photonen ausgeführt. Die PIN-Diode 74 empfängt einfallende Lichtsignale von der zentralisierten Antenne und wandelt das einfallende Signal in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird durch die CMOS-Steuerung 66 verarbeitet und eine Antwort oder Funktion durch den VCSEL 70 oder die GaAs-Antenne 80 ausgeführt. Der VCSEL 70 emittiert ein Lasersignal, das die erforderlichen Daten enthält, während die GaAs-Antenne 80 Höchstfrequenzmikrowellensignale emittiert, die ebenfalls Daten übertragen. Die abgestrahlten Transmissionen, das ausgesendete Laserlicht und die Mikrowellenausstrahlung werden von auf entfernt befindlichen Komponenten eines Übertragungsnetzwerks angeordneten Photodetektoren oder Antennen empfangen.
Wie in 5 gezeigt, enthält der elektrische Übertragungsapparat 10 eine durch die Flächenleiterzüge 68, 72, 76 vernetzte optische Übertragungsgruppe. Wie hier beschrieben, wirkt der elektrische Übertragungsapparat 10 in hochfrequenten und optischen Bandbreiten. Ein typischer Flächenleiterzug ist elektrischen Verlusten und Interferenz einschließlich induktiver und kapazitiver Störungen, Laufzeitverzögerungen, Signal-Signal-Schrägverzernungen, Signal-Signal-Kopplung, verringerte Signalstärke und Änderung in der Phasenbeziehung eines Signals unterworfen.
Um den Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Übertragungsapparats 10 zu verbessern, wird die optische Übertragungsgruppe vorzugsweise über die hier beschriebenen und in den 3 und 4 gezeigten Durchgänge elektrisch vernetzt. Durch das Leiten der Stromsignale durch die Durchgänge wird der stromführende Leiter mithilfe des Substrats 11 gegen jede elektrische Interferenz isoliert. Außerdem wird bei Verwendung der Durchgänge im Gegensatz zu den Flächenleiterzügen die Gesamtlänge der Leitung verkürzt, wodurch sich die Wirkungen der voranstehend genannten elektrischen Verluste und Störungen verringern. Trotzdem könnten die Durchgänge und die Flächenleiterzüge als Teil desselben elektrischen Übertragungsapparats 10 in Abhängigkeit von Geometrie und Toleranz der entsprechenden Elemente des elektrischen Übertragungsapparats 10 verwendet werden.
Wie beschrieben, besteht die Erfindung aus einem elektrischen Übertragungsapparat, der ein dreidimensionales Substrat, eine Antenne und eine optische Übertragungsgruppe enthält, wobei die genannten Komponenten über Durchgänge innerhalb des Substrats gekoppelt sind. Trotzdem sollte mit dem Fachgebiet vertrauten Personen klar sein, dass die voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen lediglich zur Illustration einiger der vielen möglichen spezifischen Ausgestaltungen der Erfindung dienen. Zahlreiche und verschiedene weitere Arrangements können von den mit dem Fachgebiet vertrauten Personen einfach erdacht werden, ohne dass vom in den beigefügten Patentansprüchen festgelegten Sinn und Geltungsbereich der Erfindung abgewichen wird.

Claims

Elektrischer Übertragungsapparat 10, umfassend: – ein ein Volumen bildendes dielektrisches Material, wobei das dielektrische Material außerdem eine erste ebene Fläche, eine zweite ebene Fläche und eine dritte ebenen Fläche bildet; – mindestens zwei innerhalb des dielektrischen Materials eingearbeitete Durchgänge, wobei die mindestens zwei Durchgänge die erste ebene Fläche, die zweite ebene Fläche und die dritte ebene Fläche durchdringen und dadurch eine Vielzahl von Anschlusspunkten auf der ersten ebenen Fläche, der zweiten ebenen Fläche und der dritten ebenen Fläche bereitstellen; – wobei sich die erste ebene Fläche, die zweite ebene Fläche und die dritte ebene Fläche entlang einer ersten Linie, einer zweiten Linie und einer dritten Linie durchdringen und wobei sich außerdem die erste Linie, die zweite Linie und die dritte Linie senkrecht zueinander befinden; und – wobei mindestens zwei Durchgänge elektrisch leitend sind und wobei außerdem die Vielzahl der Durchdringungspunkte Leiterzüge zur selektiven Befestigung eines elektrischen Geräts sind.
Elektrischer Übertragungsapparat nach Anspruch 1, wobei das Volumen außerdem eine vierte ebene Fläche, eine fünfte ebene Fläche und eine sechste ebene Fläche bildet, wobei sich die erste ebene Fläche, die fünfte ebene Fläche und die sechste ebene Fläche entlang einer vierten Linie, einer fünften Linie und einer sechsten Linie durchdringen und wobei sich außerdem die vierte Linie, die fünfte Linie und die sechste Linie senkrecht zueinander befinden.
Elektrischer Übertragungsapparat nach Anspruch 2, wobei mindestens zwei Durchgänge die vierte ebene Fläche, die fünfte ebene Fläche und die sechste ebene Fläche durchdringen, wodurch eine Vielzahl von Durchdringungspunkten auf der vierten ebenen Fläche, der fünften ebene Fläche und der sechsten ebene Fläche bereitgestellt wird.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens zwei Durchgänge einen linearen Abschnitt bilden, so dass der lineare Ab schnitt parallel zu entweder der ersten Linie, der zweiten Linie oder der dritten Linie ist.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens zwei Durchgänge einen linearen Abschnitt bilden, so dass der lineare Abschnitt senkrecht zu entweder der ersten Linie, der zweiten Linie oder der dritten Linie ist.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens zwei Durchgänge einen linearen Abschnitt bilden, so dass der lineare Abschnitt nicht parallel zu entweder der ersten Linie, der zweiten Linie oder der dritten Linie ist.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens zwei Durchgänge einen linearen Abschnitt bilden, so dass der lineare Abschnitt nicht senkrecht zu entweder der ersten Linie, der zweiten Linie oder der dritten Linie ist.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das elektrische Gerät eine GaAs-Antenne ist.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, außerdem umfassend mindestens einen auf der ersten ebenen Fläche, der zweiten ebenen Fläche und der dritten ebenen Fläche angeordneten Satz Metallleiterzüge, wobei die Metallleiterzüge elektrisch leitend sind.
Elektrischer Übertragungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das elektrische Gerät an dem dielektrischen Material mithilfe eines leitenden Mittels befestigt ist, wobei das leitende Mittel entweder Lot, Bonddraht, Flip-Chip-Kugelverbindungen oder eine Goldstiftmontage umfasst.