DE60311360T2

DE60311360T2 - Antenne auf dielektrischem Substrat mit Bereichen unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante und Permeabilität

Info

Publication number: DE60311360T2
Application number: DE60311360T
Authority: DE
Inventors: William Dean Melbourne Killen; Randy T. Grant Pike
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2004032776A; EP1376759A3; CA2431185A1; EP1376759A2; JP4142507B2; ATE352886T1; DE60311360D1; AU2003204642A1; US6753814B2; CA2431185C; EP1376759B1; US20040001027A1; AU2003204642B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Feststellung des technischen Gebiets
Die erfinderischen Anordnungen betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Bereitstellen einer erhöhten Entwurfsflexibilität für Funkfrequenzschaltungen, und im besonderen zur Optimierung von dielektrischen Leiterplattenmaterialien für eine verbesserte Leistung.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen und Antennenelemente werden üblicherweise auf speziell aufgebauten Substratplatten hergestellt. Für den Zweck dieser Art von Schaltungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanzen unterschiedlicher Teile der Schaltung nicht übereinstimmen, kann dies zu einem ineffizienten Leistungsübertrag, unnötiger Aufheizung von Komponenten und anderen Problemen führen. Die elektrische Länge von Übertragungsleitungen und Abstrahlelementen in diesen Schaltungen kann auch ein kritischer Gestaltungsfaktor sein.
Zwei kritische Faktoren, welche die Leistung eines Substratmaterials beeinflussen, sind die Dielektrizitätskonstante (manchmal die relative Permittivität oder ε_r genannt) und der Dielektrizitätsverlust bzw. die Verlusttangente (manchmal als der Dissipationsfaktor bezeichnet). Die relative Permittivität bestimmt die Geschwindigkeit des Signals und dadurch die elektrische Länge von Übertragungsleitungen und anderen Komponenten, die an dem Substrat implementiert werden. Der Dielektrizitätsverlust kennzeichnet die Verlustmenge, die für Signale auftritt, welche das Substratmaterial durchlaufen. Dementsprechend werden Materialien mit niedrigem Verlust mit steigender Frequenz noch wichtiger, insbesondere bei Entwurf von Empfängereingangsseiten und von niedrig-rauschenden Verstärkerschaltungen.
Gedruckte Übertragungsleitungen, passive Schaltungen und Abstrahlelemente, die in Funkfrequenzschaltungen verwendet werden, werden typischerweise auf eine von drei Arten gebildet. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet die Signalleitung auf einer Leiterplattenoberfläche an und stellt eine zweite leitfähige Schicht bereit, die üblicherweise als eine Masseplatte bezeichnet wird. Eine zweite Art von Konfiguration, die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist ähnlich, außer dass die Signalleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist die Signalleitung innerhalb des Substrats zwischen zwei elektrisch leitenden (Masse)-Platten eingefügt. Wenn man die Verlustleistung vernachlässigt, ist die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung, wie beispielsweise einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, gleich
wobei L_l die Induktivität bzw. der induktive Widerstand pro Einheitslänge und C_l die Kapazität pro Einheitslänge sind. Die Werte von L_l und C_l werden allgemein durch die physikalische Geometrie und den Abstand der Leitungsstrukturen bestimmt, als auch durch die Permittivität des dielektrischen Materials/der dielektrischen Materialien, die verwendet werden, um die Übertragungsleitungsstrukturen zu trennen. Herkömmliche Substratmaterialien weisen typischerweise eine relative Permeabilität von ungefähr 1,0 auf.
Beim herkömmlichen Funkfrequenzentwürfen wird ein Substratmaterial ausgewählt, das einen relativen Permittivitätswert aufweist, der für den Aufbau geeignet ist. Sobald das Substratmaterial ausgewählt ist, wird der Wert der charakteristischen Impedanz der Leitung ausschließlich durch Steuern der Leitungsgeometrie und der physikalischen Struktur angepasst.
Funkfrequenz ("radio frequency"; RF)-Schaltungen werden typischerweise in hybriden Schaltungen ausgebildet, in denen eine Vielzahl aktiver und passiver Schaltungskomponenten auf einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden Leiterplattensubstrats angebracht und miteinander verbunden ist, wie beispielsweise einem Keramiksubstrat. Die verschiedenen Komponenten werden allgemein durch aufgedruckte metallische Leiter aus Kupfer, Gold oder Tantal zusammengeschaltet, die beispielsweise Übertragungsleitungen als Streifenleitungen oder Mikrostreifen oder Zwillingsleitungsstrukturen.
Die Dielektrizitätskonstante des ausgewählten Substratmaterials für eine Übertragungsleitung, eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement bestimmt die physikalische Wellenlänge der Funkfrequenzenergie bei einer gegebenen Frequenz für diese Leitungsstruktur. Eines der beim Entwerfen von mikroelektronischen Funkfrequenzschaltungen auftretenden Probleme ist die Auswahl eines dielektrischen Baugruppensubstratmaterials, das für alle verschiedenen passiven Komponenten, strahlenden Elemente und Übertragungsleitungsschaltungen geeignet ist, die auf der Baugruppe auszubilden sind. Im Besonderen kann die Geometrie bestimmter Schaltungselemente aufgrund der einzigartigen elektrischen oder Impe danz-Eigenschaften, die für solche Elemente benötigt werden, physikalisch groß oder miniaturisiert sein. Beispielsweise müssen viele Schaltungselemente oder abgestimmte Schaltungen eine elektrische Viertelwelle sein. Auf gleiche Weise können die Leitungsbreiten, die für besonders hohe oder niedrige Werte der charakteristischen Impedanz benötigt wird, häufig zu schmal oder zu breit sein bezüglich einer praktischen Implementierung für ein gegebenes Substrat. Da die physikalische Größe des Mikrostreifens oder der Streifenleitung in einer inversen Beziehung zur relativen Permittivität des dielektrischen Materials steht, können die Ausmaße einer Übertragungsleitung durch die Wahl des Substratleiterplattenmaterials stark beeinflusst werden.
Dennoch kann eine optimale Wahl für einen Leiterplattensubstratmaterialentwurf für einige Komponenten inkonsistent mit dem optimalen Leiterplattensubstratmaterial für andere Komponenten sein, wie beispielsweise Antennenelemente. Darüber hinaus können einige Entwurtszielsetzungen für eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere sein. Beispielsweise mag es wünschenswert sein, die Größe eines Antennenelements zu verkleinern. Dies könnte erreicht werden durch Auswählen eines Leiterplattenmaterials mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten. Jedoch wird die Verwendung eines Dielektrikums mit einer höheren relativen Permittivität allgemein den unerwünschten Effekt der Verringerung des Abstrahlwirkungsgrads der Antenne haben.
Ein Antennenentwurtsziel ist es häufig, die Größe der Antenne ohne eine zu große Verringerung im Abstrahlwirkungsgrad zu verringern. Ein Verfahren zum Verringern der Antennengröße ergibt sich durch ein kapazitives Belasten, wie beispielsweise durch eine Verwendung eines Substrats mit einer hohen Dielektrizitätskonstante für die Dipol-Array-Elemente.
Falls beispielsweise Dipolarme kapazitiv belastet werden, indem man sie auf Leiterplattensubstratteilen mit einer "hohen" dielektrischen Konstanten platziert, können die Dipolarme relativ zu den Armlängen verkürzt werden, welche sonst benötigt würden bei Verwendung eines Substrats mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante. Dieser Effekt ergibt sich, weil das elektrische Feld im Hochdielektrizitäts-Substratteil zwischen dem Armteil und der Masseplatte in ein kleineres dielektrisches Substratvolumen konzentriert wird.
Jedoch wird der Abstrahlwirkungsgrad, der das frequenzabhängige Verhältnis der durch die Antenne abgestrahlten Leistung zu der der Antenne zugeführten Gesamt leistung darstellt, hauptsächlich aufgrund der kürzeren Dipolarmlänge verringert. Eine kürzere Armlänge verringert den Abstrahlwiderstand, welcher ungefähr gleich dem Quadrat der Armlänge für eine "kurze" (kleiner als eine halbe Wellenlänge) Dipolantenne, wie unten gezeigt, ist: Rr = 20 π2 (I/λ)2,wobei I die elektrische Länge der Antennenleitung und λ die interessierende Wellenlänge ist.
Eine Leitungsspur, die einen einzelnen kurzen Dipol aufweist, kann als eine offene Übertragungsleitung modelliert werden, welche in Reihe verbunden aufweist: einen Abstrahlwiderstand, einen Induktor, einen Kondensator und einen Widerstandsmassseverlust. Der Abstrahlwirkungsgrad eines Dipolantennensystems unter Annahme einer einzelnen Mode kann durch die folgende Gleichung angenähert werden:
wobei

E: der Wirkungsgrad ist,
R_r: der Abstrahlwiderstand ist,
X_L: die induktive Reaktanz ist,
X_C: die kapazitive Reaktanz ist,
R_L: die Masseverluste bzw. Erdungsverluste des ohmschen Speisungspunkts und Skin- Effekte sind.

Der Abstrahlwiderstand ist ein fiktiver Widerstand, der die Energie berücksichtigt, die von der Antenne abgestrahlt wird. Die induktive Reaktanz stellt die Induktanz der leitfähigen Dipolleitungen dar, während der Kondensator die Kapazität zwischen den Leitern darstellt. Die anderen in Reihe verbundenen Komponenten wandeln Hochfrequenzenergie einfach in Wärme um, was den Abstrahlwirkungsgrad des Dipols verringert.
Aus dem Obigen kann man erkennen, dass die Randbedingungen eines Leiterplattensubstrats mit ausgewählten relativen dielektrischen Eigenschaften oft zu Entwurfskompromissen führen, welche die elektrische Leistungsfähigkeit und/oder die physikalischen Eigenschaften der Gesamtschaltung negativ beeinflussen können. Ein inhärentes Problem mit dem herkömmlichen Ansatz ist es, dass, zumindest in Bezug auf das Substrat, die einzige Steuervariable für die Leitungsimpedanz die relative Permittivität ist. Diese Beschränkung beleuchtet ein wichtiges Problem mit herkömmlichen Substratmaterialien, d.h., dass sie darin versagen, einen Vorteil aus dem anderen Faktor zu ziehen, der die charakteristische Impedanz bestimmt, nämlich L_l, die Induktivität pro Einheitslänge der Übertragungsleitung.
Noch ein weiteres Problem, dass man beim Entwurf von Funkfrequenzschaltungen antrifft, ist die Optimierung der Schaltungskomponenten zum Betrieb auf unterschiedlichen Funkfrequenzbändern. Linienimpedanzen und -längen, die für ein erstes Funkfrequenzband optimiert sind, mögen eine schlechtere Leistungsfähigkeit bereitstellen, wenn sie für andere Bänder verwendet werden, entweder aufgrund der Impedanzschwankungen und/oder der Schwankungen in der elektrischen Länge. Solche Beschränkungen können den effektiven Betriebsfrequenzbereich für ein gegebenes Funkfrequenzsystem begrenzen.
Herkömmliche Leiterplattensubstrate werden allgemein durch Prozesse wie beispielsweise Abform- oder Sprühbeschichten gebildet, was allgemein zu gleichförmigen physikalischen Substrateigenschaften führt, einschließlich der Dielektrizitätskonstante. Dementsprechend hat es sich gezeigt, dass herkömmliche dielektrische Substratanordnungen für Funkfrequenzschaltungen eine Beschränkung beim Entwerfen von Schaltungen darstellen, die optimal bezüglich sowohl elektrischer als auch physikalischer Größeneigenschaften sind.
Eine Funkfrequenzantennenschaltung von Interesse wird in EP 1 139 490 , betitelt "Surface-Mount Antenna and Communication Device with Surface-Mount Antenna", diskutiert, welches eine Abstrahlelektrode an einer nicht mit Leistung versorgten Seite und eine Abstrahlelektrode an einer mit Leistung versorgten Seite beschreibt, die auf einer Obertläche eines dielektrischen Substrats mit einem Raum dazwischen gebildet werden. Ein die Permittivität anpassender Materialbereich ist in einem Raum vorgesehen, welcher sich zwischen der Abstrahlelektrode der nicht mit Leistung versorgten Seite und der Abstrahlelektrode der mit Leistung versorgten Seite befindet und in welchem eine Kapazität auftritt. Der die Permittivität anpassende Materialbereich weist eine niedrigere Permittivität als diejenige des elektrischen Substrats auf, was bewirkt, dass die Permittivität zwischen der Abstrahlelektrode auf der nicht mit Leistung versorgten Seite und der Abstrahlelektrode auf der mit Leistung versorgten Seite niedriger ist als diejenige des dielektrischen Substrats und die kapazitive Kopplung zwischen der Abstrahlelektrode auf der nicht mit Leistung versorgten Seite und der Abstrahlelektrode auf der mit Leistung versorgten Seite schwächt. Als ein Ergebnis wird es offensichtlich möglich, die gegenseitige Interferenz der Resonanzen der Abstrahlelektrode auf der nicht mit Leistung versorgten Seite und der Abstrahlelektrode auf der mit Leistung versorgten Seite zu unterdrücken und dadurch Antenneneigenschaften zu verbessern, ohne Maßnahmen wie beispielsweise das Aufweiten des Raums zwischen der Abstrahlelektrode auf der nicht mit Leistung versorgten Seite und der Abstrahlelektrode auf der mit Leistung versorgten Seite zu ergreifen, oder eine Verringerung der Permittivität des dielektrischen Substrats, wobei die Maßnahmen, die Oberflächenmontage-Antenne an einer Miniaturisierung hindern.
Siehe auch WO 01/47064, betitelt "Anisotropic Composite Antenna", welche eine anisotrope Verbundwerkstoffantenne mit einem Element betrifft, das zum Abstrahlen oder Empfangen eines elektromagnetischen Felds geeignet ist, sowie eine Leiterebene und einen anisotropen Verbundwerkstoff, welcher aus einem Stapel sich abwechselnder ferromagnetischer und elektrisch isolierender Schichten besteht. Die Schichten liegen senkrecht zur Leiterebene und zur elektrischen Komponente des abgestrahlten oder empfangenen Felds.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist eine Antenne vorgesehen, die ein dielektrisches Substrat umfasst, das mindestens einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, die unterschiedlich modifiziert sind, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen. Eine unterschiedliche Modifikation wird erreicht durch wahlweise bzw. selektive Verwendung mindestens eines Metamaterials, wobei ein Metamaterial ein Verbundwerkstoff ist, der aus dem Mischen oder Kombinieren zweier oder mehrerer unterschiedlicher Materialien auf einer molekularen oder Nanometer-Ebene gebildet wird. Die Antenne umfasst auch zumindest ein Abstrahlelement, das einen Leitungspfad mit mindestens einem Zwischenraum zum induktiven Koppeln aufweist, wobei der Zwischenraum benachbart zu mindestens einem Teil des ersten Bereichs des Substrats gebildet wird. Zumindest einige Teile des Abstrahlelements sind am zweiten Bereich des Substrats befestigt bzw. angebracht. Beispielhafte Metamaterialien umfassen ferritische organisch-keramisch oder organisch funktionalisierte Verbundteilchen.
In einer beispielhaften Implementierung werden die Permittivitäten und Permeabilitäten des ersten und des zweiten Bereichs so ausgewählt, dass sie einen gewünschten Reaktanzwert innerhalb des Zwischenraums erreichen. Beispielsweise kann die Per mittivität des ersten Bereichs größer sein als die Permittivität des zweiten Bereichs. Erste und zweite Abstrahlelemente können vorgesehen sein, wobei ein wesentlicher Teil jedes Abstrahlelements am zweiten Bereich befestigt ist. Ein dritter Bereich kann ebenfalls auf dem Substrat vorgesehen sein, der innerhalb zumindest eines Teils des Zwischenraums gebildet wird. Der dritte Bereich ist, durch selektive Verwendung mindestens eines Metamaterials, im Vergleich zum ersten und zweiten Bereich unterschiedlich modifiziert, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität im Vergleich zum ersten und/oder zum zweiten Bereich aufzuweisen. In einem Beispiel bilden zumindest zwei der Abstrahlelemente einen Dipol im dritten Bereich, und zwar eingefügt zwischen die Dipolabstrahlelemente zum induktiven Koppeln der Dipolabstrahlelemente miteinander, wobei die Permittivität und die Permeabilität des dritten Bereichs zum Bereitstellen eines gewünschten Reaktanzwerts ausgewählt werden. Die Permittivität und/oder die Permeabilität des dritten Bereichs können jeweils einen kleineren Wert aufweisen im Vergleich zu den Permittivitäten und/oder den Permeabilitäten der ersten und zweiten Bereiche. Der dritte Bereich (500) kann einen Kondensator und/oder einen Induktor bilden.
In einem weiteren Beispiel bilden mindestens zwei der Abstrahlelemente einen Dipol, wobei der Zwischenraum im Leitungspfad zwischen den Dipolabstrahlelementen zum kapazitiven Koppeln der Dipolabstrahlelemente miteinander gebildet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf ein Antennenelement, das zum Verringern der Größe und Verbessern des Abstrahlwirkungsgrads des Elements auf einem Substrat ausgebildet ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Antennenelements von 1 entlang einer Linie 2-2.
3 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Antennenelements in 1 und der Speisungsleitungsschaltung zugeordnet.
4 ist ein Flussdiagramm, das nützlich ist zum Darstellen eines Ablaufs zum Herstellen einer Antenne verringerter physikalischer Größe und eines hohen Abstrahlwirkungsgrads.
5 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Erfindung, in welcher ein Kondensator zwischen den Antennenelementen hinzugefügt worden ist, um die Impedanzbandbreite zu verbessern.
6 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform von 5 entlang der Linie 6-6.
7 ist eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung, in welcher eine Reihe reaktiver Elemente entlang der Länge eines Rahmenabstrahlelements angeordnet sind.
8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform von 7 entlang der Linie 8-8.
9 ist eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung, in welcher ein Hülsenelement hinzugefügt worden ist.
10 ist eine Querschnittssicht der alternativen Ausführungsform von 9 entlang der Linien 10-10.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Materialien für bedruckte Leiterplatten mit niedriger Dielektrizitätskonstante werden üblicherweise zum Entwurf von Funkfrequenzschaltungen ausgewählt. Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-basierte Komposite, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002 (dielektrische Konstante von 2,94; Dielektrizitätsverlust von 0,009) und RT/duroid^® 5880 (dielektrische Konstante von 2,2; Dielektrizitätsverlust von 0,0007), beide von Rogers Microwave Products, Advanced Circuit Materials Division, 100 S Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226, erhältlich. Diese beiden Materialien sind übliche Wahl für Leiterplattenmaterial. Die obigen Leiterplattenmaterialien stellen dielektrische Schichten mit relativ niedrigen dielektrischen Konstanten mit zugehörigen niedrigen Dielektrizitätsverlusten zur Verfügung.
Jedoch kann die Verwendung herkömmlicher Leiterplattenmaterialien die Miniaturisierung von Schaltungselementen kompromittieren und mag auch einige Leistungsaspekte der Schaltung kompromittieren, welche von Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante profitieren können. Eine typische Abwägung in Kommunikati onsschaltungen besteht zwischen der physikalischen Größe von Antennenelementen gegen den Wirkungsgrad. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe bereit durch Erlauben der Verwendung eines dielektrischen Schichtteils mit selektiv gesteuerten Permittivitäts- und Permeabilitätseigenschaften, die auf den Wirkungsgrad hin optimiert sind. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und Antennenelementdichte, die anders nicht möglich ist.
Bezugnehmend auf 1 kann eine Antenne 102 aus Elementen 103 bestehen. Die Elemente 103 können auf einer dielektrischen Schicht 100 wie gezeigt befestigt werden oder in der dielektrischen Schicht 100 vergraben werden. In 1 ist die Antenne 102 als ein Dipol ausgelegt, aber es wird dem Fachmann klar sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die dielektrische Schicht 100 einen ersten Bereich 104 mit einer ersten relativen Permittivität und einem zweiten Bereich 106 mit einer zweiten relativen Permittivität. Die erste relative Permittivität kann sich von der zweiten relativen Permittivität unterscheiden, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Eine Masseplatte 110 ist vorzugsweise unter der Antenne 102 vorgesehen und kann Öffnungen für den Durchgang von Antennenspeisungen 108 umfassen. Alternativ kann die Speisungsleitung für die Antenne direkt auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sein, wie in 3 gezeigt. Das dielektrische Material 100 weist eine Dicke auf, die eine Antennenhöhe über Masse definiert. Die Dicke ist ungefähr gleich dem physikalischen Abstand von der Antenne 102 zur darunter liegenden Masseplatte 110.
Antennenelemente 103 und der zweite Bereich 106 der dielektrischen Schicht sind so konfiguriert, dass zumindest ein Teil der Antennenelemente sich auf dem zweiten Bereich 106 wie gezeigt befindet.
Um die physikalische Größe der Elemente 103 zu verringern, kann die zweite relative Permittivität des Substrats im zweiten Bereich 106 wesentlich größer sein als die erste relative Permittivität des Dielektrikums im ersten Bereich 104. Allgemein ist die Resonanzlänge grob proportional zu 1/√ε r, wobei ε_r die relative Permittivität ist. Dementsprechend kann ein Auswählen eines höheren Werts der relativen Permittivität die physikalischen Abmessungen der Antenne verringern.
Ein Problem beim Erhöhen der relativen Permittivität im zweiten Bereich 106 ist, dass der Abstrahlwirkungsgrad der Antenne 102 verringert werden kann. Mikrostreifenantennen, die auf relativ dicke Substrate mit hoher dielektrischer Konstante aufgedruckt werden, neigen dazu, einen schlechten Abstrahlwirkungsgrad aufzuweisen. Bei dielektrischen Substraten, die höhere Werte der relativen Permittivität aufweisen, wird eine größere Menge des elektromagnetischen Felds im Dielektrikum zwischen dem leitenden Antennenelemente und der Masseplatte konzentriert. Ein schlechter Abstrahlwirkungsgrad unter solchen Umständen wird häufig teilweise Oberflächenwellenmoden zugeschrieben, die sich entlang der Luft/Substrat-Grenzfläche ausbreiten.
Wenn sich die Größe der Antenne aufgrund der Verwendung eines hochdielektrischen Substrats verringert, sinkt allgemein die Netto-Antennenkapazität, weil die Flächenverringerung den Anstieg in der effektiven Permittivität, die sich aus der Verwendung des Substratteils mit höherer dielektrischer Konstante ergibt, mehr als ausgleicht.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Bildung dielektrischer Substrate, die ein oder mehrere Bereiche mit einer erheblichen magnetischen Permeabilität aufweisen. Bekannte Substrate umfassen allgemein Materialien mit relativen magnetischen Permeabilitäten von ungefähr 1. Die Fähigkeit, eine signifikante magnetische Permeabilität Teilen des dielektrischen Substrats hinzuzufügen, kann dazu verwendet werden, die Induktivität nahe liegender Leitungsspuren, wie beispielsweise von Übertragungsleitungen und Antennenelementen, zu erhöhen. Diese Flexibilität kann dazu verwendet werden, die Funkfrequenzsystemleistung auf eine Zahl von Wegen zu verbessern.
Beispielsweise können im Fall kurzer Dipolantennen dielektrische Substratteile mit einer signifikanten relativen magnetischen Permeabilität dazu verwendet werden, die Induktivität der Dipolelemente zu erhöhen, um Verluste im Abstrahlwirkungsgrad aus einer Verwendung eines hoch dielektrischen Substrats und der sich allgemein ergebenden höheren Kapazität zu kompensieren. Dementsprechend kann eine Resonanz bei einer gewünschten Frequenz erreicht oder angenähert werden durch Verwendung eines Dielektrikums mit einer relativen magnetischen Permeabilität größer als 1. Daher kann die Verwendung verwendet werden, um die Leistung zu verbessern oder den Bedarf daran unnötig zu machen, einen diskreten Induktor zu dem System in einem Versuch hinzuzufügen, die gleiche Funktion auszuführen.
Allgemein ist es gefunden worden, dass dann, wenn sich die Substratpermittivität von 1 aus erhöht, es wünschenswert ist, auch die Permeabilität zu erhöhen, damit die Antenne elektromagnetische Energie von der Antennenstruktur in den freien Raum effektiver überträgt. Diesbezüglich mag angemerkt werden, dass eine Schwankung in der dielektrischen Konstanten oder der Permittivität hauptsächlich das elekt- rische Feld beeinträchtigt, während eine Steuerung über die Permeabilität die Übertragung der Energie für das magnetische Feld verbessert.
Für einen größeren Abstrahlwirkungsgrad ist gefunden worden, dass die Permeabilität grob gemäß der Wurzel der Permittivität erhöht werden kann. Falls beispielsweise ein Substrat mit einer Permittivität von 9 ausgewählt wird, würde ein guter Anfangspunkt für eine optimale Permeabilität 3 sein. Natürlich wird der Fachmann erkennen, dass die optimalen Werte in jedem bestimmten Fall von einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich der genauen Natur der dielektrischen Struktur oberhalb und unterhalb der Antennenelemente, der dielektrischen und leitenden Struktur, welche die Antennenelemente umgibt, der Höhe der Antenne oberhalb der Masseplatte, der Breite des Dipolarms usw., abhängen. Dementsprechend kann eine geeignete Kombination optimaler Werte für die Permittivität und die Permeabilität experimentell und/oder mittels Computermodulierung bestimmt werden.
Der Fachmann wird erkennen, dass die obige Technik nicht auf die Verwendung mit Dipolantennen, wie den in 1 und 2 gezeigten, beschränkt ist. Stattdessen kann die obige Technik verwendet werden, um effiziente Antennenelemente verringerter Größe in anderen Arten von Substratstrukturen zu erzeugen. Anstatt dass die Antennenelemente 103 beispielsweise ausschließlich auf dem Substrat, wie in den 1 und 2 gezeigt, sitzen, können sie teilweise oder vollständig im zweiten Bereich 106 der dielektrischen Schicht eingebettet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die relative Permittivität und/oder Permeabilität des Dielektrikums im zweiten Bereich 106 unterschiedlich von der relativen Permittivität und Permeabilität des ersten Bereichs 104 sein. Ferner kann zumindest ein Teil des dielektrischen Substrats 100 ein oder mehrere zusätzliche Bereiche aufweisen, auf welchen eine zusätzliche Schaltung vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann in 3 der Bereich 112, 114, 116 eine Antennenspeisungsschaltung 115 tragen, welche eine Symmetrieschaltung, eine Speisungsleitung oder einen Impedanzwandler umfassen kann. Jeder Bereich 112, 114, 116 kann eine relative Permittivität und Permeabilität aufweisen, die für die physikalischen und elektrischen Eigenschaften optimiert ist, die für jede der entsprechenden Komponenten benötigt wird.
Auf gleiche Weise können diese Techniken für jede andere Art von Substratantennen verwendet werden, von denen der Dipol von 1 lediglich ein Beispiel darstellt. Ein anderes Beispiel ist eine Rahmenantenne, wie in den 7 und 8 gezeigt, in welcher die Permittivität und Permeabilität des Substrats unterhalb der Abstrahlelemente und/oder der Speisungsschaltung selektiv im Hinblick auf eine verringerte Größe mit einem hohen Abstrahlwirkungsgrad gesteuert wird. In 7 ist ein Rahmenantennenelement 700 mit einem Speisungspunkt 706 und einer angepassten Symmetrieschaltung 705 gezeigt, die auf einem dielektrischen Substrat 701 angebracht ist. Eine Masseplatte 703 kann unterhalb des Substrats wie gezeigt vorgesehen sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der dielektrische Substratbereich 704 unterhalb des Rahmenantennenelements 700 eine Permittivität und eine Permeabilität aufweisen, die sich von dem umgebenden Substrat 701 unterscheidet. Die erhöhte Permittivität im Bereich 704 kann die Größe des Antennenelements 700 für eine gegebene Betriebsfrequenz verringern. Um einen befriedigenden Abstrahlwirkungsgrad aufrecht zu erhalten, kann die Permeabilität im Bereich 704 jedoch auf eine Art erhöht werden, die ähnlich zu der oben unter Bezug auf die Dipolantenne beschriebenen ist.
Alternativ oder zusätzlich zu den Modifikationen des dielektrischen Substrats unterhalb der Antennenelemente können andere Merkmale der Antennenleistung durch vorteilhaftes Steuern der Eigenschaften ausgewählter Bereiche des Substrats verbessert werden. Beispielsweise ist von herkömmlichen Dipolantennensystemen bekannt, dass ein Chipkondensator zwischen den benachbarten Enden der zwei Antennenelemente eingebunden werden kann. Das Hinzufügen eines Kondensators, der die Antennenelemente an dieser Stelle überbrückt, ist vorteilhaft, da dies die Impedanzbandbreite der Antenne verbessern kann. Der Fachmann ist allgemein mit den Techniken zum Auswählen eines geeigneten Wertes der Kapazität zum Erreichen von Leistungsverbesserungen vertraut. Jedoch kann, wenn sich die Betriebsfrequenzen erhöhen, der notwendige Wert des Kopplungskondensators, der benötigt würde, um zwischen den benachbarten Enden vorgesehen zu sein, extrem klein werden. Das Ergebnis ist, dass der richtige Kapazitätswert unter Verwendung herkömmlicher konzentrierter Schaltungskomponenten, wie beispielsweise Chipkondensatoren, nicht erreicht werden kann.
Bezugnehmend auf 1 wird eine gewisse Kapazitätsmenge inhärent zwischen den benachbarten Enden 105 existieren. Jedoch werden der Abstand der Enden 105 und die relativ niedrige Permittivität des Substrats 100 allgemein so sein, dass diese inhärente Kapazität nicht dem Wert entsprechen wird, der zum Optimieren der Impedanzbandbreite nötig ist, die für eine bestimmte Anwendung nötig ist. Dementsprechend ist 5 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Permittivität im Bereich 500 selektiv gesteuert werden kann. 6 ist eine Querschnittsansicht der alternativen Ausführungsform von 5 entlang Linie 6-6. Gemeinsame Bezugsziffern in den 1 bis 2 und 5 bis 6 werden verwendet, um gemeinsame Elemente in den 5 und 6 zu identifizieren.
Durch selektives Steuern der Permittivität des Substrats in dem Bereich 500, wie gezeigt, ist es möglich, die inhärente Kapazität, die zwischen den Enden 105 der Dipolelemente 103 existiert, zu erhöhen oder zu erniedrigen. Das Ergebnis ist eine verbesserte Impedanzbandbreite, die sonst nicht unter Verwendung herkömmlicher konzentrierter Elementmittel erreicht werden kann. Die Grenzen des Bereichs 500 sind in den 5 und 6 so gezeigt, dass sie sich nur zwischen den benachbarten Enden 105 der Antennenelemente 103 erstrecken. Es wird dem Fachmann klar sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Stattdessen können die Grenzen des Bereichs 500 sich etwas mehr oder wenig relativ zu den Enden der Dipolelemente 105 erstrecken, ohne vom vorgesehenen Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Bereich 500 einen Teil des Bereichs unterhalb der Enden der Antennenelemente 105 umfassen. Alternativ kann nur ein Teil des Bereichs zwischen den Enden 105 so modifiziert werden, dass er unterschiedliche Permittivitätseigenschaften aufweist.
Eine ähnliche Technik zum Verbessern der Impedanzbandbreite kann auch auf Rahmenantennen angewandt werden. Im Fall von Rahmenantennen werden herkömmlicherweise Kapazitäten entlang von Leitungspfaden, welche das Abstrahlelement für die Schleife definieren, dazwischen gelegt. In einer herkömmlichen Rahmenantenne würden die bezeichneten Kondensatoren typischerweise zwischen benachbarten Endteilen 702 des Antennenelements 700, wie in den 7 und 8 gezeigt, verbunden sein. Wenn sich jedoch die Entwurfsfrequenz der Antenne erhöht, können die Kondensatorwerte, die zum Implementieren dieser Techniken notwendig sind, zu klein sein, um eine Verwendung konzentrierter Elementkomponenten, wie beispielsweise von Chipkondensatoren, zu erlauben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in den 7 und 8 gezeigt ist, kann die Permittivität in Bereichen 708 selektiv gesteuert werden, um die inhärente kapazitive Kopplung anzupassen, die zwischen den Endteilen 702 existiert. Falls beispielsweise die Permittivität des Substrats in den Bereichen 708 erhöht wird, kann die inhärente Kapazität zwischen Enden 702 erhöht werden. Auf diese Weise kann die notwendige Kapazität bereitgestellt werden, um die Impedanzbandbreite zu verbessern, und zwar durch Verwenden und selektives Steuern der inhärenten Kapazität zwischen Endteilen 702. Der Fachmann wird anerkennen, dass der Bereich 708 etwas kleiner sein kann als, oder sich etwas erstrecken kann über, die Grenzen, die durch die Endteile 702 definiert sind.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung ist in den 9 und 10 dargestellt, bei denen die Dipolelemente 902 auf einem Substrat 900 angebracht sind. Dipolelemente 902 können einen Speisungspunkt 901 aufweisen, wie es aus dem Stand der Technik gut bekannt ist. Eine Masseplatte 904 kann unterhalb des Substrats wie gezeigt vorgesehen sein. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Verbesserungen der Eingangsimpedanzbandbreite einer Antenne erreicht werden können durch die Verwendung kapazitiver oder induktiver Kopplung an den benachbarten Enden von Dipolelementen. In den 9 und 10 wird diese kapazitive Kopplung erreicht durch Verwenden eines modifizierten dielektrischen Bereichs 906 mit einer höheren Permittivität im Vergleich zum umgebenden Substrat 900. Diese höhere Permittivität kann ein kapazitives Koppeln zwischen Dipolelementen 902 auf im Wesentlichen die gleiche Weise verbessern wie vorher unter Bezug auf die 5 und 6 beschrieben.
Ferner kann die Erfindung ein herkömmliches Hülsenelement 908 verwenden, um eine induktive Kopplung zu verbessern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann jedoch die Permeabilität des modifizierten dielektrischen Bereichs 906 selektiv gesteuert werden. Beispielsweise kann die Permeabilität erhöht werden, um einen Wert größer als 1 aufzuweisen. Alternativ kann die Permeabilität im Bereich 906 so gesteuert werden, dass sie entlang der Länge des induktiven Elements 908 variiert. In jedem Fall kann die Kopplung zwischen der "Hülse" und dem Dipolarm verbessert und gesteuert werden durch selektives Anpassen des Dielektrikums des Substrats zwischen der Hülse und dem Dipolarm, um die Impedanzbandbreite zu verbessern. Die Aufnahme permeablen Materials unter der Hülse würde eine Steuerung der Linienbreite ermöglichen, die sonst nicht ohne die Verwendung magnetischen Materials erreichbar wäre. Diese Steuerung über die Permittivität und Permeabilität kann den Entwurfsingenieur mit einer größeren Flexibilität ausrüsten, um eine verbesserte Bandbreitenimpedanzanpassung bereitzustellen.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen zum Integrieren reaktiver kapazitiver und induktiver Komponenten in ein dielektrisches Leiterplattensubstrat sind nicht auf die Verwendung mit den Antennen, wie gezeigt, beschränkt. Stattdessen kann die Erfindung verwendet werden mit einer großen Vielzahl anderer Leiterplattenkomponenten, die kleine Mengen sorgfältig gesteuerter Induktivitäten und Kapazitäten benötigen.
Dielektrische Substratplatten mit Metamaterialteilen stellen lokalisierte und auswählbare magnetische und dielektrische Eigenschaften bereit, die wie in 4 gezeigt präpariert werden können. In Schritt 410 kann das dielektrische Leiterplattenmaterial präpariert werden. In Schritt 420 kann zumindest ein Teil des dielektrischen Leiterplattenmaterials unter Verwendung von Metamaterialien, wie unten beschrieben, unterschiedlich modifiziert werden, um die physikalische Größe zu verkleinern und den bestmöglichen Wirkungsgrad für die Antennenelemente und eine zugeordnete Speisungsschaltung zu erreichen. Als Letztes kann eine Metallschicht angelegt werden, um die Leitungsspuren zu definieren, die den Antennenelementen und der zugeordneten Speisungsschaltung zugeordnet sind.
Wie hierin definiert, bezieht sich der Ausdruck "Metamaterialien" auf Kompositmaterialien, die aus dem Mischen oder einer Kombination von zwei oder mehr unterschiedlicher Materialien auf einer sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der Angström- oder Nanometer-Ebene, gebildet werden. Metamaterialien erlauben ein Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften des Verbundmaterials bzw. Komposits, welches durch effektive elektromagnetische Parameter definiert werden kann, die eine effektive elektrische Permittivität (oder Dielektrizitätskonstante) und die effektive magnetische Permeabilität umfassen.
Der Ablauf des Präparierens und unterschiedlichen Modifizierens des dielektrischen Leiterplattenmaterials, wie in den Schritten 410 und 420 beschrieben, wird nun genauer beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass die hierin beschriebenen Verfahren lediglich Beispiele darstellen und die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Geeignete dielektrische Bulkkeramiksubstratmaterialien kann man von kommerziellen Materialherstellern, wie beispielsweise duPont und Ferro, erhalten. Das unverarbeitete Material, üblicherweise Green Tape genannt, kann aus einem dielektrischen Massen-Band in große Bereiche geschnitten werden, wie beispielsweise in Teile von 15,24 × 15,24 cm (d. h., 6 inch × 6 inch-Teile). Beispielsweise stellt duPont Microcircuit Materials Green Tape-Materialsysteme bereit, wie beispielsweise das Niedertemperatur-Einbrand-Band. Diese Substratmaterialien können dazu verwendet werden, dielektrische Schichten mit relativ geringen Dielektrizitätskonstanten mit dazugehörigen relativ niedrigen Dielektrizitätsverlusten für einen Schaltungsbetrieb bei Mikrowellenfrequenzen bereitzustellen, sobald sie gebrannt sind.
Beim Ablauf des Erzeugens einer Mikrowellenschaltung unter Verwendung mehrfacher Lagen eines dielektrischen Substratmaterials können Merkmale wie beispielsweise Durchführungen, Poren, Löcher oder Hohlräume durch ein oder mehrere Schichten des Bandes gestanzt werden. Poren können durch mechanische Mittel (beispielsweise Stanzungen) oder durch gerichtete Energiemittel (z. B. Laserbohren, Fotolithografie) definiert werden, aber Poren können auch unter Verwendung jedes anderen geeigneten Verfahrens definiert werden. Einige Durchkontaktierungen können durch die gesamte Dicke des großen Substrats hindurch reichen, während einige Poren nur durch verschiedene Bereiche der Substratdicke hindurchreichen.
Die Durchkontaktierungen können dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien oder Mischungen davon, aufgefüllt werden, üblicherweise unter Verwendung von Schablonen zur präzisen Aufbringung. Die individuellen Schichten des Bandes können in einem herkömmlichen Verfahrensablauf aufeinander gestapelt werden, um ein vollständiges Mehrlagensubstrat herzustellen.
Die Wahl einer Metamaterialzusammensetzung kann steuerbare effektive Dielektrizitätskonstanten über einen vergleichsweise kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis mindestens 2650 ergeben. Steuerbare magnetische Eigenschaften sind auch von bestimmten Metamaterialien verfügbar. Beispielsweise kann durch Wahl geeigneter Materialien die relative effektive magnetische Permeabilität allgemein von ungefähr 4 bis 116 für die meisten praktischen Funkfrequenzanwendungen reichen. Jedoch kann die relative effektive magnetische Permeabilität so niedrig wie ca. 2 sein oder bis in die Tausende reichen.
Der Ausdruck "unterschiedlich modifiziert", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Veränderungen bzw. Modifikationen, einschließlich Dotiermitteln, in Bezug auf eine dielektrische Substratschicht, was dazu führt, dass zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich unterschiedlich ist. Ein unterschiedlich modifiziertes Leiterplattensubstrat umfasst vorzugsweise ein oder mehr Metamaterial enthaltende Bereiche.
Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Veränderung sein, bei der bestimmte dielektrische Schichtbereiche bzw. Bereiche einer dielektrischen Schicht verändert werden, um einen ersten Satz dielektrischer oder magnetischer Eigenschaften zu erzeugen, während andere Bereiche der dielektrischen Schicht unterschiedlich modifiziert bzw. verändert werden oder unverändert bleiben, um dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften bereitzustellen, die sich von dem ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden. Eine unterschiedliche Modifizierung kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Wege erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine dielektrische Ergänzungsschicht der dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben kann verwendet werden, um die dielektrische Ergänzungsschicht aufzubringen. Die dielektrische Ergänzungsschicht kann ausgewählt in räumlich begrenzten Bereichen hinzugefügt werden, einschließlich innerhalb von Poren oder Löchern, oder über die gesamte existierende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann eine dielektrische Ergänzungsschicht verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven dielektrischen Konstante bereitzustellen.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann weiterhin ein räumlich begrenztes Hinzufügen zusätzlicher Materialien zu der dielektrischen Schicht oder der dielektrischen Ergänzungsschicht enthalten. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die effektive dielektrische Konstante oder magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht weiter zu steuern, um ein vorgegebenes Entwurfsziel zu erreichen.
Das zusätzliche Material kann eine Vielzahl von metallischen und/oder keramischen Teilchen umfassen. Metallteilchen umfassen vorzugsweise Eisen-, Wolfram-, Kobalt-, Vanadium-, Mangan-, bestimmte Seltenerdmetall-, Nickel- oder Niob-Teilchen. Die Teilchen sind vorzugsweise nanogroße Teilchen mit allgemein physikalischen Sub-Mikrometer-Abmessungen, die im Weiteren als Nanoteilchen bezeichnet werden.
Die Teilchen, wie beispielsweise Nanoteilchen, können vorzugsweise organofunktionalisierte Kompositteilchen sein. Beispielsweise können organofunktionalisierte Kompositteilchen Teilchen umfassen, welche metallische Kerne mit elektrisch isolierenden Beschichtungen oder elektrisch isolierende Kerne mit einer Metallbeschichtung umfassen. Magnetische Metamaterialteilchen, welche allgemein zur Steuerung magnetischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht für eine Vielzahl von hierin beschriebenen Anwendungen geeignet sind, umfassen Ferrit-Organokeramiken (Fex-CyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Teilchen arbeiten gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40 GHz. Alternativ oder zusätzlich sind Niob-Organokeramiken (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik) nützlich für den Frequenzbereich von 12–40 GHz. Die für eine Hochfrequenz vorgesehenen Materialien sind auch auf Niedrigfrequenzanwendungen anwendbar. Diese und andere Arten von Kompositteilchen sind kommerziell erhältlich.
Allgemein werden beschichtete Teilchen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie eine Verbindung mit einer Polymer (z.B. LCP)-Matrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen. Zusätzlich zum Steuern der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums können die hinzugefügten Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive dielektrische Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen von ungefähr 1 bis 70% ist es möglich, die dielektrische Konstante von Bereichen der dielektrischen Substratschicht und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht wesentlich zu erhöhen und möglicherweise abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter Nanopartikel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die dielektrische Konstante der modifizierten Bereiche der dielektrischen Schicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfach-Mischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Beispielsweise kann, falls die dielektrische Schicht LCP umfasst, eine dielektrische Konstante von einem Wert von 2 bis hoch zu 10 unter Verwendung einer Vielzahl von Teilchen mit einem Füllungsverhältnis von bis zu 70% angehoben werden.
Metalloxide, die für diesen Zweck nützlich sind, können Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob(II, IV, V)-oxid umfassen. Lithiumniobat (LiNbO₃) und Zirkonate, wie beispielsweise Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, können ebenfalls verwendet werden.
Die wählbaren Substrateigenschaften können auf Flächen so klein wie ca. 10 nm lokal begrenzt werden oder große Flächenbereiche abdecken, einschließlich der gesamten Baugruppen- bzw. Leiterplattensubstratoberfläche. Herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Lithographie und Ätzen zusammen mit Abscheidungsabläufen können zur räumlich begrenzten Handhabung der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften verwandt werden.
Die Materialien können gemischt mit anderen Materialien oder einschließlich verschiedener Dichten porenbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) angesetzt werden, um effektive dielektrische Konstanten in einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca. 2650 herzustellen, als auch andere potentiell gewünschte Substrateigenschaften. Beispielsweise umfassen Materialien, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante (< 2 bis ca. 4) zeigen, Siliziumdioxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter Bereiche. Aluminiumoxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter Bereiche kann eine Dielektrizitätskonstante von ca. 4 bis 9 bereitstellen. Weder Siliziumdioxid noch Aluminiumoxid weisen irgendwelche wesentlichen magnetischen Permeabilitäten auf. Jedoch können magnetische Partikel hinzugefügt werden, wie beispielsweise bis zu 20 Gew.-%, um diese oder jegliches andere Material merklich magnetisch zu machen. Beispielsweise können magnetische Eigenschaften mit einer Organofunktionalität zugeschnitten werden. Die Auswirkung auf die Dielektrizitätskonstante vom Hinfügen magnetischer Materialien führt allgemein zu einem Anstieg in der Dielektrizitätskonstante.
Materialien mit mittlerer Dielektrizitätskonstante weisen eine Dielektrizitätskonstante auf, die allgemein im Bereich von 70 bis 500 ± 10% liegt. Wie oben angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden, um die gewünschten Werte der effektiven Dielektrizitätskonstanten bereitzustellen. Diese Materialien können Ferrit-dotiertes Kalziumtitanat umfassen. Dotiermetalle können Magnesium, Strontium und Niob umfassen. Diese Materialien weisen einen Bereich von 45 bis 600 in der relativen magnetischen Permeabilität auf.
Für Anwendungen mit hoher Dielektrizitätskonstante können Ferrit- oder Niobdotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate verwendet werden. Diese Materialien weisen eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2200 bis 2650 auf. Dotieranteile für diese Materialien liegen allgemein zwischen ca. 1 bis 10%. Wie in Bezug auf andere Materialien angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden, um gewünschte effektive Werte für die Dielektrizitätskonstante bereitzustellen.
Diese Materialien können allgemein durch verschiedene molekulare Veränderungsabläufe modifiziert werden. Modifikationsbearbeiten kann eine Erzeugung von Poren, gefolgt durch Füllen mit Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff- und Fluorbasierten organofunktionalisierten Materialen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), umfassen.
Alternativ oder zusätzlich zur organofunktionalen Integration kann ein Bearbeiten eine Herstellung von festen Freiformen ("solid freeform fabrication"; SFF), Licht-, UV-Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl-Bestrahlung umfassen. Eine Lithographie kann auch unter Verwendung einer Foto-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl- Bestrahlung durchgeführt werden.
Unterschiedliche Materialien, einschließlich von Metamaterialien, können auf unterschiedliche Flächen aufgebracht werden, so dass eine Vielzahl von Flächen der Substratschichten unterschiedliche dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Hinterfüllungsmaterialien, wie oben angemerkt, können zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten verwendet werden, um gewünschte dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu erreichen, entweder lokal begrenzt oder über einen Massen-Substratbereich.
Ein Leiteraufdruck auf der obersten Schicht wird dann allgemein auf die modifizierte Substratschicht aufgebracht. Leiterspuren können unter Verwendung von Dünnschichttechniken, Dickschichttechniken, einer Galvanisierung oder jeder anderen geeigneten Technik bereitgestellt werden. Die Prozessabläufe, die verwendet werden, um das Leitermuster zu definieren, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Standardlithographie und Vervielfältigungsmatrizen.
Man erhält dann allgemein eine Grundplatte zum Zuordnen und Ausrichten einer Vielzahl von modifizierten Baugruppensubstraten.
Die Vielzahl von Schichten des Substrats kann dann aufeinander geschichtet werden (z. B. mechanisch gepresst) unter Verwendung entweder eines isostatischen Drucks, was einen Druck auf das Material von allen Richtungen anlegt, oder eines einachsigen Drucks, was einen Druck auf das Material nur von einer Richtung aus anlegt. Das Mehrlagensubstrat wird dann weiterverarbeitet, wie oben beschrieben, oder in einen Ofen eingebracht, um auf eine Temperatur aufgeheizt zu werden, die für das verarbeitete Substrat geeignet ist (ungefähr 850°C bis 900°C für die oben angesprochenen Materialien).
Die Vielzahl von Keramikbandschichten kann bezüglich eines Temperaturanstiegs mit einer Rate gesteuert werden, die für das verwendete Substratmaterial geeignet ist. Die verwendeten Prozessbedingungen, wie beispielsweise die Anstiegsrate der Temperatur, die Endtemperatur, das Abkühlprofil und notwendige Halteabschnitte werden abgestimmt auf das Substratmaterial und jedes darin hinterfüllte oder darauf aufgetragene Material ausgewählt. Dem Brennen folgend werden Substratplatten typischerweise unter Verwendung eines optischen Mikroskops auf Fehler untersucht.
Die gestapelten Keramiksubstrate können dann optional in vereinzelte Stücke geschnitten werden, die so klein sind, wie es benötigt wird, um Schaltungsfunktionsanforderungen zu erfüllen. Folgend auf eine Endprüfung können die vereinzelten Substratstücke dann auf einer Testhalterung zur Beurteilung ihrer verschiedenen Eigenschaften angebracht werden, wie z. B. dazu um sicherzustellen, dass die dielektrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen.
Daher können dielektrische Substratmaterialien mit lokal abstimmbaren dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dichte und Leistung von Schaltungen ausgestattet sein. Die dielektrische Flexibilität erlaubt eine unabhängige Optimierung der Speisungsleitungsimpedanz und der Dipolantennenelemente.

Claims

Antenne (102), aufweisend: ein dielektrisches Substrat (100) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Bereich (104, 106), die unterschiedlich modifiziert sind, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen; und zumindest ein Abstrahlelement (103), das einen Leitungspfad mit mindestens einem Zwischenraum zur induktiven Kopplung aufweist, wobei die Lücke benachbart zu mindestens einem Teil des ersten Bereichs (104) des Substrats (100) ausgebildet ist; wobei mindestens einige Teile des Abstrahlelements an dem zweiten Bereich (106) des- Substrats (100) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterschiedliche Modifikation erreicht wird durch wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials, welches umfasst: ferritische organisch-keramische Teilchen oder organisch-keramische Niob-Teilchen oder organisch-funktionalisierte keramische Verbundteilchen, die umfassen können: Metalloxide, einschließlich Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob (II, IV und V)-Oxid, Lithiumniobat, und Zirkonate, einschließlich Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, und ferritdotiertes Kalziumtitanat unter Verwendung von Magnesium, Strontium oder Niob als Dotiermetallen, und ferrit- oder niob-dotiertes Kalzium oder Bariumtitanatzirkonate, und wobei das Metamaterial ein Verbundstoff ist, der durch Mischen oder Kombinieren zweier oder mehrerer unterschiedlicher Materialien auf einer molekularen oder Nanometer-Ebene gebildet wird.
Antenne (102) nach Anspruch 1, bei der die Permittivitäten und Permeabilitäten des ersten und zweiten Bereichs ausgewählt werden, um einen gewünschten Reaktanzwert im Zwischenraum zu erreichen.
Antenne (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Permittivität des ersten Bereichs (104) größer ist als die Permittivität des zweiten Bereichs (106).
Antenne (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein erstes und ein zweites Abstrahlelement (103), wobei ein wesentlicher Teil jedes Abstrahlelements am zweiten Bereich (106) befestigt ist.
Antenne (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen dritten Bereich (500) des Substrats (100), der in mindestens einem Teil des Zwischenraums ausgebildet ist, wobei der dritte Bereich durch ausgewählte Verwendung mindestens eines Metamaterials im Vergleich zum ersten und zweiten Bereich (104, 106) unterschiedlich modifiziert ist, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität im Vergleich zum ersten und zweiten Bereich (104, 106) aufzuweisen.
Antenne (102) nach Anspruch 5, umfassend mindestens zwei Abstrahlelemente (103), die einen Dipol bilden, und wobei der dritte Bereich zwischen den Dipolabstrahlelementen eingefügt ist, um die Dipolabstrahlelemente induktiv miteinander zu koppeln, wobei die Permittivität und Permeabilität des dritten Bereichs zum Bereitstellen eines gewünschten Reaktanzwerts ausgewählt sind.
Antenne (102) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Permittivität und/oder die Permeabilität des dritten Bereichs (500) jeweils einen kleineren Wert aufweisen als die Permeabilitäten und/oder die Permittivitäten des ersten und zweiten Bereichs (104, 106).
Antenne (102) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welcher der dritte Bereich (500) mindestens einen Kondensator und einen Induktor bildet.
Antenne (102) nach Anspruch 1, umfassend mindestens zwei Abstrahlelemente (103), die einen Dipol bilden, und wobei der Zwischenraum zwischen den Dipolabstrahlelementen gebildet ist, um die Dipolabstrahlelemente kapazitiv miteinander zu koppeln.