Technologies for injection molded antennas for mass production

Abstract

(English) The deployment of 5G antenna infrastructure and the mandatory adoption of anti-collision radars for automotive cars will require large amount of antennas operating in the millimeter and sub-millimeter wavelength. These antennas are usually arrays and the possibility to manufacture the antenna array including the feeding network and the radiating element as a plastic piece reducing the need to use large (Printed Circuit Boards) PCB’s on expensive dielectric substrates, can be an interesting manufacturing technology. In this regard, waveguide-based antennas can be assembled using plastic technology with a proper metallization procedure. They are more scalable in terms of efficiency than microstrip line (ML) antennas and as the number of antennas in the array increases the gain is not reduced due to the losses in the substrate. In this thesis, the industrial challenges of this technology are addressed. A detailed tolerance study by including the plastic manufacturing errors, typically +-0.1mm, is carried out in order to check the feasibility of plastic antennas to address mass production. The antennas will need to be integrated with the radar chipsets, so a transition between the chip and the waveguide-antennas will be presented. These transitions can act as a direct chip-waveguide launcher, potentially reducing the need of using large substrates, hence reducing the cost of the antenna. Also, the need to apply metal coating is also explored to achieve the desired performance. Conventional techniques such as copper electrodeposition is used. The main drawback is that the copper has a lot of difficulties depositing into right angle surfaces. Eventually, these antennas will have to be integrated in the aesthetics of a car, usually behind a plastic radome (with its respective manufacturing errors as well) that will need to be designed and optimized properly in order to introduce the minimum distorsions to the radar. Optimization based on simulators done with commercial electromagnetic softwares like CST is not feasible due to the required large computation time. In this regard an ad-hoc ray-tracing based simulator has been developed to asses radome induced errors in radar performance. All these industrial problems are taken into account from the design stage where the time, price, fabrication tolerances and radiation requirements have to be compromised at the same time increasing dramatically the design complexity.

(Español) El despliegue de infraestructura de antenas 5G y la adopción obligatoria de radares anticolisión para automóviles requerirá una gran cantidad de antenas que operen en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas. Estas antenas suelen ser agrupaciones y la posibilidad de fabricar la agrupación de antenas, incluida la red de alimentación y el elemento radiante como una pieza de plástico, lo que reduce la necesidad de usar PCB grandes (placas de circuito impreso) en sustratos dieléctricos costosos, puede ser una tecnología de fabricación interesante. En este sentido, las antenas basadas en guía de ondas se pueden ensamblar utilizando tecnología plástica con un procedimiento de metalización adecuado. Son más escalables en términos de eficiencia que las antenas de línea microstrip (ML) y, a medida que aumenta el número de antenas en el arreglo, la ganancia no se reduce debido a las pérdidas en el sustrato. En esta tesis se abordan los retos industriales de esta tecnología. Se lleva a cabo un estudio de tolerancia detallado que incluye los errores de fabricación de plástico, normalmente +- 0,1 mm, para comprobar la viabilidad de las antenas de plástico para hacer frente a la producción en masa. Las antenas deberán integrarse junto con los chips de radar, por lo que se presentará una transición entre el chip y las antenas de guía de ondas. Estas transiciones pueden actuar como una transición directa de chip-guía, lo que podría reducir la necesidad de usar sustratos grandes y, por lo tanto, reducir el costo de la antena. Además, también se explora la necesidad de aplicar un recubrimiento metálico para lograr el rendimiento deseado. Se utilizan técnicas convencionales como la electrodeposición de cobre. El principal inconveniente es que el cobre tiene muchas dificultades para depositarse en superficies en ángulo recto. Eventualmente, estas antenas deberán integrarse en la estética de un automóvil, generalmente detrás de un radomo de plástico (con sus respectivos errores de fabricación también) que deberá diseñarse y optimizarse adecuadamente para introducir las mínimas distorsiones al radar. La optimización basada en simuladores realizados con software electromagnético comercial como CST no es factible debido al gran tiempo de cálculo requerido. En este sentido, se ha desarrollado un simulador basado en trazado de rayos ad-hoc para evaluar los errores inducidos por el radomo en el rendimiento del radar. Todos estos problemas industriales se tienen en cuenta desde la etapa de diseño donde el tiempo, el precio, las tolerancias de fabricación y los requisitos de radiación tienen que verse comprometidos al mismo tiempo que aumentan drásticamente la complejidad del diseño.