DE112018002313T5

DE112018002313T5 - Elektromagnetischer Reflektor zur Verwendung in einem dielektrischen Resonator-Antennensystem

Info

Publication number: DE112018002313T5
Application number: DE112018002313.3T
Authority: DE
Inventors: Gianni Taraschi; Kristi Pance; Shawn P. Williams; Karl E. SPRENTALL; Stephen O'Connor; Murali Sethumadhavan; Michael S. White
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2020-03-19
Also published as: KR20190142318A; CN110603689B; WO2018204124A1; US20190123448A1; CN110603689A; TW201843879A; GB2573950A; US11876295B2; KR102472067B1; TWI771411B; JP2020519043A; GB201911978D0; GB2573950B; JP7136794B2

Abstract

Eine elektromagnetische Vorrichtung beinhaltet: eine elektromagnetisch reflektierende Struktur mit einer elektrisch leitfähigen Struktur und einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren, die integral mit der elektrisch leitfähigen Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen; wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet ist; und wobei jeder Reflektor aus der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitfähigen Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 19. April 2018 eingereichten U.S. Application Serial No. 15/957,078 , die den Nutzen der am 6. Oktober 2017 eingereichten U.S. Provisional Application Serial No. 62/569,051 beansprucht, die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden. Diese Anmeldung beansprucht auch den Nutzen der U.S. Application Serial No. 15/957,043 , eingereicht 19. April 2018, die den Nutzen der U.S. Provisional Application Serial No. 62/500,065 , eingereicht am 2. Mai 2017, beansprucht, die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein elektromagnetisches Gerät, insbesondere auf eine elektromagnetisch reflektierende Struktur zur Verwendung in einem dielektrischen Resonatorantennensystem (DRA), und insbesondere auf eine monolithische elektromagnetisch reflektierende Struktur zur Verwendung in einem DRA-System, das für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen gut geeignet ist.
Während bestehende DRA-Resonatoren und -Arrays für ihren Zweck geeignet sein können, wird die Art der DRAs mit einer elektromagnetischen Vorrichtung weiterentwickelt, die für den Aufbau eines DRA-Systems mit hoher Verstärkung und hoher Richtwirkung im Fernfeld nützlich ist und bestehende Nachteile überwinden kann, wie beispielsweise begrenzte Bandbreite, begrenzte Effizienz, begrenzte Verstärkung, begrenzte Richtwirkung oder komplexe Fertigungstechniken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform beinhaltet eine elektromagnetische Vorrichtung mit: einer elektromagnetisch reflektierenden Struktur, die eine elektrisch leitende Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren umfasst, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen; wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet ist; und wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitenden Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitenden Struktur bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die exemplarischen, nicht einschränkenden Zeichnungen, bei denen gleichartige Elemente in den zugehörigen Figuren gleich nummeriert sind:

1 stellt eine gedrehte isometrische Ansicht einer exemplarischen elektromagnetischen (EM) Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform dar;
Die 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F und 2G stellen alternative Schaltpläne einer Vielzahl von Reflektoren der EM-Vorrichtung von 1 dar, die in einer Anordnung mit einem geordneten Mittenabstand zwischen benachbarten Reflektoren gemäß einer Ausführungsform angeordnet sind;
3 stellt einen in der Höhe betrachteten Querschnitt einer exemplarischen EM-Vorrichtung ähnlich dem von 1 dar, die jedoch aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet ist, die nach der Bildung gemäß einer Ausführungsform unteilbar voneinander sind;
4 stellt einen in der Höhe betrachteten Querschnitt einer exemplarischen EM-Vorrichtung ähnlich der von 1 dar, die jedoch aus einer ersten Anordnung und einer zweiten Anordnung von Komponenten gebildet und in einem teilweise montierten Zustand gemäß einer Ausführungsform dargestellt ist;
5 stellt eine exemplarische EM-Vorrichtung ähnlich der von 3 mit einer Vielzahl von DRAs gemäß einer Ausführungsform dar;
6 stellt eine exemplarische EM-Vorrichtung ähnlich der von 4 mit einer Vielzahl von DRAs dar und wird in einem vollständig montierten Zustand gemäß einer Ausführungsform dargestellt;
7 stellt einen in der Höhe betrachteten Querschnitt durch die Schnittlinie 7-7 von 5 gemäß einer Ausführungsform dar;
8 stellt eine exemplarische EM-Vorrichtung ähnlich der von 1-6 auf einer nicht ebenen Fläche gemäß einer Ausführungsform dar;
9 stellt eine Draufsicht auf einen Teil der EM-Vorrichtung von 4 gemäß einer Ausführungsform dar;
10 stellt einen in der Höhe betrachteten Querschnitt einer exemplarischen EM-Vorrichtung dar, die alternativ zu der in 6 dargestellten ist und unter anderem eine Streifenleitungszuführungsstruktur gemäß einer Ausführungsform verwendet;
11 stellt eine Draufsicht auf die exemplarische EM-Vorrichtung von 10 dar, die gemäß einer Ausführungsform als Anordnung angeordnet ist;
Die 12 und 13 stellen alternative Verfahren zur Herstellung der EM-Vorrichtung von 10 gemäß einer Ausführungsform dar;
Die 14A und 14B stellen jeweils eine Querschnittsansicht der EM-Vorrichtung der 10-11 dar, die unter anderem elektrisch leitende Massebohrungen gemäß einer Ausführungsform verwendet;
Die 15 und 16 stellen Draufsichten alternativer exemplarischer EM-Vorrichtungen ähnlich denen von 14B dar, jedoch mit einer Einspeisestruktur in Form eines substratintegrierten Hohlleiters gemäß einer Ausführungsform;
17 stellt eine Draufsicht einer alternativen exemplarischen EM-Vorrichtung ähnlich der von 16 dar, jedoch mit mehreren DRAs, die mit einem einzigen integrierten Substrathohlleiter gemäß einer Ausführungsform gespeist werden; und
18 stellt gedrehte isometrische Ansichten von Beispiel-DRAs dar, die für einen hierin offenbarten Zweck gemäß einer Ausführungsform nützlich sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die folgende detaillierte Beschreibung viele Besonderheiten zur Veranschaulichung enthält, wird jeder Fachmann verstehen, dass viele Variationen und Änderungen der folgenden Details im Rahmen der Ansprüche liegen. Dementsprechend werden die folgenden exemplarischen Ausführungsformen ohne Verlust der Allgemeingültigkeit und ohne Einschränkung der beanspruchten Erfindung dargelegt.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen beinhalten verschiedene Anordnungen für eine elektromagnetische (EM) Vorrichtung, die zum Aufbau eines DRA-Systems mit hoher Verstärkung und hoher Richtungsabhängigkeit im Fernfeld geeignet ist. Eine Ausführungsform einer EM-Vorrichtung, wie hierin offenbart, beinhaltet eine oder mehrere einheitliche EM-reflektierende Strukturen mit einer elektrisch leitenden Struktur, die als elektrische Erdungsstruktur dienen kann, und einen oder mehrere elektrisch leitende EM-Reflektoren, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen.
Eine Ausführungsform einer EM-Vorrichtung, wie hierin offenbart, beinhaltet ein oder mehrere DRAs, die innerhalb der jeweiligen der einen oder mehreren elektrisch leitenden EM-Reflektoren angeordnet sind, um eine EM-Vorrichtung in Form eines DRA-Systems mit hoher Verstärkung bereitzustellen.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff einheitlich eine einzelne Anordnung von einem oder mehreren Bestandteilen, die in Bezug aufeinander selbsttragend sind, mit jedem Mittel verbunden werden können, das für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, und die mit oder ohne Beschädigung der einen oder mehreren Bestandteile trennbar sein können.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck einteilige Struktur eine einzige Anordnung aus einem oder mehreren Komponenten, die in Bezug aufeinander selbsttragend sind, die keinen Bestandteil aufweist, der bei normalem Gebrauch vollständig von einem anderen der einen oder mehreren Komponenten getrennt werden kann, und die keinen Bestandteil aufweist, der vollständig von einem anderen der einen oder mehreren Komponenten getrennt werden kann, ohne einen Teil eines zugehörigen Bestandteils zu zerstören oder zu beschädigen.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff integral gebildet eine Struktur, die mit dem Rest der Struktur gemeinsamen Material gebildet ist, ohne Materialdiskontinuitäten von einem Bereich der Struktur zum anderen, wie beispielsweise eine Struktur, die aus einem Kunststoffformverfahren, einem 3D-Druckverfahren, einem Abscheidungsverfahren oder einem bearbeiteten oder geschmiedeten Metallbearbeitungsverfahren hergestellt wurde. Alternativ bedeutet integral geformt eine einheitliche, einteilige, unteilbare Struktur.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff monolithisch eine Struktur, die integral aus einer einzigen Materialzusammensetzung gebildet wird.
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet eine Ausführungsform einer EM-Vorrichtung 100 eine einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 mit einer elektrisch leitenden Struktur 104 und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren 106, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur 104 ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit dieser stehen. Die Vielzahl von Reflektoren 106 sind in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet, wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren 106 eine Wand 108 bildet, die eine Aussparung 110 mit einer elektrisch leitfähigen Basis 112 definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur 104 bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht, und wobei die elektrisch leitfähige Basis 112 eine Zuführstruktur 113 beinhaltet, die zum Empfangen eines elektromagnetischen Signals konfiguriert ist. In einer Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Struktur 104 konfiguriert, um eine elektrische Erdungsreferenzspannung der EM-Vorrichtung 100 bereitzustellen. Während 1 die Wände 108 mit einer kegelstumpfförmigen Form (abgewinkelte Wand gegenüber der z-Achse) darstellt, ist der Umfang der Erfindung nicht darauf begrenzt, da die Wände 108 der Reflektoren 106 vertikal gegenüber der z-Achse sein können (am besten zu sehen in Bezug auf die 3-6).
In einer Ausführungsform ist die einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 eine monolithische Struktur, die aus einer einzigen Materialzusammensetzung ohne makroskopische Nähte oder Verbindungen gebildet wird. Wie im Folgenden näher beschrieben, sind die Ausführungsformen der Erfindung jedoch nicht auf eine solche monolithische Struktur beschränkt.
Obwohl 1 ein zwei-mal-zwei Array von Reflektoren 106 darstellt, ist zu beachten, dass dies nur zur Veranschaulichung dient und dass der Umfang der Erfindung nicht auf ein zwei-mal-zwei Arrays beschränkt ist. Als solches wird anerkannt, dass 1 repräsentativ für eine beliebige Anzahl von Reflektoren einer einheitlichen, elektromagnetisch reflektierenden Struktur ist, die mit der Offenbarung hierin übereinstimmt, einschließlich mehrerer Reflektoren einer beliebigen Anzahl und in einer beliebigen Anordnung oder eines einzelnen Reflektors.
In einer Ausführungsform und unter Bezugnahme auf 1 und 2A-2G kann die Vielzahl von Reflektoren 106 in einer Anordnung mit einem Mittenabstand zwischen benachbarten Reflektoren gemäß einer der folgenden Anordnungen angeordnet werden: gleich beabstandet zueinander in einer x-y-Gitterformation, wobei A=B (siehe 1 und 2A); beabstandet in einer Diamantformation, wobei die Diamantform der Diamantformation entgegengesetzte Innenwinkel aufweist α<90 Grad und entgegengesetzte Innenwinkel β>90 Grad (siehe 2B, zum Beispiel); voneinander beabstandet in einem einheitlichen periodischen Muster (siehe 2A, 2B, 2C, 2D, zum Beispiel); voneinander beabstandet in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster (siehe 2E, 2F, 2G, zum Beispiel); voneinander beabstandet in einem schrägen Gitter in einem einheitlichen periodischen Muster (siehe 2C, zum Beispiel); voneinander beabstandet in einem radialen Gitter in einem einheitlichen periodischen Muster (siehe 2D, zum Beispiel); voneinander beabstandet in einem x-y-Raster in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster (siehe 2E, zum Beispiel); voneinander beabstandet in einem schrägen Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster (siehe 2F, zum Beispiel); voneinander beabstandet auf einem radialen Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster (siehe 2G, zum Beispiel); voneinander beabstandet auf einem nicht-x-y Gitter in einem einheitlichen periodischen Muster (siehe 2B, 2C, 2D, zum Beispiel); voneinander beabstandet auf einem nicht-x-y Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster (siehe 2F, 2G, zum Beispiel). Während hierin verschiedene Anordnungen der Vielzahl von Reflektoren dargestellt sind, beispielsweise über die 1 und 2A-2G, ist zu beachten, dass diese Anordnungen die vielen Anordnungen nicht ausschöpfen können, die im Einklang mit einem hierin offenbarten Zweck konfiguriert werden können. Als solches werden alle Anordnungen der Vielzahl der hierin offenbarten Reflektoren für einen hierin offenbarten Zweck erwogen und als im Bereich der hierin offenbarten Erfindung liegend betrachtet.
In einer Ausführungsform und mit Bezug jetzt auf 3 kann die einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 der EM-Vorrichtung 100 eine Verbundstruktur sein, die aus zwei oder mehreren Bestandteilen gebildet ist, die nach der Bildung unteilbar voneinander sind, ohne die zwei oder mehr Bestandteile dauerhaft zu beschädigen oder zu zerstören. So kann beispielsweise die einheitliche elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 einen nichtmetallischen Abschnitt 300 (z.B. der einen oder mehrere nichtmetallische Abschnitte umfassen kann) und eine metallische Beschichtung 350 umfassen, die über mindestens einem Abschnitt des nichtmetallischen Abschnitts 300 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist die metallische Beschichtung 350 über alle freiliegenden Oberflächen des nichtmetallischen Abschnitts 300 angeordnet, wobei die metallische Beschichtung 350 anschließend aus Gründen, die einem hierin offenbarten Zweck entsprechen (wie beispielsweise zur Herstellung einer Zuführstruktur 113 mit einer Öffnung 114), bearbeitet, geätzt oder anderweitig entfernt werden kann. Die hierin offenbarte metallische Beschichtung kann Kupfer oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material sein, das für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, und kann eine plattierte Schicht, eine abgeschiedene oder galvanisch abgeschiedene oder dampfbeschichtete Beschichtung oder eine physikalisch dampfabgeschiedene metallische Beschichtung, eine plattierte oder galvanisch abgeschiedene Beschichtung oder eine stromlos plattierte Beschichtung oder eine andere Schicht, Beschichtung oder Abscheidung eines Metalls oder eine Zusammensetzung sein, die ein Metall umfasst, das für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist. In einer Ausführungsform umfasst der nichtmetallische Abschnitt 300 ein Polymer, ein Polymerlaminat, ein verstärktes Polymerlaminat, ein glasverstärktes Epoxidlaminat oder jedes andere polymere Material oder jede andere Zusammensetzung, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, wie beispielsweise ein geformtes Polymer oder ein Spritzgusspolymer. Wie dargestellt, beinhaltet die in 3 dargestellte einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 eine elektrisch leitfähige Struktur 104 und eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren 106, die integral mit der elektrisch leitfähigen Struktur 104 ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit dieser stehen. Jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren 106 bildet eine Wand 108, die eine Aussparung 110 mit einer elektrisch leitfähigen Basis 112 definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur 104 bildet oder mit ihr in elektrischer Verbindung steht, und wobei die elektrisch leitfähige Basis 112 eine Öffnung 114 beinhaltet, die zum Empfangen eines elektromagnetischen Signals konfiguriert ist, wie beispielsweise von Mikrostreifeneinspeisungen 116. Generell kann die Einspeisestruktur 113 eine beliebige Übertragungsleitung sein, einschließlich einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, oder ein Hohlleiter, wie beispielsweise ein im Substrat integrierter Hohlleiter. In einer Ausführungsform kann die elektrisch leitfähige Basis 112 ein und dasselbe mit der elektrisch leitfähigen Struktur 104 sein. In einer Ausführungsform sind die elektrisch leitfähige Basis 112 und die elektrisch leitfähige Struktur 104 über eine dazwischenliegende dielektrische Schicht 118 von den Mikrostreifenzuführungen 116 getrennt. In einer weiteren Ausführungsform und alternativ zum Mikrostreifen 116 kann ein Koaxialkabel 120 innerhalb der Öffnung 114 angeordnet werden, wobei sich die Öffnung 114 durch die dielektrische Schicht 118 zum Einführen des Koaxialkabels 120 erstrecken würde. Obwohl 3 sowohl einen Mikrostreifen 116 als auch ein Koaxialkabel 120 darstellt, ist zu beachten, dass eine solche Darstellung nur zu illustrativen Zwecken erfolgt und dass eine Ausführungsform der Erfindung nur eine Art von Signalzuführung oder eine beliebige Kombination von Signalzuführungen verwenden kann, wie hierin offenbart oder wie anderweitig in der Technik bekannt.
In einer 60 GHz-Anwendung kann die EM-Vorrichtung 100 folgende Abmessungen aufweisen: eine Höhe 122 der Reflektorwand 108 von etwa 1 Millimeter (mm); eine Gesamtöffnungsgröße 124 der Aussparung 110 von etwa 2,2 mm; eine Mindestwanddickengröße 126 zwischen benachbarten Reflektoren 106 von etwa 0,2 mm; eine Öffnungsgröße 128 der Öffnung 114 von etwa 0,2 mm; und eine Dickengröße 130 der dielektrischen Schicht 118 von etwa 0,1 mm.
Unter Bezugnahme auf 4 beinhaltet eine Ausführungsform die einheitliche elektromagnetisch reflektierende Struktur 102, die aus einer ersten Anordnung 400 und einer zweiten Anordnung 450 gebildet wird, wobei die erste Anordnung 400 einen ersten nichtmetallischen Abschnitt 402 mit einer ersten metallischen Beschichtung 404 und die zweite Anordnung 450 einen zweiten nichtmetallischen Abschnitt 452 mit einer zweiten metallischen Beschichtung 454 aufweist. Mindestens ein Abschnitt 456 der zweiten metallischen Beschichtung 454 steht in elektrischer Verbindung mit mindestens einem Abschnitt 406 der ersten metallischen Beschichtung 404, wenn die erste und zweite Anordnung 400, 450 miteinander verbunden sind (siehe Montagepfeile 132). Die elektrische Verbindung zwischen den Abschnitten 406 und 456 kann mit allen Mitteln hergestellt werden, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet sind, wie beispielsweise durch metallurgisches Verbinden durch Wärme- und/oder Druckbehandlung, metallurgisches Verbinden durch Vibrationsschweißen, metallurgisches Verbinden durch Metalllöten oder Kleben durch ein elektrisch leitfähiges Harz, wie beispielsweise ein mit Silber gefülltes Epoxidharz. Solche Verbindungsbeispiele werden hierin nur als nicht einschränkende Beispiele vorgestellt und sollen nicht alle möglichen Möglichkeiten einschließen, einen gewünschten Grad an elektrischer Kommunikation für einen hierin offenbarten Zweck zu erreichen. Die erste Anordnung 400, insbesondere die erste metallische Beschichtung 404, stellt zumindest teilweise die elektrisch leitfähige Struktur 104 dar. Die zweite Anordnung 450, und insbesondere die zweite metallische Beschichtung 454, stellt zumindest teilweise die Vielzahl der elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren 106 mit den Wänden 108 bereit, die die Aussparungen 110 definieren und zumindest teilweise umgeben. Ein weiterer Abschnitt 408 der ersten metallischen Beschichtung 404 bildet die elektrisch leitfähige Basis 112, die einen Teil der elektrischen Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Struktur 104 bildet oder sich in dieser befindet. In einer Ausführungsform beinhaltet die elektrisch leitfähige Basis 112, insbesondere die erste metallische Beschichtung 404, eine Öffnung 114, die zum Empfangen eines elektromagnetischen Signals konfiguriert ist. Wie in 4 dargestellt, weist der erste nichtmetallische Abschnitt 402 eine erste Seite 402.1 und eine gegenüberliegende zweite Seite 402.2 auf, wobei die erste metallische Beschichtung 404 mit der Öffnung 114 auf der ersten Seite 402.1 des ersten nichtmetallischen Abschnitts 402 angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist ein elektrisch leitfähiger Mikrostreifen 116 auf der zweiten Seite 402.2 des ersten nichtmetallischen Abschnitts 402 angeordnet, wobei der Mikrostreifen 116 in Signalverbindung mit der Öffnung114 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist die Öffnung114 eine geschlitzte Öffnung mit einer Längsschlitzrichtung, die orthogonal zum Mikrostreifen 116 angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform und alternativ zum Mikrostreifen 116 kann ein Koaxialkabel 120 innerhalb der Öffnung114 angeordnet werden, wobei sich die Öffnung114 hier durch den ersten nichtmetallischen Abschnitt 402 zum Einführen des Koaxialkabels 120 in diese erstrecken würde (ähnlich der Darstellung in 3, zum Beispiel). In einer weiteren Ausführungsform kann eine Streifenleitung auf der zweiten Seite 402.2 des ersten nichtmetallischen Abschnitts 402 (ähnlich dem Mikrostreifen 116) und ein rückseitiger nichtmetallischer Abschnitt zum Einfassen (sandwichieren) der Streifenleitung angeordnet sein, wobei der rückseitige nichtmetallische Abschnitt eine Grundplatte beinhaltet, die die Streifenleitung abschirmt (am besten gesehen und weiter unten in Bezug auf 10 erläutert).
Aus den vorstehenden Beschreibungen zu den 3 und 4 ist zu beachten, dass eine Ausführungsform einer EM-Vorrichtung 100 eine einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 mit einer Kombination aus einem nichtmetallischen Abschnitt 300, 402, 452 und einer metallischen Beschichtung 350, 404, 454 über mindestens einem Abschnitt des nichtmetallischen Abschnitts beinhaltet, wobei die Kombination eine elektrisch leitende Struktur 104 und einen elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektor 106 bildet, die integral mit und in elektrischer Verbindung mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet sind, wobei der Reflektor eine Wand 108 bildet, die eine Aussparung 110 mit einer elektrisch leitfähigen Basis 112 definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur bildet oder mit ihr in elektrischer Verbindung steht, und wobei die elektrisch leitfähige Basis eine Öffnung114 aufweist, die zum Empfangen eines elektromagnetischen Signals konfiguriert ist.
Es wird nun auf die 5 und 6 in Kombination mit den 1, 3 und 4 verwiesen, wobei 5 die einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 ähnlich der von 3 darstellt und 6 die einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 ähnlich der von 4 darstellt, wenn sie montiert und an den Verbindungsabschnitten 406, 456 elektrisch verbunden ist. Die 5 und 6 stellen jeweils eine Vielzahl von dielektrischen Resonatorantennen (DRAs) 500 dar, wobei jeder DRA 500 in einer Eins-zu-Eins-Beziehung mit dem jeweiligen der Vielzahl von Reflektoren 106 angeordnet ist, und wobei jeder DRA 500 auf einer jeweils zugeordneten der elektrisch leitenden Basis 112 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist jeder DRA 500 direkt auf einer jeweils zugeordneten der elektrisch leitfähigen Basis 112 angeordnet, was durch DRA 502 in den 5 und 6 dargestellt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist jeder DRA 500 auf einer jeweils zugeordneten der elektrisch leitfähigen Basis 112 mit einem dazwischen angeordneten dielektrischen Material 504 angeordnet, was durch den DRA 506 veranschaulicht wird, der auf dem dielektrischen Material 504 in den 5 und 6 angeordnet ist. In einer Ausführungsform, die ein dazwischenliegendes dielektrisches Material 504 verwendet, weist das dazwischenliegende dielektrische Material 504 eine Dicke „t“ auf, die gleich oder kleiner als 1/50 einer Betriebswellenlänge λ der EM-Vorrichtung 100 ist, wobei die Betriebswellenlänge λ im freien Raum gemessen wird. In einer Ausführungsform ist eine Gesamthöhe „Hr“ eines gegebenen Reflektors aus der Vielzahl der Reflektoren 106 kleiner als eine Gesamthöhe „Hd“ eines entsprechenden aus der Vielzahl der DRAs 500, in einer Höhenansicht betrachtet. In einer Ausführungsform ist Hr gleich oder größer als 80% von Hd.
Unter Bezugnahme noch auf die 5 und 6 beinhaltet eine Ausführungsform eine Anordnung, bei der angrenzende Nachbarn der Vielzahl von DRAs 500 optional über eine relativ dünne Verbindungsstruktur 508 verbunden (dargestellt durch gestrichelte Linien) werden können, die im Vergleich zu einem Gesamtaußenmaß der zugehörigen verbundenen DRA 502, 506 relativ dünn ist. 7 stellt eine Querschnittsansicht durch die Schnittlinie 7-7 der Verbindungsstruktur 508 in Bezug auf den DRA 500 dar, wobei die Verbindungsstruktur 508 eine Höhenabmessung 134 und eine Breitenabmessung 136 aufweist und wobei jede der Abmessungen 134 und 136 relativ dünn ist, wie beispielsweise gleich oder kleiner als λ, oder gleich oder kleiner als λ/2 zum Beispiel. In einer Ausführungsform sind die benachbarten Nachbarn der Vielzahl von DRAs 500 die absolut nächsten benachbarten Nachbarn. In einer weiteren Ausführungsform sind die angrenzenden Nachbarn der Vielzahl von DRAs 500 die diagonal am nächsten liegenden benachbarten Nachbarn.
Jeder DRA 500 ist mit einer definierten Frequenz f mit einer zugehörigen Betriebswellenlänge λ, gemessen im freien Raum, in Betrieb, und die Vielzahl der Reflektoren 106 und der zugehörigen DRAs 500 sind in einer Anordnung mit einem Mittenabstand (über die Gesamtgeometrie eines gegebenen DRA-Arrays) zwischen benachbarten Reflektoren gemäß einer der folgenden Anordnungen angeordnet: die Reflektoren 106 und die zugehörigen DRAs 500 sind relativ zueinander mit einem Abstand von gleich oder kleiner als λ beabstandet; die Reflektoren 106 und die zugehörigen DRAs 500 sind relativ zueinander mit einem Abstand von gleich oder kleiner als λ und gleich oder größer als +λ/2 beabstandet; oder, die Reflektoren 106 und die zugehörigen DRAs 500 sind relativ zueinander mit einem Abstand von gleich oder kleiner als λ/2 beabstandet. Beispielsweise bei λ für eine Frequenz von gleich 10 GHz ist der Abstand von der Mitte eines DRAs zur Mitte eines nächsten benachbarten DRAs gleich oder kleiner als etwa 30 mm oder zwischen etwa 15 mm und etwa 30 mm oder gleich oder kleiner als etwa 15 mm.
In einer Ausführungsform sind die Vielzahl von Reflektoren 106 relativ zueinander auf einer ebenen Fläche angeordnet, wie beispielsweise die in den 3 und 4 dargestellte elektrisch leitfähige Struktur 104. Der Umfang der Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, da die Vielzahl der Reflektoren 106 relativ zueinander auf einer nicht ebenen Fläche 140 (siehe z.B. 8), wie z.B. einer Kugelfläche oder einer Zylinderfläche, angeordnet werden kann.
In einer Ausführungsform einer Vielzahl von DRAs 500 und einer EM-Vorrichtung 100, wie hierin offenbart, können die DRAs 500 einzeln, selektiv oder mehrfach von einer oder mehreren der Signalzuführungen, wie beispielsweise Mikrostreifen 116 (oder Streifenleitung) oder Koaxialkabel 120, gespeist werden. Während hierin nur ein Mikrostreifen 116 und ein Koaxialkabel 120 als exemplarische Signalzuführungen dargestellt sind, kann im Allgemeinen die Anregung eines bestimmten DRAs 500 durch jede Signalzuführung erfolgen, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, wie beispielsweise ein Kupferdraht, ein Koaxialkabel, ein Mikrostreifen (z.B. mit geschlitzter Öffnung), eine Streifenleitung (z.B. mit geschlitzter Öffnung), ein Hohlleiter, ein oberflächenintegrierter Hohlleiter, ein substratintegrierter Hohlleiter oder eine leitfähige Tinte, die beispielsweise elektromagnetisch mit dem jeweiligen DRA 500 gekoppelt ist. Wie von einem Fachmann verstanden wird, ist der Begriff elektromagnetisch gekoppelt ein Kunstbegriff, der sich auf eine absichtliche Übertragung elektromagnetischer Energie von einem Ort zum anderen bezieht, ohne notwendigerweise einen physischen Kontakt zwischen den beiden Orten einzugehen, und in Bezug auf eine hierin offenbarte Ausführungsform bezieht er sich insbesondere auf eine Wechselwirkung zwischen einer Signalquelle mit einer elektromagnetischen Resonanzfrequenz, die mit einem elektromagnetischen Resonanzmodus des zugehörigen DRAs zusammenfällt. In denjenigen Signalzuführungen, die direkt in einen gegebenen DRA eingebettet sind, durchläuft die Signalzuführung die Bodenstruktur in nicht-elektrischem Kontakt mit der Bodenstruktur über eine Öffnung in der Bodenstruktur in ein Volumen aus dielektrischem Material. Wie hierin verwendet, beinhaltet die Bezugnahme auf dielektrische Materialien, die keine nichtgasförmigen dielektrischen Materialien sind, Luft, die bei Standard Atmosphärendruck (1 Atmosphäre) und Temperatur (20 Grad Celsius) eine relative Permittivität (ε_r ) von etwa Eins aufweist. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „relative Dielektrizitätskonstante“ auf „Permittivität“ abgekürzt oder austauschbar mit dem Begriff „Dielektrizitätskonstante“ verwendet werden. Unabhängig von dem verwendeten Begriff würde ein Fachmann den Umfang der hierin offenbarten Erfindung problemlos aus einem Studium der gesamten hierin enthaltenen Offenbarung der Erfindung erfassen.
Obwohl Ausführungsformen hier als Senderantennensysteme bezeichnet werden können, ist zu beachten, dass der Anwendungsbereich der Erfindung nicht so begrenzt ist und auch Empfängerantennensysteme umfasst.
In Anbetracht dessen ist zu beachten, dass eine Ausführungsform der hierin offenbarten EM-Vorrichtung 100, mit oder ohne DRAs 500, auf einem Substrat vom Typ einer Leiterplatte (PCB) oder auf Waferebene (z.B. Halbleiterwafer, wie beispielsweise ein Wafer auf Siliziumbasis) eines elektronischen Bauteils ausgebildet werden kann. Für eine Leiterplatte kann die EM-Vorrichtung 100 durch Blindfertigungsverfahren oder Durchgangsbohrungen gebildet werden, um die Aussparungen 110 zu erzeugen. Die EM-Vorrichtung 100 kann über anderen Laminatschichten angeordnet werden, wobei zwischen ihnen ein Mikrostreifenzuführungsnetz 116 (oder ein Streifenleitungszuführungsnetz) angeordnet ist, und HF-Chips und andere elektronische Komponenten können auf der Rückseite des Laminats montiert werden, wobei die Öffnungen 114 elektromagnetisch mit den Mikrostreifenzuführungen 116 verbunden sind.
In einer Ausführungsform können die Aussparungen 110 durch mechanisches Bohren oder Laserbohren und/oder Fräsen oder Bohren von Durchgängen (Durchgangs-Vias), beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 2 mm, durch eine Platte oder ein Substrat wie den vorgenannten zweiten nichtmetallischen Abschnitt 452 gebildet werden (siehe 4), Beschichten der gebohrten Platte mit einem Metall, wie beispielsweise der vorgenannten zweiten metallischen Beschichtung 454, und Verbinden der gebohrten und beschichteten Platte, wobei die Kombination aus gebohrter und beschichteter Platte gleichbedeutend mit der vorgenannten zweiten Anordnung 450 ist, beispielsweise mit der vorgenannten ersten Anordnung 400 (siehe 4) unter Verwendung eines Niedertemperatur-Verbindungsverfahrens, wie beispielsweise weniger als 300 Grad Celsius, das die Verwendung von FR-4 glasverstärktem Epoxidharz oder ähnlichen Materialien als dielektrisches Substrat für mindestens den zweiten nichtmetallischen Abschnitt 452 ermöglichen würde. 9 stellt eine Draufsicht auf eine exemplarische Bohr- und Beschichtungsplatte (zweite Anordnung 450) dar, wobei die in 4 dargestellte zweite Anordnung 450 durch die Schnittlinie 4-4 geführt wird. Nun wird auf 10 verwiesen, die eine alternative Ausführungsform einer Baugruppe 1000 mit einer abgeschirmten Streifenleitungszuführung darstellt. Wie dargestellt, beinhaltet die Anordnung 1000 eine einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102, ähnlich der von 4, jedoch mit einigen Unterschieden in der Struktur der ersten Anordnung 400, die einen ersten nichtmetallischen Abschnitt 402 mit einer ersten metallischen Beschichtung 404 auf einer ersten Seite 402.1 des ersten nichtmetallischen Abschnitts 402 und eine Streifenleitung 117 auf einer zweiten Seite 402.2 des ersten nichtmetallischen Abschnitts 402 (ähnlich dem in 4 dargestellten Mikrostreifen 116) aufweist, einen rückseitigen nichtmetallischen Abschnitt 410, der vorgesehen ist, um die Streifenleitung 117 zwischen dem ersten nichtmetallischen Abschnitt 402 und dem rückseitigen nichtmetallischen Abschnitt 410 sandwichartig zu verbinden, und eine pre-preg-Schicht 412, die vorgesehen ist, um den ersten nichtmetallischen Abschnitt 402 und den rückseitigen nichtmetallischen Abschnitt 410 zu verbinden, wobei die Streifenleitung 117 dazwischen angeordnet ist. Eine Außenfläche (unten) des rückseitigen nichtmetallischen Abschnitts 410 beinhaltet eine elektrisch leitende Erdungsstruktur 104, die über die elektrisch leitenden Pfade 414 mit der ersten metallischen Beschichtung 404 elektrisch verbunden ist. Die in 10 dargestellten Merkmale der zweiten Anordnung 450 sind die gleichen wie die in Verbindung mit 4 beschriebenen und werden daher hier nicht wiederholt, sondern einfach in 10 mit ähnlichen Referenzziffern aufgezählt.
Ebenfalls in 10 dargestellt sind DRAs 500, ohne die oben beschriebenen relativ dünnen Verbindungsstrukturen 508, wobei die DRAs 500 auch durch die Referenznummer 510 bezeichnet werden, um DRAs mit einer allgemeinen äußeren Form anzuzeigen, die sich von denen in 4 unterscheiden. In 10 weisen die DRAs 510 beispielsweise eine Kugelnasenform auf, bei der die Seitenwände keinen linearen oder vertikalen Abschnitt aufweisen, sondern kontinuierlich gekrümmt von einem breiten proximalen Ende an der elektrisch leitfähigen Basis 112 zu einem schmalen distalen Ende an einer oberen Spitze der DRAs 510 übergehen. Im Allgemeinen dienen die 5, 6, 7 und 10 dazu, zu veranschaulichen, dass ein DRA 500, der für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, jede Form (Querschnittsform, wie sie in einer Aufrissansicht gesehen wird, und Querschnittsform, wie sie in einer Draufsicht gesehen wird) aufweisen kann, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, wie beispielsweise kuppelförmig mit vertikalen Seitenwänden, kugelförmige Nasenform ohne vertikale Seitenwände, halbkugelförmig oder eine Kombination aus den vorstehenden. Darüber hinaus kann jeder hierin offenbarte DRA 500 ein einteiliger massiver DRA, ein hohler Luftkern DRA oder ein mehrschichtiger DRA mit dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten sein, von denen alle Versionen durch die (optionalen) gestrichelten Linien dargestellt sind, die im linken DRA 510 in 10 dargestellt sind.
11 stellt eine Draufsicht auf eine Anordnung der DRAs 510 von 10 dar, die in den jeweiligen Aussparungen 110 einer einheitlichen elektromagnetisch reflektierenden Struktur 102 angeordnet sind. Bemerkenswert in 11 ist das gesamte DRA-Maß „a“ in x-Richtung, das größer ist als das gesamte DRA-Maß „b“ in y-Richtung, das zur Steuerung der Anpassungs- und/oder Fernfeldstrahlung in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Versorgungsstruktur dient. Im Allgemeinen kann ein DRA 500, der für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, jede Form aufweisen (Querschnittsform, wie sie in einer Draufsicht beobachtet wird), die für einen hier offenbarten Zweck geeignet ist.
Es wird nun auf die 12 und 13 in Kombination mit 10 verwiesen, die im Allgemeinen zwei Verfahren 600, 650 zur Herstellung der Baugruppe 1000 aus 10 veranschaulichen.
Im Verfahren 600: erstens wird das Zuführsubstrat 602 hergestellt; zweitens wird die Reflektorstruktur an dem Zuführsubstrat 604 befestigt; und schließlich werden dielektrische Komponenten wie DRAs auf dem Zuführsubstrat 606 bereitgestellt, die durch Umspritzen, 3D-Drucken, Pick-and-Place oder jedes andere Fertigungsmittel, das für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, erreicht werden können.
Verfahren 600 kann weiter beschrieben werden als ein Verfahren 600 zur Herstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einer elektromagnetisch reflektierenden Struktur, die eine elektrisch leitende Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren umfasst, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur gebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen, wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitenden Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitenden Struktur bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen der elektromagnetisch reflektierenden Struktur und Einsetzen derselben in eine Form; und Formen einer oder mehrerer dielektrischer Resonatorantennen, DRAs, auf die elektromagnetisch reflektierende Struktur und Ermöglichen, dass die DRAs zumindest teilweise aushärten; wobei die eine oder mehreren DRAs in einer Eins-zu-Eins-Beziehung mit einer entsprechenden der Aussparungen angeordnet sind.
Im Verfahren 650: erstens wird das Zuführsubstrat 652 hergestellt; zweitens werden dielektrische Komponenten wie DRAs auf dem Zuführsubstrat 654 bereitgestellt, was durch Umspritzen, 3D-Drucken, Pick-and-Place oder andere Fertigungsmittel, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet sind, erreicht werden kann; und schließlich wird die Reflektorstruktur an dem Zuführsubstrat 656 befestigt.
Verfahren 650 kann weiter beschrieben werden als ein Verfahren 650 zur Herstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einer elektromagnetisch reflektierenden Struktur, die eine elektrisch leitende Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren umfasst, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur gebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen, wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet sind, wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitenden Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitenden Struktur bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Zuführstruktur, die die elektrisch leitfähige Struktur umfasst, und Einsetzen der Zuführstruktur in eine Form; Formen einer oder mehrerer dielektrischer Resonatorantennen, DRAs, auf die Zuführstruktur und ermöglichen, dass die DRAs zumindest teilweise aushärten, um eine DRA-Subkomponente bereitzustellen; und Bereitstellen einer Reflektorstruktur, die die Vielzahl von elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren umfasst, und Befestigen der Reflektorstruktur an der DRA-Subkomponente, so dass die Vielzahl von elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren integral mit der elektrisch leitfähigen Struktur gebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen; wobei die eine oder die mehreren DRAs in einer Eins-zu-Eins-Beziehung mit einer entsprechenden der Aussparungen angeordnet sind.
In beiden Verfahren 600 oder 650 kann das Zuführsubstrat eine Platine (z.B. PCB), ein Wafer (z.B. Siliziumwafer oder ein anderer halbleiterbasierter Wafer) oder die erste Anordnung 400 sein, die entweder in 4 oder 10 dargestellt ist, die Reflektorstruktur kann die zweite Anordnung 450 sein, die entweder in 4 oder 10 dargestellt ist, und die dielektrischen Komponenten können jede der DRAs 500 sein, die in den mehreren hierin dargestellten Figuren dargestellt sind.
Es wird nun auf die 14A und 14B in Kombination mit 1 verwiesen, wobei 14A eine Querschnittsansicht in der Höhe darstellt und 14B eine Querschnittsansicht einer EM-Vorrichtung 100 darstellt, die eine einheitliche, elektromagnetisch reflektierende Struktur 102 mit einer elektrisch leitenden Struktur 104 und einen elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektor 106 umfasst, der integral mit der elektrisch leitenden Struktur 104 ausgebildet ist oder in elektrischer Verbindung mit dieser steht. Der Reflektor 106 bildet eine Wand 108, die eine Aussparung 110 mit einer elektrisch leitfähigen Basis 112 definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur 104 bildet oder mit ihr in elektrischer Verbindung steht, und wobei die elektrisch leitfähige Basis 112 eine Zuführstruktur 113 beinhaltet, die zum Empfangen eines elektromagnetischen Signals konfiguriert ist. Wie dargestellt, ist ein DRA 500 in der Aussparung 110 angeordnet und steht in Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Sockel 112. Vergleicht man die 14A und 14B mit 10, so sind Ähnlichkeiten erkennbar. So weist beispielsweise die Ausführungsform der 14A, 14B eine Zuführstruktur 113 in Form einer Streifenleitung 117 auf, die in ein dielektrisches Medium, wie beispielsweise ein pre-preg Medium 412, eingebettet ist, und weist elektrisch leitende Pfade 414 in Form von Erdungsbohrungen auf, die die elektrisch leitende Basis 112 mit der elektrisch leitenden Struktur (Masse) 104 elektrisch verbinden. Die elektrisch leitfähigen Basis 112 von der elektrisch leitfähigen Struktur 104 trennend, durch die die Massebohrungen 414 verlaufen, ist ein dielektrisches Medium 416, das einem oder mehreren der ersten nichtmetallischen Abschnitte 402, 410 oder 412 ähnlich ist (siehe oben in Verbindung mit 10).
Es wird nun auf die 15 und 16 in Kombination mit den 14A und 14B verwiesen, wobei jede der 15 und 16 alternative Draufsichten einer EM-Vorrichtung 100, ähnlich der von 14B, darstellt, jedoch mit einer alternativen Einspeisestruktur 113 in Form eines substratintegrierten Hohlleiters (SIW-substrate integrated waveguide) 115, der die Streifenleitung 117 der 14A und 14B ersetzt. Der Zuführweg des SIW 115 ist in Bezug auf die 15 und 14A und in Bezug auf die 16 und 14A zu sehen, wobei der Zuführweg des SIW 115 eine obere elektrisch leitfähige Hohlleitergrenze aufweist, die durch die elektrisch leitfähige Basis 112 gebildet ist, eine untere elektrisch leitfähige Hohlleitergrenze, die durch die elektrisch leitfähige (Erdungs-)Struktur 104 gebildet ist, und links/rechts elektrisch leitfähige Hohlleitergrenzen, die durch die elektrisch leitfähigen Vias 414 gebildet sind, die die elektrisch leitfähige Basis 112 mit der elektrisch leitfähigen (Erdungs-)Struktur 104 verbinden. Ein dielektrisches Medium 416 ist zwischen der vorgenannten Hohlleitergrenzen angeordnet und kann einem oder mehreren des ersten nichtmetallischen Abschnitts 402, des rückseitigen nichtmetallischen Abschnitts 410 oder der pre-preg Schicht 412 (siehe oben in Verbindung mit 10) oder einem anderen dielektrischen Medium, das für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, ähnlich sein. Im Vergleich zu den 15 und 16 kann die Breite Wg der SIW 115 kleiner sein als die Breite Wc einer Einheitszelle der EM-Vorrichtung 100 (definiert durch das Gesamtaußenmaß der Reflektorwand 108), wie in 15 dargestellt, oder die Breite Wg der SIW 115 kann gleich oder im Wesentlichen gleich der Breite Wc einer Einheitszelle der EM-Vorrichtung 100 (definiert durch das Gesamtaußenmaß der Reflektorwand 108) sein, wie in 16 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 17 beinhaltet eine Ausführungsform eine EM-Vorrichtung 100, bei der mehrere DRAs 500 mit einer einzigen SIW 115 versorgt werden. Und obwohl nur zwei DRAs 500 in 17 dargestellt sind, ist zu beachten, dass dies nur zu Veranschaulichungszwecken geschieht und dass der Umfang der Erfindung nicht darauf begrenzt ist und eine beliebige Anzahl von DRAs 500 im Einklang mit der hierin enthaltenen Offenbarung beinhaltet. Andere in 17 dargestellte Merkmale, die wie Merkmale mit anderen hierin enthaltenen Abbildungen sind, werden mit gleichen Referenznummern aufgezählt, ohne dass eine weitere Beschreibung erforderlich ist.
Während verschiedene Ausführungsformen von DRAs 500 hierin beschrieben und veranschaulicht wurden, ist es zu beachten, dass der Umfang der Erfindung nicht auf DRAs 500 beschränkt ist, die nur die bisher beschriebenen und veranschaulichten dreidimensionalen Formen aufweisen, sondern jede 3-D-förmige DRA umfasst, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, einschließlich halbkugelförmig geformter DRAs 512, zylindrisch geformter DRAs 514 und rechteckig geformter DRAs 516, wie beispielsweise in 18 dargestellt.
Die dielektrischen Materialien zur Verwendung hierin werden ausgewählt, um die gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften für einen hierin offenbarten Zweck bereitzustellen. Die dielektrischen Materialien umfassen im Allgemeinen eine thermoplastische oder wärmehärtende (duroplastische) Polymermatrix und eine Füllstoffzusammensetzung, die einen dielektrischen Füllstoff enthält. Das dielektrische Volumen kann, bezogen auf das Volumen des dielektrischen Volumens, 30 bis 100 Volumenprozent (Vol%) einer Polymermatrix und 0 bis 70 Vol% einer Füllstoffzusammensetzung oder 30 bis 99 Vol% einer Polymermatrix und 1 bis 70 Vol% einer Füllstoffzusammensetzung oder 50 bis 95 Vol% einer Polymermatrix und 5 bis 50 Vol% einer Füllstoffzusammensetzung umfassen. Die Polymermatrix und der Füllstoff sind so ausgewählt, dass sie ein dielektrisches Volumen mit einer für einen hierin offenbarten Zweck konsistenten Dielektrizitätskonstante und einem Verlustfaktor von weniger als 0,006 oder weniger als oder gleich 0,0035 bei 10 GigaHertz (GHz) bereitstellen. Der Verlustfaktor kann nach dem IPC-TM-650 Xband- Streifenleitungsverfahren oder nach dem Split Resonator Verfahren gemessen werden.
Das dielektrische Volumen umfasst ein Polymer mit niedriger Polarität, niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem Verlust. Das Polymer kann 1,2-Polybutadien (PBD), Polyisopren, Polybutadien-Polyisopren-Copolymere, Polyetherimid (PEI), Fluorpolymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid, Polyetheretheretherketon (PEEK), Polyamidimid umfassen, Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat, Polycyclohexylenterephthalat, Polyphenylenether, die auf allylierten Polyphenylenethern basieren, oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst. Kombinationen von niederpolaren Polymeren mit höherpolaren Polymeren können ebenfalls verwendet werden, nicht einschränkende Beispiele einschließlich Epoxid und Polyphenylenether, Epoxid und Polyetherimid, Cyanatester und Polyphenylenether sowie 1,2-Polybutadien und Polyethylen.
Fluorpolymere umfassen fluorierte Homopolymere, z.B. PTFE und Polychlortrifluorethylen (PCTFE), und fluorierte Copolymere, z.B. Copolymere aus Tetrafluorethylen oder Chlortrifluorethylen mit einem Monomer wie Hexafluorpropylen oder Perfluoralkylvinylether, Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, Ethylen oder eine Kombination aus mindestens einem der vorgenannten Stoffe. Das Fluorpolymer kann eine Kombination aus verschiedenen mindestens einem dieser Fluorpolymere umfassen.
Die Polymermatrix kann wärmehärtendes Polybutadien oder Polyisopren umfassen. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „wärmehärtendes Polybutadien oder Polyisopren“ Homo- und Copolymere, die Einheiten umfassen, die sich von Butadien, Isopren oder Kombinationen davon ableiten. Einheiten, die sich von anderen copolymerisierbaren Monomeren ableiten, können auch im Polymer vorhanden sein, z.B. in Form von Pfropfen. Exemplarische copolymerisierbare Monomere sind unter anderem vinylaromatische Monomere, wie beispielsweise substituierte und unsubstituierte monovinylaromatische Monomere wie Styrol, 3-Methylstyrol, 3,5-Diethylstyrol, 4-n-Propylstyrol, alpha-Methylstyrol, alpha-Methylvinyltoluol, para-Hydroxystyrol, para-Methoxystyrol, alpha-Chlorostyrol, alpha-Bromostyrol, Dichlorstyrol, Dibromostyrol, Tetra-Chlorostyrol und dergleichen; und substituierte und unsubstituierte divinylaromatische Monomere wie Divinylbenzol, Divinyltoluol und dergleichen. Kombinationen, die mindestens eines der vorstehend genannten copolymerisierbaren Monomere umfassen, können ebenfalls verwendet werden. Exemplarische wärmehärtende Polybutadiene oder Polyisoprene umfassen unter anderem Butadien-Homopolymere, Isopren-Homopolymere, Butadien-Vinylaromaten-Copolymere wie Butadien-Styrol, Isopren-Vinylaromaten-Copolymere wie Isopren-Styrol-Copolymere und dergleichen.
Auch das wärmehärtende Polybutadien oder Polyisoprene können modifiziert werden. So können die Polymere beispielsweise mit Hydroxyl-Endgruppen, Methacrylat-Endgruppen, Carboxylat-Endgruppen oder dergleichen versehen sein. Nachreagierte Polymere können verwendet werden, wie z.B. Epoxid-, Maleinsäureanhydrid- oder Urethan-modifizierte Polymere aus Butadien- oder Isoprenpolymeren. Die Polymere können auch vernetzt werden, beispielsweise durch divinylaromatische Verbindungen wie Divinylbenzol, z.B. ein mit Divinylbenzol vernetztes Polybutadien-Styrol. Exemplarische Materialien werden von ihren Herstellern weitgehend als „Polybutadiene“ eingestuft, z.B. Nippon Soda Co., Tokio, Japan, und Cray Valley Hydrocarbon Specialty Chemicals, Exton, PA. Kombinationen können auch verwendet werden, z.B. eine Kombination aus einem Polybutadien-Homopolymer und einem Poly(butadien-Isopren)-Copolymer. Kombinationen, die ein syndiotaktisches Polybutadien umfassen, können ebenfalls nützlich sein.
Das wärmehärtende Polybutadien oder Polyisopren kann bei Raumtemperatur flüssig oder fest sein. Das flüssige Polymer kann ein zahlenmittleres Molekulargewicht (Mn) von mehr als oder gleich 5.000 g/mol aufweisen. Das flüssige Polymer kann einen Mn von weniger als 5.000 g/mol oder 1.000 bis 3.000 g/mol aufweisen. Wärmehärtbares Polybutadien oder Polyisoprene mit mindestens 90 Gew.-% 1,2-Zusatz, kann nach der Aushärtung aufgrund der großen Anzahl von zur Vernetzung verfügbaren hängenden Vinylgruppen eine höhere Vernetzungsdichte aufweisen. Das Polybutadien oder Polyisopren kann in der Polymerzusammensetzung in einer Menge von bis zu 100 Gew.-% oder bis zu 75 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Polymermatrixzusammensetzung, oder 10 bis 70 Gew.-% oder 20 bis 60 oder 70 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Polymermatrixzusammensetzung, vorhanden sein.
Andere Polymere, die mit dem duroplastischen Polybutadien oder Polyisoprenen co-härten (mitvernetzen) können, können für spezifische Eigenschafts- oder Verarbeitungsmodifikationen hinzugefügt werden. Um beispielsweise die Stabilität der Spannungsfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften des dielektrischen Materials im Laufe der Zeit zu verbessern, kann in den Systemen ein Ethylen-Propylen-Elastomer mit niedrigerem Molekulargewicht verwendet werden. Ein Ethylen-Propylen-Elastomer, wie es hierin verwendet wird, ist ein Copolymer, Terpolymer oder ein anderes Polymer, das hauptsächlich Ethylen und Propylen umfasst. Ethylen-Propylen-Elastomere können weiter klassifiziert werden als EPM-Copolymere (d.h. Copolymere von Ethylen und Propylenmonomeren) oder EPDM-Terpolymere (d.h. Terpolymere von Ethylen-, Propylen- und Dienmonomeren). Insbesondere Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymerkautschuke weisen gesättigte Hauptketten auf, wobei die Ungesättigtheit außerhalb der Hauptkette für eine einfache Vernetzung verfügbar ist. Flüssige Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymerkautschuke, bei denen das Dien Dicyclopentadien ist, können verwendet werden.
Die Molekulargewichte der Ethylen-Propylen-Kautschuke können weniger als 10.000 g/mol Viskosität durchschnittlichen Molekulargewichts (Mv) betragen. Der Ethylen-Propylen-Kautschuk kann einen Ethylen-Propylen-Kautschuk mit einem Mv von 7.200 g/mol beinhalten, der bei Lion Copolymer, Baton Rouge, LA, unter dem Handelsnamen TRILENE™ CP80 erhältlich ist; einen flüssigen Ethylen-Propylen-Dicyclopentadien-Terpolymerkautschuk mit einem Mv von 7.000 g/mol, der aus Lion-Copolymer unter dem Handelsnamen TRILENE™ 65 erhältlich ist; und ein flüssiges Ethylen-Propylen-Ethyliden-Norbornen-Terpolymer mit einem Mv von 7.500 g/mol, das aus Lion-Copolymer unter dem Namen TRILENE™ 67 erhältlich ist.
Der Ethylen-Propylen-Kautschuk kann in einer Menge vorhanden sein, die wirksam ist, um die Stabilität der Eigenschaften des dielektrischen Materials über die Zeit aufrechtzuerhalten, insbesondere der dielektrischen Festigkeit und der mechanischen Eigenschaften. Typischerweise betragen solche Mengen bis zu 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polymermatrixzusammensetzung, oder 4 bis 20 Gew.-%, oder 6 bis 12 Gew.-%.
Eine weitere Art von mitvernetzenden Polymeren ist ein ungesättigtes polybutadien- oder polyisoprenhaltiges Elastomer. Diese Komponente kann ein beliebiges oder Block-Copolymer aus primär 1,3-Additions-Butadien oder Isopren mit einem ethylenisch ungesättigten Monomer sein, beispielsweise eine vinylaromatische Verbindung wie Styrol oder Alpha-Methylstyrol, ein Acrylat oder Methacrylat wie Methylmethacrylat oder Acrylnitril. Das Elastomer kann ein festes, thermoplastisches Elastomer sein, das ein lineares oder pfropfartiges Blockcopolymer mit einem Polybutadien- oder Polyisoprenblock und einen thermoplastischen Block umfasst, der von einem monovinylaromatischen Monomer wie Styrol oder Alpha-Methylstyrol abgeleitet werden kann. Zu den Blockcopolymeren dieser Art gehören Styrol-Butadien-Styrol-Triblockcopolymere, z.B. die von Dexco Polymers, Houston, TX unter dem Handelsnamen VECTOR 8508M™, von Enichem Elastomers America, Houston, TX unter dem Handelsnamen SOL-T-6302™ und die von Dynasol Elastomers unter dem Handelsnamen CALPRENE™ 401; und Styrol-Butadien-Diblock-Copolymere und gemischte Triblock- und Diblock-Copolymere, die beispielsweise Styrol und Butadien enthalten, die von Kraton Polymers (Houston, TX) unter dem Handelsnamen KRATON D1118 erhältlich sind. KRATON D1118 ist ein gemischtes Diblock / Triblock-Styrol und Butadien enthaltendes Copolymer, das 33 Gew.-% Styrol enthält.
Das optionale polybutadien- oder polyisoprenhaltige Elastomer kann ferner ein zweites Blockcopolymer ähnlich dem vorstehend beschriebenen umfassen, mit der Ausnahme, dass der Polybutadien- oder Polyisoprenblock hydriert wird, wodurch ein Polyethylenblock (im Falle von Polybutadien) oder ein Ethylen-Propylen-Copolymerblock (im Falle von Polyisopren) gebildet wird. In Verbindung mit dem oben beschriebenen Copolymer können Materialien mit höherer Zähigkeit hergestellt werden. Ein exemplarisches zweites Blockcopolymer dieses Typs ist KRATON GX1855 (kommerziell erhältlich bei Kraton Polymers), das vermutlich eine Kombination aus einem styrolreichen 1,2-Butadien-Styrol-Blockcopolymer und einem Styrol(ethylene-propylen)-Styrol-Blockcopolymer ist.
Die ungesättigte polybutadien- oder polyisoprenhaltige Elastomerkomponente kann in der Polymermatrixzusammensetzung in einer Menge von 2 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polymermatrixzusammensetzung, oder 5 bis 50 Gew.-%, oder 10 bis 40 oder 50 Gew.-% vorhanden sein.
Weitere mitvernetzende Polymere, die für spezifische Eigenschafts- oder Verarbeitungsmodifikationen zugesetzt werden können, sind unter anderem Homo- oder Copolymere von Ethylen wie Polyethylen- und Ethylenoxid-Copolymere, Naturkautschuk, Norbornenpolymere wie Polydicyclopentadien, hydrierte Styrol-Isopren-Styrol-Copolymere und Butadien-Acrylnitril-Copolymere, ungesättigte Polyester und dergleichen. Der Gehalt dieser Copolymere beträgt im Allgemeinen weniger als 50 Gew.-% des gesamten Polymers in der Polymermatrixzusammensetzung.
Für spezifische Eigenschafts- oder Verarbeitungsmodifikationen, z.B. zur Erhöhung der Vernetzungsdichte des Systems nach der Aushärtung, können auch radikalisch härtbare Monomere zugesetzt werden. Zu den exemplarischen Monomeren, die als Vernetzungsmittel geeignet sind, gehören beispielsweise Di, Tri- oder höhere ethylenisch ungesättigte Monomere wie Divinylbenzol, Triallylcyanurat, Diallylphthalat und multifunktionale Acrylatmonomere (z.B. SARTOMER™-Polymere von Sartomer USA, Newtown Square, PA) oder Kombinationen davon, die alle im Handel erhältlich sind. Das Vernetzungsmittel kann bei Verwendung in der Polymermatrixzusammensetzung in einer Menge von bis zu 20 Gew.-% oder 1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gesamtpolymers in der Polymermatrixzusammensetzung, vorhanden sein.
Ein Härter kann der Polymermatrixzusammensetzung zugesetzt werden, um die Härtungsreaktion von Polyenen mit olefinisch reaktiven Stellen zu beschleunigen. Härtungsmittel können organische Peroxide umfassen, z.B. Dicumylperoxid, t-Butylperbenzoat, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-Butylperoxy)hexan, α,α-di-bis(t-Butylperoxy)diisopropylbenzol, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-Butylperoxy)hexyne-3 oder eine Kombination aus mindestens einem der vorgenannten. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Initiatoren, z.B. 2,3-Dimethyl-2,3-diphenylbutan, können verwendet werden. Härtungsmittel oder Initiatoren können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Die Menge des Härters kann 1,5 bis 10 Gew.-% betragen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymers in der Polymermatrixzusammensetzung.
In einigen Ausführungsformen ist das Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer carboxyfunktionalisiert. Die Funktionalisierung kann unter Verwendung einer polyfunktionellen Verbindung durchgeführt werden, die im Molekül sowohl (i) eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung oder eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung als auch (ii) mindestens eines aus einer Carboxygruppe, einschließlich einer Carbonsäure, eines Anhydrids, Amids, Esters oder eines Säurehalogenids, aufweist. Eine bestimmte Carboxygruppe ist eine Carbonsäure oder ein Ester. Beispiele für polyfunktionelle Verbindungen, die eine funktionelle Carbonsäuregruppe bilden können, sind Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure und Zitronensäure. Insbesondere Polybutadiene, die mit Maleinsäureanhydrid adduziert werden, können in der wärmehärtenden Zusammensetzung verwendet werden. Geeignete maleinisierte Polybutadienpolymere sind im Handel erhältlich, z.B. aus dem Cray Valley unter den Handelsnamen RICON 130MA8, RICON 130MA13, RICON 130MA13, RICON 130MA20, RICON 131MA5, RICON 131MA10, RICON 131MA17, RICON 131MA20 und RICON 156MA17. Geeignete maleinisierte Polybutadien-Styrol-Copolymere sind z.B. von Sartomer unter dem Markennamen RICON 184MA6 im Handel erhältlich. RICON 184MA6 ist ein Butadien-Styrol-Copolymer, das mit Maleinsäureanhydrid mit einem Styrolgehalt von 17 bis 27 Gew.-% und Mn von 9.900 g/mol adduziert wird.
Die relativen Mengen der verschiedenen Polymere in der Polymermatrixzusammensetzung, z.B. das Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer und andere Polymere, können von der verwendeten speziellen leitfähigen Metallgrundplattenschicht, den gewünschten Eigenschaften der Schaltungsmaterialien und ähnlichen Überlegungen abhängen. So kann beispielsweise die Verwendung eines Poly(arylenethers) eine erhöhte Haftfestigkeit an einer leitfähigen Metallkomponente, beispielsweise einer Kupfer- oder Aluminiumkomponente, wie beispielsweise einer Signalzuführung, Masse oder Reflektorkomponente, bewirken. Die Verwendung eines Polybutadien- oder Polyisoprenpolymers kann die Hochtemperaturbeständigkeit der Verbundwerkstoffe erhöhen, beispielsweise wenn diese Polymere carboxyfunktionalisiert sind. Die Verwendung eines elastomeren Blockcopolymers kann dazu dienen, die Komponenten des Polymermatrixmaterials verträglich zu machen. Die Bestimmung der geeigneten Mengen jeder Komponente kann ohne übermäßige Experimente durchgeführt werden, abhängig von den gewünschten Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung.
Das dielektrische Volumen kann ferner einen teilchenförmigen, dielektrischen Füllstoff beinhalten, der ausgewählt wird, um die Dielektrizitätskonstante, den Verlustfaktor, den Wärmeausdehnungskoeffizienten und andere Eigenschaften des dielektrischen Volumens einzustellen. Der dielektrische Füllstoff kann beispielsweise Titandioxid (Rutil und Anatas), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Siliziumdioxid (einschließlich geschmolzener amorpher Siliziumdioxid), Korund, Wollastonit, Ba₂Ti₉O₂₀, Festglaskugeln, synthetische Glas- oder Keramikhohlkugeln, Quarz, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Beryllium, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidtrihydrat, Magnesiumoxid, Glimmer, Talkum, Nanoton, Magnesiumhydroxid oder eine Kombination umfassen, die mindestens eines der vorgenannten umfasst. Ein einzelner Sekundärfüllstoff oder eine Kombination von Sekundärfüllstoffen kann verwendet werden, um ein gewünschtes Gleichgewicht der Eigenschaften zu erreichen.
Optional können die Füllstoffe mit einer siliziumhaltigen Beschichtung oberflächenbehandelt werden, z.B. einem organofunktionellen Alkoxysilan-Haftvermittler. Es kann ein Haftvermittler aus Zirkonat oder Titanat verwendet werden. Solche Haftvermittler können die Dispersion des Füllstoffs in der Polymermatrix verbessern und die Wasseraufnahme des fertigen DRA reduzieren. Die Füllstoffkomponente kann 5 bis 50 Vol% der Mikrokugeln und 70 bis 30 Vol% geschmolzenes amorphes Siliziumdioxid als Sekundärfüllstoff, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs, umfassen.
Das dielektrische Volumen kann optional auch ein Flammschutzmittel enthalten, das dazu dient, das Volumen flammhemmend zu machen. Diese Flammschutzmittel können halogeniert oder nicht halogeniert sein. Das Flammschutzmittel kann im dielektrischen Volumen in einer Menge von 0 bis 30 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des dielektrischen Volumens, vorhanden sein.
In einer Ausführungsform ist das Flammschutzmittel anorganisch und liegt in Form von Partikeln vor. Ein exemplarischer anorganischer Flammschutz ist ein Metallhydrat, das beispielsweise einen volumetrischen Partikeldurchmesser von 1 nm bis 500 nm, vorzugsweise 1 bis 200 nm, oder 5 bis 200 nm, oder 10 bis 200 nm aufweist; alternativ beträgt der volumetrische Partikeldurchmesser 500 nm bis 15 Mikrometer, zum Beispiel 1 bis 5 Mikrometer. Das Metallhydrat ist ein Hydrat eines Metalls wie Mg, Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu, Ni oder einer Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst. Besonders bevorzugt werden Hydrate von Mg, Al oder Ca, z.B. Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Eisenhydroxid, Zinkhydroxid, Kupferhydroxid und Nickelhydroxid sowie Hydrate von Calciumaluminat, Gipsdihydrat, Zinkborat und Bariummetaborat. Verbundwerkstoffe dieser Hydrate können verwendet werden, z.B. ein Hydrat, das Mg und ein oder mehrere von Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu und Ni enthält. Ein bevorzugtes Verbundmetallhydrat hat die Formel MgMx.(OH)_y worin M Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu oder Ni ist, x 0,1 bis 10 ist und y 2 bis 32 ist. Die flammhemmenden Partikel können beschichtet oder anderweitig behandelt werden, um die Dispersion und andere Eigenschaften zu verbessern.
Organische Flammschutzmittel können alternativ oder zusätzlich zu den anorganischen Flammschutzmitteln eingesetzt werden. Beispiele für anorganische Flammschutzmittel sind Melamincyanurat, Melaminpolyphosphat mit feiner Partikelgröße, verschiedene andere phosphorhaltige Verbindungen wie aromatische Phosphinate, Diphosphinate, Phosphonate und Phosphate, bestimmte Polysilsesquioxane, Siloxane, und halogenierte Verbindungen wie Hexachlorendomethylentetrahydrophthalsäure (HET-Säure), Tetrabromphthalsäure und Dibromoneopentylglykol. Ein Flammschutzmittel (wie ein bromhaltiges Flammschutzmittel) kann in einer Menge von 20 phr (Teile pro hundert Teile Harz) bis 60 phr oder 30 bis 45 phr vorliegen. Beispiele für bromierte Flammschutzmittel sind Saytex BT93W (Ethylenbistetrabromophthalimid), Saytex 120 (Tetradecabromdiphenoxybenzol) und Saytex 102 (Decabromdiphenyloxid). Das Flammschutzmittel kann in Kombination mit einem Synergisten verwendet werden, z.B. kann ein halogeniertes Flammschutzmittel in Kombination mit einem Synergisten wie Antimontrioxid verwendet werden, und ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel kann in Kombination mit einer stickstoffhaltigen Verbindung wie Melamin verwendet werden.
Das Volumen des dielektrischen Materials kann aus einer dielektrischen Zusammensetzung gebildet werden, die die Polymermatrixzusammensetzung und die Füllstoffzusammensetzung umfasst. Das Volumen kann durch Gießen einer dielektrischen Zusammensetzung direkt auf die Bodenstrukturschicht gebildet werden, oder es kann ein dielektrisches Volumen erzeugt werden, das auf die Bodenstrukturschicht aufgebracht werden kann. Das Verfahren zur Herstellung des dielektrischen Volumens kann auf dem ausgewählten Polymer basieren. Wenn das Polymer beispielsweise ein Fluorpolymer wie PTFE umfasst, kann das Polymer mit einer ersten Trägerflüssigkeit gemischt werden. Die Kombination kann eine Dispersion von Polymerteilchen in der ersten Trägerflüssigkeit umfassen, z.B. eine Emulsion von Flüssigkeitströpfchen des Polymers oder eines monomeren oder oligomeren Vorläufers des Polymers in der ersten Trägerflüssigkeit oder eine Lösung des Polymers in der ersten Trägerflüssigkeit. Wenn das Polymer flüssig ist, ist möglicherweise keine erste Trägerflüssigkeit erforderlich.
Die Wahl der ersten Trägerflüssigkeit, falls vorhanden, kann auf dem jeweiligen Polymer und der Form, in der das Polymer in das dielektrische Volumen eingebracht werden soll, basieren. Wenn das Polymer als Lösung eingeführt werden soll, wird als Trägerflüssigkeit ein Lösungsmittel für das jeweilige Polymer gewählt, z.B. wäre N-Methylpyrrolidon (NMP) eine geeignete Trägerflüssigkeit für eine Lösung eines Polyimids. Wenn das Polymer als Dispersion eingeführt werden soll, dann kann die Trägerflüssigkeit eine Flüssigkeit umfassen, in der das nicht löslich ist, z.B. wäre Wasser eine geeignete Trägerflüssigkeit für eine Dispersion von PTFE-Partikeln und eine geeignete Trägerflüssigkeit für eine Emulsion von Polyamidsäure oder eine Emulsion von Butadienmonomer.
Die dielektrische Füllstoffkomponente kann wahlweise in einer zweiten Trägerflüssigkeit dispergiert oder mit der ersten Trägerflüssigkeit (oder Flüssigpolymer, wenn kein erster Träger verwendet wird) vermischt werden. Die zweite Trägerflüssigkeit kann die gleiche Flüssigkeit sein oder eine andere Flüssigkeit als die erste Trägerflüssigkeit, die mit der ersten Trägerflüssigkeit mischbar ist. Wenn beispielsweise die erste Trägerflüssigkeit Wasser ist, kann die zweite Trägerflüssigkeit Wasser oder einen Alkohol umfassen. Die zweite Trägerflüssigkeit kann Wasser umfassen.
Die Füllstoffdispersion kann ein Tensid in einer Menge umfassen, die wirksam ist, um die Oberflächenspannung der zweiten Trägerflüssigkeit zu modifizieren, damit die zweite Trägerflüssigkeit die Borosilikat-Mikrokugeln benetzen kann. Zu den exemplarischen Tensidverbindungen gehören ionische Tenside und nichtionische Tenside. TRITON X-100™, hat sich als exemplarisches Tensid für den Einsatz in wässrigen Füllstoffdispersionen erwiesen. Die Füllstoffdispersion kann 10 bis 70 Vol.-% Füllstoff und 0,1 bis 10 Vol.-% Tensid umfassen, wobei der Rest die zweite Trägerflüssigkeit umfasst.
Die Kombination aus Polymer und erster Trägerflüssigkeit und der Füllstoffdispersion in der zweiten Trägerflüssigkeit kann zu einer Gießmischung kombiniert werden. In einer Ausführungsform umfasst die Gießmischung 10 bis 60 Vol.-% des kombinierten Polymers und Füllstoffs und 40 bis 90 Vol.-% der kombinierten ersten und zweiten Trägerflüssigkeiten. Die relativen Mengen des Polymers und der Füllstoffkomponente in der Gießmischung können ausgewählt werden, um die gewünschten Mengen in der Endzusammensetzung wie unten beschrieben bereitzustellen.
Die Viskosität der Gießmischung kann durch Zugabe eines Viskositätsmodifikators, der aufgrund seiner Kompatibilität mit einer bestimmten Trägerflüssigkeit oder einer Kombination von Trägerflüssigkeiten ausgewählt wird, eingestellt werden, um die Trennung, d.h. Sedimentation oder Flotation, des Hohlkugelfüllstoffs vom dielektrischen Verbundwerkstoff zu verzögern und ein dielektrisches Verbundwerkstoffmaterial mit einer mit herkömmlichen Fertigungseinrichtungen kompatiblen Viskosität bereitzustellen. Exemplarische Viskositätsmodifikatoren, die für den Einsatz in wässrigen Gießmischungen geeignet sind, sind Polyacrylsäureverbindungen, Pflanzengummis und Verbindungen auf Cellulosebasis. Konkrete Beispiele für geeignete Viskositätsmodifikatoren sind Polyacrylsäure, Methylcellulose, Polyethylenoxid, Guarkernmehl, Johannisbrotkernmehl, Natriumcarboxymethylcellulose, Natriumalginat und Gummitragakanth. Die Viskosität der viskositätsangepassten Gießmischung kann weiter erhöht werden, z.B. über die Mindestviskosität hinaus, wenn das dielektrische Verbundmaterial anwendungsbezogen an die gewählte Fertigungstechnik angepasst wird. In einer Ausführungsform kann die viskositätsangepasste Gussmischung eine Viskosität von 10 bis 100.000 Centipoise (cp) aufweisen; oder 100 cp und 10.000 cp gemessen bei Raumtemperaturwert.
Alternativ kann der Viskositätsmodifikator weggelassen werden, wenn die Viskosität der Trägerflüssigkeit ausreicht, um eine Gießmischung bereitzustellen, die sich während des interessierenden Zeitraums nicht trennt. Insbesondere bei extrem kleinen Partikeln, z.B. Partikeln mit einem äquivalenten Kugeldurchmesser von weniger als 0,1 Mikrometern, kann die Verwendung eines Viskositätsmodifikators entfallen.
Eine Schicht der viskositätsangepassten Gießmischung kann auf die Grundstrukturschicht gegossen oder tauchbeschichtet und anschließend geformt werden. Das Gießen kann z.B. durch Tauchbeschichtung, Fließbeschichtung, Rückwalzbeschichtung, Messerüberwalzung, , Messerüberdeckung, Dosierstabbeschichtung und dergleichen erreicht werden. Die Trägerflüssigkeit und die Verarbeitungshilfsmittel, d.h. das Tensid und der Viskositätsmodifikator, können aus dem Gießvolumen entfernt werden, z.B. durch Verdampfen oder durch thermische Zersetzung, um ein dielektrisches Volumen des Polymers zu konsolidieren, und der Füllstoff aus den Mikrokugeln.
Das Volumen des polymeren Matrixmaterials und der Füllstoffkomponente kann weiter erwärmt werden, um die physikalischen Eigenschaften des Volumens zu modifizieren, z.B. zum Sintern eines Thermoplasten oder zum Aushärten oder Nachhärten einer duroplastischen Zusammensetzung.
In einem anderen Verfahren kann ein dielektrisches Volumen aus PTFE-Verbundwerkstoffen durch ein Pastenextrusions- und Kalanderverfahren hergestellt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann das dielektrische Volumen gegossen und dann teilweise ausgehärtet („B-stufig“) werden. Solche B-stufigen Volumina können gespeichert und anschließend verwendet werden.
Zwischen der leitfähigen Grundschicht und dem dielektrischen Volumen kann eine Haftschicht angeordnet werden. Die Haftschicht kann einen Poly(a-rylenether) umfassen; und ein carboxyfunktionalisiertes Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer, das Butadien-, Isopren- oder Butadien- und Isopreneinheiten umfasst, und Null bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% an mitvernetzenden Monomereinheiten; worin die Zusammensetzung der Haftschicht nicht die gleiche ist wie die Zusammensetzung des dielektrischen Volumens. Die Klebeschicht kann in einer Menge von 2 bis 15 Gramm pro Quadratmeter vorhanden sein. Der Poly(arylenether) kann einen carboxyfunktionalisierten Poly(arylenether) umfassen. Der Poly(arylenether) kann das Reaktionsprodukt aus einem Poly(arylenether) und einem cyclischen Anhydrid oder das Reaktionsprodukt aus einem Poly(arylenether) und Maleinsäureanhydrid sein. Das carboxyfunktionalisierte Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann ein carboxyfunktionalisiertes Butadien-Styrol-Copolymer sein. Das carboxyfunktionalisierte Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann das Reaktionsprodukt aus einem Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer und einem cyclischen Anhydrid sein. Das carboxyfunktionalisierte Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann ein maleinisiertes Polybutadien-Styrol oder ein maleinisiertes Polyisopren-Styrol-Copolymer sein.
In einer Ausführungsform kann ein mehrstufiger Prozess, der für wärmehärtende Materialien wie Polybutadien oder Polyisopren geeignet ist, einen Peroxidhärtungsschritt bei Temperaturen von 150 bis 200°C umfassen, und der teilweise ausgehärtete (B-stufige) Stapel kann dann einer hochenergetischen Elektronenstrahl-Bestrahlungshärtung (E-Beamhärtung) oder einem Hochtemperaturhärtungsschritt unter einer inerten Atmosphäre unterzogen werden. Die Verwendung einer zweistufigen Aushärtung kann dem resultierenden Komposit einen ungewöhnlich hohen Vernetzungsgrad verleihen. Die in der zweiten Stufe verwendete Temperatur kann 250 bis 300°C oder die Zersetzungstemperatur des Polymers betragen. Diese Hochtemperaturhärtung kann in einem Ofen, aber auch in einer Presse durchgeführt werden, nämlich als Fortsetzung des ersten Herstellungs- und Härtungsschrittes. Bestimmte Herstellungstemperaturen und -drücke hängen von der jeweiligen Klebstoffzusammensetzung und der dielektrischen Zusammensetzung ab und sind ohne übermäßige Experimente leicht durch einen Fachmann feststellbar.
Das Formen ermöglicht eine schnelle und effiziente Herstellung des dielektrischen Volumens, optional zusammen mit einer oder mehreren anderen DRA-Komponenten als eingebettetes Merkmal oder Oberflächenmerkmal. So kann beispielsweise ein Metall-, Keramik- oder anderer Einsatz in die Form eingesetzt werden, um eine Komponente des DRA bereitzustellen, wie beispielsweise eine Signalzuführung, eine Erdungskomponente oder eine Reflektorkomponente als eingebettetes oder oberflächliches Merkmal. Alternativ kann ein eingebettetes Merkmal mit 3D-Druck oder Inkjet-Druck auf ein Volumen gedruckt und anschließend weiter geformt werden; oder ein Oberflächenmerkmal mit 3D-Druck oder Inkjet-Druck auf eine äußerste Oberfläche des DRA. Es ist auch möglich, das Volumen direkt auf die Bodenstruktur oder in einen Behälter zu formen, der ein Material mit einer Dielektrizitätszahl zwischen 1 und 3 umfasst.
Die Form kann einen Formeinsatz aus einer geformten oder bearbeiteten Keramik aufweisen, um die Verpackung oder das Volumen bereitzustellen. Die Verwendung eines Keramikeinsatzes kann zu einem geringeren Verlust und damit zu einem höheren Wirkungsgrad führen; geringere Kosten durch niedrige direkte Materialkosten für geformtes Aluminiumoxid; einfache Herstellung und kontrollierte (eingeschränkte) thermische Ausdehnung des Polymers. Es kann auch einen ausgewogenen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) liefern, so dass die Gesamtstruktur dem CTE von Kupfer oder Aluminium entspricht.
Die injizierbare Zusammensetzung kann hergestellt werden, indem zuerst der keramische Füllstoff und das Silan zu einer Füllstoffzusammensetzung kombiniert werden und dann die Füllstoffzusammensetzung mit dem thermoplastischen Polymer oder der wärmehärtenden Zusammensetzung vermischt wird. Bei einem thermoplastischen Polymer kann das Polymer vor, nach oder während der Mischung mit einem oder beiden der keramischen Füllstoffe und dem Silan geschmolzen werden. Die spritzbare Zusammensetzung kann dann in einer Form spritzgegossen werden. Die Schmelztemperatur, die Einspritztemperatur und die verwendete Werkzeugtemperatur hängen von der Schmelz- und Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Polymers ab und können beispielsweise 150 bis 350°C oder 200 bis 300°C betragen. Die Formgebung kann bei einem Druck von 65 bis 350 KiloPascal (kPa) erfolgen.
In einigen Ausführungsformen kann das dielektrische Volumen durch Reaktionsspritzgießen einer duroplastischen Zusammensetzung hergestellt werden. Das Reaktionsspritzgießen kann das Mischen von mindestens zwei Strömen zum Bilden einer wärmehärtbaren Zusammensetzung und das Einspritzen der wärmehärtbaren Zusammensetzung in die Form umfassen, wobei ein erster Strom den Katalysator umfasst und der zweite Strom optional ein Aktivierungsmittel umfasst. Ein oder beide des ersten Stroms und des zweiten Stroms oder eines dritten Stroms können ein Monomer oder eine härtbare Zusammensetzung umfassen. Ein oder beide des ersten Stroms und des zweiten Stroms oder eines dritten Stroms können einen oder beide aus einem dielektrischen Füllstoff und einem Additiv umfassen. Einer oder beide der dielektrischen Füllstoffe und das Additiv können vor dem Einspritzen der wärmehärtenden Zusammensetzung in die Form eingebracht werden.
So kann beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung des Volumens das Mischen eines ersten Stroms, der den Katalysator und ein erstes Monomer oder eine härtbare Zusammensetzung umfasst, und eines zweiten Stroms, der das optionale Aktivierungsmittel umfasst, und eines zweiten Monomers oder einer härtbaren Zusammensetzung umfassen. Das erste und zweite Monomer oder die härtbare Zusammensetzung können gleich oder unterschiedlich sein. Ein oder beide des ersten Stroms und des zweiten Stroms können den dielektrischen Füllstoff umfassen. Der dielektrische Füllstoff kann beispielsweise als dritter Strom hinzugefügt werden, der ferner ein drittes Monomer umfasst. Der dielektrische Füllstoff kann sich vor dem Einspritzen des ersten und zweiten Stroms in der Form befinden. Die Einführung eines oder mehrerer der Ströme kann unter einem Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon, erfolgen.
Das Mischen kann in einem Kopfraum einer Spritzgießmaschine, in einem Inline-Mischer oder beim Einspritzen in die Form erfolgen. Das Mischen kann bei einer Temperatur von mehr als oder gleich 0 bis 200 Grad Celsius (°C), 15 bis 130°C, 0 bis 45°C oder 23 bis 45°C erfolgen.
Die Form kann bei einer Temperatur von mehr als oder gleich 0 bis 250°C, 23 bis 200°C oder 45 bis 250°C oder 30 bis 130°C oder 50 bis 70°C gehalten werden. Es kann 0,25 bis 0,5 Minuten dauern, bis eine Form gefüllt ist. In dieser Zeit kann die Werkzeugtemperatur sinken. Nach dem Befüllen der Form kann die Temperatur der wärmehärtenden Zusammensetzung beispielsweise von einer ersten Temperatur von 0° bis 45°C auf eine zweite Temperatur von 45 bis 250°C steigen. Die Formgebung kann bei einem Druck von 65 bis 350 KiloPascal (kPa) erfolgen. Das Formen kann für weniger als oder gleich 5 Minuten, oder weniger als oder gleich 2 Minuten oder 2 bis 30 Sekunden erfolgen. Nach Abschluss der Polymerisation kann das Substrat bei der Formtemperatur oder bei einer verminderten Formtemperatur entfernt werden. So kann beispielsweise die Freisetzungstemperatur T_r kleiner oder gleich 10°C kleiner oder gleich der Formtemperatur T_m (T_r ≤ T_m - 10°C) sein.
Nachdem das Volumen aus der Form entnommen wurde, kann es nachträglich ausgehärtet werden. Die Nachhärtung kann bei einer Temperatur von 100 bis 150°C oder 140 bis 200°C für mehr als oder gleich 5 Minuten erfolgen.
Das Formpressen kann sowohl mit thermoplastischen als auch mit duroplastischen Materialien eingesetzt werden. Die Bedingungen für das Formpressen eines thermoplastischen Materials, wie beispielsweise die Formtemperatur, hängen von der Schmelz- und Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Polymers ab und können beispielsweise 150 bis 350°C oder 200 bis 300°C betragen. Die Formgebung kann bei einem Druck von 65 bis 350 KiloPascal (kPa) erfolgen. Das Formen kann für weniger als oder gleich 5 Minuten, oder weniger als oder gleich 2 Minuten oder 2 bis 30 Sekunden erfolgen. Ein duroplastisches Material kann vor der B-Stufe formgepresst werden, um ein B-angegebenes Material oder ein vollständig ausgehärtetes Material herzustellen; oder es kann formgepresst werden, nachdem es B-stufig und vollständig in der Form oder nach dem Formen ausgehärtet wurde.
Der 3D-Druck ermöglicht eine schnelle und effiziente Herstellung des dielektrischen Volumens, optional zusammen mit einer oder mehreren anderen DRA-Komponenten als eingebettetes Merkmal oder Oberflächenmerkmal. So kann beispielsweise ein Metall-, Keramik- oder anderer Einsatz während des Druckvorgangs platziert werden, der eine Komponente des DRA bereitstellt, wie beispielsweise eine Signalzufuhr, eine Erdungskomponente oder eine Reflektorkomponente als eingebettetes oder Oberflächenmerkmal. Alternativ kann ein eingebettetes Merkmal 3D-Druck oder Inkjet-Druck auf ein Volumen und anschließendem weiteren Druck erfolgen; oder ein Oberflächenmerkmal kann 3D-Druck oder Inkjet-Druck auf eine äußerste Oberfläche des DRA erfolgen. Es ist auch möglich, das Volumen direkt auf die Bodenstruktur oder in den Behälter zu drucken, der ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen 1 und 3 umfasst, wobei der Behälter zum Einbetten einer Einheitszelle einer Anordnung nützlich sein kann.
Es können eine Vielzahl von 3D-Druckverfahren eingesetzt werden, wie z.B. Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Electronic Beam Melting (EBM), Big Area Additive Manufacturing (BAAM), ARBURG Kunststoff-Freiformtechnologie, Laminatobjektfertigung (LOM), Pumpdeposition (auch bekannt als Controlled Paste Extrusion, wie z.B. unter: http://nscrypt.com/micro-dispensing beschrieben oder andere 3D-Druckverfahren. Der 3D-Druck kann bei der Herstellung von Prototypen oder als Produktionsverfahren eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen wird das Volumen oder der DRA nur durch 3D- oder Inkjetdruck hergestellt, so dass das Verfahren zur Bildung des dielektrischen Volumens oder des DRA frei von einem Extrusions-, Form- oder Laminierungsprozess ist.
Materialextrusionstechniken sind besonders bei Thermoplasten nützlich und können zur Erzielung komplexer Eigenschaften eingesetzt werden. Zu den Materialextrusionstechniken gehören Techniken wie FDM, Pumpabscheidungen und Schmelzfilamentherstellung sowie andere, wie in ASTM F2792-12a beschrieben. Bei der Extrusion von geschmolzenem Material kann ein Artikel durch Erwärmen eines thermoplastischen Materials in einen fließfähigen Zustand hergestellt werden, der zu einer Schicht abgeschieden werden kann. Die Schicht kann eine vorbestimmte Form in der x-y-Achse und eine vorbestimmte Dicke in der z-Achse aufweisen. Das fließfähige Material kann wie oben beschrieben als Band oder durch eine Matrize abgeschieden werden, um ein bestimmtes Profil zu erhalten. Die Schicht kühlt und verfestigt sich beim Abscheiden. Eine nachfolgende Schicht aus geschmolzenem thermoplastischem Material verschmilzt mit der zuvor abgeschiedenen Schicht und erstarrt bei Temperaturabfall. Die Extrusion mehrerer aufeinanderfolgender Schichten bildet die gewünschte Form des Volumens. Insbesondere kann ein Gegenstand aus einer dreidimensionalen digitalen Darstellung des Gegenstands gebildet werden, indem das fließfähige Material als ein oder mehrere Bänder auf einem Substrat in einer x-y-Ebene zum Bilden der Schicht abgelegt wird. Die Position des Spenders (z.B. eine Düse) in Bezug auf das Substrat wird dann entlang einer z-Achse (senkrecht zur x-y-Ebene) inkrementiert, und der Prozess wird dann wiederholt, um einen Artikel aus der digitalen Darstellung zu bilden. Das abgegebene Material wird daher auch als „Modelliermaterial“ und „Baumaterial“ bezeichnet.
In einigen Ausführungsformen kann das Volumen aus zwei oder mehr Düsen extrudiert werden, die jeweils die gleiche dielektrische Zusammensetzung aufweisen. Wenn mehrere Düsen verwendet werden, kann das Verfahren die Produktobjekte schneller erzeugen als Verfahren, die eine einzige Düse verwenden, und kann eine größere Flexibilität bei der Verwendung verschiedener Polymere oder Mischungen von Polymeren, verschiedener Farben oder Texturen und dergleichen ermöglichen. Dementsprechend kann in einer Ausführungsform eine Zusammensetzung oder Eigenschaft eines einzelnen Volumens während der Abscheidung mit zwei Düsen variiert werden.
Materialextrusionstechniken können weiterhin zur Abscheidung von wärmehärtenden Zusammensetzungen eingesetzt werden. So können beispielsweise mindestens zwei Ströme gemischt und zu einem Volumen abgeschieden werden. Ein erster Strom kann einen Katalysator beinhalten und ein zweiter Strom kann optional ein Aktivierungsmittel umfassen. Ein oder beide des ersten Stroms und des zweiten Stroms oder eines dritten Stroms können das Monomer oder die härtbare Zusammensetzung (z.B. Harz) umfassen. Ein oder beide des ersten Stroms und des zweiten Stroms oder eines dritten Stroms können einen oder beide aus einem dielektrischen Füllstoff und einem Additiv umfassen. Einer oder beide der dielektrischen Füllstoffe und das Additiv können vor dem Einspritzen der wärmehärtenden Zusammensetzung in die Form eingebracht werden.
So kann beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung des Volumens das Mischen eines ersten Stroms, der den Katalysator und ein erstes Monomer oder eine härtbare Zusammensetzung umfasst, und eines zweiten Stroms, der das optionale Aktivierungsmittel umfasst, und eines zweiten Monomers oder einer härtbaren Zusammensetzung umfassen. Das erste und zweite Monomer oder die härtbare Zusammensetzung können gleich oder unterschiedlich sein. Ein oder beide des ersten Stroms und des zweiten Stroms können den dielektrischen Füllstoff umfassen. Der dielektrische Füllstoff kann beispielsweise als dritter Strom hinzugefügt werden, der ferner ein drittes Monomer umfasst. Die Abscheidung eines oder mehrerer der Ströme kann unter einem Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon, erfolgen. Die Vermischung kann vor der Deposition, in einem Inline-Mischer oder während der Deposition der Schicht erfolgen. Die vollständige oder teilweise Aushärtung (Polymerisation oder Vernetzung) kann vor der Abscheidung, während der Abscheidung der Schicht oder nach der Abscheidung eingeleitet werden. In einer Ausführungsform wird eine teilweise Aushärtung vor oder während der Abscheidung der Schicht eingeleitet, und eine vollständige Aushärtung wird nach der Abscheidung der Schicht oder nach der Abscheidung der Vielzahl von Schichten, die das Volumen bereitstellen, eingeleitet.
In einigen Ausführungsformen kann ein in der Technik bekanntes Trägermaterial optional zur Bildung einer Tragkonstruktion verwendet werden. In diesen Ausführungsformen können das Baumaterial und das Trägermaterial während der Herstellung des Artikels selektiv abgegeben werden, um den Artikel und eine Stützstruktur bereitzustellen. Das Trägermaterial kann in Form einer Tragkonstruktion vorliegen, z.B. eines Gerüsts, das mechanisch entfernt oder weggespült werden kann, wenn der Schichtvorgang im gewünschten Umfang abgeschlossen ist.
Stereolithographische Techniken können ebenfalls verwendet werden, wie z.B. selektives Lasersintern (SLS), selektives Laserschmelzen (SLM), elektronisches Strahlschmelzen (EBM) und Pulverbettstrahlen von Bindemittel oder Lösungsmitteln, um aufeinanderfolgende Schichten in einem vorgegebenen Muster zu bilden. Stereolithografische Techniken sind besonders nützlich bei duroplastischen Zusammensetzungen, da der schichtweise Aufbau durch Polymerisation oder Vernetzung jeder Schicht erfolgen kann.
Wie vorstehend beschrieben, kann die dielektrische Zusammensetzung ein thermoplastisches Polymer oder eine wärmehärtende Zusammensetzung umfassen. Der Thermoplast kann geschmolzen oder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst werden. Die wärmehärtende Zusammensetzung kann eine flüssige wärmehärtende Zusammensetzung sein oder in einem Lösungsmittel gelöst sein. Das Lösungsmittel kann nach dem Auftragen der dielektrischen Zusammensetzung durch Wärme, Lufttrocknung oder andere Techniken entfernt werden. Die wärmehärtende Zusammensetzung kann B-stufig oder vollständig polymerisiert oder ausgehärtet sein, nachdem sie aufgetragen wurde, um das zweite Volumen zu bilden. Die Polymerisation oder Aushärtung kann während des Auftragens der dielektrischen Zusammensetzung eingeleitet werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird von Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente durch Elemente derselben ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass sich die Erfindung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt, die als die beste oder einzige für die Durchführung dieser Erfindung in Betracht gezogene Form offenbart wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Auch in den Zeichnungen und der Beschreibung wurden exemplarische Ausführungsformen offenbart und, obwohl spezifische Begriffe und/oder Abmessungen verwendet worden sein können, werden sie, sofern nicht anders angegeben, nur in einem allgemeinen, exemplarischen und/oder beschreibenden Sinne und nicht zu Beschränkungszwecken verwendet, wobei der Umfang der Ansprüche daher nicht so eingeschränkt ist. Darüber hinaus bezeichnet die Verwendung der Begriffe first, second, etc. keine Ordnung oder Bedeutung, sondern die Begriffe first, second, etc. dienen der Unterscheidung eines Elements voneinander. Die Verwendung der Begriffe a, an, etc. bedeutet keine Mengenbegrenzung, sondern bezeichnet das Vorhandensein von mindestens einem der genannten Artikel. Der hier verwendete Begriff „umfassend“ schließt die mögliche Einbeziehung eines oder mehrerer zusätzlicher Merkmale nicht aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15/957078 [0001]
US 62/569051 [0001]
US 15/957043 [0001]
US 62/500065 [0001]

Claims

Eine elektromagnetische Vorrichtung, umfassend: eine elektromagnetisch reflektierende Struktur, die eine elektrisch leitende Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren umfasst, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen; wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet sind; wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Vertiefung mit einer elektrisch leitfähigen Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die elektrisch leitfähige Struktur konfiguriert ist, um eine elektrische Erdungsbezugsspannung der elektromagnetischen Vorrichtung bereitzustellen.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Vielzahl der Reflektoren in einer Anordnung mit einem Mittenabstand zwischen benachbarten Reflektoren gemäß einer der folgenden Anordnungen angeordnet sind: in einer x-y-Gitterformation gleichmäßig voneinander beabstandet; die in einer Diamantformation voneinander beabstandet; in einem gleichmäßigen periodischen Muster zueinander beabstandet; in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster zueinander beabstandet; in einem schrägen Gitter in einem gleichmäßigen periodischen Muster zueinander beabstandet; in einem radialen Gitter in einem gleichmäßigen periodischen Muster zueinander beabstandet; auf einem x-y-Raster in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster relativ zueinander beabstandet; in einem schrägen Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster zueinander beabstandet; in einem radialen Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster zueinander beabstandet; in einem Nicht-x-y-Gitter in einem einheitlichen periodischen Muster relativ zueinander beabstandet; oder auf einem nicht-x-y-Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster relativ zueinander beabstandet.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zugehörige Aussparung jedes der Vielzahl von Reflektoren konfiguriert ist, um eine dielektrische Resonatorantenne (DRA) zu empfangen, die bei einer definierten Frequenz f mit einer zugehörigen Betriebswellenlänge λ im freien Raum betrieben wird, und wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer Anordnung mit einem Mittenabstand zwischen benachbarten Reflektoren gemäß einer der folgenden Anordnungen angeordnet sind: relativ zueinander beabstandet, mit einem Abstand von gleich oder kleiner als λ; relativ zueinander beabstandet, mit einem Abstand gleich oder kleiner als λ und gleich oder größer als λ/2; oder, relativ zueinander beabstandet, mit einem Abstand von gleich oder kleiner als λ/2.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die elektromagnetisch reflektierende Struktur eine monolithische Struktur ist, die aus einem einzigen Material ohne makroskopische Nähte oder Verbindungen gebildet wird.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die elektromagnetisch reflektierende Struktur eine Verbundstruktur ist, die aus zwei oder mehr Bestandteilen gebildet ist, die nach der Bildung unteilbar voneinander sind, ohne die zwei oder mehr Bestandteile dauerhaft zu beschädigen oder zu zerstören.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die elektromagnetisch reflektierende Struktur einen nichtmetallischen Abschnitt und eine metallische Beschichtung auf mindestens einem Abschnitt des nichtmetallischen Abschnitts umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die metallische Beschichtung über alle freiliegenden Oberflächen des nichtmetallischen Teils aufgebracht ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei: der nichtmetallische Abschnitt ein Polymer umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, worin: der nichtmetallische Abschnitt einen Thermoplast umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, worin: der nichtmetallische Abschnitt einen duroplastischen Kunststoff umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, worin: der nichtmetallische Abschnitt ein Polymerlaminat umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, worin: der nichtmetallische Abschnitt ein verstärktes Polymerlaminat umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die elektromagnetisch reflektierende Struktur ferner eine erste Anordnung und eine zweite Anordnung umfasst; wobei die erste Anordnung einen ersten nichtmetallischen Abschnitt mit einer ersten metallischen Beschichtung umfasst; wobei die zweite Anordnung einen zweiten nichtmetallischen Abschnitt mit einer zweiten metallischen Beschichtung umfasst; wobei mindestens ein Abschnitt der zweiten metallischen Beschichtung in elektrischer Verbindung mit mindestens einem Abschnitt der ersten metallischen Beschichtung steht; wobei die erste Anordnung zumindest teilweise die elektrisch leitfähige Struktur bereitstellt; und wobei die zweite Anordnung zumindest teilweise die Vielzahl der elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren bereitstellt.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, ferner umfassend: eine Zuführstruktur, die konfiguriert ist, um ein elektromagnetisches Signal zu empfangen und das elektromagnetische Signal in die Vertiefung zu leiten.
Die Vorrichtung nach Anspruch 15, worin die Zuführstruktur umfasst: eine Apertur, eine elektrisch leitfähige Übertragungsleitung, eine Streifenleitung, ein Mikrostreifen, ein Hohlleiter, ein substratintegrierter Hohlleiter (SIW) oder eine beliebige Kombination des Vorstehenden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die elektrisch leitfähige Basis die Öffnung umfasst, die zum Empfangen des elektromagnetischen Signals konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste metallische Beschichtung der ersten Anordnung die Öffnung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der erste nichtmetallische Abschnitt eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, worin die erste metallische Beschichtung, die die Öffnung umfasst, auf der ersten Seite des ersten nichtmetallischen Abschnitts angeordnet ist; und die elektrisch leitfähige Übertragungsleitung auf der zweiten Seite des ersten nichtmetallischen Abschnitts angeordnet ist, wobei die Übertragungsleitung in Signalverbindung mit der Öffnung angeordnet ist, wobei die Öffnung eine geschlitzte Öffnung mit einer Längsrichtung umfasst, die orthogonal zur Übertragungsleitung angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei: das SIW mindestens eine elektrisch leitfähige Hohlleitergrenze (waveguide boundary) mit einem darin angeordneten dielektrischen Medium umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei: die mindestens eine elektrisch leitende Hohlleiterbegrenzung eine obere elektrisch leitende Begrenzung, eine untere elektrisch leitende Begrenzung, eine linke elektrisch leitende Begrenzung und eine rechte elektrisch leitende Begrenzung umfasst, worin alle der vorgenannten Begrenzungen elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei: die obere elektrisch leitfähige Grenze die elektrisch leitfähige Basis umfasst; die untere elektrisch leitfähige Grenze die elektrisch leitfähige Struktur umfasst; und die linke und rechte Seite elektrisch leitfähige Begrenzungen eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Pfaden umfassen, die elektrisch zwischen der elektrisch leitfähigen Basis und der elektrisch leitfähigen Struktur verbunden sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei: in einer gegebenen Richtung und wie in einer Draufsicht beobachtet, ist eine Breite des SIW kleiner als eine Breite einer Einheitszelle der Vorrichtung, die durch eine Gesamtaußenbreite der Aussparung definiert ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei: in einer gegebenen Richtung und in einer Draufsicht betrachtet, eine Breite des SIW im Wesentlichen gleich einer Breite einer Einheitszelle der Vorrichtung ist, wie sie durch eine gesamte Außenbreite der Aussparung definiert ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16, 17 und 18, ferner umfassend: ein Koaxialkabel, das innerhalb der Öffnung angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, ferner umfassend: eine Vielzahl von dielektrischen Resonatorantennen (DRAs), wobei jede der Vielzahl von DRAs in einer Eins-zu-Eins-Beziehung mit jeweiligen der Vielzahl von Reflektoren angeordnet ist, wobei jede der Vielzahl von DRAs auf einer zugeordneten der elektrisch leitenden Basis angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 26, worin die Vielzahl von DRAs im Wesentlichen halbkugelförmige DRAs umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, worin die Vielzahl der DRAs im Wesentlichen zylindrisch geformte DRAs umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 28, worin die Vielzahl der DRAs im Wesentlichen rechteckig geformte DRAs umfasst.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei: jedes der Vielzahl von DRAs direkt auf einem zugeordneten der elektrisch leitfähigen Basis angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei: jedes der Vielzahl von DRAs jeweils auf einem zugeordneten der elektrisch leitfähigen Basis mit einem dazwischen angeordneten dielektrischen Material angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei: das dazwischenliegende dielektrische Material eine Dicke aufweist, die gleich oder kleiner als 1/50 einer Betriebswellenlänge λ der elektromagnetischen Vorrichtung ist, wobei die Betriebswellenlänge λ im freien Raum gemessen wird.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei: eine Gesamthöhe eines gegebenen Reflektors aus der Vielzahl von Reflektoren kleiner ist als eine Gesamthöhe eines entsprechenden aus der Vielzahl von DRAs, in einer Höhenansicht betrachtet.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 33, wobei: angrenzende Nachbarn der Vielzahl von DRAs über eine relativ dünne Verbindungsstruktur verbunden sind, die im Vergleich zu einem Gesamtaußenmaß des zugehörigen angeschlossenen DRAs relativ dünn ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei: die angrenzenden Nachbarn der Vielzahl von DRAs die absolut nächsten benachbarten Nachbarn sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei: die angrenzenden Nachbarn der Vielzahl von DRAs diagonal nächstgelegene benachbarte Nachbarn sind.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei: die Vielzahl von Reflektoren relativ zueinander auf einer ebenen Fläche angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei: die Vielzahl von Reflektoren relativ zueinander auf einer nicht ebenen Fläche angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei: die Vielzahl von Reflektoren relativ zueinander auf einer kugelförmigen Oberfläche oder auf einer zylindrischen Oberfläche angeordnet ist.
Eine elektromagnetische Vorrichtung, umfassend: eine elektromagnetisch reflektierende Struktur, die eine Kombination aus einem nichtmetallischen Abschnitt und einer metallischen Beschichtung über mindestens einem Abschnitt des nichtmetallischen Abschnitts umfasst, wobei die Kombination eine elektrisch leitende Struktur und einen elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektor bildet, der integral mit und in elektrischer Verbindung mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet ist; wobei der Reflektor eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitfähigen Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitfähigen Struktur bildet oder in elektrischer Verbindung mit ihr steht.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei die elektrisch leitfähige Basis eine Öffnung umfasst, die zum Empfangen eines elektromagnetischen Signals konfiguriert ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei der nichtmetallische Abschnitt ein Polymer umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei der nichtmetallische Abschnitt einen Thermoplast umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei der nichtmetallische Abschnitt einen duroplastischen Kunststoff umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei der nichtmetallische Abschnitt ein Polymerlaminat umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 45, wobei das Polymerlaminat ein oder mehrere Bohrungen beinhaltet.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei der nichtmetallische Abschnitt ein geformtes Polymer umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 47, wobei das geformte Polymer ein spritzgegossenes Polymer umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, worin die metallische Beschichtung eine beschichtete metallische Beschichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 49, worin die metallische Beschichtung eine galvanische metallische Beschichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 50, worin die metallische Beschichtung eine stromlos beschichtete metallische Beschichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 40, worin die metallische Beschichtung eine dampfabgesetzte metallische Beschichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 52, worin die metallische Beschichtung eine physikalisch dampfabgesetzte metallische Beschichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 40-52, wobei: der elektrisch leitende elektromagnetische Reflektor einer von einer Vielzahl von Reflektoren ähnlicher Struktur ist, wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren in einer Anordnung mit einem Mittenabstand zwischen benachbarten Reflektoren gemäß einer der folgenden Anordnungen angeordnet ist: in einer x-y-Gitterformation gleichmäßig voneinander beabstandet; in einer Diamantformation voneinander beabstandet; in einem gleichmäßigen periodischen Muster zueinander beabstandet; in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster zueinander beabstandet; in einem schrägen Gitter in einem gleichmäßigen periodischen Muster zueinander beabstandet; in einem radialen Gitter in einem gleichmäßigen periodischen Muster zueinander beabstandet; auf einem x-y-Raster in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster relativ zueinander beabstandet; in einem schrägen Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster zueinander beabstandet; in einem radialen Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nichtperiodischen Muster zueinander beabstandet; in einem Nicht-x-y-Gitter in einem einheitlichen periodischen Muster relativ zueinander beabstandet; oder in einem nicht-x-y-Gitter in einem zunehmenden oder abnehmenden nicht-periodischen Muster relativ zueinander beabstandet.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 40-54, ferner umfassend: eine dielektrische Resonatorantenne (DRA), die zumindest teilweise in einer entsprechenden Aussparung eines zugehörigen Reflektors angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einer elektromagnetisch reflektierenden Struktur, die eine elektrisch leitende Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren umfasst, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen, wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet ist, wobei jeder Reflektor aus der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitenden Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitenden Struktur bildet oder mit ihr in elektrischer Verbindung steht, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Zuführstruktur, die die elektrisch leitfähige Struktur umfasst, und Einsetzen der Zuführstruktur in eine Form; Formen einer oder mehrerer dielektrischer Resonatorantennen, DRAs, auf die Zuführstruktur und Ermöglichen, dass die DRAs zumindest teilweise aushärten, um eine DRA-Subkomponente bereitzustellen; und Bereitstellen einer Reflektorstruktur, die die Vielzahl von elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren umfasst, und Befestigen der Reflektorstruktur an der DRA-Subkomponente, so dass die Vielzahl von elektrisch leitfähigen elektromagnetischen Reflektoren integral mit der elektrisch leitfähigen Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen; wobei das eine oder die mehreren DRAs in einer Eins-zu-Eins-Beziehung mit einem entsprechenden der Aussparungen angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einer elektromagnetisch reflektierenden Struktur, die eine elektrisch leitende Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitenden elektromagnetischen Reflektoren umfasst, die integral mit der elektrisch leitenden Struktur ausgebildet sind oder in elektrischer Verbindung mit ihr stehen, wobei die Vielzahl von Reflektoren in einer geordneten Anordnung relativ zueinander angeordnet ist, wobei jeder Reflektor aus der Vielzahl von Reflektoren eine Wand bildet, die eine Aussparung mit einer elektrisch leitenden Basis definiert und zumindest teilweise umgibt, die einen Teil der elektrisch leitenden Struktur bildet oder mit ihr in elektrischer Verbindung steht, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen der elektromagnetisch reflektierenden Struktur und Einsetzen derselben in eine Form; und Formen einer oder mehrerer dielektrischer Resonatorantennen, DRAs, auf die elektromagnetisch reflektierende Struktur und Ermöglichen, dass die DRAs zumindest teilweise aushärten; wobei das eine oder die mehreren DRAs in einer Eins-zu-Eins-Beziehung mit einem entsprechenden der Aussparungen angeordnet sind.