Wie funktioniert eine Chipantenne?

Dielektrische Resonatorantennen , allgemein als Chip bezeichnet , arbeiten, indem sie eine stehende Welle eines elektrischen Feldes einer bestimmten Frequenz erzeugen. Technisch gesehen handelt es sich um Hohlraumresonatoren , bei denen der Hohlraum zwischen leitenden Oberflächen durch einen Keramikkern gefüllt ist. Der tatsächliche Schwingungsmodus wird durch die Geometrie der Antenne definiert. Im einfachsten Fall besteht die Geometrie aus zwei parallelen Platten im Abstand$\dfrac{\lambda} {\sqrt{\epsilon}}$des Dielektrikums (wo$\epsilon$ist die Dielektrizitätskonstante), um eine volle stehende Welle aufzunehmen:

Solche Resonatoren haben ähnliche Eigenschaften wie klassische Dipolantennen. Die Strahlungscharakteristik einer typischen Chipantenne (rechts, Quelle ) ist praktisch identisch mit der Charakteristik eines Dipols (links, Quelle ):

(beide Antennen sind vertikal ausgerichtet, ebenso die Strahlungsdiagrammabschnitte)

Der Unterschied besteht darin, dass die stehende Welle in der Chipantenne anstelle einer Metallstruktur in einem dielektrischen Chip mit hoher Permittivitätskonstante erzeugt wird. Dies bringt zwei wesentliche Vorteile:

• eine hohe Dielektrizitätskonstante reduziert die Größe der Antenne für die gleiche Wellenlänge
• Metallstrukturen werden mit steigender Frequenz immer verlustbehafteter, dielektrische Resonatoren leiden nicht unter diesen Verlusten

Aufgrund dieser Eigenschaften werden Chipantennen häufig in mobilen und Hochfrequenzanwendungen wie GPS oder 2,4-GHz-Funkgeräten verwendet.

Zur weiteren Lektüre empfehle ich diesen TI-Anwendungshinweis, in dem viele verschiedene PCB-Antennendesigns erörtert werden, darunter 3 verschiedene Chipantennen:

Um die Herstellung und Struktur von Chipantennen zu diskutieren, betrachten Sie zunächst einige Bilder von Antennen mit offensichtlichen Metallisierungsmustern:

Das AM11DP-ST01* von Mitsubishi Materials :

Es gibt eine ganze Reihe dieser Antennen mit sichtbarer Außenmetallisierung für den Betrieb in breiten oder schmalen Anwendungen. Das kleinste, AM03DG-ST01 , wird etwa 3,2 mm lang.

Der Kern dieser Antennen ist eine proprietäre Keramikverbindung, die im Marketingtext der Antennenproduktlinie wie folgt beschrieben wird :

Oberflächenmontierbare dielektrische Chipantennen sind das Ergebnis der Harmonisierung unserer langjährigen Erfahrung in keramischen Material- und Prozesstechnologien für Hochfrequenzanwendungen mit modernsten HF-Designtechnologien.

Diese Antennen müssen jedoch nicht aus starren Keramikbasen konstruiert werden. Zum Beispiel Molex 47948-0001 mit „LCP-LDS, Vectra E840ILDS , 40 % mineralgefüllte LDS-Qualität“ als primäres Struktur-/Dielektrikummaterial:

Hier wird dem mineralgefüllten Polymer die Metallisierung für die Antenne in einem als Laser-Direkt-Strukturierung bezeichneten Verfahren hinzugefügt. Bei diesem Verfahren (PDF -Präsentation herunterladen) werden feinste Geometrien definiert, indem das spritzgegossene Material mit einem Laser markiert und anschließend leitfähige Materialien an den markierten Stellen angebracht werden. Dieses leitende Material ermöglicht ein stromloses Plattieren von Kupfer/Nickel/Gold, um die vollständige Metallisierung für die Antennenstruktur zu bilden. Darüber hinaus ist diese Antenne so konzipiert, dass kein Abstand zur Masseebene erforderlich ist, sodass sie mit Komponenten auf der gegenüberliegenden Seite montiert werden kann, die durch eine innere Masseebene in der Leiterplatte abgeschirmt sind.

Zum Thema der mysteriösen Materialchips, die möglicherweise leichter als keramische Chipantennen zu erkennen sind, ist es offensichtlich unwahrscheinlich, dass kommerzielle Designs das Design interner metallischer Strukturen veröffentlichen werden. Um in diese Keramikstücke hineinzusehen, muss jemand das Design der empfindlichen Metallfilme veröffentlichen, die vor dem Sintern im Material abgeschieden werden. Der Ort dafür: Forschungszeitschriften.

Beginnend mit einem bekannten rechteckigen Prismendesign für den Dualband-Betrieb bei 900 MHz und 2100 MHz:

Ein weiteres solches Design für den UMTS-Betrieb (1920–2170 MHz), das eine Metallisierung innerhalb eines Keramikträgers verwendet:

Es gibt auch ein zylindrisches Keramikdesign mit Oberflächenmetallisierung für Dualband-WLAN-Anwendungen mit 2,4 GHz und 5 GHz:

Ein endgültiges Oberflächenmetallisierungsdesign basierend auf einer Oberflächenabscheidung auf einem rechteckigen Prisma aus keramischem Dielektrikum für den 2,4-GHz-ISM-Betrieb :

Angesichts der großen Vielfalt an metallischen Innen- und Außenmustern, die verwendet werden, ist es nahezu sicher, dass Standardoptionen für miniaturisierte Antennen kein dominantes Design verwenden. Die Verwendung von hoch$\epsilon_r$Bulk-Materialien (5-50) ermöglicht die Herstellung dielektrischer Resonatorantennen , die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge der interessierenden Frequenz im freien Raum (at$f = 300MHz$,$\lambda = 100 cm$; bei$f = 5GHz$,$\lambda = 6 cm$).