In : J.-F. Zürcher, F. E. Gardiol,"Broadband Patch-Antennas", Artech-House 1995, Seiten 3 bis 47, werden verschiedene Aus- führungsformen von Patch-Antennen beschrieben. Dabei werden mehrere Formen von Resonatoren (sog."Patches") und Wellen- leitern ("wave guides") dargestellt. Der Resonator ist entwe- der auf dem gleichen Träger wie der Wellenleiter aufgebracht oder mittels einer weiteren Schicht von diesem getrennt.

In : 0. Zinke, H. Brunswig,"Hochfrequenztechnik 1", 5. Aufl.

Springer, Seiten 157 bisl77 sind verschiedene Wellenleiter bzw. Speisenetzwerke beschrieben wie die Mikrostreifen- leitung ("Mikrostrip"), koplanare Leitungen und die offene Schlitzleitung ("Slotline").

Aus P. Petre et al.,"Simulation and Performance of Passive Microwave and Millimeter Wave Coplanar Waveguide Circuit De- vices with Flip Chip Packaging", Electrical Performance of Electronic Packaging, IEEE, New York, NY, 1997, conference paper, San Jose, CA, 27-29 October 1997 ist ein Koplanar-Wel- lenleiter ("Coplanar Wave Guide", CPW) bekannt, welcher Mi- krowellen oder Millimeterwellen in einen monolithischen Mi- krowellen-Schaltkreis ("Monolithic Microwave Integrated Cir- cuit", MMIC) einspeist. Der MMIC ist mit dem CPW mittels Flip-Chip-Technik verbunden worden.

In W. Heinrich et al.,"Millimeterwave characteristics of Flip-Chip interconnects for multi-chip modules"werden Schaltkreis-Einheiten ("Chips") in Viellagenbauweise be- schrieben, welche mittels eines CPWs gespeist werden.

Die Flip-Chip-Technik zur Kontaktierung von Halbleiterchips wird beispielsweise in Hans-Jürgen Hacke : Montage Integrier- ter Schaltungen, Springer Verlag, 1987, seiten 108 bis 118 beschrieben.

Ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antenne mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.

Ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antenne mit einer hohen Bandbreite bereitzustellen.

Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach montierbare Antenne bereitzustellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach herstellbare Antenne bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung soll auch an bestehende Speisenetz- werke bzw. Wellenleiter anschließbar sein.

Die Aufgaben werden durch eine Antenne gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß Patentan- spruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jewei- ligen Unteransprüchen entnehmbar.

Die Antenne weist ein Abstrahlelement auf, welches mindestens ein Substrat und mindestens einen planaren Resonator auf je- dem Substrat enthält. Im einfachsten Fall ist dies ein ein- ziger auf einem Substrat aufgebrachter Resonator. Es können aber auch mehrere Resonatoren auf einem Substrat aufgebracht sein und/oder mehrere Substrate verwendet werden.

Weiterhin ist ein planarer Wellenleiter vorhanden. Mittels des Wellenleiters kann die Antenne z. B. an einen Wellen- erzeuger angeschlossen werden. tuber den Wellenleiter können Wellen, insbesondere Mikrowellen und Millimeterwellen, in den Resonator eingespeist werden.

Der Resonator ist vom Wellenleiter durch einen Spalt ge- trennt. Der Spalts liegt dabei parallel zu einer Ebene des Resonators. Diese Bedingung ist z. B. gegeben, wenn der Re- sonator und der Wellenleiter parallel übereinander angeordnet sind.

Eine solche Antenne besitzt den Vorteil, daß durch den Spalt ein Bereich geringer Permittivität zwischen Wellenleiter und Resonator erzeugt wird. Daraus ergibt sich wiederum ein hoher Wirkungsgrad der Antenne, analog einem geringen Leistungsver- lust, sowie eine höhere Bandbreite.

Diese Antenne ist zudem einfach herstellbar, weil das Ab- strahlelement und der Wellenleiter in Flip-Chip-Technik ge- trennt hergestellt werden können.

Es ist vorteilhaft, wenn der planare Wellenleiter ein Ko- planar-Wellenleiter (CPW) ist, weil dieser unter anderem ei- nen geringen Leitsungsverlust aufweist und eine einfache Struktur besitzt. Ein CPW besitzt mindestens einen Mittellei- ter ("CPW-Feed") und eine Masse ("Ground"), die typischer- weise auf einer Seite eines elektrisch isolierenden Substrats aufgebracht sind.

Falls der Wellenleiter ein CPW ist, ist es günstig, daß der Mittelleiter mit dem Resonator elektrisch verbunden ist, und zwar vorteilhafterweise so, daß die Einspeisungsimpedanz op- timal ist.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn der Wellenleiter ein Mikrostreifen-Wellenleiter ("Microstrip wave guide") ist, weil dieser eine geringe Einfügedämpfung aufweist und zudem weit verbreitet ist. In diesem Fall ist ein Streifen-typi- scherweise eine Metallisierung-oberhalb einer Masse posi- tioniert, typischerweise durch ein Substrat getrennt.

Es ist vorteilhaft, wenn das Substrat des Abstrahlelementes elektrisch isolierend und verlustarm ist. Zur Anwendung des Flip-Chip-Verfahrens ("Flip-Chip-Bondens") ist es auch gün- stig, wenn dieses Substrat eine Temperatur T > 300 °C beim Thermokompressions-Bonden schädigungsfrei widersteht. Beide Vorteile werden erlangt, wenn das Substrat aus Au203, Si3N4, SiC, Si02, Teflon oder Duroid gefertigt wird. Dabei wird eine Verwendung von Al203 oder Glas besonders bevorzugt. Glas ist etwas weniger verlustarm als A1203, aber einfacher her- zustellen bzw. zu formen als eine Keramik.

Die gleichen Vorteile gelten auch für ein Substrat des Wel- lenleiters.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Resonator aus einem gut leitenden Material besteht. Dabei wird die Verwendung eines Edelmetalls aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit beson- ders bevorzugt. Dem Fachmann geläufig sind z. B. Au, Ag, Cu, Pt oder eine diese Metalle enthaltende Legierung, z. B. AgAu oder PtRd.

Es ist vorteilhaft, wenn der Wellenleiter mit dem Abstrahl- element mittels der Flip-Chip-Technik verbunden wird, weil diese eine einfache Herstellung der Einzelteile und eine preisgünstige Montage ermöglicht. Auch ist so der Spalt ein- fach herstellbar. Zudem läßt sich die Höhe des Spaltes in einfacher Weise einstellen.

Der Spalt wird in der Regel der Umgebung ausgesetzt, so daß er sich mit Luft füllen kann. Ein Luftspalt erzeugt aufgrund seiner geringen Permittivität eine günstig geringe Verlust- leistung. Außer mit Luft oder auch Vakuum kann der Spalt aber auch mit beliebigen anderen Gasen gefüllt werden.

Der Spalt kann aber auch nach der Anwendung der Flip-Chip- Technik mit einer aushärtenden Flüssigkeit möglichst niedri- ger Permittivität und mit einem möglichst geringen Verlust

bei hohen Frequenzen gefüllt werden, z. B. mit einem Harz oder einem Schaum. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß das Abstrahlelement besser fixiert wird und gegen Verunreinigun- gen geschützt ist. Günstigerweise ist die Flüssigkeit während des Ausfüllens des Spalts so dünnflüssig, daß der Spalt gleichmäßig ausfüllbar ist.

Zur einfachen insbesondere Herstellung, insbesondere mittels der Flip-Chip-Technik, ist es vorteilhaft, wenn das Abstrahl- element mittels eines Abstandshalters in Form mehrerer Stütz- Bumps am Wellenleiter fixiert ist.

Zudem kann der Resonator im Falle einer elektrischen Verbin- dung zwischen Wellenleiter und Resonator mittels eines HF- Bumps mit der Wellenzuführung, z. B. dem Mittelleiter des CPW oder dem Streifen des Mikrostreifen-Wellenleiters, des Wel- lenleiters verbunden sein. Es ist aber auch eine Feldkopplung (Aperturkopplung) möglich Die Höhe db der Bumps entspricht in etwa der Höhe des Spal- tes. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn die Höhe db der Bumps zwischen 40 um und 100 um, insbesondere zwischen 50 um und 70 um, beträgt ("Microbumps"). Die Höhe kann aber auch problemlos bis zu 1000 um betragen.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Antenne sche- matisch näher ausgeführt.

Die Figuren 1 zeigt eine Antenne vor einem Zusammenbau, Figur 2 zeigt eine Antenne nach dem Zusammenbau die Figur 3 zeigt eine Antenne nach dem Zusammenbau, die Figuren 4a bis 4c zeigen verschiedenen Möglichkeiten der Wellenzuführung (Speisenetzwerk) nach Zürcher et al., die Figur 5 zeigt mehrere Ausführungsformen von Resonatoren nach Zürcher et al., die Figuren 6a bis 6f zeigen mehrere Ausführungsformen von Antennen mit unterschiedlichen Anschlußarten nach Zürcher et al.

Figur 4a zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht einen Wellenleiter in Form eines Mikrostreifen-Wellenleiters nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 3.

Auf entgegengesetzten Flächen eines Substrats 14 sind ein Streifen 15'und eine flächige Masse 15 aufgebracht. Bei der Mikrostreifenleitung wird das Feld zwischen Streifen 15'und Massefläche 15 geführt. Der wesentliche Teil des Feldes be- findet sich im Substrat, ein kleinerer Teil in der Luft.

Figur 4b zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht einen Wellenleiter in Form eines Schlitzleiters ("Slotline wave guide") nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 3.

Auf der gleichen Fläche des Substrats 14 sind ein linke Masse 16'und eine rechte Masse 16 aufgebracht. Das Feld wird zwi- schen linker Masse 16'und rechter Masse 16 geführt.

Figur 4c zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht einen Wellenleiter in Form eines Koplanar-Wellenleiters, CPW nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 3. Hierbei sind ein Mit- telleiter 17' ("CPW-Feed") und zwei flächige Metallschichten als Masse 17 auf einer Seite des Substrats 14 aufgebracht.

Das Feld wird zwischen dem Mittelleiter 17'und den beiden Masseflächen 17 geführt.

Den planaren Leitungen ist gemeinsam, daß sie eine kosten- günstige Alternative zu konventionelle Wellenleitern, insbe- sondere Hohlleitern, darstellen. Die Parameter (Streifen- breite, Höhe und Permittivität des Substrats etc.) bestimmen die Qualität der Leiter (siehe auch 0. Zinke et al.) Figur 5 zeigt verschiedene Arten von planaren Resonatoren nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 20.

Die Resonatoren 121 sind in Mikrostreifen-Technik auf dem Substrat 14. Man erkennt die vielfältigen planaren Antennen- formen, wie z. B. viereckig, dreieckig etc..

Figur 6a zeigt eine Antenne mit Mikrostreifen-Wellenleiter nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 27. Hierbei ist der Streifen 15'mit dem Resonator 121 elektrisch verbunden.

Figur 6b zeigt eine Antenne mit Mikrostreifen-Wellenleiter nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 29.

Der Resonator 121 wird mittels eines auf der gleichen Seite des Substrats 14 aufgebrachten Streifens 15'durch Feldkopp- lung gespeist. Der Streifen 15'ist vom Resonator 121 seit- lich getrennt angebracht.

Figur 6c zeigt eine Antenne mit Mikrostreifen-Wellenleiter nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 30.

Der Streifen 15'ist unterhalb des Resonators 121 angebracht und von diesem durch eine zusätzliche isolierende Schicht 14' getrennt. Der Resonator 121 wird über den Streifen 15'mit- tels Feldkopplung betrieben.

Figur 6d zeigt eine weitere Ausführungsform einer Antenne in SSFIP- ("Strip-Slot-Foam-Inverted Patch"-) Ausführung nach J.-F. Zürcher et al. (s. o.), Seite 47.

Hierbei ist der Streifen 15'von einer mit einem Schlitz aus- gestatteten Schicht durch ein Substrat 14 getrennt und die Schicht wiederum vom Resonator 121 durch eine Lage 15''aus gehärtetem Schaum. Das Patch ist direkt auf dem Schaum mit- tels einer flexiblen Folie aufgeklebt.

Figur 1 zeigt in Schrägansicht eine Antenne vor ihrer Montage mittels Flip-Chip-Technik.

Ein koplanarer Wellenleiter 2 (CPW) besteht aus einem Sub- strat 21 aus A1203, das mit einem Mittelleiter 22 in Form ei- ner metallischen Zunge beschichtet ist. Davon elektrisch iso- liert ist die Masse 23 in Form einer metallischen Schicht auf dem Substrat 21 aufgebracht. Auf der Masse 23 sind als Ab- standshalter 3 Stütz-Bumps 31 aufgebracht. Auf dem Wellenlei-

ter ist ein elektrisch leitender HF- (Hochfrequenz-) Bump 4 befestigt.

Ebenfalls vorhanden ist ein Abstrahlelement 1, das aus einem Substrat 11, einem darauf angebrachten Resonator 12 und vier Metallisierungen 13 besteht. Die Metallisierungen 13 sind so positioniert, daß sie der Verteilung der Stütz-Bumps 31 ent- sprechen.

Zur Montage wird das Abstrahlelement 1 so auf den Wellenlei- ter 2 geklappt, daß die Metallisierungen 13 auf den Stütz- Bumps 31 aufliegen und dann das Abstrahlelement 1 und der Wellenleiter 2 aufeinander gepreßt werden (angedeutet durch die Pfeile).

Dies geschieht mittels Thermokompressions-Bondens bei einer Temperatur T zwischen 250 °C und ca. 300 °C. Wegen seiner ho- hen Temperaturbeständigkeit ist dazu ein Substrat 13,21 aus A1203 gut geeignet.

Durch das Aufpressen entsteht eine feste Verbindung des Ab- strahlelementes 1 mit dem Wellenleiter 2. Der Preßvorgang wird so gesteuert, daß der Resonator 12 einen konstanten Ab- stand db vom Wellenleiter 2 aufweist. Gleichzeitig wird bei Verpressen auch der Mittelleiter 22 mit dem Resonator 12 mit- tels des HF-Bumps 4 verbunden.

Figur 2 zeigt als Schnittdarstellung in Frontansicht die An- tenne aus Figur 1 nach der Montage.

Das Substrat 21 des Wellenleiters 2 aus A1203 weist eine Dik- ke ds = 635 pm auf. Außer A1203 ist auch eine Verwendung an- derer nichtleitender Materialien möglich, z. B. SiC, Si3N4, Teflon oder Duroid, welche zudem den Vorteil aufweisen, die zum Thermokompressions-Bonden notwendigen Temperaturen auszu- halten.

Das Abstrahlelement 1 weist ebenfalls ein A1203-Substrat 13 der Dicke dp = 127 um auf.

Selbstverständlich kann der Resonator 12 auch mittels anderer Flip-Chip-Techniken mit dem Wellenleiter verbunden werden, z.

B. Rückfluß-Bonden ("reflow bonding") oder Adhäsiv-Bonden.

Die Stütz-Bumps 31 liegen auf der Masse 23 des Wellenleiters 2 in Form der metallischen Schicht und auf der Metallisierung 13 des Abstrahlelementes auf, der HF-Bump 4 auf dem Mittel- leiter 22 und auf dem Resonator 12. Durch das Flip-Chip-Bon- den eine Höhe db der Bumps 4,31 von 60 um eingestellt. Mit- tels des Flip-Chip-Bondens kann diese Höhe db mit einer Ge- nauigkeit < 1 um eingestellt werden, was bei hohen Frequen- zen, z. B. Millimeterwellen mit f > 20 GHz, von großer Bedeu- tung ist. Wire-Bond oder Draht-Bonds zeigen demgegenüber eine deutlich höhere Störung der Wellenausbreitung.

Beim Thermokompressions-Bonden ist ein Einsatz von Bumps 4,31 aus Gold besonders vorteilhaft.

Der durch die Bumps 31 hergestellte Spalt zwischen Resonator 12 und Wellenleiter 2 ist in der Regel mit Luft gefüllt. In- nerhalb des Spaltes bildet sich ein elektrisches Feld E zwi- schen dem Resonator 12 und der metallischen Schicht 23 aus.

Diese Anordnung ist analog zu einer Mikrostreifen-Leitung, bei der der Resonator 12 dem Streifen 15'entspricht. Das Substrat 14 besteht dann im wesentlichen aus dem Inhalt des Spaltes, z. B. Luft oder Vakuum.

In diesem Ausführungsbeispiel grenzt der Resonator 12 direkt an den Spalt. Es ist aber auch möglich, daß zwischen dem Re- sonator 12 und dem Spalt zusätzlich eine oder mehrere Schich- ten aufgebracht sind. Dies ist mit der Flip-Chip-Technik pro- blemlos möglich, weil das Abstrahlelement 1 vor dem Bonden gesondert fertiggestellt werden kann. So ist es beispiels- weise ohne besonderen Mehraufwand möglich, ein MMIC mit einer Antenne zu kombinieren.

Diese Antenne besitzt somit den Vorteil, daß aufgrund der ge- ringen Dielektrizitätskonstante Er des Spaltinhaltes die Ab- strahleffizient sehr hoch, bzw. im Fall der Luft optimal ist.

Figur 3 zeigt eine Auftragung des Betrags der Anpassung bzw.

Eingangsreflexion (mag S11) in dB gegen die Abstrahlfrequenz f in GHz. Jeder Graph entspricht einer anderen Höhe db der Bumps 4,31 und damit einer anderen Spalthöhe.

Es ist erkennbar, daß sich durch eine Einstellung der Spalthöhe die Mittenfrequenz der Antenne in einem weiten Be- reich von ca. 10 GHz problemlos einstellen läßt.