WO2023193849A1 - Multilayer patch antenna device, antenna module and vehicle having a multilayer patch antenna device - Google Patents

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WO2023193849A1
WO2023193849A1 PCT/DE2023/200033 DE2023200033W WO2023193849A1 WO 2023193849 A1 WO2023193849 A1 WO 2023193849A1 DE 2023200033 W DE2023200033 W DE 2023200033W WO 2023193849 A1 WO2023193849 A1 WO 2023193849A1
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dielectric substrate
antenna device
patch antenna
antennas
layer
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PCT/DE2023/200033
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Florian Butscher
Abdo Salah
Johann FRISCH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • 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
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    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • Multi-layer patch antenna device antenna module and vehicle with a multi-layer patch antenna device
  • the invention relates to a multi-layer patch antenna device, an antenna module and a vehicle with a multi-layer patch antenna device.
  • multi-layer, ceramic patch antennas are increasingly being used in antenna devices to provide, for example, telephone services (2G-5G), etc., particularly in the automotive sector.
  • the multilayer patch antenna device comprises a lower dielectric substrate layer with a lower antenna, a middle dielectric substrate layer with a middle antenna, and an upper dielectric substrate layer with an upper antenna, these at least three dielectric substrate layers being arranged in a stacked manner, and wherein the dielectric substrate layers each contain a plastic.
  • an antenna is arranged on a dielectric substrate layer, in particular in the form of a continuous upper metal layer or one that is interrupted to form an antenna structure (in particular on the side of the respective dielectric substrate layer that is remote from the motor vehicle when mounted on a motor vehicle).
  • a dielectric substrate layer has an antenna (or more) on one side, and a conductive, in particular metallic surface as a ground layer on the side of the dielectric substrate layer opposite this antenna.
  • an adhesive layer in particular made of adhesive or a two-sided adhesive tape
  • an insulating layer which is on one Circuit board or another dielectric substrate layer or an antenna is arranged or can be arranged.
  • the patch antenna device is arranged or can be arranged on a circuit board which has at least one, in particular metallic, conductive contacting area, with (at least) one power pin being connected, in particular capacitively, to a conductive contacting area in order to be connected to a Power pin (each) to contact either exactly one or more of the antennas.
  • the patch antenna device has one or two or four or more feed pins, each of which contacts exactly one or more of the antennas, in particular capacitively (or inductively or galvanically).
  • the patch antenna device has one or two or three or four or six or more feed pins, each of which has angled or flat areas at its ends (running parallel to at least one antenna). have, of which areas one of at least one of the antennas is contacted capacitively or inductively and one is provided for in particular capacitive (or galvanic or inductive) contacting of a circuit board.
  • the patch antenna device has feed pins which pass through recesses in one or more of the dielectric substrate layers and/or through recesses in one or more of the antennas and/or through recesses in one or more of the ground surfaces and/or through recesses in one or more of the adhesive layers run.
  • one or more of the dielectric substrate layers each contain one or more additives in the plastic to adjust their permittivity.
  • two or more than two of the dielectric substrate layers have either the same or a different relative permittivity 8R.
  • the patch antenna device has at least one antenna or at least two antennas, which is or are designed for transmitting/receiving frequency ranges for transmitting and/or receiving radio signals to or from cellular mobile radio networks, in particular with Antenna dimensions (including geometries) and thus transmit/receive frequency ranges for sending and/or receiving cellular mobile signals in one or more 2G/3G/4G/5G/6G frequency bands.
  • one or more or all of the dielectric substrate layers and/or the antennas have a rectangular outer structure.
  • the antenna structures of the antennas are produced by chemical-galvanic coating, with the areas on the surfaces not to be coated being covered by a pad or screen printing process or a spray process.
  • FIG. 1 shows in perspective a first patch antenna device according to the invention with two substrate layers and with antennas and with contacts for several of the antennas
  • FIG 3 shows the first patch antenna device according to the invention, but with alternative contacts for the antennas,
  • FIG. 5 shows in perspective a second patch antenna device according to the invention with two substrate layers and antennas and with separate (individual) contacting of the antennas of different substrate layers, here with two contacts per antenna,
  • FIG. 7 shows in perspective a third patch antenna device according to the invention with three substrate layers and antennas
  • FIG. 9 shows a top view of another example of an antenna in a patch antenna device
  • FIG. 10 shows in perspective the contacting of an antenna as in FIG. 9, Fig. 11 shows a schematic side view of a motor vehicle with an antenna module with a patch antenna device according to the invention.
  • FIG. 1-10 show some exemplary embodiments of the invention a patch antenna device 21 with a substrate layer made of plastic with a predetermined (relative) permittivity 8R, in particular for the arrangement e.g. in a (e.g. shark fin) antenna module 22 on the roof 23 of one in Fig. 11 motor vehicle 24 shown as an example.
  • a predetermined (relative) permittivity 8R in particular for the arrangement e.g. in a (e.g. shark fin) antenna module 22 on the roof 23 of one in Fig. 11 motor vehicle 24 shown as an example.
  • the elements in the patch antenna devices 21 are referred to as upper/middle/lower according to their position in an exemplary assembled state, whereby they can also be installed at an angle or next to one another.
  • PCB printed circuit board
  • a lower adhesive layer 8 eg adhesive or a double-sided adhesive tape
  • lower adhesive layer 8 also rests on the lower substrate layer 5.
  • Patch antenna device 21 on the circuit board 10 e.g. possible with pins/screw(s) etc.
  • the patch antenna device 21 in FIGS. 1 and 2 comprises an upper dielectric substrate layer 2 with an upper antenna 1 and a lower dielectric substrate layer 6 with a lower antenna 5, the dielectric substrate layers 2, 6 (here each comprising antennas and/or ground surfaces and/or adhesive layers) are arranged stacked together (e.g. one on top of the other depending on the position), and the dielectric substrate layers 2, 6, 13 each contain a plastic with a (same or different) predetermined (relative) permittivity 8R.
  • the antennas can be contacted galvanically and/or inductively and/or capacitively.
  • FIGS. 1 and 2 A capacitive contacting of the antennas 1, 5 is shown in FIGS. 1 and 2.
  • the antenna 1 is capacitively contacted by, for example, one or two power pins 9a, 9b.
  • At least one feed pin 9a, 9b can, for example, power the antenna 1 (non-conductive) via one located at its (9a, 9b) end (20a-h) (for example parallel to the Capacitively couple the contact area along the angled antenna surface.
  • the (e.g. angled or flat) areas 20a-l located at the ends of the power pins 9a-9d shown below are each intended for inductive or galvanic or, in particular, as shown here, capacitive contacting of one contacting area 11 of the circuit board 10.
  • a contacting area 11 of the circuit board 10 can, for example, be a conductive and/or metallic surface or path, for example parallel to the angled (or alternatively, flat) area of a power pin 9a-9d.
  • a feed pin 9a, 9b can, for example, capacitively couple several antennas 1, 5 as in Fig. 1, 2, 3, 4 or capacitively couple only one antenna 1 as in Fig. 5 or Fig. 7.
  • Fig. 1 While in Fig. 1, 2, 3, 4 two feed pins 9a, 9b are provided, each of which couples two antennas (here capacitive), four feed pins 9a, 9b, 9c, 9d are provided in Fig. 5 and 6, each of which only couple an antenna (here capacitive), and in Fig. 7 six feed pins 9a, 9b, 9c, 9d are provided, each of which only couples one antenna (here capacitive).
  • the power pins 9a, 9b, 9c, 9d each run (out of a dielectric substrate layer 2) through recesses 17a, 17b in the upper mass layer 3, through recesses 17c, 17d in the upper adhesive layer 4, through recesses 17e, 17f of the lower antenna 5, through recesses 17g, 17h of the lower dielectric substrate layer 6 and/or through recesses 17i, 17j of the lower mass layer 7 and/or into recesses 17k, 17I of the lower adhesive layer 8.
  • one or some or all of the feed pins 9a, 9b, 9c, 9d etc. are located on the side (e.g. on the right in the figures) of some or all of the antennas 1, 5, possibly 12 and/or on the side of some or all of the mass layers 3, 7, possibly 14, and/or laterally of some or all of the adhesive layers 4, 8, 15 run, no recesses for 9a, 9b, 9c, 9d etc. need to be provided in these.
  • Fig. 4 shows a zone 18 of a capacitive feed of the upper antenna 1 through an upper angled or flat region of a feed pin 9 (applicable to, for example, each of the feed pins 9a-9f) and a zone of a capacitive feed (feed) of the lower angled one or flat area of a power pin 9 from the elongated or flat contact area 20 of the circuit board 10.
  • FIGS. 7 and 8 show a patch antenna device 21 according to the invention, which is not designed with two antenna layers (as in FIGS. 1-4) but with three antenna layers.
  • the patch antenna device 21 in FIGS. 7 and 8 thus comprises an upper dielectric substrate layer 2 with an upper antenna 1, a middle dielectric substrate layer 13 with a middle antenna 12 and a lower dielectric substrate layer 6 with a lower antenna 5, the dielectric substrate layers 2, 13, 6 are arranged stacked one on top of the other, and the dielectric substrate layers 2, 13, 6 each contain a plastic with a predetermined (relative) permittivity 8R (the same or different for the substrate layers).
  • the patch antenna device 21 in FIGS. 7 and 8 includes feed pins 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, of which z. B. two each feed one of the antennas 1, 12, 5.
  • one power pin per antenna (or for several antennas) is also possible, e.g. also for cellular mobile radio antennas (telephone antennas) for e.g. 2G/3G /4G/5G/6G.
  • the antennas according to the invention can in particular be (one or more) antennas for one or more of the following applications: telephony, for MIMO, for RKE, for WiFi; for GNSS, to prepare for autonomous driving, for Distance measurements (of a motor vehicle to other objects when parking or driving), SDARS, DAB, V2X.
  • FIG. 9 shows an example according to the invention of one of the (e.g. differently designed) antennas 1, 12, 5 for a patch antenna device 21.
  • the antenna 5 in Fig. 9 has two radiators 5a, 5b.
  • the two radiators 5a, 5b of the antenna 5 in FIG. 9 are arranged one inside the other.
  • the two radiators 5a, 5b of the antenna 5 in FIG. 9 are each designed to be flat.
  • the two radiators 5a, 5b are closed ring surfaces.
  • Fig. 10 shows an example perspective of a capacitive feed of an antenna radiator of the antenna 5 in Fig. 9.
  • the two radiators 5a, 5b of the antenna 5 in Fig. 9 can, for example, be excited separately by one of the feed pins 9e, 9f, and / or one radiator can be excited with two feed pins 9e, 9f.
  • the (relative) permittivity 8R of the dielectric substrate layers made of plastic can be set to a desired value by, for example, choosing a plastic or mixing several plastics (such as
  • Polyethylene PE, PP, PVC, PTFE, PVdF, PA, ABS, polystyrene PS, PMMA with a desired permittivity 8R and/or by mixing several plastics and/or by choosing a plastic with additives (such as germanium) which have the desired permittivity 8R generate and / or have by coating (an upper or lower or intermediate level of at least one dielectric substrate layer) with a material with higher permittivity. https://de.wikipedia.org/wiki/Permittivit%C3%A4t gives the (relative) permittivity 8R for some materials.
  • Plastic patch antenna device 21 can have a comparatively low weight.
  • Plastics can be manufactured or modified using special additives in such a way that it is possible to precisely define the permittivity 8R of the material and to achieve it to a tolerance of, for example, ⁇ 0.5%.
  • the value for 8R of the plastic can be set, for example, in a range from 2 to 50 and a repeatability with other batches of, for example, ⁇ 2% can be achieved.
  • the process can be simplified and the weight can be reduced.
  • the required antenna structures can be produced, for example, by chemical-galvanic coating, whereby the areas on the surfaces that do not need to be coated can be covered, for example, by a pad or screen printing process.
  • the covers are applied using a printing or spraying process during the injection molding process.
  • the metallic structures can be applied either by a pure chemical deposition process, preferably with copper.
  • the copper layer can be combined with a chemically applied thin silver layer (replacement silver).
  • the coating is carried out using a chemical-galvanic process in which copper and optionally silver are deposited galvanically after a first layer of nickel.
  • Stamped and bent parts for feeding/exciting the antenna can be inserted into a tool and encapsulated in a plastic body. These can then generate a signal flow via capacitive coupling to the copper surfaces of the PCB (printed circuit board).
  • PCB printed circuit board
  • so-called stacked patch antennas (stacked substrate layers with antennas and/or ground surfaces and/or adhesive layers) with different 8R and different geometries can be manufactured in one manufacturing process using staggered 2K injection molding tools.
  • the ground surfaces between the individual patches can be inserted into a tool beforehand as sheet metal/foil inserts and then overmolded.
  • the antenna structures can, for example, also be made from structured sheet metal foil inserts in the base body and also be overmolded.
  • a patch antenna device can also contain further antennas and/or substrate layers without plastic.

Abstract

The invention relates to a motor vehicle, an antenna module and a patch antenna device (21), in particular for a motor vehicle (24), wherein the multilayer patch antenna device (21) comprises a lower dielectric substrate layer (6) with a lower antenna (5) and an upper dielectric substrate layer (2) with an upper antenna (1), wherein the dielectric substrate layers (2, 6) are arranged in a stacked fashion, and wherein the dielectric substrate layers (2, 6) each contain a plastic.

Description

Beschreibung Description
Mehrschichtige Patchantennenvorrichtung, Antennenmodul und Fahrzeug mit einer mehrschichtigen Patchantennenvorrichtung Multi-layer patch antenna device, antenna module and vehicle with a multi-layer patch antenna device
Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Patchantennenvorrichtung, ein Antennenmodul und ein Fahrzeug mit einer mehrschichtigen Patchantennenvorrichtung. The invention relates to a multi-layer patch antenna device, an antenna module and a vehicle with a multi-layer patch antenna device.
Nach dem Stand der Technik werden insbesondere im Automobilbereich vermehrt mehrschichtige, keramische Patch-Antennen in Antennenvorrichtungen zur Bereitstellung von z.B. Telefondiensten (2G-5G) etc. verwendet. According to the state of the art, multi-layer, ceramic patch antennas are increasingly being used in antenna devices to provide, for example, telephone services (2G-5G), etc., particularly in the automotive sector.
DE 10 2022 200 018.8 offenbart eine solche mehrschichtige Keramik-Patch-Antenne. DE 10 2022 200 018.8 discloses such a multilayer ceramic patch antenna.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Antennen für insbesondere Kraftfahrzeuge zu verbessern. Die Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben. Ausgestaltungen der Erfindung können als Alternativen zu vorhandenen Lösungen vorteilhafte mehrschichtige Patch Antennen ermöglichen. It is an object of the invention to improve antennas for motor vehicles in particular. The task is solved in each case by the subject matter of the independent patent claims. Some particularly advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims and the description. Embodiments of the invention can enable advantageous multi-layer patch antennas as alternatives to existing solutions.
Zu einigen Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen: Regarding some embodiments of the invention according to the subclaims:
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung eine untere dielektrische Substratschicht mit einer unteren Antenne, eine mittlere dielektrische Substratschicht mit einer mittleren Antenne, und eine obere dielektrische Substratschicht mit einer oberen Antenne um, wobei diese mindestens drei dielektrischen Substratschichten gestapelt angeordnet sind, und wobei die dielektrischen Substratschichten jeweils einen Kunststoff enthalten. According to one embodiment of the invention, the multilayer patch antenna device comprises a lower dielectric substrate layer with a lower antenna, a middle dielectric substrate layer with a middle antenna, and an upper dielectric substrate layer with an upper antenna, these at least three dielectric substrate layers being arranged in a stacked manner, and wherein the dielectric substrate layers each contain a plastic.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Antenne jeweils auf einer dielektrischen Substratschicht angeordnet, insbesondere in Form einer durchgängigen oder zur Bildung einer Antennenstruktur unterbrochenen oberen Metallschicht (insbesondere auf der im an einem Kraftfahrzeug montierten Zustand Kraftfahrzeug-fernen Seite der jeweiligen dielektrischen Substratschicht). REPLACEMENT SHEET (RULE 26) According to a further embodiment of the invention, an antenna is arranged on a dielectric substrate layer, in particular in the form of a continuous upper metal layer or one that is interrupted to form an antenna structure (in particular on the side of the respective dielectric substrate layer that is remote from the motor vehicle when mounted on a motor vehicle).
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist eine dielektrische Substratschicht jeweils auf einer Seite eine Antenne (oder mehrere) auf, und auf der dieser Antenne gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Substratschicht eine leitende, insbesondere metallische Oberfläche als Masseschicht. According to a further embodiment of the invention, a dielectric substrate layer has an antenna (or more) on one side, and a conductive, in particular metallic surface as a ground layer on the side of the dielectric substrate layer opposite this antenna.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich auf einer Masseschicht einer oder mehrerer der dielektrischen Substratschichten und/oder auf einer oder mehreren dielektrischen Substratschichten oder auf einer Antenne eine Klebeschicht (aus insbesondere Klebstoff oder einem zweiseitigen Klebeband) und/oder eine Isolierschicht, die auf einer Leiterplatte oder einer weiteren dielektrischen Substratschicht oder einer Antenne angeordnet oder anordenbar ist. According to a further embodiment of the invention, on a ground layer of one or more of the dielectric substrate layers and/or on one or more dielectric substrate layers or on an antenna there is an adhesive layer (in particular made of adhesive or a two-sided adhesive tape) and/or an insulating layer, which is on one Circuit board or another dielectric substrate layer or an antenna is arranged or can be arranged.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Patchantennenvorrichtung auf einer Leiterplatte angeordnet oder anordenbar, welche mindestens einen, insbesondere metallischen, leitenden Kontaktierungs-Bereich aufweist, wobei mit einem leitenden Kontaktierungs-Bereich jeweils (mindestens) ein Speisungsstift insbesondere kapazitiv verbunden ist, um mit einem Speisungsstift (jeweils) entweder genau eine oder mehrere der Antennen zu kontaktieren. According to a further embodiment of the invention, the patch antenna device is arranged or can be arranged on a circuit board which has at least one, in particular metallic, conductive contacting area, with (at least) one power pin being connected, in particular capacitively, to a conductive contacting area in order to be connected to a Power pin (each) to contact either exactly one or more of the antennas.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Patchantennenvorrichtung einen oder zwei oder vier oder mehr Speisungsstifte auf, die jeweils genau eine oder jeweils mehrere der Antennen insbesondere kapazitiv (oder induktiv oder galvanisch) kontaktieren. According to a further embodiment of the invention, the patch antenna device has one or two or four or more feed pins, each of which contacts exactly one or more of the antennas, in particular capacitively (or inductively or galvanically).
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Patchantennenvorrichtung einen oder zwei oder drei oder vier oder sechs oder mehr Speisungsstifte auf, die jeweils an ihren Enden insbesondere (parallel zu mindestens einer Antenne verlaufende) abgewinkelte oder flache Bereiche aufweisen, von welchen Bereichen jeweils einer mindestens eine der Antennen kapazitiv oder induktiv kontaktiert und einer zur insbesondere kapazitiven (oder galvanischen oder induktiven) Kontaktierung einer Leiterplatte vorgesehen ist. According to a further embodiment of the invention, the patch antenna device has one or two or three or four or six or more feed pins, each of which has angled or flat areas at its ends (running parallel to at least one antenna). have, of which areas one of at least one of the antennas is contacted capacitively or inductively and one is provided for in particular capacitive (or galvanic or inductive) contacting of a circuit board.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Patchantennenvorrichtung Speisungsstifte auf, welche durch Ausnehmungen in einer oder mehreren der dielektrischen Substratschichten und/oder durch Ausnehmungen in einer oder mehreren der Antennen und/oder durch Ausnehmungen in einer oder mehreren der Masseflächen und/oder durch Ausnehmungen in einer oder mehreren der Klebeschichten verlaufen. According to a further embodiment of the invention, the patch antenna device has feed pins which pass through recesses in one or more of the dielectric substrate layers and/or through recesses in one or more of the antennas and/or through recesses in one or more of the ground surfaces and/or through recesses in one or more of the adhesive layers run.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthalten eine oder mehrere der dielektrischen Substratschichten jeweils im Kunststoff ein oder mehrere Additive zur Einstellung ihrer Permittivität. According to a further embodiment of the invention, one or more of the dielectric substrate layers each contain one or more additives in the plastic to adjust their permittivity.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen zwei oder mehr als zwei der dielektrischen Substratschichten entweder die gleiche oder eine unterschiedliche relative Permittivität 8R auf. According to a further embodiment of the invention, two or more than two of the dielectric substrate layers have either the same or a different relative permittivity 8R.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Patchantennenvorrichtung mindestens eine Antenne oder mindestens zwei Antennen auf, die für Sende-/Empfangs-Frequenzbereiche für das Senden und/oder Empfangen von Funksignalen an oder von zellularen Mobil-Funknetzen ausgebildet ist bzw. sind, insbesondere mit Antennen-Abmessungen (inkl. Geometrien) und damit Sende-ZEmpfangs-Frequenzbereichen für das Senden und/oder Empfangen von zellularen Mobilfunksignalen in einem oder mehreren 2G/3G/4G/5G/6G Frequenzbändern. According to a further embodiment of the invention, the patch antenna device has at least one antenna or at least two antennas, which is or are designed for transmitting/receiving frequency ranges for transmitting and/or receiving radio signals to or from cellular mobile radio networks, in particular with Antenna dimensions (including geometries) and thus transmit/receive frequency ranges for sending and/or receiving cellular mobile signals in one or more 2G/3G/4G/5G/6G frequency bands.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist eine oder mehrere oder alle der dielektrischen Substratschichten und/oder der Antennen eine rechteckige Außenstruktur auf. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Antennenstrukturen der Antennen durch chemisch-galvanisches Beschichten hergestellt, wobei die nicht zu beschichtenden Bereiche auf den Oberflächen durch ein Tampon- oder Siebdruckverfahren oder ein Sprühverfahren abgedeckt wurden. According to a further embodiment of the invention, one or more or all of the dielectric substrate layers and/or the antennas have a rectangular outer structure. According to a further embodiment of the invention, the antenna structures of the antennas are produced by chemical-galvanic coating, with the areas on the surfaces not to be coated being covered by a pad or screen printing process or a spray process.
Weitere Merkmale und Vorteile einiger vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einigenFurther features and advantages of some advantageous embodiments of the invention result from the following description of some of them
Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, wobei alle genannten Ausgestaltungen der Erfindung auch in jeglichen Kombination(en) Ausgestaltungen der Erfindung bilden. Embodiments of the invention based on the drawing, with all of the mentioned embodiments of the invention also forming embodiments of the invention in any combination(s).
Dabei zeigt zur Veranschaulichung von einigen Ausgestaltungen der Erfindung, vereinfachend, schematisch und beispielhaft: To illustrate some embodiments of the invention, in a simplified, schematic and exemplary manner:
Fig. 1 perspektivisch eine erste erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung mit zwei Substratschichten und mit Antennen und mit Kontaktierungen von jeweils mehreren der Antennen, 1 shows in perspective a first patch antenna device according to the invention with two substrate layers and with antennas and with contacts for several of the antennas,
Fig. 2 im Querschnitt diese erste erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung,2 shows this first patch antenna device according to the invention in cross section,
Fig. 3 die erste erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtung, aber mit alternativen Kontaktierungen der Antennen, 3 shows the first patch antenna device according to the invention, but with alternative contacts for the antennas,
Fig. 4 im Querschnitt kapazitive Kopplung in der ersten erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtung, 4 shows a cross-section of capacitive coupling in the first patch antenna device according to the invention,
Fig. 5 perspektivisch eine zweite erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung mit zwei Substratschichten und Antennen und mit separater (Einzel-)Kontaktierung der Antennen verschiedener Substratschichten, hier mit zwei Kontaktierungen je Antenne, 5 shows in perspective a second patch antenna device according to the invention with two substrate layers and antennas and with separate (individual) contacting of the antennas of different substrate layers, here with two contacts per antenna,
Fig. 6 im Querschnitt die zweite erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung,6 shows a cross section of the second patch antenna device according to the invention,
Fig. 7 perspektivisch eine dritte erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung mit drei Substratschichten und Antennen, 7 shows in perspective a third patch antenna device according to the invention with three substrate layers and antennas,
Fig. 8 im Querschnitt die dritte erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung,8 shows the third patch antenna device according to the invention in cross section,
Fig. 9 in Draufsicht ein weiteres Beispiel für eine Antenne in einer Patchantennenvorrichtung, 9 shows a top view of another example of an antenna in a patch antenna device,
Fig. 10 perspektivisch die Kontaktierung einer Antenne wie in Fig 9, Fig. 11 in Seitenansicht schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Antennenmodul mit einer erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtung. 10 shows in perspective the contacting of an antenna as in FIG. 9, Fig. 11 shows a schematic side view of a motor vehicle with an antenna module with a patch antenna device according to the invention.
Fig. 1 -10 zeigen zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Patchantennenvorrichtung 21 mit einer Substratschicht aus Kunststoff mit einer vorgegebenen (relativen) Permittivität 8R , insbesondere für die Anordnung z.B. in einem (z.B. Haifischflossen-) Antennenmodul 22 auf dem Dach 23 eines in Fig. 11 beispielhaft gezeigten Kraftfahrzeugs 24. 1-10 show some exemplary embodiments of the invention a patch antenna device 21 with a substrate layer made of plastic with a predetermined (relative) permittivity 8R, in particular for the arrangement e.g. in a (e.g. shark fin) antenna module 22 on the roof 23 of one in Fig. 11 motor vehicle 24 shown as an example.
Die erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtungen 21 in Fig. 1 -11 sind mehrschichtig, weisen also z.B. zwei, drei oder mehr als drei Lagen auf, welche z.B. jeweils mindestens eine Antenne 1 bzw. 5 bzw. 12, und/oder eine Substratschicht 2 bzw. 5 bzw. 13, und/oder eine Masseschicht 3 bzw. 7 bzw. 14 und/oder eine Klebeschicht 4 bzw. 8 bzw. 15 umfassen können (hier jeweils alle vier genannten Schichten). The patch antenna devices 21 according to the invention in FIGS .13, and/or a mass layer 3 or 7 or 14 and/or an adhesive layer 4 or 8 or 15 (here all four layers mentioned).
Die erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtungen 21 in Fig. 1 -11 weisen aneinander bzw. (z.B. in eingebauter Lage aufeinander/ übereinander / nebeneinander) gestapelt angeordnete Lagen auf, während EP2721690 eine Patchantennenvorrichtung für eine Satellitenlösung mit dielektrischen Substratschichten aus Kunststoff und Keramik, die ineinander angeordnet sind, nennt. The patch antenna devices 21 according to the invention in FIGS. calls.
Vereinfachend werden in den Patchantennenvorrichtungen 21 jeweils die Elemente nach ihrer Lage in einem beispielhaft dargestellten montierten Zustand als obere/mittlere/untere bezeichnet, wobei sie auch schräg oder nebeneinander eingebaut sein können. To simplify matters, the elements in the patch antenna devices 21 are referred to as upper/middle/lower according to their position in an exemplary assembled state, whereby they can also be installed at an angle or next to one another.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist auf einer Leiterplatte (=PCB) 10 eine erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung 21 angeordnet. Auf der Leiterplatte 10 liegt hier eine untere Klebstoffschicht 8 (z.B. Klebstoff oder ein Doppelklebeband) an, welche untere Klebstoffschicht 8 auch an der unteren Substratschicht 5 anliegt. (Alternativ wäre anstatt einer Klebeschicht auch eine andere Montage der Patchantennenvorrichtung 21 auf der Leiterplatte 10 z.B. mit Stiften / Schraube(n) etc. möglich.) In Fig. 1 and Fig. 2, a patch antenna device 21 according to the invention is arranged on a printed circuit board (=PCB) 10. On the circuit board 10 there is a lower adhesive layer 8 (eg adhesive or a double-sided adhesive tape), which lower adhesive layer 8 also rests on the lower substrate layer 5. (Alternatively, instead of an adhesive layer, another assembly would be possible Patch antenna device 21 on the circuit board 10 e.g. possible with pins/screw(s) etc.)
Die Patchantennenvorrichtung 21 in Fig. 1 und Fig. 2 umfasst eine obere dielektrische Substratschicht 2 mit einer oberen Antenne 1 und eine untere dielektrische Substratschicht 6 mit einer unteren Antenne 5, wobei die dielektrischen Substratschichten 2, 6 (hier jeweils umfassend Antennen und/oder Masseflächen und/oder Klebeschichten) aneinander (z.B. je nach Lage aufeinander) gestapelt angeordnet sind, und wobei die dielektrischen Substratschichten 2, 6, 13 jeweils einen Kunststoff mit einer (gleichen oder unterschiedlichen) vorgegebenen (relativen) Perm ittivität 8R enthalten. The patch antenna device 21 in FIGS. 1 and 2 comprises an upper dielectric substrate layer 2 with an upper antenna 1 and a lower dielectric substrate layer 6 with a lower antenna 5, the dielectric substrate layers 2, 6 (here each comprising antennas and/or ground surfaces and/or adhesive layers) are arranged stacked together (e.g. one on top of the other depending on the position), and the dielectric substrate layers 2, 6, 13 each contain a plastic with a (same or different) predetermined (relative) permittivity 8R.
Die erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtungen 21 in Fig. 1 -11 sind hier mehrschichtig, weisen also z.B. zwei, drei oder mehr als drei (Antennen-)Lagen auf, welche z.B. jeweils eine Antenne 1 bzw. 5 bzw. 12, eine Substratschicht 2 bzw. 5 bzw. 13, eine Masseschicht 3 bzw. 6 bzw. 14 und eine Klebeschicht 4 bzw. 8 bzw. 15 umfassen können. The patch antenna devices 21 according to the invention in FIGS or 13, a mass layer 3 or 6 or 14 and an adhesive layer 4 or 8 or 15.
In der Patchantennenvorrichtung 21 in Fig. 1 und Fig. 2 befindet sich auf einer (Ober-)Seite der oberen Substratschicht 2 eine obere Antenne 1 und auf einer z.B. gegenüberliegenden (Unter-)Seite der oberen Substratschicht 2 eine obere Masseschicht 3 und unter der oberen Masseschicht 3 (oder alternativ z.B. diese umgebend) eine Klebeschicht 4 zur Verbindung mit der unteren Substratschicht 6 (bzw. mit deren unterer Antenne 5). In the patch antenna device 21 in FIGS upper mass layer 3 (or alternatively, for example surrounding it) an adhesive layer 4 for connection to the lower substrate layer 6 (or with its lower antenna 5).
Die Kontaktierung der Antennen kann im Prinzip galvanisch und/oder induktiv und/oder kapazitiv erfolgen. In principle, the antennas can be contacted galvanically and/or inductively and/or capacitively.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine kapazitive Kontaktierung der Antennen 1 , 5 dargestellt. Die Antenne 1 wird durch z.B. ein oder hier zwei Speisungsstifte 9a, 9b kapazitiv kontaktiert. A capacitive contacting of the antennas 1, 5 is shown in FIGS. 1 and 2. The antenna 1 is capacitively contacted by, for example, one or two power pins 9a, 9b.
Mindestens ein Speisungsstift 9a, 9b kann z.B. jeweils die Antenne 1 (nicht-leitend) über einen jeweils an seinem (9a, 9b) Ende (20a-h) befindlichen (z.B. parallel zur Antennenfläche verlaufend abgewinkelten) Kontaktierungs-Bereich kapazitiv ankoppeln. At least one feed pin 9a, 9b can, for example, power the antenna 1 (non-conductive) via one located at its (9a, 9b) end (20a-h) (for example parallel to the Capacitively couple the contact area along the angled antenna surface.
Die an hier jeweils unten dargestellten Enden der Speisungsstifte 9a-9d befindlichen (z.B. abgewinkelten oder flächigen) Bereiche 20a-l sind jeweils zur induktiven oder galvanischen oder insbesondere wie hier dargestellt kapazitiven Kontaktierung je eines Kontaktierungsbereichs 11 der Leiterplatte 10 vorgesehen. Ein Kontaktierungsbereichs 11 der Leiterplatte 10 kann z.B. jeweils eine leitende und/oder metallische Fläche oder Bahn z.B. parallel zum abgewinkelten (oder alternativ z.B. flächigen) Bereich eines Speisungsstifts 9a-9d sein. The (e.g. angled or flat) areas 20a-l located at the ends of the power pins 9a-9d shown below are each intended for inductive or galvanic or, in particular, as shown here, capacitive contacting of one contacting area 11 of the circuit board 10. A contacting area 11 of the circuit board 10 can, for example, be a conductive and/or metallic surface or path, for example parallel to the angled (or alternatively, flat) area of a power pin 9a-9d.
Ein Speisungsstift 9a, 9b kann z.B. jeweils mehrere Antennen 1 , 5 kapazitiv ankoppeln wie in Fig. 1 , 2, 3, 4 oder jeweils nur eine Antenne 1 kapazitiv ankoppeln wie in Fig. 5 oder Fig. 7. A feed pin 9a, 9b can, for example, capacitively couple several antennas 1, 5 as in Fig. 1, 2, 3, 4 or capacitively couple only one antenna 1 as in Fig. 5 or Fig. 7.
Während in Fig. 1 , 2, 3, 4 zwei Speisungsstifte 9a, 9b vorgesehen sind, die jeweils zwei Antennen (hier kapazitiv) ankoppeln, sind in Fig. 5 und 6 vier Speisestifte 9a, 9b, 9c, 9d vorgesehen, welche jeweils nur eine Antenne (hier kapazitiv) ankoppeln, und in Fig. 7 sind sechs Speisestifte 9a, 9b, 9c, 9d vorgesehen, welche jeweils nur eine Antenne (hier kapazitiv) ankoppeln. While in Fig. 1, 2, 3, 4 two feed pins 9a, 9b are provided, each of which couples two antennas (here capacitive), four feed pins 9a, 9b, 9c, 9d are provided in Fig. 5 and 6, each of which only couple an antenna (here capacitive), and in Fig. 7 six feed pins 9a, 9b, 9c, 9d are provided, each of which only couples one antenna (here capacitive).
In Fig. 1 , 2, 3, 4 verlaufen z.B. die Speisungsstifte 9a, 9b, 9c, 9d jeweils (aus einer dielektrischen Substratschicht 2 heraus) durch Ausnehmungen 17a, 17b der oberen Masseschicht 3, durch Ausnehmungen 17c, 17d der oberen Klebeschicht 4, durch Ausnehmungen 17e, 17f der unteren Antenne 5, durch Ausnehmungen 17g, 17h der unteren dielektrischen Substratschicht 6 und/oder durch Ausnehmungen 17i, 17j der unteren Masseschicht 7 und/oder bis in Ausnehmungen 17k, 17I der unteren Klebeschicht 8. 1, 2, 3, 4, for example, the power pins 9a, 9b, 9c, 9d each run (out of a dielectric substrate layer 2) through recesses 17a, 17b in the upper mass layer 3, through recesses 17c, 17d in the upper adhesive layer 4, through recesses 17e, 17f of the lower antenna 5, through recesses 17g, 17h of the lower dielectric substrate layer 6 and/or through recesses 17i, 17j of the lower mass layer 7 and/or into recesses 17k, 17I of the lower adhesive layer 8.
Wenn z.B. anders als dargestellt einer oder einige oder alle der Speisungsstifte 9a, 9b, 9c, 9d usw. seitlich (in den Fig. z. B. rechts) von einigen oder allen Antennen 1 , 5, ggf. 12 und/oder seitlich von einigen oder allen Masseschichten 3, 7, ggf. 14 verlaufen, und/oder seitlich von einigen oder allen Klebeschichten 4, 8, 15 verlaufen, müssen in diesen jeweils keine Ausnehmungen für 9a, 9b, 9c, 9d usw. vorgesehen sein. If, for example, other than shown, one or some or all of the feed pins 9a, 9b, 9c, 9d etc. are located on the side (e.g. on the right in the figures) of some or all of the antennas 1, 5, possibly 12 and/or on the side of some or all of the mass layers 3, 7, possibly 14, and/or laterally of some or all of the adhesive layers 4, 8, 15 run, no recesses for 9a, 9b, 9c, 9d etc. need to be provided in these.
Fig. 4 zeigt eine Zone 18 einer kapazitiven Speisung (feed) der oberen Antenne 1 durch einen oberen abgewinkelten oder flachen Bereich eines Speisungsstifts 9 (geltend für z.B. jeden der Speisungsstifte 9a-9f) und eine Zone einer kapazitiven Speisung (feed) des unteren abgewinkelten oder flachen Bereichs eines Speisungsstifts 9 aus dem länglichen oder flachen Kontaktbereich 20 der Leiterplatte 10. Fig. 4 shows a zone 18 of a capacitive feed of the upper antenna 1 through an upper angled or flat region of a feed pin 9 (applicable to, for example, each of the feed pins 9a-9f) and a zone of a capacitive feed (feed) of the lower angled one or flat area of a power pin 9 from the elongated or flat contact area 20 of the circuit board 10.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen eine erfindungsgemäße Patchantennenvorrichtung 21 , welche nicht mit zwei Antennenlagen (wie in Fig. 1 -4) sondern mit drei Antennenlagen ausgebildet ist. 7 and 8 show a patch antenna device 21 according to the invention, which is not designed with two antenna layers (as in FIGS. 1-4) but with three antenna layers.
Die Patchantennenvorrichtung 21 in Fig. 7 und Fig. 8 umfasst also eine obere dielektrische Substratschicht 2 mit einer oberen Antenne 1 , eine mittlere dielektrische Substratschicht 13 mit einer mittleren Antenne 12 und eine untere dielektrische Substratschicht 6 mit einer unteren Antenne 5, wobei die dielektrischen Substratschichten 2, 13, 6 aufeinander gestapelt angeordnet sind, und wobei die dielektrischen Substratschichten 2, 13, 6 jeweils einen Kunststoff mit einer (für die Substratschichten gleichen oder unterschiedlichen) vorgegebenen (relativen) Permittivität 8R enthalten. The patch antenna device 21 in FIGS. 7 and 8 thus comprises an upper dielectric substrate layer 2 with an upper antenna 1, a middle dielectric substrate layer 13 with a middle antenna 12 and a lower dielectric substrate layer 6 with a lower antenna 5, the dielectric substrate layers 2, 13, 6 are arranged stacked one on top of the other, and the dielectric substrate layers 2, 13, 6 each contain a plastic with a predetermined (relative) permittivity 8R (the same or different for the substrate layers).
Die Patchantennenvorrichtung 21 in Fig. 7 und Fig. 8 umfasst Speisungsstifte 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, von welchen z. B. jeweils zwei eine der Antennen 1 , 12, 5 speisen. The patch antenna device 21 in FIGS. 7 and 8 includes feed pins 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, of which z. B. two each feed one of the antennas 1, 12, 5.
Anstatt wie in Fig. 1 -8 dargestellt zwei Speisungsstifte pro (z.B. Satelliten-ZOrtungs-) Antenne ist auch ein Speisungsstift pro Antenne (oder für mehrere Antennen) möglich, z.B. auch für zellular-Mobilfunk-Antennen (Telefonantennen) für z.B. 2G/3G/4G/5G/6G. Instead of two power pins per (e.g. satellite positioning) antenna as shown in Fig. 1 -8, one power pin per antenna (or for several antennas) is also possible, e.g. also for cellular mobile radio antennas (telephone antennas) for e.g. 2G/3G /4G/5G/6G.
Die erfindungsgemäßen Antennen können insbesondere (eine oder mehrere) Antennen für eine oder mehrere der folgenden Anwendungen sein: Telefonie, für MIMO, für RKE, für WiFi; für GNSS, zur Vorbereitung für Autonomes-Fahren, für Abstandsmessungen (eines Kraftfahrzeugs zu anderen Objekten beim Einparken oder Fahren), SDARS, DAB, V2X. The antennas according to the invention can in particular be (one or more) antennas for one or more of the following applications: telephony, for MIMO, for RKE, for WiFi; for GNSS, to prepare for autonomous driving, for Distance measurements (of a motor vehicle to other objects when parking or driving), SDARS, DAB, V2X.
Fig. 9 zeigt beispielhaft erfindungsgemäß eine der (z.B. unterschiedlich ausgestaltbaren) Antennen 1 , 12, 5 für eine Patchantennenvorrichtung 21 . Die Antenne 5 in Fig. 9 weist zwei Strahler 5a, 5b auf. 9 shows an example according to the invention of one of the (e.g. differently designed) antennas 1, 12, 5 for a patch antenna device 21. The antenna 5 in Fig. 9 has two radiators 5a, 5b.
Die zwei Strahler 5a, 5b der Antenne 5 in Fig. 9 sind ineinander angeordnet. The two radiators 5a, 5b of the antenna 5 in FIG. 9 are arranged one inside the other.
Die zwei Strahler 5a, 5b der Antenne 5 in Fig. 9 sind jeweils flächig ausgeführt.The two radiators 5a, 5b of the antenna 5 in FIG. 9 are each designed to be flat.
Die zwei Strahler 5a, 5b sind geschlossene Ringflächen. The two radiators 5a, 5b are closed ring surfaces.
Fig. 10 zeigt beispielhaft perspektivisch eine kapazitive Speisung eines Antennenstrahlers der Antenne 5 in Fig. 9. Fig. 10 shows an example perspective of a capacitive feed of an antenna radiator of the antenna 5 in Fig. 9.
Die zwei Strahler 5a, 5b der Antenne 5 in Fig. 9 können z.B. durch je einen der Speisungsstifte 9e, 9f separat angeregt sein, und/oder ein Strahler kann mit zwei Speisungsstiften 9e, 9f angeregt werden. The two radiators 5a, 5b of the antenna 5 in Fig. 9 can, for example, be excited separately by one of the feed pins 9e, 9f, and / or one radiator can be excited with two feed pins 9e, 9f.
Die (relative) Permittivität 8R der dielektrischen Substratschichten aus Kunststoff kann auf einen gewünschten Wert eingestellt sein durch z.B. Wahl eines Kunststoffs oder Mischen mehrerer Kunststoffe (wie z.B.The (relative) permittivity 8R of the dielectric substrate layers made of plastic can be set to a desired value by, for example, choosing a plastic or mixing several plastics (such as
Polyethylen PE, PP, PVC, PTFE, PVdF, PA, ABS, Polystyrol PS, PMMA) mit einer gewünschten Permittivität 8R und/oder durch Mischen mehrerer Kunststoffe und/oder durch Wahl eines Kunstoffs mit Additiven (wie Germanium) welche die gewünschte Permittivität 8R erzeugen und/oder durch Beschichtung (einer oberen oder unteren oder Zwischen-Ebene mindestens einer dielektrischen Substratschicht) mit einem Material mit höherer Permittivität aufweisen. https://de.wikipedia.org/wiki/Permittivit%C3%A4t gibt für einige Materialien die (relative) Permittivität 8R an. Polyethylene PE, PP, PVC, PTFE, PVdF, PA, ABS, polystyrene PS, PMMA) with a desired permittivity 8R and/or by mixing several plastics and/or by choosing a plastic with additives (such as germanium) which have the desired permittivity 8R generate and / or have by coating (an upper or lower or intermediate level of at least one dielectric substrate layer) with a material with higher permittivity. https://de.wikipedia.org/wiki/Permittivit%C3%A4t gives the (relative) permittivity 8R for some materials.
Kunststoff Patchantennenvorrichtung 21 können ein vergleichsweise niedriges Gewicht aufweisen. Plastic patch antenna device 21 can have a comparatively low weight.
Es lassen sich Kunststoffe durch spezielle Zusätze (Additive) so herstellen oder ändern, dass die Möglichkeit besteht die Permittivität 8R des Werkstoffes genau zu definieren und auf eine Toleranz von z.B. ±0,5% zu realisieren. Mit derartigen Verfahren kann sich der Wert für 8R des Kunststoffes z.B. in einem Bereich von 2 bis 50 fest einstellen lassen und eine Wiederholgenauigkeit mit anderen Chargen von z.B. ±2% erreichen. Mit den Kunststoff Patch-Antennen aus bekannten Spritzgussverfahren kann der Prozess vereinfacht werden und das Gewicht reduziert werden. Plastics can be manufactured or modified using special additives in such a way that it is possible to precisely define the permittivity 8R of the material and to achieve it to a tolerance of, for example, ±0.5%. With such methods, the value for 8R of the plastic can be set, for example, in a range from 2 to 50 and a repeatability with other batches of, for example, ±2% can be achieved. With the plastic patch antennas from well-known injection molding processes, the process can be simplified and the weight can be reduced.
Die benötigten Antennenstrukturen können z.B. durch chemisch-galvanisches Beschichten hergestellt werden, wobei die nicht zu beschichtenden Bereiche auf den Oberflächen z.B. durch ein Tampon- oder Siebdruckverfahren abgedeckt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufbringen der Abdeckungen durch ein Druck- oder Sprühverfahren bereits während des Spritzgießprozesses. The required antenna structures can be produced, for example, by chemical-galvanic coating, whereby the areas on the surfaces that do not need to be coated can be covered, for example, by a pad or screen printing process. In a preferred embodiment, the covers are applied using a printing or spraying process during the injection molding process.
Das Aufbringen der metallischen Strukturen kann entweder durch einen reinen chemischen Abscheideprozess, vorzugsweise mit Kupfer erfolgen. Optional kann die Kupferschicht mit einer chemisch aufgebrachten dünnen Silberschicht (Austauschsilber) kombiniert werden. In einer bevorzugten Form erfolgt die Beschichtung durch einen chemisch-galvanischen Prozess, bei dem nach einer ersten Nickelschicht galvanisch Kupfer und optional galvanisch Silber abgeschieden werden. The metallic structures can be applied either by a pure chemical deposition process, preferably with copper. Optionally, the copper layer can be combined with a chemically applied thin silver layer (replacement silver). In a preferred form, the coating is carried out using a chemical-galvanic process in which copper and optionally silver are deposited galvanically after a first layer of nickel.
Stanz-Biege-Teile zur Speisung/Anregung der Antenne können in ein Werkzeug eingelegt werden und in einem Kunststoffkörper umspritzt werden. Diese können dann über eine kapazitive Ankopplung auf die Kupferflächen der PCB (Leiterplatte) einen Signalfluss erzeugen. Stamped and bent parts for feeding/exciting the antenna can be inserted into a tool and encapsulated in a plastic body. These can then generate a signal flow via capacitive coupling to the copper surfaces of the PCB (printed circuit board).
Es können in diesem Verfahren z.B. durch gestaffelte 2K-Spritzguss-Werkzeuge sogenannte Stacked-Patch-Antennen (gestapelte Substratschichten mit Antennen und/oder Masseflächen und/oder Klebeschichten) mit unterschiedlichen 8R und unterschiedlichen Geometrien in einem Herstellprozess gefertigt werden. In this process, for example, so-called stacked patch antennas (stacked substrate layers with antennas and/or ground surfaces and/or adhesive layers) with different 8R and different geometries can be manufactured in one manufacturing process using staggered 2K injection molding tools.
Dabei können die Masseflächen zwischen den einzelnen Patchen vorher als Blech/Folieneinleger in ein Werkzeug eingebracht und dann umspritzt werden. Die Antennenstrukturen können beispielweise auch aus strukturierten Blech-Folieneinlegern im Grundkörper eingebracht und ebenso umspritzt werden. The ground surfaces between the individual patches can be inserted into a tool beforehand as sheet metal/foil inserts and then overmolded. The antenna structures can, for example, also be made from structured sheet metal foil inserts in the base body and also be overmolded.
Möglich ist es, die Perm ittivität 8R eines Kunststoffes durch spezielle Zusätze (Additive) so genau zu beeinflussen und einzustellen, dass dieser z.B. den 8R -Wert von Keramik oder einen anderen gewünschten 8R Wert eines Materials erreicht. Es ist auch möglich mehrere unterschiedliche Permitivitäten 8R in einer Antenne über ein Mehrfach-Komponenten-Werkzeug, insbesondere zur Abbildung mehrerer Frequenzbänder in der Antenne, zu realisieren. Ein weiterer möglicher Vorteil ist auch die Anbindung an die Leiterplatte, die jetzt über eine neue kapazitive Ankopplung stattfindet und nicht mehr über Lötverbindungen der Speisepins, realisiert werden muss. Das kann einen weiteren Fertigungsschritt bei der Herstellung eines Connectivity-Moduls ersparen. Dabei kann ein Stanz-Biege-Einleger in das Kunststoffspritzwerkzeug eingelegt werden, der anschließend umspritzt wird und auf Kupferflächen auf der Leiterplatte zur Speisung ankoppeln kann. It is possible to influence and adjust the permittivity 8R of a plastic using special additives so precisely that it achieves, for example, the 8R value of ceramics or another desired 8R value of a material. It It is also possible to implement several different permittivities 8R in an antenna using a multiple-component tool, in particular for mapping several frequency bands in the antenna. Another possible advantage is the connection to the circuit board, which now takes place via a new capacitive coupling and no longer has to be implemented via soldered connections of the supply pins. This can save another manufacturing step in the production of a connectivity module. A punching-bending insert can be inserted into the plastic injection mold, which is then overmolded and can be coupled to copper surfaces on the circuit board for power supply.
Möglich ist z.B. eine Verwendung in Trucks, Zügen, PKWs und Nutzfahrzeugen, in welchen die Bauräume für die Antennen eingeschränkt sein können und das Gewicht eine große Rolle spielen kann. It is possible, for example, to use it in trucks, trains, cars and commercial vehicles, where the installation space for the antennas can be limited and the weight can play a major role.
Eine Patchantennenvorrichtung kann neben genannten dielektrischen Substratschichten aus Kunststoff auch weitere Antennen und/oder Substratschichten ohne Kunststoff enthalten. In addition to the aforementioned dielectric substrate layers made of plastic, a patch antenna device can also contain further antennas and/or substrate layers without plastic.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Patchantennenvorrichtung (21 ), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (24), wobei die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung (21 ) eine untere dielektrische Substratschicht (6) mit einer unteren Antenne (5) und eine obere dielektrische Substratschicht (2) mit einer oberen Antenne (1 ) umfasst, wobei die dielektrische Substratschichten (2, 6;) gestapelt angeordnet sind, und wobei die dielektrischen Substratschichten (2, 6) jeweils einen Kunststoff enthalten. 1. Patch antenna device (21), in particular for a motor vehicle (24), wherein the multilayer patch antenna device (21) has a lower dielectric substrate layer (6) with a lower antenna (5) and an upper dielectric substrate layer (2) with an upper antenna (1 ), wherein the dielectric substrate layers (2, 6;) are arranged stacked, and wherein the dielectric substrate layers (2, 6) each contain a plastic.
2. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung (21 ) eine untere dielektrische Substratschicht (6) mit einer unteren Antenne (5), eine mittlere dielektrische Substratschicht (13) mit einer mittleren Antenne (12), und eine obere dielektrische Substratschicht (2) mit einer oberen Antenne (1 ) umfasst, wobei diese mindestens drei dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) aneinander gestapelt angeordnet sind, und wobei die dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) jeweils einen Kunststoff enthalten. 2. Patch antenna device (21) according to claim 1, characterized in that the multilayer patch antenna device (21) has a lower dielectric substrate layer (6) with a lower antenna (5), a middle dielectric substrate layer (13) with a middle antenna (12), and an upper dielectric substrate layer (2) with an upper antenna (1), these at least three dielectric substrate layers (2, 6, 13) being arranged stacked together, and wherein the dielectric substrate layers (2, 6, 13) each comprise a plastic contain.
3. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (1 , 5, 12) jeweils auf einer dielektrischen Substratschicht (2, 6, 13) angeordnet ist, insbesondere in Form einer durchgängigen oder zur Bildung einer Antennenstruktur unterbrochenen oberen Metallschicht. 3. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that an antenna (1, 5, 12) is arranged on a dielectric substrate layer (2, 6, 13), in particular in the form of a continuous or to form an antenna structure interrupted upper metal layer.
4. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dielektrische Substratschicht (2, 6, 13) jeweils auf einer Seite eine Antenne (1 ,4. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that a dielectric substrate layer (2, 6, 13) has an antenna (1,
5. 12) aufweist und auf der dieser Antenne (1 , 5, 12) gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Substratschicht (2, 6, 13) eine leitende, insbesondere metallische Oberfläche als Masseschicht (3, 7, 14) aufweist. 5. 12) and on the side of the dielectric substrate layer (2, 6, 13) opposite this antenna (1, 5, 12) a conductive, in particular metallic Surface as a mass layer (3, 7, 14).
5. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einer Masseschicht (3, 7, 14) einer oder mehreren der dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) und/oder auf einer oder mehreren dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) eine Klebeschicht (4, 8, 15) aus insbesondere Klebstoff oder einem zweiseitigen Klebeband und/oder eine Isolierschicht befindet, die auf einer Leiterplatte (10) oder einer weiteren dielektrischen Substratschicht (2,5. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that on a ground layer (3, 7, 14) one or more of the dielectric substrate layers (2, 6, 13) and / or on one or more dielectric substrate layers ( 2, 6, 13) there is an adhesive layer (4, 8, 15) made of in particular adhesive or a two-sided adhesive tape and / or an insulating layer, which is on a circuit board (10) or a further dielectric substrate layer (2,
6, 13) oder einer Antenne (1 , 5, 12) angeordnet oder anordenbar ist. 6, 13) or an antenna (1, 5, 12) is arranged or can be arranged.
6. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einer Leiterplatte (10) angeordnet oder anordenbar ist, welche mindestens einen, insbesondere metallischen, leitenden Kontaktierungs-Bereich (11 ) aufweist, wobei mit einem leitenden Kontaktierungs-Bereich (11 ) jeweils ein Speisungsstift (9a-f) insbesondere kapazitiv verbunden ist, um genau eine oder mehrere der Antennen (1 , 5, 12) zu kontaktieren. 6. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that it is arranged or can be arranged on a circuit board (10) which has at least one, in particular metallic, conductive contacting area (11), with a conductive contacting area. Area (11) each has a power pin (9a-f), in particular capacitively connected, in order to contact exactly one or more of the antennas (1, 5, 12).
7. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen oder zwei oder vier oder mehr Speisungsstifte (9a-f) aufweist, die jeweils genau eine (Fig. 7) oder jeweils mehrere (Fig. 1 ) der Antennen (1 , 5, 12) kapazitiv oder induktiv kontaktieren. 7. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that it has one or two or four or more power pins (9a-f), each of which has exactly one (Fig. 7) or several (Fig. 1) of the Contact antennas (1, 5, 12) capacitively or inductively.
8. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen oder zwei oder drei oder vier oder sechs oder mehr Speisungsstifte (9a-f) aufweist, die jeweils an ihren Enden insbesondere abgewinkelte oder flache Bereiche (20a-l) aufweisen, von welchen Bereichen (20a-l) jeweils einer mindestens eine der Antennen (1 , 5, 12) kapazitiv oder induktiv kontaktiert und einer zur galvanischen oder kapazitiven Kontaktierung eines Kontaktierungs-Bereichs (11 ) einer Leiterplatte (10) vorgesehen ist. 8. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that it has one or two or three or four or six or more feed pins (9a-f), each of which has, in particular, angled or flat areas (20a-l.) at its ends ), of which areas (20a-l), at least one of the antennas (1, 5, 12) is capacitively or inductively contacted and one is provided for galvanic or capacitive contacting of a contacting area (11) of a circuit board (10).
9. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Speisungsstifte (9a-f) aufweist, welche durch Ausnehmungen (17a-l) in einer oder mehreren der dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) und/oder durch Ausnehmungen (17a-l) in einer oder mehreren der Antennen (1 , 5, 12) und/oder durch Ausnehmungen (17a-l) in einer oder mehreren der Masseflächen (2, 7, 14) und/oder durch Ausnehmungen (17a-l) in einer oder mehreren der Klebeschichten (4, 8, 15) verlaufen. 9. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that it has power pins (9a-f), which through recesses (17a-l) in one or more of the dielectric substrate layers (2, 6, 13) and / or through recesses (17a-l) in one or more of the antennas (1, 5, 12) and / or through recesses (17a-l) in one or more of the ground surfaces (2, 7, 14) and / or through recesses (17a-l) in one or more of the adhesive layers (4, 8, 15).
10. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) jeweils im Kunststoff ein oder mehrere Additive zur Einstellung ihrer Perm ittivität enthalten. 10. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that one or more of the dielectric substrate layers (2, 6, 13) each contain one or more additives in the plastic to adjust their permittivity.
11. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr als zwei der dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) entweder die gleiche oder eine unterschiedliche relative Perm ittivität 8R aufweisen. 11. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that two or more than two of the dielectric substrate layers (2, 6, 13) have either the same or a different relative permittivity 8R.
12. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Patchantennenvorrichtung (21 ) mindestens eine Antenne (1 , 5, 12) oder mindestens zwei Antennen (1 , 5, 12) aufweist, die (1 , 5, 12) für Sende-/Empfangs-Frequenzbereiche für das Senden (S) und/oder Empfangen (R ) von Funksignalen (S,R) an bzw. von zellularen Mobil-Funknetzen ausgebildet ist bzw. sind, insbesondere mit Antennen-Abmessungen und damit Sende-ZEmpfangs-Frequenzbereichen für das Senden und/oder Empfangen von zellularen Mobilfunksignalen (S,R) in einem oder mehreren 2G/3G/4G/5G/6G Frequenzbändern. 12. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that the patch antenna device (21) has at least one antenna (1, 5, 12) or at least two antennas (1, 5, 12) which (1, 5, 12) is or are designed for transmission/reception frequency ranges for the transmission (S) and/or reception (R) of radio signals (S,R) to or from cellular mobile radio networks, in particular with antenna dimensions and thus Transmit-receive frequency ranges for transmitting and/or receiving cellular mobile signals (S,R) in one or more 2G/3G/4G/5G/6G frequency bands.
13. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere oder alle der dielektrischen Substratschichten (2, 6, 13) und/oder der Antennen (1 , 5, 12) eine rechteckige Außenstruktur aufweisen. 13. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that one or more or all of the dielectric substrate layers (2, 6, 13) and / or the antennas (1, 5, 12) have a rectangular outer structure.
14. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstrukturen der Antennen (1 , 5, 12) durch chemisch-galvanisches Beschichten hergestellt sind, wobei die nicht zu beschichtenden Bereiche (20a-l) auf den Oberflächen insbesondere durch ein Tampon- oder Siebdruckverfahren oder ein Sprühverfahren abgedeckt wurden. 14. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna structures of the antennas (1, 5, 12) are produced by chemical-galvanic coating, the areas (20a-l) not to be coated on the surfaces in particular by covered by a pad or screen printing process or a spray process.
15. Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Masseflächen zwischen den einzelnen Patchen Blech- oder Folien-Einleger und / oder umspritzt sind. 15. Patch antenna device (21) according to one of the preceding claims, characterized in that the ground surfaces between the individual patches are sheet metal or foil inserts and / or encapsulated.
16. Antennenmodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug (24), mit einer Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 16. Antenna module, in particular for a motor vehicle (24), with a patch antenna device (21) according to one of the preceding claims.
17. Kraftfahrzeug (24) mit einer Patchantennenvorrichtung (21 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 17. Motor vehicle (24) with a patch antenna device (21) according to one of the preceding claims.
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