Preisträger der 23. Ausschreibung des Südwestmetall-Förderpreises

Foto Preisträger 2014

v.l.n.r.: Dr.-Ing. Stefan Beer (Preisträger), Dr. Harald Marquardt (stellv. Vorsitzender des Arbeitgeber-verbandes Südwestmetall)

 

Am 09.04.2014 dieses Jahres erhielt Herr Dr. -Ing. Stefan Beer von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik den mit 5.000 € dotierten Südwestmetall-Förderpreis für seine Doktorarbeit Methoden und Techniken zur Integration von 122 GHz Antennen in miniaturisierte Radarsensoren.

 

Kurzfassung der Dissertation: Methoden und Techniken zur Integration von 122 GHz Antennen in miniaturisierte Radarsensoren

Die Arbeit beschreibt Methoden und Techniken zur Realisierung eines vollintegrierten Radarsensors im Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz. Der hohe Frequenzbereich ermöglicht die Integration von Streifenleitungsantennen und einem hochintegrierten Radar-IC in ein gemeinsames Chip-Gehäuse, da die Antenne durch die Wellenlänge im Millimeterbereich ähnliche Abmessungen hat wie der IC selbst. Durch diese Integration resultiert ein abgeschlossenes Hochfrequenzsystem innerhalb des Gehäuses, dem nur noch Versorgungsspannungen und Steuersignale im niederfrequenten Bereich zugeführt werden müssen. Die Integration der Antenne in das Chip-Gehäuse stellt jedoch neuartige

Anforderungen sowohl an die Aufbautechnik als auch an die Verbindungstechnik zwischen IC und Antenne sowie an das Antennendesign selbst.

Die Einleitung gibt eine Einführung in das Themengebiet und erläutert die Motivation für die Arbeit. Im zweiten Kapitel wird aufbauend auf den Grundlagen der Aufbautechnik sowie den traditionellen Methoden der Gehäusetechnik im Millimeterwellenbereich der Stand der Technik von integrierten Antennen dargelegt. Nach einer Analyse dieser Methoden in Bezug auf die Anforderungen der vorlie-genden Arbeit werden die vielversprechendsten Ansätze ausgewählt, sowie neuartige Konzepte vor-gestellt.

Kapitel 3 beschreibt die notwendige Verbindung zwischen lC und Antenne. Nach einer Einführung der Drahtbond- und Flip Chip-Technologie werden beide Verbindungstechniken analysiert und modelliert, um ihre Eigenschaften im Millimeterwellenbereich zu untersuchen und kompensierte Verbindungen im Bereich um 122 GHz zu realisieren.

Im vierten Kapitel wird ein neuartiges Messsystem für hochintegrierte Antennen im Millimeterwellenbereich beschrieben, das im Rahmen dieser Arbeit konzipiert und realisiert wurde. Das System basiert auf einer Kontaktierung der Antennen mit koplanaren Messspitzen und ermöglicht die Charakterisierung der komplexen Impedanz, der Richtdiagramme, sowie des Gewinns von Streifenleitungsantennen im Frequenzbereich von 50 GHz bis 325 GHz.

Im nächsten Kapitel werden die theoretischen Grundlagen zur Realisierung von integrierten Antennen oberhalb 100 GHz dargelegt. Diese beschreiben die für elektrisch dicke Substrate auftretenden Oberflächenwellen sowie den Einfluss des Gehäuses auf das Antennenverhalten. Eine Methode zur Unterdrückung von Oberflächenwellen durch eine Gruppenanordnung von Antennenelementen wird theoretisch betrachtet und durch Feldsimulationen verifiziert.

Diese Methode bildet die Grundlage der in Kapitel 6 vorgestellten Antennendesigns. Das Funktionsprinzip dieser Antennen sowie deren neuartige Speisenetzwerke werden ausführlich erläutert. Zudem werden die Antennen messtechnisch verifiziert, wobei auch der Einfluss des Gehäuses und der Verbindung zwischen lC und Antenne untersucht und analysiert wird.

Anschließend werden als Anwendungsbeispiel zwei vollintegrierte 122 GHz Radarsensoren vorgestellt, deren Aufbautechniken und Antennendesigns vollständig auf den in der vorliegenden Arbeit entwickelten Methoden und Techniken basieren.

Abschließend werden die Schlussfolgerungen der Arbeit erläutert, um die wichtigsten Erkenntnisse sowie die neu entstandenen Methoden zusammenzufassen.