EP3903376B1

EP3903376B1 - Hohlleiteranordnung

Info

Publication number: EP3903376B1
Application number: EP20824942.5A
Authority: EP
Inventors: Timo JAESCHKE; Simon Kueppers
Original assignee: 2Pi Labs GmbH
Current assignee: 2Pi Labs GmbH
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2025-10-01
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: WO2021123111A1; US20230016951A1; EP3903376A1; EP3903376C0; US12119532B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hohlleiteranordnung zum Leiten elektromagnetischer Wellen in einem von leitfähigem Material umgebenen Hohlraum sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlleiteranordnung.
Hohlleiter sind im Stand der Technik wohlbekannt als Wellenleiter für elektromagnetische Wellen, vorwiegend für solche im GHz-Frequenzbereich, also insbesondere zur Anwendung zwischen 1 GHz und 1 THz. Bei Hohlleitern handelt es sich üblicherweise um Metallrohre bzw. mit Metall umgebene Hohlräume mit meist rechteckigem, kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt. In der Praxis am relevantesten und daher auch ohne Beschränkung der Allgemeinheit hier stets als Beispiel verwendet sind sogenannte Rechteckhohlleiter, also Hohlleiter mit grundsätzlich rechteckigem oder quadratischem Querschnitt.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Hohlleiteranordnung, die ein Leiterplattenmaterial aufweist, das einen Rücken und eine (elektrisch leitende) Leitschicht aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Leiterplattenmaterial um ein sogenanntes PCB-Material zur Herstellung gedruckter Schaltungen (Printed Circuit Board).
Als Rücken wird hierbei insbesondere der Teil des Leiterplattenmaterials bezeichnet, der dem Leiterplattenmaterial bzw. der Hohlleiteranordnung mechanische Stabilität verleiht. Dementsprechend ist der Rücken vorzugsweise plattenförmig ausgebildet.
Es ist bevorzugt, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen, dass der Rücken - zumindest überwiegend - aus einem elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise einem Metall wie Kupfer o dgl., besteht. In diesem Fall weist das Leiterplattenmaterial vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Substrat (Dielektrikum) auf, das zumindest abschnittsweise zwischen dem Rücken und der Leitschicht angeordnet ist. Ein metallischer Rücken bietet den Vorteil, dass dieser unmittelbar als Massebezugsfläche für Hochfrequenzstrukturen wie Streifenleitungen fungieren kann.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Rücken - zumindest überwiegend - aus einem elektrisch isolierenden Material bzw. Dielektrikum besteht. In diesem Fall bildet der Rücken vorzugsweise das Substrat bzw. weist der Rücken das Substrat auf. Auf ein zusätzliches Substrat zwischen dem Rücken und der Leitschicht kann hierbei verzichtet werden.
Die Leitschicht ist regelmäßig wesentlich dünner als der Rücken, der bei Anwendungen im Hochfrequenzbereich, wie auch vorliegend, vorzugsweise ebenfalls elektrisch leitfähig und meist aus Metall, insbesondere Kupfer, gefertigt ist und dem Leiterplattenmaterial Stabilität verleihen kann. Darüber hinaus dient der Rücken üblicherweise auch zur Ableitung von Wärme. Das Substrat isoliert den leitfähigen Rücken von der Leitschicht, sodass mit der Leitschicht beispielsweise Streifenleitungen realisiert werden können, die den Rücken als Masse- bzw. Bezugselektrode verwenden. Entsprechend handelt es sich vorzugsweise um ein sogenanntes doppelseitiges Leiterplattenmaterial.
Die EP 2 500 978 B1 betrifft einen sogenannten Wellenleiterübergang zwischen einem in einem Leiterplattensubstrat realisierten substratintegrierter Wellenleiter und einem Hohlleiter. Der Hohlleiter ist hierbei in der sogenannten Split-Block-Technologie gefertigt. Hierbei wird der rohrförmige Querschnitt eines Hohlleiters durch Oberflächenstrukturierung zweier zueinander korrespondierender Blöcke erzeugt, die bei Zusammensetzen dann die gewünschte Hohlleiterstruktur realisieren, beispielsweise einen im Querschnitt rechteckigen, von leitfähigem Material umgebenen Hohlraum als Rechteckhohlleiter.
Ein Leiterplattenmaterial ist im Stand der Technik in die Split-Block-Konstruktion eingelegt. Der in Split-Block-Technologie gefertigte Hohlleiter hat eine kammförmige Koppelstruktur zur Kopplung des substratintegrierten Wellenleiters mit dem Hohlleiter, die das wellenleitende Substrat des substratintegrierten Wellenleiters überdeckt und von den Seitenwänden beabstandet von der Decke auf den substratintegrierten Wellenleiter hinabragt. Die kammförmige Koppelstruktur weist Stufen auf, an deren Ende sich ein Rechteckhohlleiter mit einem vollständig rechteckigen Hohlraum anschließt. Die Einkopplung eines Signals von dem substratintegrierten Wellenleiter in den Hohlleiter erfolgt durch die kammförmige Koppelstruktur senkrecht zur Haupterstreckungsebene des in ein Split-Block-Unterteil eingelegten Leiterplattenmaterials.
Aus dem Stand der Technik bekannte Split-Block-Konstruktionen erfordern regelmäßig einen hohen Materialeinsatz aus Stabilitätsgründen und aufgrund der vielfach erforderlichen Aufnahme des Leiterplattenmaterials. Die Fertigung von zumeist zwei separaten Split-Block-Teilen und einem Hochfrequenzsubstrat mit enormen Präzisionsanforderungen für alle drei Teile (Split-Block-Teile und Hochfrequenzsubstrat) führt regelmäßig zu hohen Herstellungskosten. Darüber hinaus werden im Stand der Technik mit Leiterplattenmaterial zwar Streifenleitungen und substratintegrierte Wellenleiter realisiert, bei denen das Substrat (Dielektrikum) zur Leitung der elektromagnetischen Wellen verwendet wird, wodurch der substratintegrierte Wellenleiter wie ein mit Dielektrikum gefüllter Hohlleiter wirkt. Hohlleiter mit einem Hohlraum werden dann jedoch anderweitig erzeugt und gekoppelt, was grundsätzlich aufwendige Präzisions-Fertigungsprozesse erfordert und zu großen, schweren Anordnungen führt.
Die US 10,468,736 B2 betrifft eine Anordnung zur Kopplung eines substratintegrierten Wellenleiters mit einem Rechteckhohlleiter, wobei bei in einem Leiterplattenmaterial mehrere Leitschichten auf einer einem Rücken abgewandten Seite fensterartig durchbrochen sind, um eine Kopplung zwischen dem durch das Leiterplattenmaterial gebildeten substratintegrierten Wellenleiter und dem Rechteckhohlleiter zu ermöglichen. Hierbei erfolgt die Kopplung zwischen dem in einer Ebene gebildeten Leiterplattenmaterial zur Herstellung gedruckter Schaltungen (PCB) und dem Rechteckhohlleiter, dessen Hohlraum sich senkrecht zu dieser Ebene erstreckt. Das Fenster in den Leitschichten führt hier zur Öffnung des substratintegrierten Wellenleiters auf seiner dem Rücken des Leiterplattenmaterials abgewandten Flachseite zum Hohlraum des Rechteckhohlleiters. Diese Konstruktion kommt zwar ohne Split-Block-Technologie aus, erfordert jedoch aufgrund des quer zu dem substratintegrierten Wellenleiter verlaufenden Hohlleiters viel Platz und führt zu Stabilitätsproblemen, Positionierungsproblemen sowie aufwendiger Aufbautechnik.
Die WO 2010/104486 A1 offenbart einen Mikrowellen-Orthomoden-Transducer mit einem Körper und einer Abdeckung, zwischen denen ein Wellenleiter gebildet ist. Zwischen dem Körper und der Abdeckung ist ein dielektrisches Substrat angeordnet. Der Körper und die Abdeckung weisen Hohlräume auf bzw. bilden diese und sind metallisch oder zumindest an den Wänden der Hohlräume metallisiert, sodass hierdurch der Wellenleiter gebildet wird. Der Transducer wird in Split-Block-Technologie gefertigt.
Die US 6,323,818 B1 betrifft die Integration von Hohlraumwellenleitern, Kanälen und Hörnern durch lithographische und Ätz-Techniken. Zur Erstellung einer Hohlleiteranordnung wird ein Substrat, das eine Kavität und einen Hohlraum aufweist, mit einem Fotolack versehen, der mit photolithographischen Techniken in den Bereichen außerhalb der Kavität und des Hohlraums behandelt und gehärtet wird. Anschließend wird der Fotolack im Bereich der Kavität und des Hohlraums entfernt, sodass eine Struktur entsteht, bei der auf dem Substrat eine Fotolackschicht angeordnet ist und wobei die Kavität und der Hohlraum sich nach oben in der Fotolackschicht fortsetzen. Danach wird die gesamte Struktur mit leitfähigem Material beschichtet. Die offenbarte Vorrichtung wird in Split-Block-Technologie gefertigt.
Die US 2008/280583 A1 betrifft einen Receiver mit verschiedenen Komponenten, unter anderem einen Orthomoden-Transducer. Der Receiver besteht aus verschiedenen Blöcken, in welche verschiedene Strukturen eingeätzt und mit einem leitfähigen Material beschichtet wurden. Der Receiver wird in Split-Block-Technologie gefertigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Hohlleiteranordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlleiteranordnung anzugeben, die besonders kompakt, ressourcenschonend und zuverlässig ist.
Diese Aufgabe wird vorschlagsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder eine Hohlleiteranordnung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlleiteranordnung aufweisend ein von leitfähigem Material umgebenen Hohlraum zum Leiten elektromagnetischer Wellen. Das Verfahren umfasst die zumindest teilweise Erzeugung des Hohlraums dadurch, dass in einem Leiterplattenmaterial, das zunächst unbearbeitetes Leiterplatten(basis)material sein kann, aufweisend einen plattenförmigen Rücken, optional ein elektrisch isolierendes Substrat und mindestens eine - bevorzugt auf einer dem Rücken abgewandten Seite des Substrats angeordnete - Leitschicht abschnittsweise (also in einem bestimmten Bereich des Leiterplattenmaterials, das im Anschluss den Hohlraum begrenzen soll) die Leitschicht, das Substrat (soweit vorgesehen) und Teile des Rückens entfernt werden. Hierdurch wird eine Oberflächenstruktur gebildet.
Das Substrat - soweit vorgesehen - liegt aufgrund der Bearbeitung - bevorzugt Fräsen oder Lasern - seitlich der strukturierten Bereiche offen. Im Anschluss wird durch Abscheiden von leitfähigem Material eine elektrisch leitfähige Wand erzeugt, die das Substrat überdeckt und den Hohlraum seitlich begrenzt.
Die Begrenzung des Hohlraums durch die leitfähige Wand erstreckt sich vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollflächig über die nach Bildung der Oberflächenstruktur bzw. Ausnehmung offenliegenden Substrat-Grenzflächen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Hohlleiteranordnung zum Leiten elektromagnetischer Wellen in einem von leitfähigem Material umgebenen Hohlraum, wobei die Hohlleiteranordnung ein Leiterplattenmaterial zur Herstellung gedruckter Schaltung aufweist, das zumindest einen elektrisch leitfähigen Rücken und eine elektrisch leitfähige Leitschicht aufweist. Der Rücken weist eine Oberflächenstruktur auf, durch die der wellenführende Hohlraum zumindest teilweise begrenzt ist. Ferner weist die Hohlleiteranordnung in dem Leiterplattenmaterial einen Substratintegrierten Wellenleiter auf, der mit dem Hohlraum - insbesondere im Bereich der Oberflächenstruktur - gekoppelt ist.
Es ist also vorgesehen, dass der Rücken des Leiterplattenmaterials eine Oberflächenstruktur aufweist, durch die der wellenführende Hohlraum des Hohlleiters zumindest teilweise unmittelbar begrenzt ist, wobei der Rücken vorzugsweise oberflächenvergütet bzw. oberflächlich mit leitendem Material versehen sein und hiermit unmittelbar an den Hohlraum angrenzen kann. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei der Oberflächenstruktur um eine Ausnehmung oder weist die Oberflächenstruktur eine Ausnehmung auf.
Hochfrequenztaugliche Leiterplattenmaterialien, die hier bevorzugt sind, weisen vorzugsweise einen durchgehend elektrisch leitfähigen Rücken, insbesondere Kupferrücken auf. Dieser ist aus Stabilitätsgründen oftmals mehrere 100 µm, insbesondere zwischen 0,5 und 2 mm, dick. Der Rücken ist hierbei im Ausgangszustand vor Strukturierung des Leiterplattenmaterials vorzugsweise plattenförmig mit einer zumindest im Wesentlichen konstanten Plattendicke. Strukturiert wird regelmäßig nur die Leitschicht. Für die vorliegende Erfindung bietet ein metallischer Rücken den Vorteil, dass sich Strukturen bzw. die Ausnehmung mit einer hohen Genauigkeit in den Rücken einbringen, beispielsweise einfräsen, lassen. Somit kann auf einfache Weise eine hohe Qualität der Hohlleiteranordnung erreicht werden.
Es ist jedoch nicht zwingend, dass der Rücken elektrisch leitfähig ist. Grundsätzlich ist es vorrangig wichtig, dass der Rücken eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. Oberfläche aufweist und/oder die Oberflächenstruktur elektrisch leitfähig ist.
Daher ist es grundsätzlich auch möglich, dass der Rücken zumindest im Wesentlichen oder überwiegend ein elektrisch isolierendes Material bzw. Dielektrikum aufweist bzw. daraus besteht. Auf diese Weise kann der Aufbau der Hohlleiteranordnung vereinfacht werden.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist jedoch ein elektrisch leitfähiger Rücken, insbesondere ein aus metallischem Vollmaterial wie Kupfer bestehender Rücken, bevorzugt.
Im Stand der Technik bekannt ist die Verwendung von Leiterplattenmaterial, insbesondere Hochfrequenz-Leiterplattenmaterial mit leitfähigem Rücken, zur Bildung von Streifenleitungen, bei denen der leitfähige Rücken geerdet als Massebezugsebene verwendet wird, oder zur Bildung von substratintegrierten Wellenleitern, wobei der leitfähige Rücken als Begrenzung des substratintegrierten Wellenleiters wirkt und das Substrat bzw. Dielektrikum des Leiterplattenmaterials gemeinsam mit Via-Reihen oder gemäß eines vorteilhaften Aspekts der vorliegenden Erfindung, der mit weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung kombinierbar ist, mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehenen Fräs- oder Laser-Schlitzen und einer das Substrat auf der dem Rücken abgewandten Seite vorgesehenen Leitschicht begrenzt.
Die vorliegende Erfindung lehrt eine Abkehr von den üblichen Verwendungsformen des Rückens von Leiterplattenmaterial lediglich als mechanische Stabilisierung und/oder zur Bildung einer ebenen Massebezugsfläche mit geringem Flächenwiderstand. Stattdessen weist der Rücken vorschlagsgemäß eine Oberflächenstruktur auf, die von dem ebenen, plattenartigen, üblichen Aufbau des Rückens des Leiterplattenmaterials abweicht und dem Leiten von elektromagnetischen Wellen, insbesondere der Einkopplung bzw. Erzeugung von Moden zwecks Wellenleitung dient, also zu diesem Zweck ausgebildet und vorzugsweise gekoppelt ist.
Insbesondere handelt es sich bei der Oberflächenstruktur um eine oder mehrere Ausnehmungen in dem Rücken als Teil von bzw. zur Bildung des wellenführenden Hohlraums des Hohlleiters.
Bevorzugt ist die Oberflächenstruktur, soweit sie zumindest einen Teil des Hohlleiters bildet bzw. den Hohlraum begrenzt, durchbrechungsfrei. Sie ist also in der Oberfläche gebildet, durchbricht den Rücken aber vorzugsweise nicht quer zu seiner Haupterstreckungsebene. Ein Hohlleiter hat vorliegend vorzugsweise einen Durchmesser quer zu einer Transmissionsrichtung von weniger als 15 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, und/oder mehr als/mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mehr als/mindestens 0,5 mm. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass sich die Oberflächenstruktur zumindest im Wesentlichen lateral bzw. parallel zur Haupterstreckungsebene des Leiterplattenmaterials erstreckt, um in Richtung der Haupterstreckungsebene des Leiterplattenmaterials bzw. parallel hierzu den Hohlleiter zu bilden.
Bei einer Ausführungsform, in der der Rücken aus einem nichtleitenden Material besteht, weist die Oberflächenstruktur vorzugsweise ein elektrisch leitendes Material auf oder ist damit beschichtet.
Bei der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlleiter in Split-Block-Technologie durch Verbinden des Leiterplattenmaterials als Split-Block-Unterteil mit einer korrespondierenden Abdeckung als Split-Block-Oberteil gebildet ist.
Mit anderen Worten wird der elektrisch leitfähige, plattenförmige Rücken des Leiterplattenmaterials bevorzugt strukturiert dazu verwendet, einen Teil eines Split-Block-Hohlleiters zu bilden. Die Verwendung des Rückens zur Bildung des Hohlleiters anstatt eines klassischen, aus dem Vollmetall gefrästen Split-Block-Unterteils hat sich als sehr ressourcenschonend und vorteilhaft zur Konstruktion besonders kompakter Hohlleiteranordnungen und Übergänge zu Hohlleitern erwiesen.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Aufteilung des Hohlleiters in zwei Teilstrukturen (also Split-Block-Oberteil und Split-Block-Unterteil) dadurch aus, dass bei feinen Frässtrukturen die Längen der Fräswerkzeuge reduziert werden können und hierdurch die Fertigungsgenauigkeit gesteigert werden kann. Zudem lassen sich durch die Kombination eines Split-Block-Teils und des Substratmaterials zu einem einzigen Bauteil Fertigungskosten sparen und durch den gemeinsamen Fräsprozess von Leiterplatte und Split-Block-Teil Toleranzen zwischen Leiterplatte und Hohlleiterstruktur erheblich eliminieren.
Eine "Hohlleiteranordnung" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine Anordnung, die zumindest einen Hohlleiter aufweist oder bildet.
Ein "Hohlleiter" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, wie bereits eingangs erläutert, vorzugsweise ein länglicher Hohlraum mit den Hohlraum seitlich umgebenden, elektrisch leitfähigen Begrenzungsflächen. Entlang des Hohlraums und der Begrenzungsflächen sind elektromagnetische Wellen bzw. Moden ausbreitungsfähig, vorzugsweise in Frequenzbändern, die zwischen 5 GHz und 1 THz liegen.
Ein "Leiterplattenmaterial" im Sinne der vorliegenden Erfindung weist einen bevorzugt elektrisch leitfähigen, plattenförmigen Rücken, ein Substrat (Dielektrikum) und mindestens eine auf einer dem Rücken abgewandten Seite des Substrats angeordnete Leitschicht auf.
Üblicherweise ist der Rücken aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, besonders bevorzugt Kupfer, gebildet. Der Rücken kann mechanisch stabil sein und/oder dem Leiterplattenmaterial mechanische Stabilität verleihen. Der Rücken ist vorzugsweise aus seinem formstabilen Material gebildet, beispielsweise mit einer Materialstärke zwischen 0,1 und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2 mm.
Besonders bevorzugt ist der Rücken aus einem einstückigen, elektrisch leitfähigen Material gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Rücken auch aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und/oder mehrschichtig aufgebaut sein. Insbesondere ist es möglich, dass eine an das Substrat angrenzende bevorzugt leitfähige Schicht, die vorzugsweise die Oberflächenstruktur vollständig oder zumindest im Wesentlichen aufweist, mit einer weiteren bevorzugt leitfähigen Träger-Schicht verbunden ist, insbesondere verklebt, verlötet oder auf sonstige Weise bevorzugt elektrisch leitfähig verbunden. Dies kann der Stabilisierung und/oder Montage dienen. Die Oberflächenstruktur kann sich optional auch bis in eine solche Träger-Schicht erstrecken, bevorzugt ohne den Rücken insgesamt zu durchbrechen.
Unter einem "Substrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein isolierendes Material, ein Isolator bzw. Dielektrikum zu verstehen. Insbesondere handelt es sich um ein für den Hochfrequenzbereich, insbesondere für mehr als 10 GHz taugliches Dielektrikum. Es kann sich hierbei um PTFE, Keramik oder ein PTFE-Keramik-Kompositmaterial handeln. Grundsätzlich können jedoch auch andere Materialien eingesetzt werden.
Unter einer "Leitschicht" ist vorzugsweise eine elektrisch leitfähige Schicht zu verstehen, insbesondere eine sogenannte Kupferkaschierung bzw. Leiterbahnschicht. Bei der Leitschicht handelt es sich besonders bevorzugt um eine mechanisch oder chemisch strukturierbare Metalllage, vorzugsweise aufweisend oder bestehend aus Kupfer, mit der durch Strukturierung beispielsweise Streifenleitungen, insbesondere Mikrostreifenleitungen, erzeugt werden können. Eine Leitschicht ist bevorzugt dünn im Vergleich zu dem Substrat und/oder Rücken. Während die Leitschicht eine Materialstärke von üblicherweise zwischen 5 und 35 µm aufweist, kann das Substrat eine Materialstärke von üblicherweise 100 µm bis 400 µm aufweisen.
Unter "Split-Block-Technologie" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine Technologie zu verstehen, bei der zueinander korrespondierende oder komplementäre elektrisch leitendende, oberflächenstrukturierte Teile durch Zusammenfügen zu einem Hohlleiter ergänzt werden. Hierbei sind mindestens zwei Teile elektrisch leitend zusammenzufügen, im Folgenden "Split-Block-Unterteil" und "Split-Block-Oberteil" genannt. Hierbei gilt zu berücksichtigen, dass die Begriffe "Unterteil" und "Oberteil" vorzugsweise lediglich der Differenzierung der unterschiedlichen Teile dienen und keine konkrete Einbaulage vorschreiben.
Bei der Split-Block-Technologie wird vorzugsweise das Split-Block-Unterteil mit einer Oberflächenstruktur, insbesondere Nut o. dgl., versehen. Dasselbe gilt für das Split-Block-Oberteil, insbesondere wobei die Oberflächenstrukturen zueinander ähnlich, korrespondierend oder komplementär sein können. Durch Zusammenfügen des Split-Block-Unterteils mit dem Split-Block-Oberteil ergänzen sich die Oberflächenstrukturen dieser zu dem Hohlleiter. Bevorzugt weist das Split-Block-Unterteil und das Split-Block-Oberteil zueinander korrespondierende Ausrichtungshilfen zur Vorgabe einer Position der Oberflächenstrukturen zueinander auf, wodurch eine exakte Bildung des Hohlleiters durch Zusammensetzen erleichtert oder ermöglicht wird. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Eine "Abdeckung" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Leiterplattenmaterial durch Anlegen der Abdeckung an dem Leiterplattenmaterial derart abzudecken, dass Oberflächenstrukturen in dem Leiterplattenmaterial überdeckt und dadurch entlang einer Flachseite des Leiterplattenmaterials verschlossen werden. Eine Abdeckung im Sinne der vorliegenden Erfindung hat eine zu der Oberflächenstruktur des Leiterplattenmaterials korrespondierende oder komplementäre, elektrisch leitfähige Flachseite, mit der Ausnehmungen in dem Leiterplattenmaterial überbrückt werden oder werden können, sodass mindestens ein Hohlleiter resultiert, wenn die Abdeckung an dem Leiterplattenmaterial, insbesondere der Leitschicht, anliegt. Die Abdeckung weist vorzugsweise eine Oberflächenstruktur, insbesondere mit Ausnehmungen, auf, kann jedoch auch eben sein bzw. mit einer ebenen Fläche die Oberflächenstrukturen des Leiterplattenmaterials in entsprechender Weise abdecken, um diese zu Hohlleitern zu verschließen. Es versteht sich, dass "Abdecken" und "Verschließen" offen lässt, dass eine Öffnung des durch "Abdecken" bzw. "Verschließen" gebildeten Hohlleiters bzw. Hohlraums zur Umgebung hin vorgesehen sein kann.
Weitere Aspekte, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: einen perspektiven Schnitt der vorschlagsgemäßen Hohlleiteranordnung;
Fig. 2: eine ausschnittsweise perspektivische Draufsicht des Leiterplattenmaterials der vorschlagsgemäßen Hohlleiteranordnung;
Fig. 2A: eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Leiterplattenmaterials (Basismaterial);
Fig. 2B: eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Leiterplattenmaterials Fig.2A mit Oberflächenstruktur/Ausnehmung;
Fig. 2C: eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Leiterplattenmaterials mit Oberflächenstruktur/Ausnehmung gemäß Fig. 2B und mit durch leitfähige Wände überdecktem Substrat;
Fig. 2D: eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Leiterplattenmaterials mit Oberflächenstruktur/Ausnehmung, mit durch leitfähige Wände überdecktem Substrat gemäß Fig. 2C sowie geöffneter Substrat-Grenzfläche als Fenster;
Fig. 3: perspektivische Ansichten eines Leiterplattenmaterials und zweier hierzu korrespondierender, unterschiedlicher Abdeckungen;
Fig. 4: eine ausschnittsweise Aufsicht bzw. Seitenansicht auf die vorschlagsgemäße Hohlleiteranordnung mit perspektivischer Sicht in den Hohlraum;
Fig. 5: eine perspektivische, ausschnittsweise Ansicht einer Abdeckung aus Fig. 3;
Fig. 6: eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts des Leiterplattenmaterials mit einer Wand;
Fig. 7: einen Querschnitt einer dielektrischen Antenne; und
Fig. 8: eine perspektivische Darstellung der dielektrischen Antenne aus Fig. 7.

In den Figuren werden für dieselben oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei gleiche oder ähnliche Eigenschaften resultieren können, auch wenn von einer wiederholten Beschreibung dieser abgesehen wird.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der vorschlagsgemäßen Hohlleiteranordnung 1 zum Leiten elektromagnetischer Wellen 2 in einem von leitfähigem Material 3 umgebenen Hohlraum 4.
Der Hohlraum 4 ist hierbei vorzugsweise so dimensioniert, dass elektromagnetische Wellen 2 im Hochfrequenzbereich, insbesondere im sogenannten Millimeterwellenbereich mit einer Wellenlänge zwischen ca. 0,3 mm und 10 mm und/oder Frequenzen zwischen ca. 30 GHz und 1 THz ausbreitungsfähig sind.
Die Hohlleiteranordnung 1 weist ein Leiterplattenmaterial 5 auf, das einen vorzugsweise plattenförmigen Rücken 6 und eine Leitschicht 8 aufweist. Die Leitschicht 8 ist elektrisch leitend.
Der Rücken 6 besteht vorzugsweise aus einem mechanisch stabilen bzw. formstabilen Material. Hierdurch kann der Hohlleiteranordnung 1 bzw. dem Teil hiervon, der durch das Leiterplattenmaterial 5 gebildet ist, mechanische Stabilität verliehen werden.
Zudem ist der Rücken 6, insbesondere wenn er aus einem wärmeleitfähigen Material wie einem Metall besteht, vorzugsweise zur Ableitung von Wärme von einer elektrischen Schaltung, vorzugsweise Hochfrequenzschaltung zur Erzeugung, zum Empfang und/oder zum Wandeln von in dem Hohlraum 4 ausbreitungsfähigen Frequenzen, insbesondere einer integrierten Schaltung bzw. einem Chip der Hohlleiteranordnung 1 ausgebildet. Hierzu wird vorzugsweise eine Ausnehmung in dem Rücken 6 gebildet, insbesondere durch Entfernen von Material des Rückens 6, und die Schaltung, ein aktives Bauelement hiervon bzw. der der Chip in der Ausnehmung angeordnet, insbesondere wärmeleitend mit dem Rücken 6 verbunden, beispielsweise verklebt.
Besonders bevorzugt ist der Rücken 6 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, besonders bevorzugt Kupfer, Gold o. dgl., gebildet. Hierbei weist das Leiterplattenmaterial 5 zusätzlich zu dem Rücken 6 und der Leitschicht 8 ein Substrat 7 (Dielektrikum) auf, wobei die Leitschicht 8 auf einer dem Rücken 6 abgewandten Seite des Substrats 7 angeordnet ist. Das Substrat 7 besteht insbesondere aus einem nichtleitenden bzw. elektrisch isolierendem Material. Die Ausführungsform mit elektrisch leitfähigem Rücken 6, Substrat 7 und Leitschicht 8 ist in den Figuren dargestellt.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Rücken 6 aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise FR-4, besteht. Vorzugsweise bildet der Rücken 6 hierbei das Substrat 7 bzw. es kann auf ein zusätzliches, zwischen dem Rücken 6 und der Leitschicht angeordnetes Substrat 7 verzichtet werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist in den Figuren nicht dargestellt. Zur Wärmeabfuhr für die Schaltung kann hierbei ein wärmeleitender Bereich bzw. Einsatz in dem Rücken 6 vorgesehen sein.
Das Substrat 7 besteht ganz besonders bevorzugt aus PTFE (Polytetrafluorethylen), Keramik (insbesondere Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid), PTFE-Keramik-Verbundstoff oder weist PTFE, Keramik oder PTFE-Keramik-Verbundstoff auf. PTFE-Keramik-Verbundstoff ist bevorzugt ein zumindest im Wesentlichen homogenes Gemisch aus PTFE und Keramik-Partikeln. Das Substrat 7 ist vorzugsweise verformbar.
Der Rücken 6 ist vorzugsweise formstabiler, biegesteifer und/oder biegefester als das Substrat 7 und/oder die Leitschicht 8. Das Substrat 7 ist also vorzugsweise weicher und/oder leichter verformbar als der Rücken 6. Der Rücken 6 kann ein Material mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 5000, vorzugsweise mehr als 10000 aufweisen oder zumindest im Wesentlichen hieraus gebildet sein. Der Rücken 6 hat vorzugsweise zumindest die Formstabilität bzw. Biegesteifigkeit / Biegefestigkeit eines Kupferblechs mit einer konstanten Materialstärke von 0,5 mm, 1 mm oder mehr.
Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat 7 aus einem formstabilen, elektrisch isolierenden Material, beispielsweise FR-4, bestehen. FR-4 bezeichnet eine Klasse von schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe. Das Leiterplattenmaterial 5 weist in diesem Fall vorzugsweise die von dem Substrat 7 getragene Leitschicht 8 und als Rücken 6 eine weitere Leitschicht - bevorzugt größerer Materialstärke als die der Leitschicht 8 - auf der der Leitschicht 8 abgewandten Seite des Substrats 7 auf.
Insbesondere handelt es sich bei dem Leiterplattenmaterial 5 in diesem Fall um ein sogenanntes doppelseitiges Leiterplattenmaterial 5. Das doppelseitige Leiterplatten(basis)material 5 wird strukturiert, indem von der Flachseite mit der dünneren Leitschicht 8 ausgehend die Ausnehmung 10 durch das Substrat 7 hindurch bis zu dem bzw. in den Rücken 6 ausgebildet, also vorschlagsgemäß strukturiert ist oder wird. Hierbei reicht es aus, dass sich die Ausnehmung 10 nur geringfügig in den Rücken 6 erstreckt.
Ungeachtet einer die Form bzw. Stabilität des Leiterplattenmaterials 5 primär oder jedenfalls mitbestimmenden Eigenschaft des Substrats 7 in diesem Fall ist der Rücken 6 auf der der Leitschicht 8 abgewandten Seite des Substrats 7 vorgesehen. Der Rücken 6 ist in diesem Zusammenhang elektrisch leitfähig, insbesondere aus Metall wie Kupfer oder ein Metallschicht-Verbund wie ein Verbund einer (dünneren) Kupfer- und einer (dickeren) Messingschicht bzw. -platte. Zur Wärmeabfuhr für die Schaltung kann ein wärmeleitender Bereich bzw. Einsatz in dem Substrat 7 vorgesehen sein.
Grundsätzlich kann die Hohlleiteranordnung 1 bzw. das Leiterplattenmaterial 5 bzw. ein das Leiterplattenmaterial 5 aufweisendes oder durch das Leiterplattenmaterial 5 gebildetes Split-Block-Teil auch mehr als zwei Schichten (nichtleitender Rücken 6 + Leitschicht 8) oder drei Schichten (leitender Rücken 6 + Substrat 7 + Leitschicht 8) aufweisen. Beispielweise ist es möglich, dass das Leiterplattenmaterial 5 und/oder der Rücken 6 mehrere abwechselnd leitende und nichtleitende Schichten aufweist oder dadurch gebildet ist. Ferner ist es ebenfalls möglich, dass auf den - leitenden oder nichtleitenden - Rücken 6 ein (weiteres) Leiterplattenmaterial aufgebracht ist oder wird, das ein zwischen zwei leitenden Schichten angeordnetes nichtleitendes Substrat aufweist oder dadurch gebildet ist. Auch andere Lösungen sind denkbar.
Dementsprechend ist der Rücken 6 vorzugsweise einstückig mit dem Leiterplattenmaterial 5 ausgebildet, kann aber auch separat von dem Leiterplattenmaterial 5 ausgebildet sein, beispielsweise indem der Rücken 6 mit dem Leiterplattenmaterial 5 verklebt, verlötet oder auf sonstige Weise stoff- und/oder formschlüssig verbunden ist.
Im Darstellungsbeispiel weist das Leiterplattenmaterial 5 bzw. der Rücken 6 eine Oberflächenstruktur 9 auf, die im Ausführungsbeispiel als Ausnehmung 10 ausgebildet ist. Die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 bildet vorzugsweise den Hohlraum 4 oder zumindest einen Teil des Hohlraums 4.
Der Hohlraum 4 ist vorzugsweise in Split-Block-Technologie durch Verbinden des Leiterplattenmaterials 5 als Split-Block-Unterteil mit einer korrespondierenden Abdeckung 11 als Split-Block-Oberteil gebildet. Durch elektrisch leitendes Zusammenfügen von Split-Block-Unterteil und Split-Block-Oberteil wird / ist der als Hohlleiter wirkende Hohlraum 4 gebildet. Begrenzt ist der Hohlraum 4 mit dem leitfähigen Material 3, und zwar im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorrangig durch die elektrisch leitende Oberfläche der Abdeckung 11 und die elektrisch leitende Oberfläche des Rückens 6. Das Material 3 kann zumindest oberflächlich Edelmetall wie Gold sein oder aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise seitliche Begrenzungsflächen 12 vorgesehen, die den Rücken 6 elektrisch leitend mit der Abdeckung 11 verbinden. Hierdurch wird ein Hohlleiter in Split-Block-Technologie gebildet, bei dem der Hohlraum 4 radial zur im Darstellungsbeispiel durch den Pfeil 13 angedeuteten Transmissionsrichtung für elektromagnetische Wellen 2 ununterbrochen durch leitfähiges Material 3 umgeben ist. Die Begrenzungsflächen 12 können durch Abscheiden leitfähigen Materials 3, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer und/oder Gold, gebildet sein.
Insbesondere weist die Hohlleiteranordnung 1 bzw. weisen die Begrenzungsflächen 12 - oder zumindest die Begrenzungsflächen, die die zwischen dem Leiterplattenmaterial 5 und der Abdeckung 11 gebildete Grenzfläche aufweisen - eine (zusätzliche) leitende Schicht bzw. Plattierung 45 auf oder sind dadurch gebildet. Durch die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 wird insbesondere sichergestellt, dass der Hohlraum 4 durchgängig bzw. vollständig von elektrisch leitendem Material 3 umgeben bzw. dadurch begrenzt ist, insbesondere wenn der Rücken 6 und/oder die Abdeckung 11 aus einem nichtleitenden Material bestehen. Die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 hat sich jedoch auch bei einem Rücken 6 aus leitfähigem Material als besonders vorteilhaft erwiesen.
Bevorzugt erstreckt sich die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 - mit Ausnahme der später noch erläuterten Grenzfläche 24 - zumindest im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Leiterplattenmaterials 5, zumindest auf der den Hohlraum 4 begrenzenden und/oder Stirnseiten hiervon, und weiter bevorzugt über die gesamte Oberfläche der Hohlleiteranordnung 1 bzw. der beiden Split-Block-Teile.
In den Fig. 1, 2 und 4 ist die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 durch eine gepunktete Fläche dargestellt. In den Darstellungen in Fig. 3 und 5 wurde die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 zu veranschaulichungszwecken ausgeblendet. Dennoch weist die Hohlleiteranordnung 1 hier vorzugsweise ebenfalls die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 auf.
Unter einer "Plattierung" wird insbesondere eine, bevorzugt auf einer Oberfläche angeordnete bzw. darauf aufgebrachte, elektrisch leitende Schicht verstanden. Diese leitende Schicht kann insbesondere galvanisch bzw. durch Elektroplattieren, insbesondere Verkupfern, auf den Rücken 6, das Substrat 7, das Leiterplattenmaterial 5 bzw. die Abdeckung 11 aufgebracht werden. Grundsätzlich sind jedoch beliebige, insbesondere chemische und/oder mechanische, Verfahren zum Aufbringen der leitenden Schicht möglich.
Die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 wird vorzugsweise durch ein Aufkupferungsprozess bzw. Prozess zum Abscheiden einer metallisch leitenden Schicht erzeugt. Hierzu kann eine Oberfläche zunächst mit Graphit beschichtet werden, woraufhin das Graphit verwendet wird, um eine leitende Metallschicht zu abzuscheiden, insbesondere galvanisch. Alternativ oder zusätzlich können auch chemische Verfahren zum Abscheiden der leitenden Schicht bzw. zur Plattierung eingesetzt werden.
Falls der Rücken 6 oder zumindest die Seite bzw. Fläche des Rückens 6, die die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 aufweist oder bildet, aus einem nichtleitenden Material besteht, weist der Rücken 6 bzw. die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 vorzugsweise die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 auf und/oder bedeckt die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10, insbesondere vollständig. Auf diese Weise wird insbesondere erreicht, dass der Hohlraum 4 vollständig von elektrisch leitendem Material 3 umgeben ist, auch wenn der Rücken 6 selbst nichtleitend ist.
Insbesondere weist auch eine, in Fig. 1 auf der linken Seite dargestellte, Außenfläche 1A des Rückens 6, der Abdeckung 11 und/oder der Hohlleiteranordnung 1, die die (weiter unten erläuterte) Öffnung 32 umgibt bzw. definiert, die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 auf.
Vorzugsweise ist bzw. wird das Leiterplattenmaterial 5 bzw. Split-Block-Unterteil und/oder die Abdeckung 11 und/oder die Hohlleiteranordnung 1 vollständig oder jedenfalls auf der den Hohlraum 4 bilden und bevorzugt auf den Stirnseiten mit der leitenden Schicht bzw. Plattierung 45 beschichtet.
Besonders bevorzugt erfolgt das Aufbringen der leitenden Schicht bzw. Plattierung 45 nach dem Zusammenfügen des Leiterplattenmaterials 5 und der Abdeckung 11 bzw. der beiden Split-Block-Teile zu der Hohlleiteranordnung 11, sodass der Hohlraum 4 vollständig durch elektrisch leitendes Material 3 begrenzt wird und/oder die Außenfläche 1A der Hohlleiteranordnung 1 mit der leitenden Schicht bzw. Plattierung 45 beschichtet ist. Die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 kann jedoch auch für die Split-Block-Hälften, also das Leiterplattenmaterial 5 und die Abdeckung 11 separat erfolgen.
Die Hohlleiteranordnung 1 weist vorzugsweise ein Hohlleiter-Funktionselement 14 auf, das zumindest teilweise durch das Leiterplattenmaterial 5 bzw. den Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 gebildet ist.
Vorzugsweise ist das Hohlleiter-Funktionselement 14 ebenfalls mit von einer leitenden Schicht bzw. Plattierung 45 bedeckt oder erstreckt sich die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 auch auf, vorzugsweise vollständig über, das Hohlleiter-Funktionselement 14, insbesondere wenn der Rücken 6 aus nichtleitendem Material besteht.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Hohlleiter-Funktionselement 14 um eine Anpassungsstruktur 15. Mit der Anpassungsstruktur 15 kann eine Impedanz des Hohlraums 4 bzw. des durch den Hohlraum 4 gebildeten Hohlleiters zur Verringerung oder Vermeidung von Reflexionen verändert werden. Dies ist insbesondere bei einem Übergang zu einem Hohlleiter bzw. der Einkopplung elektromagnetischer Wellen 2 in den Hohlraum 4 vorteilhaft.
Das Hohlleiter-Funktionselement 14 zumindest teilweise durch das Leiterplattenmaterial 5 bzw. den Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 zu bilden ist besonders vorteilhaft, da hierdurch das meist bereits für andere Funktionen vorgesehene Leiterplattenmaterial 5 in ressourcenschonender und platzsparender Weise zusätzlich zur Bildung eines Hohlleiters und zudem zur Erzeugung von Hohlleiter-Funktionselementen 14 verwendet werden kann.
Die Anpassungsstruktur 15 weist vorzugsweise eine oder mehrere Stufen 16 auf. Diese werden vorzugsweise zumindest teilweise durch den Rücken 6 gebildet. Die Stufen 16 können einen Durchmesser des Hohlraums 4 quer zur Transmissionsrichtung erweitern oder verjüngen.
Darüber hinaus ist bevorzugt, dass die Abdeckung 11 eine Oberflächenstruktur 17 aufweist, die korrespondierend oder komplementär, insbesondere identisch, spiegelbildlich und/oder symmetrisch, zu der Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 gebildet ist. Insbesondere korrespondiert die Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 zur Oberflächenstruktur 17 der Abdeckung 11 derart, dass durch Zusammenfügen des Leiterplattenmaterials 5 mit der Abdeckung 11 ein Hohlleiter resultiert, der zur Realisierung einer Hohlleiterfunktion, insbesondere zur Impedanzanpassung, ausgebildet ist.
Zur Anwendung der ansonsten grundsätzlich bekannten Split-Block-Technologie korrespondiert die Oberflächenstruktur 17 der Abdeckung 11 hier zu der Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 derart, dass die Kombination von Leiterplattenmaterial 5 und Abdeckung 11 den Hohlraum 4 umgibt, und zwar insbesondere mit dem leitfähigen Material 3 und/oder radial zur Transmissionsrichtung ununterbrochen elektrisch leitend, wodurch der Hohlleiter gebildet ist.
Im Darstellungsbeispiel wird ein Rechteckhohlleiter 18, insbesondere mit teilweise zumindest im Wesentlichen quadratischem Querschnitt, durch Kombination des Leiterplattenmaterials 5 mit der Abdeckung 11 gebildet. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Formen von Hohlleitern bzw. Hohlräumen 4 möglich.
Die Abdeckung 11 kann weitere Bauteile der Hohlleiteranordnung 1 wie einen Chip, eine elektrische Schaltung oder dergleichen überragen bzw. als mechanischer Schutz und/oder elektrische Abschirmung für diese Bauteile dienen.
Um den Hohlraum 4 unter Verwendung des Leiterplattenmaterials 5 zu bilden, ist in dem Bereich, in dem das Leiterplattenmaterial 5 den Hohlraum 4 zumindest teilweise bildet bzw. umgibt, vorzugsweise die Leitschicht 8 und/oder das Substrat 7 entfernt. Mit anderen Worten ist in dem Teil oder Abschnitt des Leiterplattenmaterials 5, der den Hohlraum 4 begrenzt, vorzugsweise der Rücken 6 substratseitig freigelegt bzw. die Leitschicht 8 unterbrochen bzw. entfernt. Der Rücken 6 begrenzt den Hohlraum 4 vorzugsweise unmittelbar. Dies schließt eine Begrenzung des Hohlraums 4 durch einen oberflächenvergüteten, insbesondere vergoldeten, und/oder plattierten Rücken 6 ein, bei dem die Oberflächenvergütung, insbesondere als leitende Schicht bzw. Plattierung 45, unmittelbar an den Hohlraum 4 angrenzt.
Die Leitschicht 8 ist mit dem Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 vorzugsweise zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung 19 des Leiterplattenmaterials 5 durch elektrisch leitfähige Wände 20 elektrisch verbunden. Die Wände 20 begrenzen den Hohlraum 4 seitlich. Hierdurch kann ein Rechteckhohlleiter 18 bzw. ein Teil und insbesondere ein Split-Block-Unterteil dessen gebildet sein.
Vorzugsweise sind die Wände 20 und/oder Seitenwände 21 durch die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 bzw. Begrenzungsflächen 12 gebildet oder weisen die Wände 20 und/oder Seitenwände 21 die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 bzw. Begrenzungsflächen 12 auf.
Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt vorzugsweise durch die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 bzw. Begrenzungsflächen 12.
Die Wände 20 bzw. die Abschnitte der Wände, die das Substrat 7 überdecken bzw. abdecken, fluchten vorzugsweise mit Seitenwänden 21 der Abdeckung 11. In Gebrauchslage sind die Wände 20 zwischen Rücken 6 und Leitschicht 8 sowie die Seitenwände 21 der Abdeckung 11 elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass diese eine elektrisch leitende seitliche Begrenzung für den Hohlraum 4 bilden. Im Ergebnis resultiert vorzugsweise ein Rechteckhohlleiter 18.
Die Fig. 2 zeigt eine ausschnittsweise perspektivische Draufsicht des Leiterplattenmaterials 5 der vorschlagsgemäßen Hohlleiteranordnung 1. Die Ansicht gemäß Fig. 1 entspricht hierbei, soweit es das Leiterplattenmaterial 5 betrifft, einem Schnitt entlang der Schnittlinie I-I aus Fig. 2.
Die Hohlleiteranordnung 1 bzw. das Leiterplattenmaterial 5 weist vorzugsweise einen substratintegrierten Wellenleiter 22 auf. Der substratintegrierte Wellenleiter 22 kann durch das Substrat 7 des Leiterplattenmaterials 5 gebildet sein. Zu diesem Zweck grenzen an einen Bereich des Substrats 7, der den substratintegrierten Wellenleiter 22 bildet, senkrecht zur durch den Pfeil 13 (in Fig. 1) angedeuteten Transmissionsrichtung elektrisch leitende Begrenzungsflächen an. Im Darstellungsbeispiel sind dies der Rücken 6 und die Leitschicht 8. Vorzugsweise sind diese seitlich elektrisch leitend untereinander verbunden. Dies kann grundsätzlich durch ein oder mehrere Vias erfolgen. Im Darstellungsbeispiel ist der Rücken 6 mit der Leitschicht 8 mittels einer Nut 23 verbunden, die sich durch die Leitschicht 8 und das Substrat 7 bis zum Rücken 6 erstreckt. Die Nut 23 weist vorzugsweise eine leitfähige Beschichtung auf, die insbesondere durch Abscheiden einer leitfähigen Schicht, insbesondere durch Aufkupfern, erzeugt wird/wurde. Hier sind jedoch auch andere Lösungen möglich.
Der substratintegrierte Wellenleiter 22 ist vorzugsweise mit dem Hohlraum 4 bzw. mit dem durch den mit leitfähigem Material 3 umgebenen gebildeten Hohlleiter gekoppelt. Die Kopplung erfolgt hierbei vorzugsweise derart, dass elektromagnetische Wellen 2 aus dem Substrat 7 in den Hohlraum 4 eintreten können und umgekehrt.
In besonders vorteilhafter Weise wird das Hohlleiter-Funktionselement 14 in Form der Anpassungsstruktur 15 zur Anpassung des substratintegrierten Wellenleiters 22 an den Hohlraum 4 verwendet bzw. die Anpassungsstruktur 15 ist hierzu ausgebildet.
Der Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 bildet vorzugsweise eine durchgängig elektrisch leitende und insbesondere einstückige Begrenzungsfläche sowohl des substratintegrierten Wellenleiters 22 als auch des Hohlraums 4. Dies ermöglicht eine ganz besonders kompakte und für die elektromagnetischen Wellen 2 verlustarme sowie ausgesprochen zuverlässige Hohlleiteranordnung 1.
Denn einerseits entfällt zumindest im Wesentlichen Spiel bei der Herstellung der Verbindung zwischen einem konventionell konstruierten substratintegrierten Wellenleiter und einer Koppelstruktur zur Kopplung des substratintegrierten Wellenleiters mit einem konventionellen Hohlleiter. Reflexionen und Verluste durch Toleranzen in diesem Umfeld sind also in vorteilhafter Weise reduziert. Andererseits kann der substratintegrierte Wellenleiter 22 unmittelbar in den durch den Hohlraum 4 mit dem Leiterplattenmaterial 5 gebildeten Hohlleiter übergehen, sodass eine ausgesprochen kompakte Bauform realisierbar ist.
Der substratintegrierte Wellenleiter 22 weist besonders bevorzugt eine, vorzugsweise zu allen (vier) Seiten an ein elektrisch leitfähiges Material angrenzende und/oder stirnseitige, Grenzfläche 24 auf, mit der das Substrat 7 des substratintegrierten Wellenleiters 22 unmittelbar an den Hohlraum 4 angrenzt. Die Grenzfläche 24 ist also insbesondere nicht mit einem elektrisch leitfähigem Material 3 belegt.
Dadurch, dass die Grenzfläche 24 durch leitfähiges Material 3 in Form der Leitschicht 8, des Rückens 6 und der Wände 20 bzw. der leitenden Schicht bzw. Plattierung 45 umgeben ist, resultiert ein Fenster für die elektromagnetischen Wellen 2 zwischen dem substratintegrierten Wellenleiter 22 und dem Hohlraum 4. Auf diese Weise ist der Hohlraum 4 der Hohlleiteranordnung 1 vollständig und ununterbrochen durch leitfähiges Material 3 umgeben, mit Ausnahme des Fensters bzw. der Grenzfläche 24 und etwaiger Öffnungen und Koppelpunkte des durch den Hohlraum 4 gebildeten Hohlleiters - beispielsweise zur Verbindung mit externen Komponenten wie Antennen o. dgl.
Die Grenzfläche 24 erstreckt sich vorzugsweise quer bzw. senkrecht zu der durch den Pfeil 13 angedeuteten Transmissionsrichtung für elektromagnetische Wellen 2 und/oder senkrecht zu der Ebene, die durch die Haupterstreckungsrichtung(en) 19 des Leiterplattenmaterials 5 aufgespannt wird. Durch die hierdurch ermöglichte Einkopplung von dem substratintegrierten Wellenleiter 22 in den Hohlraum 4 wird im Vergleich zu Lösungen, bei denen eine Auskopplung aus dem substratintegrierten Wellenleiter 22 im Wesentlichen senkrecht zu seiner Haupterstreckungsrichtung 19 erfolgt, wiederum eine sehr kompakte Bauform ermöglicht.
In vorteilhafter Weise wird eine durch den substratintegrierten Wellenleiter 22 geleitete elektromagnetische Welle 2 also nicht oder nur unwesentlich umgelenkt, um in den Hohlraum 4 einzukoppeln oder umgekehrt, um aus dem Hohlraum 4 in das Substrat 7 des substratintegrierten Wellenleiters 22 einzukoppeln.
Die Grenzfläche 24 ist vorzugsweise dadurch hergestellt, dass nach Strukturierung des Leiterplattenmaterials 5 und - ggf. nach Erzeugen der leitenden Schicht, Beschichtung mit der Plattierung 45 bzw. Abscheidung von leitfähigem Material 3 an den Wänden 20 bzw. Seitenwänden 21 zur Verbindung des Rückens 6 mit der Leitschicht 8 - das die Wand 20, die leitende Schicht bzw. die Plattierung 45 bildende Material 3 im Bereich der Grenzfläche 24 wieder entfernt ist oder wird, insbesondere durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren, bevorzugt Fräsen, oder per Laser o. dgl. Dies hat sich als besonders effizient zur Erzeugung der vorschlagsgemäßen Hohlleiteranordnung 1 erwiesen.
Die Oberflächenstruktur 9 des Rückens 9 wird vorzugsweise ausgehend von einem, insbesondere handelsüblichen, (HF-)Leiterplatten-Basismaterial durch Strukturierung der die Leitschicht 8 und/oder das Substrat 7 aufweisenden Seite strukturiert. Dies erfolgt besonders bevorzugt durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren, insbesondere Fräsen, per Laser o. dgl. Der Hohlraum 4 wird also vorzugsweise zumindest teilweise dadurch erzeugt, dass von einem (HF-)Leiterplatten-Basismaterial abschnittsweise die Leitschicht 8, das Substrat 7 und Teile des Rückens 6 entfernt werden.
In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zunächst die Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 in einem (HF-)Leiterplatten-Basismaterial gefertigt, indem die Leitschicht 8, das Substrat 7 und der Rücken 6 strukturiert werden. Im Anschluss liegt das Substrat 7 seitlich der strukturierten Bereiche offen und trennt entsprechend die Leitschicht 8 elektrisch vom Rücken 6.
Im Anschluss kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leitschicht 8 und dem Rücken 6 hergestellt werden. Hierdurch entsteht die bereits zuvor beschriebene Wand 20 bzw. Plattierung 45. Dies kann durch Abscheiden von leitfähigem Material 3, insbesondere durch sogenanntes "Aufkupfern", erfolgen.
Bevorzugt, jedoch nicht zwingend, werden insbesondere im Anschluss eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten an der Oberfläche abgeschieden. Insbesondere wird die leitfähige Oberfläche vergütet, passiviert und/oder vergoldet. Vorzugsweise wird hierdurch die zuvor erwähnte leitende Schicht bzw. Plattierung 45 gebildet. Dies bietet den Vorteil einer guten Langzeitstabilität durch Korrosionsschutz bei gleichzeitig geringen Oberflächenwiderständen, die für die Bildung von verlustarmen Hohlleiterstrukturen vorteilhaft sind.
Die Grenzfläche 24 wird im Anschluss vorzugsweise dadurch gebildet, dass die Wand 20, die leitende Schicht bzw. Plattierung 45 im Bereich einer Stirnseite des den substratintegrierten Wellenleiter 22 bildenden Substrats 7 entfernt wird. Auf diese Weise resultiert die zuvor bereits erläuterte Grenzfläche 24, in der das den substratintegrierten Wellenleiter 22 bildende Substrat 7 unmittelbar an den Hohlraum 4 angrenzt.
Die Bildung des Fensters bzw. der Grenzfläche 24 kann ebenfalls durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren erfolgen, besonders bevorzugt durch Fräsen.
Die Öffnung des Fensters bzw. Bildung der Grenzfläche 24 kann grundsätzlich auch zu einer anderen Phase des Herstellungsprozesses erfolgen, beispielsweise nach Bildung der Wände 20 bzw. Plattierung 45 und vor einem Vergoldungsprozess, sodass im Bereich der Grenzfläche 24 kein leitfähiges bzw. metallisches Material 3 zum Zeitpunkt der Vergoldung vorliegt und bei einer bevorzugten galvanischen Vergoldung, Abscheidung von leitfähigem Material 3 oder sonstigen Passivierung kein leitfähiges Material 3 abgeschieden wird, sodass die Grenzfläche 24 die beschriebene Funktion behält oder erhält.
Fig. 2A zeigt in einer vereinfachten schematischen Ansicht das Leiterplattenmaterial 5 im unbearbeiteten Zustand (auch Leiterplatten-Basismaterial oder PCB-Basismaterial genannt).
Das Leiterplattenmaterial 5 weist zumindest den Rücken 6 und die Leitschicht 8 auf. Diese können aneinander angrenzen oder, wie im Darstellungsbeispiel und bevorzugt, durch das Substrat 7 voneinander getrennt sein.
Die Leitschicht 8 ist mit dem Rücken 6 und/oder dem Substrat 7 vorzugsweise verbunden, was mit einer stoffschlüssigen Verbindung, vorzugsweise mit Klebstoff, insbesondere einer Klebstoffschicht, oder einem sonstigen Haftvermittler erfolgen kann. Wenn das Substrat 7 und der Rücken 6 als separate Schichten realisiert sind, das Substrat 7 also nicht den Rücken 6 bildet oder umgekehrt, ist vorzugsweise das Substrat 7 auf einer Seite mit dem Rücken 6 und einer andern, vorzugsweise gegenüberliegenden, Seite mit der Leitschicht 8 verbunden, insbesondere auf gegenüberliegenden Flachseiten. Auch dies kann mit einem Klebstoff, alternativ bzw. teilweise jedoch auch durch eine sonstige stoffschlüssige Verbindung wie Schweißen o.dgl. erfolgen. So kann die Leitschicht 8 auf das Substrat 7 geklebt und das Substrat 7 mit dem Rücken 6 verklebt oder verschweißt sein.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung grenzen die Leitschicht 8, der Rücken 6 und/oder das Substrat 7 auch dann (unmittelbar) aneinander an, wenn zwecks Verbindung eine Klebstoffschicht / Haftschicht o.dgl. zwischen der Leitschicht 8, dem Rücken 6 und/oder dem Substrat 7 angeordnet ist. Derartige Klebstoffe oder Haftvermittler sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt und sind im Zweifel dem Substrat 7 zuzuordnen bzw. bilden einen Teil des Substrats 7, insbesondere aufgrund der in der Regel elektrisch isolierenden Eigenschaften. Insofern kann das Substrat 7 mehrschichtig sein und neben einer im Querschnitt mittleren Hauptschicht eine oder mehrere der Leitschicht 8 und/oder dem Rücken 6 zugewandte Klebstoffschichten / Haftschichten aufweisen.
Davon abgesehen bestehen die Leitschicht 8, der Rücken 6 und/oder das Substrat 7 vorzugsweise aus einem homogenen Material. Das Substrat 7 kann auf der der Leitschicht 8 abgewandten Seite eine Metallschicht tragen, über die das Substrat 7 mit dem Rücken 6 verbunden, insbesondere verlötet ist oder wird. Aus anderer Perspektive handelt es sich hierbei um einen mehrschichtigen Rücken 6. Diese Metallschicht wiederum kann mit dem Substrat 7 verbunden sein, beispielsweise mittels eines Klebstoffs bzw. Haftvermittlers. Das Leiterplattenmaterial 5 kann also in einem Beispiel die Leitschicht 8 aufweisen, die mittels einer Klebstoffschicht mit dem Substrat 7 verbunden ist, das wiederum mittels einer Klebstoffschicht mit einer weiteren Metallschicht verbunden ist, die wiederum auf den Rücken (mittels einer Klebstoffschicht) geklebt, (mittels einer Lotschicht) gelötet oder geschweißt ist oder hierdurch Teil des Rückens 6 bildet.
Der Rücken 6 ist vorzugsweise plattenförmig und verläuft vorzugsweise vollständig in einer Ebene bzw. wird von ebenen Flachseiten begrenzt, die sich vorzugsweise entlang der Haupterstreckungsrichtung 19 des Rückens 6 erstrecken. Die ebenen Flachseiten sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, sodass der Rücken 6 eine zumindest im Wesentlichen ebene Platte mit einer zumindest im Wesentlichen konstanten Materialstärke ist. Dies ändert sich vorzugsweise nur in den Bereichen, in denen zu einem späteren Zeitpunkt die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 gebildet ist oder wird, wie im Folgenden weiter beschrieben.
Die Leitschicht 8 verläuft vorzugsweise zumindest im Wesentlichen parallel zum Rücken 6 und/oder unterbrechungsfrei im unbearbeiteten Leiterplattenmaterial 5. Bei der Leitschicht 8 handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um eine zumindest im Wesentlichen ebene Schicht mit zu seiner Haupterstreckungsebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufenden Flachseiten, die weiter bevorzugt parallel zu dem bzw. zu den Flachseiten des Rückens 6 verlaufen. Der Rücken 6 und die Leitschicht 8 sind also vorzugsweise parallel bzw. in parallelen Ebenen zueinander angeordnet.
Grundsätzlich kann der Rücken 6 das Substrat (Dielektrikum) 7 sein oder aufweisen. Der Rücken 6 kann also elektrisch isolierend sein und die Leitschicht 8 unmittelbar oder mittelbar tragen.
Bevorzugt und im Darstellungsbeispiel ist zwischen dem Rücken 6 und der Leitschicht 8 das Substrat 7 angeordnet, das ebenfalls in unbearbeiteten Bereichen in einer Ebene verläuft, ebene Flachseiten bzw. Begrenzungsflächen zum Rücken 6 einerseits und zur Leitschicht 8 andererseits aufweist und/oder eine zumindest im Wesentlichen konstante und vor der Bearbeitung zumindest im Wesentlichen unterbrechungsfreie Schicht konstanter Materialstärke ist.
Das Leiterplattenmaterial 5 ist entsprechend bevorzugt ein Sandwich-Aufbau aus dem Rücken 6, dem Substrat 7 und der Leitschicht 8.
Besonders bevorzugt ist der Rücken 6, der dem Leiterplattenmaterial 5 bevorzugt primär seine mechanische Stabilität verleiht, aus einem leitfähigen Material gebildet. Insbesondere handelt es sich, wie bereits zuvor erwähnt, um einen Metallrücken, beispielsweise aus Kupfer und/oder Messing.
Das Leiterplattenmaterial 5 vor seiner Bearbeitung, also das Leiterplatten-Basismaterial, weist den Rücken 6 und die Leitschicht 8 sowie optional das Substrat 7 unmittelbar aneinander anliegend und miteinander verbunden auf. Dies schließt nicht aus, dass ein Verbund der Leitschicht 8 und des Substrats 7 vor der weiteren Bearbeitung zunächst auf einen Rücken 6 aufgezogen wird, also vollflächig mit dem Rücken 6 verbunden wird, sodass sich im Ergebnis der schematisch in Fig. 2A dargestellte Aufbau ergibt.
In Fig. 2B ist angedeutet, wie ausgehend von dem unbearbeiteten Leiterplattenmaterial 5 die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 erzeugt wird. Im Darstellungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird mit einem Laser die Oberfläche des Rückens 6 strukturiert, indem Material entfernt wird, sodass die Materialstärke des Rückens 6 an der bearbeiteten Stelle reduziert ist oder wird. Vorzugsweise tangiert dies nicht die Oberfläche des Rückens 6 auf der der Leitschicht 8 abgewandten Seite. Die der Leitschicht 8 abgewandte Flachseite des Rückens 6 ist und bleibt also vorzugsweise zumindest im Wesentlichen eben bzw. verläuft weiterhin in einer Ebene, insbesondere unterbrechungsfrei.
Durch die Bearbeitung des Leiterplattenmaterials 5 wird vorzugsweise auch das über dem strukturierten Bereich des Rückens 6 befindliche Material entfernt. Im Fall des Schichtaufbaus mit dem Rücken 6, dem Substrat 7 und der Leitschicht 8 werden also vorzugsweise die Leitschicht 8, das Substrat 7 und Teile des Rückens 6 entfernt, sodass die Ausnehmung 10 gebildet wird, die sich von der Oberfläche der Leitschicht 8 bis in den Rücken 6 erstreckt. Dies gilt auch für den Fall, wenn kein Substrat 7 vorhanden sein sollte.
Die Ausnehmung 10 bzw. Oberflächenstruktur 9 weist vorzugsweise einen zumindest im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung/-ebene 19 des Leiterplattenmaterials 5 verlaufenden Boden und quer, insbesondere senkrecht, zu der Haupterstreckungsrichtung/-ebene 19 des Leiterplattenmaterials 5 verlaufende Flanken bzw. Wände 20 auf bzw. wird entsprechend hergestellt.
Die Ausnehmung 10 ist bzw. wird vorzugsweise in Form eines Sacklochs gebildet. Hierbei bildet der Rücken 6 den Boden und unmittelbar daran angrenzende Teile der seitlichen Begrenzung der Ausnehmung 10 bzw. Oberflächenstruktur 9.
Es versteht sich, dass die schematische Abbildung gemäß Fig. 2B nur exemplarisch für einen kleinen Ausschnitt der insgesamt üblicherweise gebildeten Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 steht. Insbesondere ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass die Verhältnisse der Schichtdicke des Rückens 6, des Substrats 7 und der Leitschicht 8 nicht maßstabsgetreu sind bzw. sein müssen.
Fig. 2C zeigt einen weiteren Bearbeitungsschritt des Leiterplattenmaterials 5 zur Bildung des Hohlraums 4. Der Hohlraum 4 wird vorzugsweise dadurch gebildet bzw. begrenzt, dass die Ausnehmung 10 mit den elektrisch leitfähigen Wänden 20 versehen wird, die das Substrat 7 vorzugsweise elektrisch leitend überbrücken bzw. die elektrisch leitfähigen Begrenzungsflächen 12 bzw. Teile hiervon bilden.
Bevorzugt wird das Leiterplattenmaterial 5 durch Abscheiden elektrisch leitfähigem Materials beschichtet. Besonders bevorzugt wird das Leiterplattenmaterial 5 plattiert, wie beispielhaft zuvor erläutert. Hierdurch kann die (jeweilige) Wand 20 gebildet werden. Im Darstellungsbeispiel ist die Beschichtung nur im Bereich der Ausnehmung 10 dargestellt. Sie kann sich jedoch über die Leitschicht 8 hinweg erstrecken.
Die (jeweilige) Wand 20 überdeckt vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollflächig leitend die zunächst nach der Bearbeitung, wie exemplarisch in Fig. 2B dargestellt, offene (Seiten- bzw. Stirn-)Fläche des Substrats 7. Im Fall, dass der Rücken 6, wie bevorzugt, elektrisch leitfähig ist, verbindet die Wand 21 also vorzugsweise die Leitschicht 8 leitend mit dem leitenden Rücken 6 und deckt hierbei die zunächst offen liegende Substratschicht 7 ab, verschließt sie also insbesondere mit elektrisch leitfähigem Material 3, bevorzugt vollständig.
Das elektrisch leitfähige Material 3, das die Wand 20 bildet, ist im Darstellungsbeispiel aus herstellungstechnischen Gründen auch zumindest im Wesentlichen vollflächig die Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 im Bereich des Rückens 6 überdeckend ausgebildet.
Insbesondere kleidet das leitfähige Material 3, das die Wand 20 bildet, die Ausnehmung 10 zumindest im Wesentlichen unterbrechungsfrei bzw. vollflächig aus. Optional, jedoch in Fig. 2C nicht dargestellt, kann sich das leitfähige Material auch über die Leitschicht 8 hinweg als zusätzliche Schicht erstrecken, kann also im Zuge der Herstellung vollflächig über der Leitschicht 8 (auf der dem Rücken 6 abgewandten Seite der Leitschicht 8) erzeugt werden. Hierbei werden dann vorzugsweise jedenfalls die im Darstellungsbeispiel gemäß Fig. 2C gezeigten Wände 20 gebildet. Optional kann also die Schicht leitfähigen Materials 3 auf der Leitschicht 8 bzw. im Bodenbereich der Ausnehmung 10 bzw. der Oberflächenstruktur 9 gebildet, insbesondere abgeschieden sein oder werden.
Das leitfähige Material 3 bzw. die Wand/Wände 20 kann/können mehrschichtig sein, bevorzugt aufweisend eine - insbesondere durch Plattieren abgeschiedene - Metalllage, insbesondere Kupferlage, die wiederum oberflächlich mit einer Veredelung versehen, insbesondere vergoldet, wird oder ist. Die Veredelung kann nach der in Zusammenhang mit der in Fig. 2D erläuterten Öffnung des Substratfensters erfolgen oder vorher.
In Fig. 2D ist durch das elektrisch isolierende Substrat 7 zwischen dem elektrisch leitfähigen Rücken 6 und der Leitschicht 8 der substratintegrierte Wellenleiter 22 gebildet. Hierzu wird ein Abschnitt des Substrats 7 einerseits durch die Leitschicht 8 und den Rücken 6 leitend begrenzt und andererseits durch Schlitze bzw. Nuten 23, die vorzugsweise ebenfalls mit leitfähigem Material 3 versehen eine leitende seitliche Grenzfläche für das Substrat 7 bilden, die sich vorzugsweise unterbrechungsfrei zwischen der Leitschicht 8 und dem Rücken 6 erstreckt. Entsprechend ist im Bereich der Nuten 23 das Substrat 7 zu vier Seiten mit leitfähigem Material umgeben und in dem umgebenen Substrat 7 ist dann eine elektromagnetische Welle ausbreitungsfähig, sodass der substratintegrierte Wellenleiter 22 gebildet ist.
Es versteht sich, dass alternativ zu den Schlitzen bzw. Nuten 23 auch andere leitfähige Strukturen verwendet werden können, die vorzugsweise die Leitschicht 8 elektrisch leitend mit dem elektrisch leitfähigen Rücken 6 verbindet und seitliche elektrisch leitfähige Begrenzungsflächen für den hierdurch begrenzten Abschnitt des Substrats 7 bilden. Beispiele sind die Verwendung von Via-Reihen oder dergleichen statt der Nuten 23.
Die Schlitze bzw. Nuten 23 können im Zuge der Bildung der elektrisch leitfähigen Wände 20 mit elektrisch leitfähigem Material 3, insbesondere dem gleichen oder demselben elektrisch leitfähigen Material 3, das auch zur Bildung der Wände 20 vorzugsweise abgeschieden wird, gefüllt oder zumindest teilweise gefüllt werden. Die gemeinsame Bildung der Wand 20 bzw. Wände 20 und der elektrisch leitfähigen seitlichen Begrenzungsflächen für den substratintegrierten Wellenleiter 22 ist ein vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Besonders bevorzugt werden die elektrisch leitfähigen, seitlichen Begrenzungen für die Bildung des substratintegrierten Wellenleiters 22 in einem gemeinsamen Prozess mit den Wänden 20 gebildet, insbesondere bei derselben Abscheidung von leitfähigem Material 3. Insbesondere wird jedenfalls der Abschnitt der Seite des Leiterplattenmaterials 5, in dem die Ausnehmung 10 und der (zu bildende) substratintegrierte Wellenleiter 22 bzw. die diesen begrenzenden Strukturen wie die Nuten 23 vorgesehen sind, gemeinsam plattiert. Hierbei kann die Oberfläche der Leitschicht 8 optional mit plattiert sein oder werden, was aus vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist.
Es ist bevorzugt, dass zwecks Ein- und/oder Auskopplung von elektromagnetischen Wellen 2 die Grenzfläche 24 des Substrats 7 gebildet bzw. geöffnet wird, über die das Substrat 7 unmittelbar an die Ausnehmung 10, die Oberflächenstrukturen 9 bzw. den Hohlraum 4 angrenzt. Die Grenzfläche 24 bildet hierbei ein Fenster zum Ein- und/oder Austreten elektromagnetischer Wellen 2 aus dem substratintegrierten Wellenleiter 22 in den Hohlraum 4 und/oder aus dem Hohlraum 4 in den substratintegrierten Wellenleiter 22. Eine Struktur zur Impedanzanpassung kann ergänzend vorgesehen sein, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beispielhaft erläutert.
Der Hohlraum 4 durchbricht den Rücken 6 vorzugsweise nicht. Der Rücken 6 ist und bleibt also vorzugsweise unterbrechungsfrei geschlossen.
Der Hohlraum 4 und/oder die den Hohlraum 4 bildende bzw. begrenzende Ausnehmung 10 erstreckt sich vorzugsweise schlitzartig bzw. nutartig vorrangig entlang der Haupterstreckungsrichtung bzw. in der Haupterstreckungsebene 19 des Leiterplattenmaterials 5. Insbesondere ist oder bildet die Ausnehmung 10 eine Nut bzw. einem länglichen Schlitz, die/der sich durch die Leitschicht 8 bis in den Rücken 6 erstreckt, vorzugsweise durch das Substrat 7 hindurch, und sich vorzugsweise in Richtung der Haupterstreckungsebene bzw. Haupterstreckungsrichtung 19 des Leiterplattenmaterials 5 länger erstreckt als senkrecht hierzu. Insbesondere handelt es sich bei der Oberflächenstruktur 9 bzw. Ausnehmung 10 also um eine Nut, die mit einer Abdeckung 11 abgedeckt den Hohlraum 4 bildet, in dem Moden in Richtung der Längserstreckung bzw. Haupterstreckung der Nut ausbreitungsfähig sind. Wände 20 und/oder Boden der nutförmigen Ausnehmung 10 bzw. Nut verlaufen vorzugsweise zumindest im Wesentlichen parallel oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene bzw. Haupterstreckungsrichtung 19 des Leiterplattenmaterials 5.
Fig. 3 zeigt das Leiterplattenmaterial 5 und mindestens eine, im Darstellungsbeispiel zwei oder mehr, unterschiedliche Abdeckungen 11, die (jeweils) zu dem Leiterplattenmaterial 5 derart korrespondieren, dass eine Montage dieser aneinander (jeweils) den Hohlraum 4 bzw. den mit dem Hohlraum 4 gebildeten Hohlleiter bildet oder bilden kann.
Die Hohlleiteranordnung 1 kann eine mit dem Leiterplattenmaterial 5 gebildete und insbesondere durch Strukturierung der Leitschicht 8 erzeugte Leiterbahn, insbesondere Streifenleitung 25, aufweisen. Die Leiterbahn bzw. Streifenleitung 25 kann der Herstellung einer elektrischen Verbindung, Signalverbindung und/oder dem Anschluss bzw. der Montage elektronischer Bauelemente dienen oder hierzu verwendet werden.
Die Streifenleitung 25 kann an einem Streifenleitungsende 26 einen Übergang 27 zur Kopplung mit dem substratintegrierten Wellenleiter 22 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Streifenleitung 25 an dem Streifenleitungsende 26 einen Übergang 27 zur Kopplung mit dem Hohlraum 4 bzw. hiermit gebildeten Hohlleiter aufweisen oder bilden (nicht dargestellt).
Die eine oder mehreren Leiterbahnen bzw. Streifenleitungen 25 ist/sind/werden vorzugsweise mittels Strukturierung der Leitschicht 8 hergestellt. Insbesondere handelt es sich um eine oder mehrere Mikrostreifenleitungen, für die der Rücken 6 als Bezugselektrode bzw. Massefläche fungiert, der von der oder den in der Leitschicht 8 oder durch Strukturierung der Leitschicht 8 gebildeten Streifenleitung(en) 25 durch das Substrat 7 (Dielektrikum) getrennt ist.
Die Leiterbahnen bzw. Streifenleitung(en) 25 kann/können dazu verwendet werden, beispielsweise über ein oder mehrere Bonddrähte, Flip-Chip-Verbindungen o. dgl. mit einem Halbleiter-Bauelement verbunden zu werden, insbesondere mit dessen Ausgängen zum Senden und/oder Eingängen zum Empfangen von Signalen. Die Signale können durch Einkoppeln in den substratintegrierten Wellenleiter 22 bzw. den Hohlraum 4 die elektromagnetische Welle 2 bilden oder, umgekehrt, die Signale können aus der elektromagnetischen Welle 2 aus dem Hohlraum 4 bzw. dem substratintegrierten Wellenleiter 22 in der Streifenleitung 25 erzeugt werden.
Während Streifenleitungen 25, die auch als differenzielle Streifenleitungen ausgeführt sein können, zumindest im Wesentlichen nur mit dem Leiterplattenmaterial 5 realisiert werden, wird der Hohlraum 4 zur Bildung des Hohlleiters der Hohlleiteranordnung 1 vorzugsweise durch die Kombination eines im Leiterplattenmaterial 5 gebildeten Teils des Hohlraums 4 mit einem in der Abdeckung 11 gebildeten Teils des Hohlraums 4 gebildet. Die entsprechende Oberflächenstruktur 9 des Leiterplattenmaterials 5 bzw. Rückens 6 und die vorzugsweise hierzu korrespondierende und/oder komplementäre Oberflächenstruktur 17 der (jeweiligen) Abdeckung 11 ist in Fig. 3 dargestellt.
Die Abdeckung 11 kann in vorteilhafter Weise ebenfalls mit oder aus Leiterplattenmaterial 5 gebildet sein, oder, wie im Darstellungsbeispiel, aus einem strukturierten, elektrisch leitfähigen (Voll-)Material.
Die Hohlleiteranordnung 1 kann einen Orthomoden-Transducer 28 aufweisen. Der Orthomoden-Transducer 28 ist insbesondere in den Fig. 4 bis 6 dargestellt.
Ein Orthomoden-Transducer 28 ist ein vorzugsweise in Hohlleitertechnik gebildetes Bauelement, oftmals OMT abgekürzt und auch Orthomodenkoppler genannt, das zirkular polarisierte Wellen aufteilt bzw. orthogonal polarisierte Wellen zusammenführt. Der Orthomoden-Transducer 28 bildet vorliegend vorzugsweise ein mit dem Leiterplattenmaterial 5 bzw. Rücken 6 gebildetes Hohlleiter-Funktionselement 14.
Der Orthomoden-Transducer 28 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist vorzugsweise zumindest teilweise durch den durch das Leiterplattenmaterial 5 bzw. den Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 und/oder den hierdurch begrenzten Hohlraum 4 gebildet. Im Übrigen kann er durch eine korrespondierende oder komplementäre Oberflächenstruktur 17 der Abdeckung 11 gebildet oder ergänzt sein oder werden.
Die Hohlleiteranordnung 1 kann mehrere, insbesondere in Reihe geschaltete Hohlleiter-Funktionselemente 14 aufweisen. Insbesondere sind die Hohlleiter-Funktionselemente 14 jeweils oder durchgehend zumindest teilweise durch das Leiterplattenmaterial 5, insbesondere die Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 gebildet.
Besonders bevorzugt ist hierbei die Realisierung einer Anpassungsstruktur 15 gefolgt von einem weiteren Hohlleiter-Funktionselement 14, im Darstellungsbeispiel dem Orthomoden-Transducer 28.
Insbesondere ist eine Kombination bevorzugt, bei der dasselbe Leiterplattenmaterial 5 den substratintegrierten Wellenleiter 22, einen Übergang hiervon zu dem Hohlraum 4 und, gebildet durch den Hohlraum 4 bzw. den hiermit gebildeten Hohlleiter, ein oder mehrere Hohlleiter-Funktionselemente 14, die ausgehend von dem substratintegrierten Wellenleiter 22 nacheinander als Hohlleiter-Funktionselemente 14 realisiert sind, aufweist oder bildet.
Im Darstellungsbeispiel folgt auf den Übergang zwischen dem substratintegrierten Wellenleiter 22 und dem Hohlraum 4 zunächst die Anpassungsstruktur 15 und dann, optional bzw. beispielhaft für ein Hohlleiter-Funktionselement 14, der Orthomoden-Transducer 28 bzw. ein Eingang 29 des Orthomoden-Transducers 28.
Der Orthomoden-Transducer 28 wird besonders bevorzugt über die zumindest teilweise durch den Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 gebildete Anpassungsstruktur 15 mit dem bevorzugt ebenfalls zumindest teilweise durch den Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 gebildeten substratintegrierten Wellenleiter 22 gekoppelt. Die Anpassungsstruktur 15 ist also vorzugsweise zwischen dem substratintegrierten Wellenleiter 22 und dem Orthomoden-Transducer 28 angeordnet.
Die Hohlleiteranordnung 1 weist besonders bevorzugt mindestens zwei, vorzugsweise mindestens oder genau drei, mit dem Rücken 6 gebildete Anpassungsstrukturen 15 auf, die jeweils einen Eingang 29 des Orthomoden-Transducers 28 mit einem substratintegrierten Wellenleiter 22 koppeln.
Fig. 3 zeigt zwei unterschiedlich ausgebildete Abdeckungen 11, die jeweils zu derselben Oberflächenstruktur 9 des Leiterplattenmaterials 5 des Rückens 6 des Leiterplattenmaterials 5 korrespondieren. In dem Zusammenhang ist bevorzugt, dass die Eigenschaften des durch den Hohlraum 4 gebildeten Hohlleiters davon abhängen und dadurch variiert werden können, dass derselbe Rücken 6 aufweisend dieselbe Oberflächenstruktur 9 mit unterschiedlichen Abdeckungen 11 kombiniert unterschiedliche Hohlräume 4 bzw. hierdurch gebildete Hohlleiter bilden.
In einem besonders vorteilhaften Verfahren wird eine bevorzugt wie zuvor beschriebene Hohlleiteranordnung 1 hergestellt, wobei das Leiterplattenmaterial 5 mit dem Rücken 6, der die Oberflächenstruktur 9 aufweist, mit einer von mehreren, verfügbaren, unterschiedlichen Abdeckungen 11 zur Bildung eines Hohlraums 4 eines Hohlleiters kombiniert wird.
Mit anderen Worten wird die Hohlleiteranordnung 1 aus dem Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 und einer von mehreren, unterschiedlichen, jeweils zur Bildung eines Hohlleiters mit dem Rücken 6 unmittelbar oder mittelbar verbindbaren Abdeckungen 11 kombiniert.
Hierbei sind die Abdeckungen 11 jeweils dazu ausgebildet, durch Verbindung mit dem Rücken 6 den Hohlraum 4 aufweisende Hohlleiter unterschiedlicher Wellenleitungseigenschaften bzw. mit unterschiedlichen Hohlleiter-Funktionselementen 14 zu bilden.
Durch Auswahl, Verwendung oder Austausch einer Abdeckung 11 und Verbinden dieser mit dem Leiterplattenmaterial 5 bzw. Rücken 6 wird entsprechend ein Hohlleiter mit den durch Wahl der Abdeckung 11 wählbaren Wellenleitungseigenschaften erzeugt. Insbesondere kann die Anpassung oder können die Eigenschaften von Hohlleiter-Funktionselementen durch die Auswahl einer der mehreren unterschiedlichen Abdeckungen 11 konfiguriert werden. Insbesondere ist es möglich, durch Wahl einer von mehreren Abdeckungen 11 unterschiedliche Hohlleiter-Funktionselemente 14 zu bilden oder deren Eigenschaften zu beeinflussen.
Allgemeiner ausgedrückt betrifft also ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein System basierend auf einer zur Bildung eines Hohlleiters ausgebildeten Oberflächenstruktur 9 eines Leiterplattenmaterials 5 und mehreren alternativen Abdeckungen 11, die zur Bildung unterschiedlicher Hohlräume 4 bzw. Hohlleiter-Funktionselementen 14 mit der Oberflächenstruktur 9 ausgebildet sind.
Im Darstellungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist eine der unterschiedlichen Abdeckungen 11, in Fig. 3 insbesondere die untere Abdeckung 11, mit einer Oberflächenstruktur 17 ausgestattet, durch die lediglich ein nach außen offener Hohlraum 4 bzw.
Hohlleiter mit nur einer Öffnung 32 gebildet wird, wenn diese Abdeckung 11 mit dem Leiterplattenmaterial 5 verbunden wird. In diesem Fall ist bevorzugt, dass im Ausführungsbeispiel der Orthomoden-Transducer 28, der mit entsprechenden, zueinander korrespondierenden Oberflächenstrukturen 9, 17 des Rückens 6 und der Abdeckung 11 gebildet wird, dazu ausgebildet ist, in den Hohlraum 4 von außen eingeleitete elektromagnetische Wellen 2 in insbesondere horizontale und vertikale Komponenten getrennt weiterzuleiten. Die Weiterleitung erfolgt bevorzugt über Anpassungsstrukturen 15 und/oder substratintegrierte Wellenleiter 22, wie grundsätzlich zuvor bereits erläutert.
Bei Wahl einer alternativen Abdeckung 11, in Fig. 3 insbesondere die obere Abdeckung 11, kann eine Hohlleiteranordnung 1 mit anderer Funktion realisiert werden. Hierbei können drei Öffnungen 32 und mindestens ein Hohlraum 4 gebildet werden. Weitere Oberflächenstrukturen 17 können optional nur durch die Leitschicht 8 begrenzt sein, wobei jedenfalls ein Hohlraum 4 mit dem Leiterplattenmaterial 5 gebildet ist. Weitere Hohlräume können durch Oberflächenstrukturen 17 gebildet sein, die seitens des Leiterplattenmaterials 5 nur durch die Leitschicht 8 begrenzt sind. Hierdurch können mehrere Hohlräume 4 bzw. Hohlleiter gebildet sein, insbesondere mit jeweils einer Öffnung 32. Im Darstellungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zuvor einen Teil des Orthomoden-Transducers 28 bildende Oberflächenstruktur 9 des Leiterplattenmaterials 5 bzw. Rückens 6 nun die Funktion eines Orthomoden-Transducers 28 nicht mehr erfüllt oder realisiert. Stattdessen wird die Oberflächenstruktur 9 des Leiterplattenmaterials 5 bzw. Rückens 6 durch die Abdeckung 11 bzw. deren Oberflächenstruktur 17 derart ergänzt, dass eine andere Funktion erfüllt wird, beispielsweise eine Anpassung oder lediglich Durchleitung oder Filterung elektromagnetischer Wellen 2.
Alternativ oder zusätzlich können entsprechend die weiteren Öffnungen 32 von Hohlräumen 4 dazu benutzt werden, separate elektromagnetische Wellen 2 in getrennte Hohlräume 4 einzukoppeln.
Im Ergebnis können im Darstellungsbeispiel durch Auswahl oder Austausch der Abdeckung 11 mit demselben Leiterplattenmaterial 5 mit derselben Oberflächenstruktur 9 völlig unterschiedliche Funktionen erreicht werden, beispielsweise die Bildung einer zirkularpolarisierten elektromagnetischen Welle 2 durch Zusammenführen von orthogonal zueinander linear polarisierten elektromagnetischen Wellen 2 im einen Fall oder eine mehrkanalige Sende- und/oder Empfangsfunktion im anderen Fall.
Die Hohlleiteranordnung 1 weist vorzugsweise, insbesondere in Abhängigkeit von der Wahl der Abdeckung 11, mehrere voneinander getrennte Hohlräume 4, Hohlleiter-Funktionselemente 14, substratintegrierte Wellenleiter 22 und/oder Streifenleitungen 25 auf. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, unterschiedliche Hohlleiter-Funktionen in Abhängigkeit von der Wahl einer entsprechenden Abdeckung 11 zu realisieren, diese jedoch alternativ oder zusätzlich, bevorzugt ebenfalls in Abhängigkeit von der Wahl der Abdeckung 11, zu (komplexeren) Funktionen zu kombinieren.
Dieser Gedanke ist nicht beschränkt auf das konkrete Ausführungsbeispiel, da sowohl andere Hohlleiter-Funktionselemente 14 als auch eine andere Kombination derselben oder ähnlicher Hohlleiter-Funktionselemente 14 in vorteilhafter Weise unter Verwendung des Leiterplattenmaterials 5 bzw. Rückens 6 und insbesondere der hiermit gebildeten Oberflächenstruktur 9 erzeugt werden können.
Zur Bildung der Hohlleiteranordnung 1 weist das Leiterplattenmaterial 5 und insbesondere der Rücken 6 vorzugsweise ein oder mehrere Montage- und/oder Justiermittel 30 auf. Im Darstellungsbeispiel handelt es sich um Ausnehmungen oder Durchbrechungen, insbesondere Bohrungen, Gewindebohrungen, Nuten, Federn, Zapfen und/oder dergleichen.
Die Abdeckung(en) 11 weist/weisen vorzugsweise hierzu (gleiche) korrespondierende oder komplementäre Montage- und/oder Justiermittel 31 auf. Entsprechende Techniken, ein Split-Bock-Unterteil, das vorliegend durch das Leiterplattenmaterial 5 gebildet sein kann, mit einem Split-Block-Oberteil, das vorliegend bevorzugt durch die Abdeckung 11 oder eine der Abdeckungen 11 gebildet ist, passgenau zueinander zu fügen, um den Hohlraum 4 bzw. hiermit den Hohlleiter zu bilden, sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt und können in entsprechender Weise vorliegend angewendet werden.
Eine Besonderheit in diesem Zusammenhang ist die bevorzugte Verwendung des Leiterplattenmaterials 5 und insbesondere des Rückens 6 zur Bildung eines Montage- und/oder Justiermittels 30 bzw. dass das Leiterplattenmaterial 5 bzw. der Rücken 6 dieses aufweist. In vorteilhafter Weise ist es dadurch, dass das Leiterplattenmaterial 5 bzw. der Rücken 6 das Montage- und/oder Justiermittel 30 aufweist, möglich, eine besonders kompakte Bauform zu erreichen.
Fig. 4 zeigt in einer ausschnittsweisen, perspektivischen Darstellung die Hohlleiteranordnung 1 mit Blick auf die Außenfläche 1A bzw. in den Hohlraum 4, insbesondere durch die Öffnung 32. Zu erkennen sind im Hohlraum 4 angeordnete Komponenten des optionalen Orthomoden-Transducers 28, Teile der Anpassungsstruktur 15 und die Grenzfläche 24, die den Übergang zur Kopplung der elektromagnetischen Wellen 2 aus dem Hohlraum 4 in das Substrat 7 des substratintegrierten Wellenleiters 22 ermöglicht.
Im Darstellungsbeispiel grenzt an die Öffnung 32 zunächst ein Hohlleiterabschnitt 33, der lediglich die Funktion erfüllt, die elektromagnetische Welle 2 zu leiten.
Der Orthomoden-Transducer 28 weist ein Rückenelement 34 auf, das, vorzugsweise zusammen mit den weiteren, zusammenfassend den Hohlraum 4 bildenden Strukturen, die Funktion des Orthomoden-Transducers 28 bewirkt. Das Rückenelement 34 ist insbesondere in Fig. 5 dargestellt.
Das Rückenelement 34 vorzugsweise stegartig ausgebildet ist und/oder ragt stegartig in den Hohlraum 4 hinein. Vorzugsweise weist das Rückenelement 34 eine oder mehrere Stufen auf.
Der Orthomoden-Transducer 28 mit seinem Rückenelement 34 ist im Darstellungsbeispiel getrennt von der Anpassungsstruktur 15 realisiert, die sich zwar unmittelbar an die Struktur des Orthomoden-Transducers 28 mit seinem Rückenelement 34 anschließt, hier jedoch nicht überlappt. Eine Anpassung ist also an der Grenze zwischen der Anpassungsstruktur 15 und dem Rückenelement 34 des Orthomoden-Transducers 28 bereits zumindest im Wesentlichen erfolgt. Entsprechend kann der Orthomoden-Transducer 28 bedarfsweise entfallen.
Die Öffnung 32 der Hohlleiteranordnung 1 zur Ein- und/oder Auskopplung der elektromagnetischen Wellen 2 kann unmittelbar verwendet werden, beispielsweise zur Ein- und/oder Auskopplung der elektromagnetischen Wellen 2 in ein bzw. aus einem Hohlleiterelement 35 und/oder in eine bzw. aus einer Antenne 36. Das Hohlleiterelement 35 und/oder die Antenne 36 kann/können mittels eines oder mehrerer Befestigungsmittel 37 an der Hohlleiteranordnung 1 befestigt werden. Beispielsweise ist ein Anschrauben möglich.
Im Darstellungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind das Hohlleiterelement 35 bzw. die Antenne 36 lediglich verkleinert und schematisch angedeutet. Grundsätzlich können bedarfsweise zahlreiche unterschiedliche, mit Hohlleitern kompatible Anbauteile mit der vorschlagsgemäßen Hohlleiteranordnung 1 kombiniert werden. Die lediglich schematisch dargestellten Anbauteile in Form des Hohlleiterelements 35 bzw. der Antenne 36 sind daher lediglich Beispiele.
Die Antenne 36 kann insbesondere eine wie in der WO 2009/100891 A1 beschrieben ausgebildete dielektrische Antenne sein. Durch eine solche dielektrische Antenne lässt sich insbesondere auf einfache Weise eine kompakte Antenne mit hoher Apertureffizienz realisieren.
Die in der WO 2009/100891 A1 beschriebene Antenne wird nachfolgend als dielektrische Antenne 38 bezeichnet. Die dielektrische Antenne 38 ist insbesondere in Fig. 7 und 8 dargestellt.
Die dielektrische Antenne 38 weist ein Kopplungselement 39 zur Ein- und/oder Auskopplung von elektromagnetischen Wellen 2 in die bzw. aus der dielektrischen Antenne 38 und eine aus einem dielektrischen Material bestehende Linse 40 auf.
Die dielektrische Antenne 38 ist vorzugsweise zum, insbesondere gleichzeitigen, Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen 2 ausgebildet.
Die Antenne 38 bzw. Linse 40 weist vorzugsweise einen Sendebereich 41 zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen 2 auf. Der Sendebereich 41 ist vorzugsweise auf einer dem Kopplungselement 39 abgewandten Seite der Linse 40 angeordnet.
Die Funktionsweise der dielektrischen Antenne 38 beruht insbesondere darauf, dass über das Kopplungselement 39 elektromagnetische Wellen 2 in die Linse 40 eingekoppelt werden, die sich dann in der Linse 40 ausbreiten und mit dem Sendebereich 41 abgestrahlt werden. Umgekehrt treffen beim Empfangen elektromagnetische Wellen auf den Sendebereich 41, der in diesem Fall als Empfangsbereich fungiert, werden durch die Linse 40 zu dem Kopplungselement 39 weitergeleitet bzw. auf das Kopplungselement 39 gebündelt und dort aus der Linse 40 bzw. Antenne 38 ausgekoppelt.
Die Linse 40 ist - zumindest im Sendebereich 41 - zumindest im Wesentlichen ellipsoidal geformt.
Die Antenne 38 bzw. Linse 40 weist vorzugsweise eine Hauptachse 42 auf. Vorzugsweise ist die Antenne 38 bzw. Linse 40 symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, zu der Hauptachse 42 ausgebildet. Die Hauptachse 42 bildet vorzugsweise eine Haupt- bzw. Symmetrieachse des durch den Sendebereich 41 definierten Ellipsoids.
Vorzugsweise ist der Sendebereich 41 zu dem Kopplungselement 39 so angeordnet, dass die von der Linse 40 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen 2 in der Hauptabstrahlrichtung 43 der Antenne 38 eine zumindest im Wesentlichen ebene Phasenfront 44 aufweisen.
Die Phasenfront 44 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. In Fig. 7 ist ferner angedeutet, wie sich ausgehende von dem schematisch dargestellten Kopplungselement 39 die elektromagnetischen Wellen 2 innerhalb der Linse 40 ausbreiten und an der ellipsoidal geformten Berandung der Linse 40 im Sendebereich 41 gemäß den Gesetzen der Wellenoptik gebrochen wird und im Wesentlichen in die Hauptabstrahlrichtung 43 von der Linse 40 abgestrahlt wird.
Bei anderen, hier nicht näher dargestellten Ausführungsformen der dielektrischen Antenne 38 definiert der Sendebereich der Linsen jeweils mehrere Ellipsen, deren Hauptachsen im Wesentlichen koaxial ausgerichtet sind. Die Ellipsen haben insbesondere dann einen Brennpunkt im Wesentlichen gemeinsam, weil sich dadurch die gewünschten Eigenschaften der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erzielen lassen.
Das Kopplungselement 39 ist vorzugsweise zumindest im Wesentlichen in einem Brennpunkt des durch den zumindest ellipsoidal geformten Sendebereich 41 der Linse 40 definierten Ellipsoids angeordnet ist, weil sich die Brennpunkteigenschaft des ellipsoidal geformten Sendebereichs 41 der Linse 40 im Zusammenhang mit den geometrisch-optischen Brechungseigenschaften elektromagnetischer Wellen 2 an der Berandung der Linse 40 bzw. an der dielektrischen Sprungkante des dielektrischen Materials der Linse 40 zur Umgebung der Linse 40 besonders vorteilhaft ausnutzen lassen.
Insbesondere ist das Kopplungselement 39 dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen 2 von dem Hohlleiter bzw. Hohlraum 4 der Hohlleiteranordnung 1 in die dielektrische Antenne 38 bzw. Linse 40 einzukoppeln und/oder von der dielektrischen Antenne 38 bzw. Linse 40 in den Hohlleiter bzw. Hohlraum 4 einzukoppeln. Der Hohlraum 4 ist vorzugsweise zumindest im Wesentlichen koaxial zu der Hauptachse 42 angeordnet.
Verschiedene Ausführungsformen des Kopplungselements 39, die auch bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind in der WO 2009/100891 A1 insbesondere mit Bezug auf die Figuren 4 bis 7 beschrieben.
In vorteilhafter Weise kann durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen die Hohlleiteranordnung 1 als flaches bzw. flächiges, kompaktes Modul konstruiert werden. Insbesondere ist die Hohlleiteranordnung 1 dünner als 3 cm, bevorzugt dünner als 2 cm, insbesondere dünner als 1,5 cm. Dies ermöglicht es, die Hohlleiteranordnung 1 durch Aufstecken auf oder Einstecken in eine sonstige Struktur wie eine Antenne 36 ein ausgesprochen kompaktes System zu bilden.
Eine Montage von Anbauteilen an der Hohlleiteranordnung 1 zur Ein- und/oder Auskopplung elektromagnetischer Wellen 2 in den bzw. aus dem Hohlraum 4 kann in solchen Fällen besonders vorteilhaft auch zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene der gesamten Hohlleiteranordnung 1, die vorzugsweise der Haupterstreckungsrichtung 19 des Leiterplattenmaterials 5 entspricht, erfolgen.
Beispielsweise kann die Hohlleiteranordnung 1 in vorteilhafter Weise in eine beispielsweise schlitzartige Aufnahme eines Anbauteils wie einer Antenne 36 eingesetzt werden und das Anbauteil kann dann durch quer oder senkrecht zum Leiterplattenmaterial 5 bzw. zur Hohlleiteranordnung 1 verlaufende Befestigungsmittel (nicht dargestellt) befestigt, justiert und/oder montiert werden.
Die Anbauteile in Form des Hohlleiterelements 35 und/oder der Antenne 36, wie sie beispielhaft in Fig. 4 dargestellt sind, könnten ebenfalls entsprechend modifiziert werden derart, dass ein Montagebereich vorgesehen wird, der die Hohlleiteranordnung 1 auf unterschiedlichen, bezogen auf die Haupterstreckungsrichtung bzw. Haupterstreckungsebene 19 gegenüberliegenden Seiten zwecks Befestigung umgreift.
Fig. 5 zeigt den Rücken 6 des Leiterplattenmaterials 5 ohne Substrat 7 und Leitschicht 8. Zu erkennen ist, dass die Anpassungsstruktur 15 zumindest teilweise in dem Rücken 6, insbesondere durch Ausnehmungen, gebildet ist. Entsprechendes gilt vorzugsweise für weitere oder alle Hohlleiter-Funktionselemente 14 der Hohlleiteranordnung 1, die jeweils zumindest teilweise durch das Leiterplattenmaterial 5 bzw. den Rücken 6 gebildet sind.
Ein weiteres Beispiel für den Teil eines Hohlleiter-Funktionselements 14, das mit oder in dem Rücken 6, insbesondere durch Ausnehmung, gebildet ist, ist der Orthomoden-Transducer 28. Auch hier diesbezüglich ist zu erkennen, dass im konkreten Ausführungsbeispiel der Orthomoden-Transducer 28 von der Anpassungsstruktur 15 getrennt realisiert ist und diese hintereinander geschaltet im Hohlraum 4 gebildet sind. Hier sind jedoch auch andere Lösungen möglich.
Fig. 6 zeigt eine Explosionsdarstellung des vorschlagsgemäßen Leiterplattenmaterials 5 zur Bildung der Hohlleiteranordnung 1. Im Hinblick auf die Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 wird auf die Erläuterungen zu Fig. 5 verwiesen.
Darüber hinaus ist das Substrat 7 vorzugsweise derart fluchtend mit der übrigen Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 bzw. dem Teil davon, der den Hohlraum 4 seitlich begrenzt, gebildet bzw. durch eine zumindest im Wesentlichen ebene Wand 20 als leitende Schicht bzw. Plattierung 35 belegt, dass der in Fig. 6 abgerückt dargestellte Abschnitt der Wand 20, leitenden Schicht bzw. Plattierung 45 das Substrat 7 vollständig leitend überdeckt. Hierdurch kann der Hohlraum 4 im Ergebnis vollständig durch das leitfähige Material 3 umgeben sein und entsprechend einen Hohlleiter zur Leitung der elektromagnetischen Wellen 2 in dem Hohlraum 4 bilden.
Die Leitschicht 8 ist im Bereich der Hohlleiter-Funktionselemente 14 vorzugsweise fluchtend mit den Wänden 20 durchbrochen und bildet eine zumindest im Wesentlichen ebene Oberfläche zur Verbindung bzw. zum Anlegen und besonders bevorzugt flächigen Anlegen der Abdeckung 11 zur Bildung der Hohlleiteranordnung 1. Hierbei ist die Leitschicht 8 vorzugsweise wie das Substrat 7 und seitliche Begrenzungsflächen des Rückens 6 miteinander fluchtend gebildet, insbesondere strukturiert.
Hohlleiter-Funktionselemente 14 wie die Anpassungsstruktur 15 kann/können in dem Leiterplattenmaterial 5 bzw. in dem Rücken 6 zumindest im Wesentlichen spiegelbildlich in Bezug auf die Haupterstreckungsrichtung 19 bzw. Haupterstreckungsebene gebildet sein. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Ebene, in der das Substrat 7 angeordnet ist und insbesondere eine das Substrat 7 halbierende Ebene eine Spiegelebene für die Oberflächenstruktur 9 des Rückens 6 und die Oberflächenstruktur 17 der Abdeckung 11 bildet, zumindest abschnittsweise oder teilweise.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Vollständig in die Kombination des PCB Leiterplattenmaterials 5 und der Abdeckung 11 integrierte oder integrierbare Antenneneinkopplung bzw. Antenneneinkopplungsstruktur mit OMT-Funktionalität vorgeschlagen. Diese besteht bzw. funktionsbestimmende Komponenten sind in vorteilhafter Weise vorzugweise mit nur zwei Teile, nämlich das vorschlagsgemäß strukturierte, einstückige PCB-Leiterplattenmaterial 5 und die einstückige Abdeckung 11 - anstatt dass die Funktion, wie zuvor üblich, aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt ist oder wird.
Unterschiedliche Aspekte der vorliegenden Erfindung können getrennt voneinander oder in unterschiedlichen Kombinationen miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste:

1: Hohlleiteranordnung
2: elektromagnetische Welle
3: leitfähiges Material
4: Hohlraum
5: Leiterplattenmaterial
6: Rücken
7: Substrat
8: Leitschicht
9: Oberflächenstruktur (Rücken)
10: Ausnehmung
11: Abdeckung
12: Begrenzungsflächen
13: Pfeil (Transmissionsrichtung)
14: Hohlleiter-Funktionselement
15: Anpassungsstruktur
16: Stufen
17: Oberflächenstruktur (Abdeckung)
18: Rechteckhohlleiter
19: Haupterstreckungsrichtung bzw. - ebene
20: Wand (Leiterplattenmaterial)
21: Seitenwand (Abdeckung)
22: substratintegrierter Wellenleiter
23: Nut
24: Grenzfläche
25: Streifenleitung
26: Streifenleitungsende
27: Übergang
28: Orthomoden-Transducer
29: Eingang
30: Montage- und/oder Justiermittel
31: Montage- und/oder Justiermittel
32: Öffnung
33: Hohlleiterabschnitt
34: Rückenelement
35: Hohlleiterelement
36: Antenne
37: Befestigungsmittel
38: Dielektrische Antenne
39: Kopplungselement
40: Linse
41: Sendebereich42 Hauptachse
43: Hauptabstrahlrichtung
44: Phasenfront
45: Plattierung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Hohlleiteranordnung (1) aufweisend einen von leitfähigem Material (3) umgebenen Hohlraum (4) zum Leiten elektromagnetischer Wellen (2),
wobei zumindest ein Teil des Hohlraums (4) dadurch erzeugt wird, dass von einem Leiterplattenmaterial (5) zur Herstellung gedruckter Schaltungen, aufweisend zumindest einen plattenförmigen Rücken (6) und eine Leitschicht (8), abschnittsweise die Leitschicht (8) und Teile des Rückens (6) entfernt werden, wodurch eine Oberflächenstruktur (9) in Form einer Ausnehmung (10) gebildet wird, die den Rücken (6) vorzugsweise nicht quer zu seiner Haupterstreckungsrichtung (19) durchbricht, wobei im Anschluss durch Abscheiden von leitfähigem Material (3) eine elektrisch leitfähige Wand (20) entsteht, die den Hohlraum (4) begrenzt, und

wobei der Hohlraum (4) in Split-Block-Technologie durch Verbinden des Leiterplattenmaterials (5) als Split-Block-Unterteil mit einer korrespondierenden Abdeckung (11) als Split-Block-Oberteil gebildet wird, wobei die Abdeckung (11) eine Oberflächenstruktur (17) aufweist, die korrespondierend oder komplementär zu der Oberflächenstruktur (9) des Rückens (6) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterplattenmaterial (5) ein elektrisch isolierendes Substrat (7) zwischen dem Rücken (6) und der Leitschicht (8) aufweist, wobei zusätzlich zur Leitschicht (8) und den Teilen des Rückens (6) auch das Substrat (7) abschnittsweise entfernt wird, wodurch die Oberflächenstruktur (9) in Form einer Ausnehmung (10) gebildet wird, wobei das Substrat (7) seitlich der strukturierten Bereiche offen liegt und wobei im Anschluss durch das Abscheiden des leitfähigen Materials (3) die elektrisch leitfähige Wand (20) das Substrat (7) überdeckt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücken (6) zumindest überwiegend aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und die Leitschicht (8) mit dem Rücken (6) des Leiterplattenmaterials (5) - vorzugsweise zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (19) des Leiterplattenmaterials (5) - mittels der Wand (20) elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterplattenmaterial (5) einen substratintegrierten Wellenleiter (22) aufweist, der durch das Substrat (7) des Leiterplattenmaterials (5) gebildet wird und mit dem Hohlraum (4) gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenzfläche (24) des substratintegrierten Wellenleiters (22), mit der das Substrat (7) des substratintegrierten Wellenleiters (22) unmittelbar an den Hohlraum (4) angrenzt, dadurch hergestellt wird, das die Wand (20) im Bereich der Grenzfläche (24) wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch, dass die Grenzfläche (24) durch leitfähiges Material in Form der Leitschicht (8), des Rückens (6) und der Wände (20) umgeben ist, ein Fenster für die elektromagnetischen Wellen (2) zwischen dem substratintegrierten Wellenleiter (22) und dem Hohlraum (4) resultiert.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Grenzfläche (24) quer bzw. senkrecht zu einer Transmissionsrichtung für elektromagnetische Wellen (2) und/oder senkrecht zu der Ebene, die durch die Haupterstreckungsrichtung(en) (19) des Leiterplattenmaterials (5) aufgespannt wird, erstreckt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiteranordnung (1) ein Hohlleiter-Funktionselement (14) aufweist, wobei das Hohlleiter-Funktionselement (14) zumindest teilweise durch den oder in dem Rücken (6) des Leiterplattenmaterials (5) gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass von mehreren jeweils zur Bildung des Hohlraums (4) mit dem Leiterplattenmaterial (5) verbindbaren Abdeckungen (11), die dazu ausgebildet sind, durch die Verbindung mit dem Leiterplattenmaterial (5) Hohlräume (4) unterschiedlicher Wellenleitungseigenschaften zu bilden, eine Abdeckung (11) ausgewählt und mit dem Leiterplattenmaterial (5) verbunden wird, wodurch der Hohlraum (4) mit den zu der ausgewählten Abdeckung (11) korrespondierenden Wellenleitungseigenschaften erzeugt wird.
Hohlleiteranordnung (1) zum Leiten elektromagnetischer Wellen (2) mit einem von leitfähigem Material (3) umgebenen Hohlraum (4), wobei die Hohlleiteranordnung (1) ein PCB-Leiterplattenmaterial (5) zur Herstellung gedruckter Schaltungen aufweist, das zumindest einen plattenförmigen Rücken (6) und eine Leitschicht (8) aufweist,
wobei der Rücken (6) eine Oberflächenstruktur (9) aufweist, durch die der wellenführende Hohlraum (4) zumindest teilweise begrenzt ist, und wobei die Hohlleiteranordnung (1) in dem Leiterplattenmaterial (5) einen substratintegrierten Wellenleiter (22) aufweist, der mit dem Hohlraum (4) gekoppelt ist,

wobei der Hohlraum (4) in Split-Block-Technologie durch Verbinden des Leiterplattenmaterials (5) als Split-Block-Unterteil mit einer korrespondierenden Abdeckung (11) als Split-Block-Oberteil gebildet ist, wobei die Abdeckung (11) eine Oberflächenstruktur (17) aufweist, die korrespondierend oder komplementär zu der Oberflächenstruktur (9) des Rückens (6) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Rücken (6) zumindest überwiegend aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und das Leiterplattenmaterial (5) zumindest abschnittsweise zwischen dem Rücken (6) und der Leitschicht (8) ein elektrisch isolierendes Substrat (7) aufweist.
Hohlleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungsfläche (12) des substratintegrierten Wellenleiters (22) und des Hohlraums (4) einstückig und/oder unterbrechungsfrei durch den Rücken (6) des Leiterplattenmaterials (5) gebildet ist.
Hohlleiteranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiteranordnung (1) ein Hohlleiter-Funktionselement (14) aufweist, wobei das Hohlleiter-Funktionselement (14) zumindest teilweise durch den Rücken (6) des Leiterplattenmaterials (5) gebildet ist.