DE10029847A1 - Hochfrequenz-Phasenschieberanordnung und Antennenanordnung mit einer solchen Phasenschieberanordnung - Google Patents

Abstract

Insbesondere für kompakte und kostengünstige Gruppenantennen wird eine Phasenschieberanordnung vorgeschlagen, bei welcher mittels eines mikromechanischen Aktors eine metallische Struktur mit geringem Hub senkrecht zu einem dielektrischen Wellenleiter verschiebbar ist und dabei die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Wellenleiter verändert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Phasenschieberanordnung sowie eine Antennenanordnung mit einer solchen Phasenschieberanordnung.

Bei Antennen mit mehreren Antennenelementen, insbesondere sogenannten Gruppenantennen, sind Form und Ausrichtung des Antennendiagramms maß­ geblich durch die relative Phasenlage bestimmt. Insbesondere sind Form und Ausrichtung des Diagramms durch Veränderung der relativen Phasenlagen variabel.

Allgemein bekannt sind elektronisch steuerbare Gruppenantennen mit einer Mehrzahl von Antennenelementen, welche jeweils mit einem elektronisch steu­ erbaren digitalen Phasenschieber ausgestattet sind. Derartige Antennen und Phasenschieber sind beispielsweise in "High Resolution Radar Cross-Section Imaging" von D. L. Mensa, Artech House 1991 beschrieben.

Eine demgegenüber kostengünstige Gruppenantenne für eine Automobil- Radarantenne ist in "An automative 77 GHz radar system designed for volume manufacture" von Redfern et al. in Microwave Engineering Europe, December 1999/Januar 2000 beschrieben. Bei dieser Antenne dient ein dielektrischer Wellenleiter als Serienspeiseleiter einer Gruppenantenne. Ein Metallzylinder ist exzentrisch so gelagert, daß bei Rotation des Zylinders der Abstand seiner Mantelfläche vom Wellenleiter variiert und dabei die Ausbreitungsgeschwindig­ keit im Wellenleiter geändert wird. Damit wird auch die Laufzeit zwischen zwei Auskoppelstellen und damit die Phasenlage seriell gespeister Elemente oder Gruppen von Elementen beeinflußt. Mit der Rotation des Zylinders erfolgt eine periodische Hin- und Herschwenkung des Diagramms in einer Ebene.

In "Application of MEMS in Communication Satellites", S. J. Fiedziuszko, in XIII International Converence on Microwaves, Radar and Wireless Communica­ tions, Wroclaw, Polen, 22.-24. Mai 2000, S. 201-211 sind verschiedene mi­ kro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) beschrieben. Beispielsweise kann die Flächenbelegung einer Antenne mit planaren Antennenelementen durch MEMS-Schalter zwischen benachbarten Elementen geändert werden. Weiter ist ein kurzer Hinweis auf steuerbare Antennen mit MEMS-basierten Phasen­ schiebern oder mit Veränderung der Antennenfläche über MEMS-Aktoren ge­ geben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, kleinvolumige und flexibel steuerbare Phasenschieberanordnung sowie eine Antennenanord­ nung mit einer solchen Phasenschieberanordnung anzugeben.

Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrie­ ben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung.

Mit der erfindungsgemäßen Phasenschieberanordnung ist eine analoge Pha­ senbeeinflussung möglich, welche durch die Steuerung über ein elektrisches Signal besonders einfach und insbesondere sehr flexibel handhabbar ist.

Die Beeinflussung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle in einem dielektrischen Wellenleiter durch eine in geringer Entfernung vom Wellenleiter liegende elektrisch leitende Fläche ist an sich bekannt und auch bei der eingangs genannten Anordnung mit dem exzentrisch rotierenden Metallzylinder ausgenutzt.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in einer Ausführungsform mit einem mi­ kromechanischen Aktor. Derartige mikromechanische Elemente, welche insbe­ sondere durch die Anwendung der aus der Herstellung integrierter Schaltungen bekannten und erprobten Technologien charakterisiert sind, erlauben die ko­ stengünstige Herstellung sehr kleiner Strukturen in großen Stückzahlen. Insbe­ sondere kommt dabei die zwei- oder dreidimensionale Strukturierung durch Ätzprozesse zum Einsatz.

Die elektrisch leitende Struktur wird unter der Einwirkung des elektrischen Steuersignals in einer Richtung senkrecht zur gegenüberstehenden Oberfläche des dielektrischen Wellenleiters verschoben. Durch den für die signifikante Be­ einflussung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit geringen Abstandsbereichs der elektrisch leitenden Struktur, läßt sich eine sehr geringe Bautiefe der ge­ samten Anordnung realisieren. Der Abstand der leitenden Struktur von dem dielektrischen Wellenleiter beträgt vorzugsweise wenigstens 5 µm, insbesonde­ re wenigstens 20 µm, und höchstens 400 µm, insbesondere höchstens 200 µm.

Die elektrisch leitende Struktur ist vorteilhafterweise metallisch und vorzugswei­ se als eine auf einem isolierenden Substrat abgeschiedene Metallschicht aus­ geführt. Das Substrat kann insbesondere ein in der Halbleitertechnik gebräuch­ liches Material, insbesondere ein Halbleitermaterial oder eine chemische Ver­ bindung eines solchen, wie beispielsweise Silizium oder Siliziumdioxid, sein.

Die leitende Struktur weist gemäß einer vorteilhaften einfachen Ausführung ei­ ne einfach geometrische Form, insbesondere eine Rechteckform auf und bildet eine ebene Fläche, welche parallel zu der gegenüberliegenden Fläche des Wellenleiters verläuft.

Die leitende Struktur ist vorteilhafterweise relativ zu einem feststehenden Trä­ ger entgegen einer Rückstellkraft aus einer Ruhestellung auslenkbar. Insbe­ sondere kann die leitende Struktur als eine in einer Aussparung eines Trägers einseitig oder vorzugsweise mehrseitig über elastische Verbindungen, insbe­ sondere elastisch verformbare Stege aufgehängte Membran ausgeführt sein.

Die Membran und der in gleicher Ebene umgebende Trägerrand sind vorzugs­ weise als einheitliche Schicht hergestellt und durch Ätzen strukturiert.

Die leitende Struktur kann insbesondere bei ausgedehntem dielektrischem Wellenleiter in mehrere Teilelemente aufgeteilt sein, welche dann durch indivi­ duelle Ansteuerung einen weiteren Freiheitsgrad in der Flexibilität der Anten­ nensteuerung bieten.

Beispielsweise können in einer vorteilhaften Anwendung solcher Phasenschie­ beranordnungen in einer Gruppenantenne mit einem geraden dielektrischen Wellenleiter als Serienspeisung von in Längsrichtung des Wellenleiters beab­ standeten Antennenelementen, welche in vorzugsweise gleichen Abständen längs des Wellenleiters angekoppelt sind, jeweils in gleicher geometrischer Teilung wie die Koppelstellen aufeinanderfolgend Phasenschieber-Teilelemente liegen, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem jeweiligen Abschnitt beeinflussen. Die Teilelemente können insbesondere auf gleicher Höhe wie die Koppelstellen oder jeweils zwischen zwei Koppelstellen liegen.

Bei einheitlicher Ansteuerung aller Teilelemente ergibt sich längs des Wellen­ leiters bzw. der Folge von Antennenelementen in dieser Richtung eine lineare Phasenprogression mit über das gemeinsame Steuersignal veränderbarer Rampensteigung. Das Antennendiagramm ist dadurch bei im wesentlichen gleichbleibender Form in verschiedene Richtungen ausrichtbar. Im Sonderfall eines kontinuierlich veränderten Steuersignals ergibt sich eine Diagramm­ schwenkung in einer Ebene. Von Bedeutung ist aber, daß mit der erfindungs­ gemäßen Phasenschieberanordnung ein schnelles Umschalten von Ausrich­ tungen des Diagramms durch einfaches Umschalten des Steuersignals möglich ist und somit eine flexiblere Abtaststrategie insbesondere eines Radars reali­ siert werden kann. Beispielsweise kann zwischen einem Suchmodus mit gleichmäßiger Diagrammschwenkung und einem Verfolgungsmodus mit auf ein Ziel gerichtetem und nachgeführtem Diagramm umgeschaltet werden.

Bei individueller Ansteuerung der mehreren Teilelemente mit ggf. unterschiedli­ chen Steuersignalen kann zusätzlich eine nichtlineare Phasenprogression ein­ gestellt und damit auch die Diagrammform verändert werden. Insbesondere kann dadurch in Abhängigkeit vom Betriebsmodus und/oder von einem erfaß­ ten Ziel eine angepaßte Diagrammform eingestellt werden. Es ist prinzipiell auch möglich, ein Richtdiagramm mit zwei oder mehr unabhängig formbaren und/oder schwenkbaren Richtkeulen zu erzeugen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen vorteilhaften Schichtaufbau einer Zeilenantenne;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen beispielhaften mikromechanischen Aktor.

Der in Fig. 1 skizzierte Aufbau einer Zeilenantenne sieht mehrere Lagen vor, welche vorteilhafterweise planar ausgeführt sein können und aufeinanderlie­ gend zu einem kompakten Körper zusammengefügt sein können.

In einer ersten Lage L1 sind auf einem isolierenden Substrat MS mehrere, vor­ zugsweise gleichartige Elektronikmodule ME ausgebildet, welche jeweils eine Steuerspannung für die einzelnen mikromechanischen Aktoren erzeugen oder aus einer vorgebbaren Spannungspalette auswählen. Die Elektronikmodule können diskrete Bauelemente und/oder in als integrierte Schaltungen im Substrat MS realisierte elektronische Bauelemente enthalten. Jedem Aktor sei ein eigenes Elektronikmodul zugeordnet.

Eine zweite Lage L2 enthält auf einem isolierenden Substrat ES eine Mehrzahl von flächigen Elektroden EE, welche jeweils einen Teil eines Aktors bilden. Die Elektroden sind gegeneinander isoliert und durch das Substrat ES hindurch oder über die Substratkante mit jeweils einem der Elektronikmodule verbunden.

In einer dritten Lage L3 sind in einem isolierenden Trägerkörper TK Ausspa­ rungen AU erzeugt, welche wenigstens von der oberen Trägerkörperfläche in den Trägerkörper hineinragen, aber auch durch den Trägerkörper hindurchge­ hend ausgeführt sein können. Die Aussparungen sind rechteckig und in den Aussparungen sind, mit umlaufendem Abstand zum Rand der Aussparungen rechteckige Membranen AK an allen vier Seiten über dünne elastische Stege ST aufgehängt mit Bewegungsspielraum senkrecht zur Ebene des Substrats in die Aussparung AU hinein. Wenigstens eine Fläche der Membranen ist jeweils elektrisch leitend. Vorzugsweise sind die leitenden Flächen aller Membranen AK mit einem gemeinsamen Bezugspotential verbunden. Die leitenden Flächen können auch untereinander elektrisch leitend verbunden sein. Die Membranen können bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden EE unter dem Einfluß des elektrostatischen Feldes unter elastischer Deformation der Stege ST zu den Elektroden hin und damit vom dielektrischen Wellenleiter WL der vierten Lage weg verschoben werden. Durch besondere Formgebung für die elastischen Stege kann der mögliche Verschiebungsweg erheblich vergrößert werden.

Anstelle der allseitigen Aufhängung an dünnen elastisch verformbaren Stegen kann eine Membran auch lediglich einseitig über einen längeren Kantenab­ schnitt durch einen elastisch umbiegbaren Streifen oder mehrere Stege mit dem Rand der Aussparung verbunden sein. Anstelle der Hubbewegung der Ausführung mit mehrseitiger Aufhängung der Membranen führt eine einseitig gehaltene Membran eine Schwenkbewegung um das durch den Verbindungs­ streifen gebildete reibungsfreie Gelenk durch. Die Schwenkbewegung verläuft bei den kleinen möglichen Schwenkwinkeln im wesentlichen wieder senkrecht zu der gegenüberstehenden Fläche des Wellenleiters WL.

Der dielektrische Wellenleiter WL, welcher die vierte Lage L4 bildet, besteht aus verlustarmem, typischerweise homogenem Dielektrikum und weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Wellenleiter liegt mit einer planen Fläche auf dem Trägerkörper der dritten Lage L3 auf, wobei vorzugsweise durch Ab­ standselemente und/oder durch Absenkung der Ebene der oberen Membran­ flächen gegen die obere Trägerkörperfläche auch in der Ruheposition der Membranen ein schmaler Spalt zwischen Membran und Wellenleiter bleibt.

Auf der den Aktoren abgewandten Fläche des Wellenleiters WL sind Koppel­ strukturen KS zur Ankopplung von Antennenelementen vorgesehen, welche im skizzierten Beispiel als Koppelschlitze KS ausgeführt sind. Verschiedene ande­ re Koppelstrukturen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt.

Auf den Wellenleiter WL folgt als fünfte und letzte Lage das Antennenarray, welches vorteilhafterweise wie skizziert Antennenelemente PA in Form metalli­ scher Flächen, sogenannter Patch-Antennenelemente in Zeilenanordnung auf­ weist. Die Antennenelemente haben in der Skizze gleiche Rechteckform, ande­ re Formen, insbesondere runde Antennenelemente oder ungleiche Flächen sind an sich bekannt. Zum Aufbau von derartigen Patch-Antennen mit Details zu Anordnung von Speisepunkten, Masseflächen etc. sowie einer Vielzahl an­ derer Antennenformen kann auf umfangreiche Vorarbeiten und Kenntnisse aus dem Stand der Technik aufgebaut werden. Eine zweidimensionale Anordnung von Antennenelementen kann beispielsweise in Form einer an sich bekannten Zeilen-Spalten-Gruppierung von Elementen vorgenommen werden. Dabei kann eine Zeile mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Phasenschieberanord­ nung ausgestattet sein und die Elemente der anderen Zeilen sind in Spalten­ richtung mit den Elementen bzw. dem Wellenleiter der erstgenannten Zeile in fester Phasenbeziehung verbunden. Besonders vorteilhaft ist, daß durch das geringe Bauvolumen der erfindungsgemäßen Phasenschieberanordnung in mehreren oder allen Zeilen Phasenschieberanordnungen der beschriebenen Art angeordnet werden können und auf eine diese Weise eine besonders flexi­ ble Antennensteuerung in zwei Richtungen möglich ist. Die Speisung der meh­ reren Zeilen kann aus einem gemeinsamen Serienspeisungs-Wellenleiter mit seitlich abgezweigten Wellenleitern oder vorzugsweise über mehrere vollstän­ dige parallele Zeilen mit jeweils eigenem Serienspeisungs-Wellenleiter erfol­ gen. Die relative Phasenlage der einzelnen Zeilen kann dabei gleichfalls in ent­ sprechender Weise in einer Verzweigung oder am Eingang des jeweiligen Wellenleiters veränderlich einstellbar sein.

Es sei betont, daß sowohl Fig. 1 als auch Fig. 2 nicht maßstäblich gezeichnet sind und die Größenverhältnisse der gezeichneten Elemente und Bestandteile in der Realität zum Teil erheblich vom Eindruck der Skizzen der Fig. 1 und Fig. 2 abweichen.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen zusammengefügten Aufbau skizziert. Abweichend vom Aufbauprinzip nach Fig. 1, wo die Grenzen benachbarter Ak­ toren mit den Grenzen benachbarter Antennenflächen zusammenfallen, zeigt Fig. 2 eine Anordnung, bei welcher die Grenzen zwischen benachbarten Aktoren etwa mit den Mitten der Koppelschlitze zusammenfallen, Antennenele­ mente und Aktoren in Zeilenrichtung also auf Lücke gegeneinander versetzt sind.

Fig. 2 zeigt nochmals schematisch die Elektronikmodule ME in der Lage L1 und die Antennenelemente PA in der Lage L5 mit der Ankopplung über Koppelstifte TS an die Koppelstrukturen KS des Wellenleiters WL in der Lage L4.

Die Steuerelektroden EE auf dem Substrat SE der Lage L2 sind durch das Substrat SE hindurch mit den Elektronikmodulen ME kontaktiert und so mit ei­ ner je Elektrode individuell einstellbaren Steuerspannung versorgbar. Der Trägerkörper TK der Lage L3 weist im Beispiel der Fig. 2 durch die ge­ samte Schicht hindurchreichende Aussparungen auf, deren Ränder auf der der Lage L2 zugewandten Fläche die Elektroden umgeben. Die Aussparungen können aber auch lediglich als Vertiefungen im Trägerkörper ausgeführt sein, so daß der Trägerkörper zu den Steuerelektroden hin eine geschlossene Flä­ che aufweist.

Die Membranen AK enthalten auf einer Platte PL, welche insbesondere durch Ätzprozesse an einer vollständigen durchgehenden Materialschicht für den Trägerkörper mit geringer Dicke erzeugt und gegen die Ränder der Aussparun­ gen AU abgesetzt ist, eine metallische Schicht MA, welche vorzugsweise auf der dem Wellenleiter WL zugewandten Seite der Platte PL liegt. Der Trägerkör­ per und die Platte PL können beispielsweise aus Silizium bestehen. Die Dicke der Platte liegt für Silizium als Material typischerweise bei ca. 5-10 µm, insbesondere 10-25 µm und ist wesentlich geringer als die Dicke des Trägerkör­ pers, welche typischerweise bei ca. 100-1000 µm, insbesondere 200-500 µm liegt. Die Membranen können beispielsweise Kantenlängen zwischen 1 mm und 10 mm aufweisen.

Die schmalen Stege ST, über welche die Platte PL an den Rändern der Aus­ sparungen AU mit dem Trägerkörper verbunden ist, können zur Erzielung der gewünschten elastischen Verformbarkeit mit nochmals verringerter Dicke ge­ genüber der Platte PL ausgeführt sein. Die größere Materialdicke der Platte PL verringert die Durchbiegung der Platte bei der Auslenkung.

Die obere Fläche der Platte PL bzw. einer darauf befindlichen Metallschicht MA ist im Ruhezustand der Membran, d. h. bei nicht elastisch verformten Stegen ST vom Wellenleiter WL gering beabstandet, was z. B. durch eine Absenkung der Plattenfläche gegen die obere Fläche des Trägerkörpers mittels eines Ätz­ prozesses oder durch Zwischenfügen von Distanzelementen z. B. im Rahmen einer Klebeschicht zwischen Trägerkörper und Wellenleiter WL erfolgen kann. Der Ruheabstand D zwischen Wellenleiter WL und Metallschicht MA liegt bei wenigstens 5 µm, insbesondere wenigstens 20 µm. Durch Anlegen einer Span­ nung an die Steuerelektrode SE wird die Membran in dem elektrostatischen Feld zwischen Elektrode EE und Metallschicht MA in Pfeilrichtung nach unten gezogen und der Abstand zum Wellenleiter vergrößert sich.

Der Einfluß der Metallschicht auf die Wellenausbreitung, welcher kapazitive und/oder induktive Wirkung haben kann, verringert sich und die Ausbreitungs­ geschwindigkeit einer Welle im Wellenleiter verändert sich wie gewünscht. Das Ausmaß der Auslenkung ist über die an die Steuerelektrode angelegte jeweilige Steuerelektrode einstellbar.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildun­ gen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen realisierbar.

Claims (13)

1. Hochfrequenz-Phasenschieberanordnung, bei welcher eine hochfre­ quente elektromagnetische Welle in einem dielektrischen Wellenleiter geführt ist und über wenigstens einen Abschnitt des Wellenleiterverlaufs von Wellenleiter gering beabstandet eine elektrisch leitende Struktur an­ geordnet ist, deren Abstand zum Wellenleiter durch eine Bewegung senk­ recht zur gegenüberstehenden Wellenleiterfläche nach Maßgabe eines elektrischen Steuersignals veränderbar ist und welche dabei die Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit der Welle im Wellenleiter beeinflußt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Struktur relativ zu einem feststehenden Träger entgegen einer Rückstell­ kraft aus einer Ruhestellung auslenkbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Struktur eine in einer Aussparung aufgehängte Membran enthält.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Struktur Teil eines mikromechanischen Aktors ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Struktur aus mehreren Elementen aufgebaut ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Elemente mit einem gemeinsamen Steuersignal beaufschlagbar sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Elemente individuell mit unterschiedlichen Steuersignalen beaufschlagbar sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Struktur eine parallel zu einer Außenfläche des Wellen­ leiters verlaufende Fläche bildet.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Struktur als metallische Schicht auf einem isolierendem Substrat ausgebildet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der leitenden Fläche von dem Wellenleiter wenigstens 5 µm, insbesondere wenigstens 20 µm, und höchstens 400 µm, insbeson­ dere höchstens 200 µm beträgt.

11. Hochfrequenz-Antenne mit mehreren Antennenelementen, wobei in die Zuleitung wenigstens eines Antennenelements eine Phasenschieberan­ ordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingefügt ist.

12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein linearer dielektrischer Wellenleiter als Serienspeiseleiter mit beabstandet aufeinanderfolgenden Koppelstellen für eine Folge von Antennenele­ menten gegeben ist und die Phasenschieberanordnung Teilelemente je­ weils auf einem Abschnitt des Wellenleiters entsprechend dessen Unter­ teilung durch die Koppelstellen vorgesehen ist.

13. Antenne nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente in mehreren Zeilen angeordnet und je eine Phasen­ schieberanordnung in wenigstens zwei Zeilen vorhanden ist.