WO2007062971A1 - Antennenanordnung für einen radar-sensor - Google Patents

Antennenanordnung für einen radar-sensor Download PDF

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WO2007062971A1
WO2007062971A1 PCT/EP2006/068309 EP2006068309W WO2007062971A1 WO 2007062971 A1 WO2007062971 A1 WO 2007062971A1 EP 2006068309 W EP2006068309 W EP 2006068309W WO 2007062971 A1 WO2007062971 A1 WO 2007062971A1
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patch
resonator
antenna arrangement
exciter
chip
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PCT/EP2006/068309
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ewald Schmidt
Juergen Hasch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
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    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
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    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the invention relates to an antenna arrangement for a radar sensor, in particular for distance and / or speed determination.
  • the use of radar sensors with this special antenna arrangement is very wide possible.
  • adapted designs come in the very near cm range, e.g. for drilling depth determination or in the m-range as in the environment of motor vehicles according to the preamble of claim 1 is described.
  • Such radar sensors that is, transceiver modules come in the
  • Such radar sensors are used in particular for driver assistance systems, which are used, for example, to determine the distance between a further vehicle ahead of a vehicle and for distance control.
  • a radar sensor for locating objects in space and for speed determination emits highest-frequency signals in the form of electromagnetic waves, which are reflected by the target object, and are received again by the radar sensor and further processed.
  • several of these radar sensor are interconnected to form a total module.
  • the unpublished DE 10 2004 059 333.7 discloses an antenna arrangement for a radar sensor of the generic type, in which the at least one antenna has a first part arranged on the chip and one at a distance from the first part and the first one Part radiation-coupled second part comprises.
  • this antenna arrangement is provided on the chip with very thin electrically active layers, which also contain the transmitting / receiving units, an antenna arrangement which instead of patch antennas printed dipoles with parallel feed, i. differential feed line, used.
  • an antenna arrangement which instead of patch antennas printed dipoles with parallel feed, i. differential feed line, used.
  • Antenna in a first part arranged on the chip and in a spaced from the first part and to the first part of the radiation-coupled second part allows an advantageous increase in the bandwidth.
  • the radiation resistance decreases.
  • the second part of the antenna is preferably arranged on a radome.
  • the invention is therefore based on the object to provide an antenna system for emitting electromagnetic waves, which has a defined efficiency with very low tolerances in mass production with good efficiency.
  • This antenna system should be able to be manufactured inexpensively and it should be avoided additional processing steps in the production of the semiconductor circuits.
  • an antenna arrangement for a radar sensor having the features of claim 1. Besides a simple fabrication which does not require additional process steps in the fabrication of the semiconductor circuits, such an antenna system is relatively independent of the backend process, i. the layer structure of the metal layers of the semiconductor process. This backend process essentially only affects the antenna efficiency.
  • an efficiency of the antennas of well over 50% can be achieved.
  • An antenna system having the features of claim 1 also enables a defined and well-formed directional pattern with small side lobes. It is very advantageous and cost-effective that no high-frequency-capable electrical transitions from the HF semiconductor component to a printed circuit substrate are required.
  • the printed circuit substrate can be made of the cheapest polyester material FR4.
  • the first part is contacted asymmetrically and is formed from a short-circuited short-circuited rectangular patch element.
  • the second part consists of a rectangular resonator, the center of which is positioned over an open edge of the first part on the carrier.
  • an advantageous embodiment provides that the excitation element is a substantially flat metallic surface, a so-called excitation patch.
  • This excitation patch has a length which preferably corresponds to substantially one quarter of the wavelength to be radiated and a width which is smaller than the length.
  • the resonator element is a metal surface formed essentially flat on the carrier, a so-called resonator patch.
  • This resonator patch has a length that corresponds to substantially half a wavelength of the radiated electromagnetic radiation and a width that is smaller than the length.
  • the resonator element may be a polyrod, i. have a tapered cylinder for beam shaping, whereby a higher antenna gain can be achieved.
  • Fig. Ia, b schematically shows a chip arranged on an excitation element according to the present invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of the exciter element shown in FIG. 1 with a resonator element arranged above it;
  • FIG. 3 shows the course of the electric field lines of the antenna arrangement shown in FIG. 2 and
  • FIG. 4 shows schematically the antenna arrangement with an additional polyrod.
  • the transceivers 105 of the transceiver arranged on a chip 100, but also an exciter / receiver element 120 of the antenna arrangement.
  • the chip 100 consists for example of a semiconductor component which has a defined dielectric constant.
  • the excitation element is made of a shortened rectangle patch that is short-circuited at the end.
  • Fig. 2 and 3 such an antenna arrangement is shown in section.
  • an oxide layer 102 is provided, in which the exciter / receiver element 120 is embedded.
  • the pathogen / receiver element 120 which is also referred to as a pathogen patch, consists of a substantially planar metallic surface with a length 1 and a width w (see FIG. 1 a). It is short-circuited with a metallic layer 101 of the chip via a bridge 121 (compare FIGS. 2 and 3).
  • the exciter / receiver patch 120 has a
  • the chip 100 itself may have a thickness d 1 of about 350 ⁇ m, the oxide layer has a thickness d 2 of 9 ⁇ m (FIGS. 2, 3).
  • a resonator element 220 is arranged, which is formed by a likewise substantially planar metallic surface, which is arranged on a carrier 200.
  • the carrier 200 is preferably made of plastic
  • the flat metallic surface of the resonator element 200, also called resonator patch 220 is arranged at a distance d3 of about 150 ⁇ m above the oxide layer 102 (FIGS. 2, 3).
  • the resonator patch 220 has a length that is substantially equal to half a wavelength of the radiated electromagnetic radiation and a width that is smaller than the length.
  • the center of the rectangular resonator patch 220 represented in FIG. 2 by a line denoted by Z, lies above an open edge 122 of the exciter / receiver element 120.
  • the field line course of the electromagnetic field E is shown schematically in FIG. 3, the propagation of the field E is indicated by an arrow 300.
  • the field E extends substantially directed away from the antenna assembly upwards, which is why the entire chip can be contacted by known per se bond wires.
  • a so-called polyrod 250 is arranged, i. a conical structure for beam shaping, which is supported with lateral arms 252 on the chip 100.
  • the space between the chip 100 and the carrier 200 may, in an advantageous embodiment, be provided by the exciter / receiver patch 120 and the resonator patch
  • potting compound in particular a silicone gel or a Unterf ⁇ ller be filled on Epoxidharzbasis.

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Abstract

Eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Kraftfahrzeugen, wobei wenigstens ein erster Teil einer Antenne auf einem Chip (100) angeordnet ist, der wenigstens einen Teil der Sende- und Empfangseinheiten des Radar-Sensors enthält, und wenigstens ein zweiter strahlungsgekoppelter Teil (220) im Abstand von dem ersten Teil über dem Chip angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil wenigstens ein Erreger- /Empfänger-Element (120) umfasst, das Teil eines den Chip (100) bildenden Halbleiterbauelements ist, und dass der zweite Teil ein auf einem Träger (200) angeordnetes Resonatorelement (220) mit einer größeren Fläche als die Fläche des Erregerelements ist.

Description

Beschreibung
Titel
Antennenanordnung für einen Radar-Sensor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung. Der Einsatz von Radar-Sensoren mit dieser speziellen Antennenanordnung ist sehr breit möglich. Insbesondere kommen angepasste Ausführungen im sehr nahen cm-Bereich, z.B. zur Bohrtiefebestimmung oder im m-Bereich wie im Umfeld von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Derartige Radar-Sensoren, das heißt Sende-/Empfängermodule, kommen im
Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung, insbesondere von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Solche Radar-Sensor werden insbesondere für Fahrerassistenzsysteme verwendet, welche beispielsweise zur Bestimmung des Abstands eines vor einem Fahrzeug vorausfahrenden weiteren Fahrzeugs und zur Abstandsregelung eingesetzt werden. Dabei sendet ein solcher Radar-Sensor zur Ortung von Gegenständen im Raum und zur Geschwindigkeitsbestimmung höchstfrequente Signale in Form elektromagnetischer Wellen aus, die vom Zielgegenstand reflektiert werden, und von dem Radar-Sensor wieder empfangen und weiterverarbeitet werden. Nicht selten werden dabei mehrere dieser Radar-Sensor zu einem Gesamtmodul verschaltet.
Aus der DE 103 00 955 Al ist ein Radar-Sensor für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen bekannt geworden, bei dem auf einen in mehreren Schichten aufgebauten Bauelement sowohl Sende- und Empfangseinheiten als auch eine Antenne angeordnet sind. Ein derartiger Schichtaufbau erfordert Verbindungen, die so ausgeführt sein müssen, daß eine Übertragung von höchstfrequenten HF-Signalen möglich ist. Um solche HF-Übergänge einigermaßen verlustarm herstellen zu können, sind bei diesen Radar-Sensorn sehr hohe Anforderungen an die Fertigung zu stellen.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2004 059 333.7 geht eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor der gattungsgemäßen Art hervor, bei der die wenigstens eine Antenne einen ersten, auf dem Chip angeordneten Teil und einen in einem Abstand von dem ersten Teil angeordneten und an den ersten Teil strahlungsgekoppelten zweiten Teil umfaßt.
Bei dieser Antennenanordnung ist vorgesehen, auf den Chip mit sehr dünnen elektrisch wirksamen Schichten, die auch die Sende-/Empfangseinheiten enthalten, eine Antennenanordnung vorzusehen, die statt Patch- Antennen gedruckte Dipole mit Parallelspeisung, d.h. differenzieller Speiseleitung, verwendet. Die Zweiteilung der
Antenne in einen ersten auf dem Chip angeordneten Teil und in einen in einem Abstand von dem ersten Teil angeordneten und an den ersten Teil des strahlungsgekoppelten zweiten Teil ermöglicht eine vorteilhafte Vergrößerung der Bandbreite. Darüber hinaus sinkt der Strahlungswiderstand. Bevorzugt ist der zweite Teil der Antenne hierbei an einem Radom angeordnet.
Aus der ebenfalls nicht vorveröffentlichten DE 10 2004 063 541.2 ist eine gattungsgemäße Antennenanordnung bekannt, bei der der zweite Teil der Antenne auf einem Antennenträger oder einem weiteren Chip angeordnet ist, der über dem ersten Teil durch einen speziellen Montage- und Kontaktierprozess befestigt ist, um geringe mechanische Toleranzen zu realisieren. Die Befestigung geschieht hierbei durch Flip- Chip-Verbindungen. Eine wesentliche Kostenreduzierung des Radarsensors wird durch Integration aller Hochfrequenzkomponenten auf dem Halbleiterchip erreicht, insbesondere Baugruppen wie Oszillator, Mischer und Verstärker. Darüber hinaus sind auch die passiven Baugruppen auf dem Halbleiterbauelement integriert.
Hierbei sind unterschiedliche Ansätze zur Integration von Antennenelementen auf Halbleiterschaltungen bekannt. So kommen beispielsweise hochohmige Siliziumwafer zum Einsatz, bei welchen Antennenstrukturen durch mikromechanische Nachbearbeitung, z.B. Rückdünnen oder Ätzen von Schichten, hergestellt werden. Darüber hinaus kann auch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht, z.B. aus BCB (Benzocyclobuten) auf der ein Antennenelement aufgebracht wird, vorgesehen sein.
Problematisch hierbei ist, daß zur Herstellung der Antennen zusätzliche
Technologieschritte bei der Bearbeitung der Siliziumwafer erforderlich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antennensystem zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu vermitteln, welches bei einem guten Wirkungsgrad eine definierte Abstrahlcharakteristik mit sehr geringen Toleranzen in der Serienfertigung aufweist. Dieses Antennensystem soll aufpreisgünstige Weise hergestellt werden können und es sollen zusätzliche Prozessierungsschritte bei der Herstellung der Halbleiterschaltungen vermieden werden.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Neben einer einfachen Herstellung, welche keine zusätzlichen Prozeßschritte bei der Herstellung der Halbleiterschaltungen erfordert, ist ein solches Antennensystem relativ unabhängig vom Backendprozess, d.h. dem Schichtaufbau der Metallagen des Halbleiterprozesses. Dieser Backendprozess beeinflusst im Wesentlichen nur den Antennenwirkungsgrad.
Bei einem geeigneten Backendprozess mit relativ großen Abständen zwischen der untersten und der obersten Metalllage im Bereich von etwa 10 μm läßt sich ein Wirkungsgrad der Antennen von deutlich über 50 % erreichen. Ein Antennensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht auch ein definiertes und wohlgeformtes Richtdiagramm mit geringen Nebenkeulen. Sehr vorteilhaft und kostengünstig ist, dass keine hochfrequenztauglichen elektrischen Übergänge von dem HF-Halbleiterbauelement auf ein Leiterplattensubstrat erforderlich sind. Damit können die elektrischen Verbindungen der Versorgungs- und Informationsleitungen der Halbleiterschaltung durch standardisierte Bond- Verdrahtungen realisiert werden, da die Strahlrichtung der Antenne vom Chip weg nach oben ausgerichtet ist. Das Leiterplattensubstrat kann aus dem preiswertesten Polyestermaterial FR4 bestehen.
Weitere Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Bevorzugt ist der erste Teil unsymmetrisch kontaktiert und wird aus einem am Ende kurzgeschlossenen verkürzten Rechteck-Patch-Element gebildet. Der zweite Teil besteht aus einem Rechteck-Resonator, dessen Zentrum über einer offenen Kante des ersten Teils auf dem Träger positioniert ist.
So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, daß das Erregerelement eine im Wesentlichen ebene metallische Fläche, ein sogenanntes Erreger-Patch ist.
Dieses Erreger-Patch weist eine Länge auf, die bevorzugt im Wesentlichen einem Viertel der abzustrahlenden Wellenlänge entspricht und eine Breite, die kleiner ist als die Länge.
Das Resonatorelement ist eine auf dem Träger im Wesentlichen eben ausgebildete metallische Fläche, ein sogenanntes Resonator-Patch. Dieses Resonator-Patch weist eine Länge auf, die im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung entspricht und eine Breite, die kleiner als die Länge ist.
Das Resonatorelement kann ein Polyrod, d.h. einen sich verjüngenden Zylinder zur Strahlformung aufweisen, wodurch sich ein höherer Antennengewinn erzielen läßt.
Um die Antennenanordnung vor Umwelteinflüssen zu schützen, kann ferner vorgesehen sein, in den Raum zwischen dem Chip und dem Träger durch ein das Erreger-Patch und das Resonator-Patch eine ausfüllende Vergussmasse einzubringen.
Zeichnung
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. Ia, b schematisch ein auf einem Chip angeordnetes Erregerelement gemäß vorliegender Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Erregerelements mit einem darüber angeordneten Resonatorelement;
Fig. 3 der Verlauf der elektrischen Feldlinien der in Fig. 2 dargestellten Antennenanordnung und Fig. 4 schematisch die Antennenanordnung mit einem zusätzlichen Polyrod.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bei einem in Fig. Ia und Fig. Ib dargestellten Radar-Sensor sind auf einem Chip 100 nicht nur sämtliche Sende-/Empfangseinheiten 105 des Transceivers angeordnet, sondern auch ein Erreger-/Empfängerelement 120 der Antennenanordnung. Der Chip 100 besteht beispielsweise aus einem Halbleiterbauelement, welches eine definierte Dielektrizitätskonstante aufweist. Wie insbesondere aus Fig. 1 a hervorgeht, wird das Erregerelement aus einem am Ende kurzgeschlossenen verkürzten Rechteck-Patch-
Element gebildet, das unsymmetrisch kontaktiert ist.
In Fig. 2 und 3 ist eine solche Antennenanordnung im Schnitt dargestellt. Auf dem Siliziumchip 100 ist eine Oxidschicht 102 vorgesehen, in die das Erreger- /Empfängerelement 120 eingebettet ist.
Das auch als Erreger-Patch bezeichnete Erreger-/Empfängerelement 120 besteht aus einer im Wesentlichen ebenen metallischen Fläche mit einer Länge 1 und einer Breite w (vergl. Fig. Ia). Es ist mit einer metallischen Schicht 101 des Chips über einen Steg 121 kurzgeschlossen (vergl. Fig. 2 und Fig. 3). Das Erreger-/Empfänger-Patch 120 weist eine
Länge auf, die im Wesentlichen einem Viertel der abzustrahlenden Wellenlänge entspricht, und eine Breite, die größer ist als die Länge. Der Chip 100 selbst kann eine Dicke dl von etwa 350 μm aufweisen, die Oxidschicht weist eine Dicke d2 von 9 μm auf (Fig. 2, Fig. 3).
Über dem Erreger-/Empfänger-Patch 120 ist ein Resonatorelement 220 angeordnet, welches gebildet wird durch eine ebenfalls im Wesentlichen ebene metallische Fläche, die auf einem Träger 200 angeordnet ist. Der Träger 200 besteht bevorzugt aus Kunststoff, die ebene metallische Fläche des Resonatorelements 200, auch Resonator- Patch 220 genannt, ist in einem Abstand d3 von etwa 150 μm über der Oxidschicht 102 angeordnet (Fig. 2, Fig. 3). Das Resonator-Patch 220 weist eine Länge auf, die im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der abgestrahlen elektromagnetischen Strahlung entspricht, und eine Breite, die kleiner als die Länge ist. Das Zentrum des rechteckförmigen Resonator-Patch 220, in Fig. 2 dargestellt durch eine mit Z bezeichnete Linie, liegt über einer offenen Kante 122 des Erreger-/Empfängerelements 120.
Der Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Feldes E ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, die Ausbreitung des Feldes E ist durch einen Pfeil 300 angedeutet. Das Feld E breitet sich im Wesentlichen von der Antennenanordnung weg gerichtet nach oben aus, weshalb der gesamte Chip durch an sich bekannte Bond-Drähte kontaktiert werden kann.
Zur Strahlformung kann vorgesehen sein, daß über dem Resonator-Patch 220 ein sogenanntes Polyrod 250 angeordnet ist, d.h. ein kegelförmiges Gebilde zur Strahlformung, welches sich mit seitlichen Armen 252 auf dem Chip 100 abstützt.
Der Raum zwischen dem Chip 100 und dem Träger 200 kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform durch eine das Erreger-/Empfänger-Patch 120 und das Resonator-Patch
220 einbettende Vergussmasse, insbesondere ein Silikongel oder ein Unterfϊller auf Epoxidharzbasis ausgefüllt sein.

Claims

Ansprüche
1. Antennenanordnung für einen Radar-Sensor, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Kraftfahrzeugen, wobei wenigstens ein erster Teil einer Antenne auf einem Chip (100) angeordnet ist, der wenigstens einen Teil der Sende- und Empfangseinheiten (105) des Radar-Sensors enthält, und wenigstens ein zweiter strahlungsgekoppelter Teil (220) im Abstand von dem ersten Teil über dem Chip (100) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil wenigstens ein Erreger-/Empfängerelement (120) umfasst, das Teil eines den Chip (100) bildenden Halbleiterbauelements ist, und dass der zweite Teil ein auf einem Träger (200) angeordnetes Resonatorelement (220) mit einer größeren Fläche als die Fläche des
Erreger-/Empfängerelements (120) ist.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreger-/Empfängerelement (120) unsymmetrisch kontaktiert ist und aus einem am Ende kurzgeschlossenen Rechteck-Patch-Element gebildet wird, und dass das
Resonatorelement (220) ein Rechteck-Resonator ist, dessen Zentrum (Z) im Wesentlichen über einer offenen Kante (122) des Rechteck-Patch-Elements auf dem Träger (200) positioniert ist.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Erreger/Empfängerelement (120) eine im Wesentlichen ebene metallische Fläche (Erreger-Empfänger-Patch 120) ist.
4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreger-/Empfänger-Patch (120) eine Länge aufweist, die im wesentlichen einem Viertel der abzustrahlenden Wellenlänge entspricht, und eine Breite, die kleiner als die Länge ist.
5. Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorelement eine auf dem Träger (200) im Wesentlichen eben ausgebildete metallische Fläche (Resonator-Patch 220) ist.
6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Resonator-Patch (220) eine Länge aufweist, die im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung entspricht, und eine Breite, die im Wesentlichen etwa die Hälfte der Länge beträgt.
7. Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorelement (220) unter einem Polyrod (250) befestigt und diese Einheit über dem Halbleiterbauelement definiert platziert ist.
8. Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen dem Chip (100) und dem Träger (200) durch ein das Erreger-/Empfänger-Patch (120) und das Resonator-Patch (220) einbettende Vergussmasse, insbesondere Silikongel oder Underfiller auf Epoxidharzbasis ausgefüllt ist.
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