SE524956C2 - Anordning med integrerad antenn för kapsling av radioelektronik samt sätt att tillverka anordningen - Google Patents

Description

524 956 beroende på den långsamma härdningsprocessen, risken för allergi vid hantering av reaktiva komponenter som används vid de vanligen använda epoxi-, polyuretan- eller silikonbaserade ingjutningsmaterialen.

Dessutom är ingjutning ofta behäftat med kvalitetsproblem beroende på varierande vidhäftning av gjutmassan mot kretsytan.

Ytterligare ett problem med denna typ av skydd är ofta den onödigt höga vikten. _ . Antennelement, som i sin grundform består av en apertur i ett jordplan omgiven av en mikrostripledning på ena sidan och ett dielektrikaskikt med en så kallad patch (metallplatta) på andra sidan, är kända under namnet patchantenner eller mikostripantenner.

Dessa framställs vanligen genom samma fabrikationsteknik som etsade mönsterkort. Ett problem med denna tillverkningsteknik är att den är relativt långsam, beroende på långa härdtider hos de epoxihartser som används som dielektrika, ett annat problem är den relativt dåliga form- barheten hos de vanligen använda metallfolierna, vilket inte medger en enkel och integrerad formning till en kapsel. Dessa så kallade patch- antenner har därför enbart använts som komponenter med endast elektrisk anslutning och har ej varit fogade så att de bildar en hermetisk kapsel enligt en billig metod, lämpad för massfabrikation.

Flera andra kapslingsprinciper är etablerade och i exempelvis det svenska patentet SE 508 364 beskrivs en elegant metod för skärmning och fuktskydd av massfabricerad elektronik, men dessa måste med etablerad teknik kombineras med antenner och anslutningar, som inte medger en-täthet och korrosionsbeständighet av tillräcklig kvalitet, vilket medför en problematisk komplexitet och sårbar konstruktion i svår miljö.

Som vi ser i den ovanstående beskrivningen av etablerad teknik, före- ligger olika metoder hur olika delproblem kan lösas. En integrerad lösning som erbjuder en kombination av lösningar på de olika tekniska kraven och som enkelt låter sig massfabriceras till ett lågt pris, föreligger inte med en för fackmannen känd metod.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är att undanröja de problem som är för handen vid befintliga anordningar för kapsling av radioelektronik samt även anvisa en oproblematisk metod att tillverka sådana kapslar. 10 20 30 40 524 956 Uppfinningen tar fasta på att omsluta elektronikkretsen med ett metall- skal av valsad plåt med en eller flera patchantenner, som resonerar med en mikrostripledare med mellanliggande dielektricum mot jord- planet. Således bildande en så kallad patchantenn enligt någon känd princip. Desssa principer visas exempelvis i boken ”Microstrip anten- nas, the analysis and design of microstrip antennas and array” av David M Pozar och Daniel H Schaubert.

. De vanliga principerna är: probmatad patchantenn, aperturmatad, mikrostripmatad och elektromagnetiskt matad patchantenn.

Uppfinningen kombinerar två väsentliga funktioner, dels att omsluta elektroniken med ettjordat, ”skräddarsytt” metallhölje, skärmnings- organet, dels att i detta integrera en hermetiskt tät patchantenn, strålningsorganet. ' Uppfinningen bibringas med hjälp av skärmningsorganet härmed egenskapen att skärma för yttre elektromagnetisk påverkan, dessutom bildar uppfinningen en kapsel som skyddar den inneslutna radio- elektroniken mot fukt och luftföroreningar.

Genom att kapseln i alla sina ytor huvudsakligen innehåller metallskikt, är fuktdiffusionen försumbar och kapseln också tillräckligt hermetisk för att skydda kretsen även ifuktig miljö.

Skärmningsorganet och strålningsorganet består huvudssakligen av valsad tunn metallfolie, exempelvis mässing 0,1 mm och som dielektrika och fogningsmaterial används termoplastfilm som har egenskapen att vidhäfta mot metall.

Vid tillverkning av kapslar enligt uppfinningen är utgångsmaterialet plan bandformig metallfolie, som bearbetas genom stansning, laserskärning eller etsning för att bilda aperturer, mikrostripledare och patchrar.

Dessa fogas i plan form genom mellanlägg av termoplastfilm och tryck och värme, exempelvis 0,1 bar, 150 °C. Vid denna operation beläggs även andra ytor i kapseln som senare skall fogas mot andra kapseldelar eller, exempelvis, elektronikkrets, med samma typ av termoplastfilm. Därefter formas delar av det blivande skärmnings- organet genom plastisk deformation, i kallt tillstånd, i ett pressverktyg och en press, så att utrymme bildas som skall rymma elektronik- kretsen. Därefter ansluts elektronikkretsen till strâlningsorganets mikrostripledning och skärmningsorganet försluts genom smältlimning av de olika delarna i skärmningsorganet med de tidigare applicerade mellanliggande termoplastfilmerna. 10 20 30 40 524 956 1/ Utgångsmaterialen är billiga och inte av onödigt stor mängd. Både valsad bandfomrig metallfolie och extruderad och blåst termoplast är av lägsta möjliga pris.

Hålbearbetningen är snabb. Fogningen mellan termoplast och metall genom värme och tryck är snabb.

Pressningen av kapselns form är mycket snabb.

Kapseln är lätt och miljövänlig att tillverka.

Dessutom är metallerna lätta att återvinna efter avbränning av plastmaterialet, när livslängden är slut.

De nackdelar som är behäftade med befintlig teknik ärfhärmed eliminerade.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en genomskärning av en anordning med integrerad aperturmatad antenn för kapsling av radioelektronik i en utföringsform med elektronikkretsen monterad i form av ett kretskort och med batteri för energiförsörjning och i ett utförande enligt uppfinningen.

Figur 2 visar en genomskärning av en annan utföringsform av uppfin- ningen där elektriska komponenter monterats på ett utvidgat mönster i strålningsorganets mikrostripledare och vid denna figur visas två strålningsorgan.

Figur 3 visar en schematisk bild av de olika stegen vid ett sätt att tillverka anordningen. l figur 1, 2 och 3 är tjockleken på de ingående materialen kraftigt överdriven för att göra figurerna tydliga.

FÖREDRÅGEN UTFÖRINGSFORM I figur 1 visas ett typiskt utförande av en anordning med integrerad antenn för kapsling av radioelektronik. innefattande ett Skärmnings- organ 1 och ett strålningsorgan 2.

Skärmningsorganet 1 består av två halvor 3, 4 varav ena halvan 3 dragits till en form bildande en tillsluten kavitet 5 som innesluter ett 10 20 30 40 524 956 s' kretskort 6 med monterade elektronikkomponenter 7 och ett batteri 8.

Skärmningsorganets 1 halvor 3, 4 är anslutna till kretsens 6 jordytor och i den ena halvan 3 finns en apertur 9 som på in- och utsidan är försedd med ett vidhäftande plastskikt 10 och på insidan en mikrostrip- ledare 11 och på utsidan en metallpatch 12 som tillsammans bildar en patchantenn som utgör strålningsorganet 2 genom anslutningen 13 av - radiosignalen mellan mikrostripledaren 11 och kretsen 6.

Skärmningsorganets1 halvor 3, 4 är förslutna med ett vidhäftande plastskikt 14 och bildar en kapsel som skyddar kretskortet 6 och dess komponenter 7 samt batteriet 8 och anslutningen 13 till mikrostrip- ledaren 11 för skadlig påverkan av exempelvis fukt, samtidigt som dessa delar även skyddas för inducerade elektromagnetiska störningar.

Anordningens strålningsorgan 2, bestående av aperturen 9, mikro- stripledare 11 och patch 12 med mellanliggande plastskikt 10, som utgör dielektrika i den, för den aktuella frekvensen avstämda dimen- sioneringen med syftet att erhålla resonans med god verkningsgrad, utgör ett effektivt hinder mot fuktdiffusion på grund av de ingående metallytornas 11, 12 överlappning i förhållande till aperturen 9. Sålunda bildar anordningen en väder- och strålningssäker enhet som kan kommunicera med radiostrålning 15 vid en viss frekvens. l figur 2 visas en genomsnittsbild på en anordning enligt uppfinningen i ett alternativt utförande, där skärmningsorganets 16 ena halva 17 på insidan är laminerad mot ett plastskikt 19 med ett ledningsmönster 20 i mikrostriputförande och med monterade elektronikkomponenter 21, sålunda bildande ett integrerat kretskort som via radiostràlning kan kommunicera genom två olika strålningsorgan 22, 23, avsedda för olika frekvenser.

Förutom de i figurerna beskrivna exemplen kan även andra varianter förekomma. Exempelvis kan ytterligare metallskikt tillfogas med mellanliggande dielektrika på insidan av signalledningen, så att denna får en striplinefunktion med syftet att förbättra den interna skärmningen.

Multipelmönster av patchar kan användas, med eller utan fasförskjut- ning av signalen, flera patchar kan placeras ovanpå varandra med mellanliggande dielektrika i syfte att påverka bandbredd och lobgeo- metri. Skärmningsorganet kan utformas med flera olika kaviteter i syfte att särskilja olika kretscentra.

I figur 3 visas ett schematiskt exempel på en kombination av tillverk- ningsmetoder som representerar ett sätt att tillverka anordningen enligt uppfinningen. 10 20 30 524 956 a Vid a) visas i centrum en plåt med stansad apertur 32 omgiven av ett övre laminat 30,31 och ett undre laminat 33, 34. Laminaten består av en termoplastfilm av en typ som vidhäftar mot metall 31,33 och valsad metallfolie 30, 34. Laminaten är tillverkade genom att anbringa värme och tryck.

Vid b) visas samma delar men metallskikten i det ena laminatet 35 är etsad med hjälp av fotoresist och kontaktkopiering så att en patch .bildats och på samma sätt har en mikrostripledare bildats i det andra laminatet 36. Aperturen i plåten 32, patchen i laminatet 35 samt mikro- stripledaren i laminatet 36 har orienterats till varandra i lateralplanet såsom avses till bildandet av ett strålningsorgan.

Vid c) visas hur de nyss nämnda tre delarna lamineras med värme och tryck, enligt pilarna, så att ett sammanhängande laminat bildas 37 med aperturen i centrum 32.

Vid d) visas hur det nyss nämnda laminatet 37 deformeras till en tre- dimensionell form genom att pressa, enligt pilarna, mot ett formnings- verktyg 38, så kallad djupdragning eller hydrostatisk pressning.

Vid e) visas hur det nyss formade laminatet 37 placerats mitt för en annan laminatdel 39 till skärmningsorganet och en elektronikkrets 6 blivit innesluten, varpå värme och tryck anbringas mot ett fogområde via ett pressningsverktyg 40, 42.

Vid t) visas hur de nyss nämnda laminaten 37, 39 blivit sammanfogade genom att plastskikten smält samman i fogen till en anordning med strålningsorgan och som bildar en fukttät kapsel 43 runt kretsen 6.

Anordningen enligt uppfinningen samt sättet att tillverka den kan variera på olika sätt och begränsas endast av patentkraven.

Claims (11)

1. 524 956 s

2. PATENTKRAV

3. En anordning med integrerad antenn för kapsling av radioelektronik (6, 7, 8), innefattande strålningsorgan (2) och skärmningsorgan (1) för omslutning av elektkronikkretsarna och bestående av en första plåt (3) med minst en apertur (9) och på vardera sidan anordnade dielektrika- skikt (10), på den ena sidans dielektrikaskikt är en eller flera patchar (12) anordnade, var och en överlappande en apertur (9), mot den andra _ sidans dielektrikaskikt är mikrostripledare (11) som är anslutna till de omslutna elektronikkretsarna (6) anordnade för matning av varje apertur (9) k ä n n e t e c k n a d a v en andra plåt (4) som är sammanfogad med den första plåten (3) medelst termoplast (14) bringad till fast- smältning medelst värme och tryck, minst en av plåtarna (3, 4) är formad så att minst en kavitet bildas för kapsling av elektronikkretsarna då plåtarna är fogade, patcharna (12) är laminerade mot den första plåten (3) medelst ett termoplastskikt på dess från kaviteten vända yta under bildande av dielektikaskiktet mellan patcharna (12) och aperturerna (9) varvid en fukttät förbindning fås.

4. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att dielektrikaskiktet mellan mikrostripledarna (11) och strålningsorganets (2) aperturer (9) består av termoplast.

5. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att dieletrikaskiktet mellan mikrostripledarna (11) och strålningsorganets (2) aperturer (9) består av luft.

6. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att dielektrikaskiktet mellan mikrostripledarna (11) och strålningsorganets (2) aperturer (9) består av keramik.

7. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att dielektrikaskiktet mellan mikrostripledarna (11) och strålningsorganets (2) aperturer (9) består av härdplast.

8. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att dielektrikaskiktet mellan mikrostripledarna (11) och strålningsorganets (2) aperturer (9) bestlår av dielektrisk vätska.

9. Anordning enligt något av patentkrav 1 - 6 k ä n n e t e c k n at a v att de av skärmningsorganet (1) inneslutna elektronikkretsarna är monterade på kretskort (6).

10.

11. 524 956 Y Anordning enligt något av patentkrav 1 - 6 k ä n n e t e c k n at a v att de avskärmningsorganet (22, 23) inneslutna elektronikkretsarna som består av elektronikkomponenter (21) är monterade mot mikrostripledningarna (20) i strålningsorganen (22,23). Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att dielektrikaskiktet mellan ~ mikrostripledarna (11) och skärmningsorganets (1) första plåt (3) och det sammanfogande termoplastskiktet (14) består av en sammanhängande termoplastfilm som är laminerad mot den första plåten (3). Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att skärmningsorganets (1) första plåt (3) på båda sidor är laminerad mot sammanhängande termoplastfilm sålunda bildande dielektrikaskiktet mellan patchar (12) och aperturer (9) och mellan mikrostripledarna (11) och aperturer (9). Sätt att tillverka en anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att valsad plan metall mönstras genom stansninng, laserskärnlng eller etsning genom resistmask och att dessa bildade metallmönster lamineras mot vidhäftande termoplastfilm med hjälp av värme och tryck bildande ett mönstrat laminat där mönstrad metall i multipla lager arrangeras så att patchar, skärmningsorgan med aperturer och striplineledare orienteras sins emellan med mellanliggande dielektrikaskikt som formas genom djupdragning eller hydrostatisk pressning till kaviteter vilka bringas omsluta kretsar som ansluts till de delar i mönstren som utgöra strålningsorgan och slutligen förslutas kaviteternas kanter genom smältlimning mot dessa ytors termoplastfilm.