DE19607997A1

DE19607997A1 - Planar miniature radiator for decimetre waves

Info

Publication number: DE19607997A1
Application number: DE1996107997
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl Ing Dietzel; Lutz Dr Ing Rothe
Original assignee: ALPHASAT COMMUNICATION GmbH; DIGADES GmbH
Current assignee: ALPHASAT COMMUNICATION GmbH; DIGADES GmbH
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1997-09-11

Abstract

The radiator consists of a dielectric support of defined electric susceptibility, on which can be produced a thin layer structure by an additive or subtractive process. A planar conductive loop is formed on a dielectric support foil, and this is coupled to a capacitive conductive structure. The capacitive structure is in the form of an elongated two-electrode system, located in the same plane as the planar conductive loop. The two-electrode system is supported on the opposite face of the dielectric support by a conductive layer of defined geometry, and rectangular shape. A second conductive loop is formed on the obverse support side, aligned with the first loop.

Description

Aim of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung extrem miniaturisierter, flächenhaft gestalteter, flexibler sowie systemintegrierbarer Strahler für den Dezimeterwellenbereich, mittels derer die Abstrahlung bzw. der Empfang linear polarisierter elektromagnetischer Felder gerichtet für den Fall der zur Wellenlänge des transmittierten Signals vergleichsweise mehrfach geringeren Ausdehnung der längsten Kante der flächenhaften Struktur erfolgt. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung darin, hochselektive planare Strahlerelemente zu konfigurieren, deren Selektivität mittels der Möglichkeiten lasergestützter Abgleichverfahren hochgenau einzustellen ist.The aim of the invention is to configure extremely miniaturized, flat designed, flexible and system-integrated radiator for the decimeter wave range, by means of which the radiation or the reception of linearly polarized electromagnetic Fields directed in the case of comparatively to the wavelength of the transmitted signal expansion of the longest edge of the planar structure occurs several times less. Furthermore, the aim of the invention is to provide highly selective planar radiator elements configure their selectivity using the possibilities of laser-assisted adjustment procedures is to be set with high precision.

Field of application of the invention

Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt den Sektor der Übertragung von Informationen und Daten beliebiger Informationsstruktur.The field of application of the invention includes the sector of information transmission and data of any information structure.

State of the art

Der bekannte Stand der Technik wird anhand der folgenden Aussagen dargestellt:
Für die Konfigurierung miniaturisierter Strahler muß die mechanische Größe gegenüber der elektrisch wirksamen Größe des Strahlers verringert werden. Dazu können mehrere Methoden bei unterschiedlichen Formen der Strahler eingesetzt werden. Für stabförmige Strahler, die elektrisch mindestens ein Viertel der Wellenlänge groß sein müssen, wird in der Regel eine Verlängerungsspule dergestalt eingesetzt, daß der mechanisch verkürzte Strahler durch eine Spule elektrisch wieder auf die geforderte elektrische Länge gebracht wird. Diese Methode kann bis zur völligen Umwandlung des Strahlers in eine Spule fortgesetzt werden, hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß durch die starke mechanische Verkürzung des Strahlers die wirksame Strahlungsfläche und damit ebenfalls der Strahlungswirkungsgrad geringer werden. Werden planare Strahler in Form sogenannter Patches eingesetzt, muß für die Verkürzung ein dielektrischer Träger mit möglichst hoher Permittivität eingesetzt werden. Diese hohe Permittivität zieht ebenfalls einen schlechten Strahlungswirkungsgrad nach sich.The known state of the art is shown on the basis of the following statements:
For the configuration of miniaturized emitters, the mechanical size must be reduced compared to the electrically effective size of the emitter. For this, several methods can be used with different types of radiators. For rod-shaped radiators, which must be electrically at least a quarter of the wavelength long, an extension coil is generally used in such a way that the mechanically shortened radiator is electrically brought back to the required electrical length by a coil. This method can be continued until the radiator is completely converted into a coil, but has the decisive disadvantage that the effective radiation area and thus also the radiation efficiency are reduced due to the strong mechanical shortening of the radiator. If planar emitters in the form of so-called patches are used, a dielectric carrier with the highest possible permittivity must be used for the shortening. This high permittivity also results in poor radiation efficiency.

Soll der Strahler außer den geringen Abmessungen zusätzlich die Eigenschaft der Systemintegrierbarkeit aufweisen, ist eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Rückwirkungen der Umgebung sowie eine Feldstruktur, die die umgebenden Teile durchdringen kann, erforderlich. Dies ist bei beiden möglichen Strahlerformen nur bedingt gegeben.In addition to the small dimensions, should the spotlight also have the property of Having system integrability is highly insensitive to repercussions the environment as well as a field structure that can penetrate the surrounding parts, required. This is only possible to a limited extent with both possible lamp types.

Presentation of the nature of the invention

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung extrem miniaturisierter, flächenhaft gestalteter, zweiachsig flexibler sowie systemintegrierbarer Strahlerkomponenten vorzugsweise für den Dezimeterwellenbereich des elektromagnetischen Wellenspektrums, mittels derer die gerichtete Abstrahlung bzw. der gerichtete Empfang linear polarisierter elektromagnetischer Felder für den Fall der zur Wellenlänge des transmittierten Signals vergleichsweise mehrfach geringeren Ausdehnung der längsten Kante der flächenhaften Struktur erfolgt. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, hochselektive planare Strahlerelemente zu konfigurieren, deren Selektivität mittels lasergestützter Abgleichverfahren hochgenau einzustellen ist.The object of the invention is to configure extremely miniaturized, areally designed, biaxially flexible and system integrable spotlight components preferably for the decimeter wave range of the electromagnetic wave spectrum, by means of which the directional radiation or the directional reception are linearly polarized electromagnetic fields for the case of the wavelength of the transmitted signal comparatively several times less extension of the longest edge of the areal Structure takes place. The task continues to be highly selective planar radiator elements to configure, the selectivity of which is highly precise using laser-assisted adjustment processes is to be set.

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, indem auf einer flexiblen dielektrischen Basis definierter Suszeptibilität und Geometrie (1), vorzugsweise einem folienhaften dielektrischen Trägermaterial, eine planare Leiterschleife (2), bestehend aus zwei geradlinig und parallel verlaufenden Leitersegmenten (2.1), die durch halbkreisförmige Leiterelemente (2.2) oder orthogonal geradlinig verlaufende Leitersegmente gekoppelt werden, erzeugt wird, wobei die planare Leiterschleife (2) mit einer kapazitiven Leiterstruktur gekoppelt wird. Die kapazitive Leiterstruktur wird hierbei als fingerartig ausgebildete Zwei-Elektroden- Anordnung (3) ausgebildet und in der Ebene der planaren Leiterschleife (2) in der Form angeordnet, daß die geradlinig und parallel verlaufenden Leitersegmente (2.1) zu gleichen oder ungleichen Teilsegmentlängen geteilt werden. Erfindungsgemäß können in Abhängigkeit von der Größe des zu realisierenden kapazitiven Reaktanzprofils zweier oder mehrerer Zwei- Elektroden-Anordnungen (3) seriell in den Leiterpfad der Leitersegmente (2.1) eingekoppelt werden. Die der Zwei-Elektroden-Anordnung (3) gegenüberliegende Fläche des dielektrischen Platten- oder Folienträgers (1) wird mittels einer leitfähigen Schicht (4) definierter Flächengeometrie mit rechteckiger Kontur untersetzt, wobei für den Fall mehrerer innerhalb eines Pfades (2.1) seriell angeordneter Zwei-Elektroden-Anordnungen (3) die untersetzten leitfähigen und flächenhaft ausgebildeten Schichten (4) an den jeweils parallel verlaufenden Kanten galvanisch gekoppelt werden.The object is achieved according to the invention in that, on a flexible dielectric basis of defined susceptibility and geometry ( 1 ), preferably a film-like dielectric carrier material, a planar conductor loop ( 2 ) consisting of two rectilinear and parallel conductor segments ( 2.1 ) which are formed by semicircular conductor elements ( 2.2 ) or orthogonally rectilinear conductor segments are produced, the planar conductor loop ( 2 ) being coupled to a capacitive conductor structure. The capacitive conductor structure is designed as a finger-shaped two-electrode arrangement ( 3 ) and arranged in the plane of the planar conductor loop ( 2 ) in such a way that the straight and parallel conductor segments ( 2.1 ) are divided into identical or unequal partial segment lengths. According to the invention, depending on the size of the capacitive reactance profile to be implemented, two or more two-electrode arrangements ( 3 ) can be coupled in series into the conductor path of the conductor segments ( 2.1 ). The surface of the dielectric plate or film carrier ( 1 ) opposite the two-electrode arrangement ( 3 ) is reduced by means of a conductive layer ( 4 ) of defined surface geometry with a rectangular contour, with two being arranged serially within one path ( 2.1 ) -Electrode arrangements ( 3 ) the reduced conductive and planar layers ( 4 ) are galvanically coupled to the respective parallel edges.

Auf der der Leiterschleife (2) gegenüberliegenden Fläche des dielektrischen Trägers (1) wird erfindungsgemäß eine zweite Leiterschleife (5) in kreisförmiger oder rechteckiger Ausführung, vorzugsweise mit kreisförmiger Leiterführung, in der Weise angeordnet, daß sich die Leitersegmente (2.2) und (5) partiell, jedoch mit maximal möglicher Wellenleiterlänge, überdecken.According to the invention, a second conductor loop ( 5 ) in a circular or rectangular design, preferably with a circular conductor guide, is arranged on the surface of the dielectric carrier ( 1 ) opposite the conductor loop ( 2 ) in such a way that the conductor segments ( 2.2 ) and ( 5 ) partially, but with the maximum possible waveguide length.

Vorzugsweise zu verwendende Basismaterialien sind PTFE- Kompositionen bzw. Polyethylen-Kompositionen mit extrem geringem dielektrischen Verlustwinkel. Die lasergestützte Einstellung der Schwingungsbedingung erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise mittels ortsselektiver Abtragung leitfähiger Substanz der flächenhaften Untersetzung (4). Erfindungsgemäß läßt sich damit die mögliche spektrale Versetzung der Schwingungsbedingung infolge des Einflusses der beliebig gestaltbaren Strahlerumgebung kompensieren bzw. korrigieren, wobei das schwingungsfähige System erfindungsgemäß in der Weise dimensioniert wird, so daß unter Bezug auf die möglichen Belastungsfälle als Folgen der Strahlerumgebungen eine kapazitive Überbilanzierung entsteht. Base materials to be preferably used are PTFE compositions or polyethylene compositions with an extremely low dielectric loss angle. According to the invention, the laser-assisted setting of the vibration condition is preferably carried out by means of locally selective removal of conductive substance of the area reduction ( 4 ). According to the invention, the possible spectral offset of the oscillation condition as a result of the influence of the radiator environment which can be designed as desired can thus be compensated or corrected, the oscillatory system being dimensioned according to the invention in such a way that capacitive overbalancing arises with respect to the possible load cases as a consequence of the radiator environment.

Embodiment

Die erfindungsgemäße Lösung soll mittels des folgenden Beispiels näher erläutert werden:
Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Träger (1) definierter elektrischer Suszeptibilität mit einer Substratdicke von 0.51 mm. Zusätzlich zur definierten elektrischen Suszeptibiltät muß der Träger (1) sehr geringe dielektrische Verluste aufweisen, um eine hohe Güte gewährleisten zu können. Der Träger (1) ist beidseitig mit Strukturen aus Kupfer beschichtet, die in einem subtraktiven Verfahren erzeugt wurden. Eine additive Beschichtung ist hierbei ebenfalls denkbar. Die Struktur auf der einen Seite besteht aus zwei parallelen Leiterbahnen (2.1), deren Enden über halbrunde Leiter (2.2) verbunden sind. Eine der beiden geraden Leiterbahnen (2.1) ist in der Mitte getrennt; an dieser Stelle befindet sich eine fingerartige Struktur (3), die die Enden des geraden Leiters (2.1) miteinander verbindet. Die andere Seite des Trägers (1) ist mit einer an einer Stelle unterbrochenen ringförmigen Leiterbahn (5) und einer rechteckigen Metallfläche (4) beschichtet. Die rechteckige Kupferfläche (4) ist zentrisch unter der Fingerstruktur (3) angeordnet. Die ringförmige Schleife (5) ist unter einem der Radien (2.2) der auf der anderen Seite befindlichen Leiterbahn (2) positioniert.The solution according to the invention will be explained in more detail using the following example:
The entire arrangement is located on a carrier ( 1 ) of defined electrical susceptibility with a substrate thickness of 0.51 mm. In addition to the defined electrical susceptibility, the carrier ( 1 ) must have very low dielectric losses in order to ensure high quality. The carrier ( 1 ) is coated on both sides with structures made of copper, which were produced in a subtractive process. An additive coating is also conceivable here. The structure on one side consists of two parallel conductor tracks ( 2.1 ), the ends of which are connected by semicircular conductors ( 2.2 ). One of the two straight conductor tracks ( 2.1 ) is separated in the middle; at this point there is a finger-like structure ( 3 ) that connects the ends of the straight conductor ( 2.1 ) to each other. The other side of the carrier ( 1 ) is coated with an annular conductor track ( 5 ) interrupted at one point and a rectangular metal surface ( 4 ). The rectangular copper surface ( 4 ) is arranged centrally under the finger structure ( 3 ). The ring-shaped loop ( 5 ) is positioned under one of the radii ( 2.2 ) of the conductor track ( 2 ) on the other side.

Die gesamte Struktur hat eine Länge von 75 mm und eine Breite von 18 mm. Der Hauptleiter (2) auf der Oberseite ist 2 mm und der ringförmige Leiter (5) auf der Unterseite ist 0.8 mm breit. Besonderes Augenmerk muß auf die Fingerstruktur (3) gelegt werden. Diese besteht aus 5 Fingerpaaren (Fingerbreite: 0.5 mm, Fingerlänge: 6 mm), die am Ende über einen Steg verbunden sind. Die rechteckige Metallisierung (4), die unterhalb der Fingerstruktur (3) angeordnet ist, hat die Kantenabmessungen von 9 mm × 8.5 mm. Die Abstände zwischen den Fingern betragen weniger als 0.4 mm.The entire structure is 75 mm long and 18 mm wide. The main conductor ( 2 ) on the top is 2 mm and the ring-shaped conductor ( 5 ) on the bottom is 0.8 mm wide. Particular attention must be paid to the finger structure ( 3 ). This consists of 5 pairs of fingers (finger width: 0.5 mm, finger length: 6 mm), which are connected at the end via a web. The rectangular metallization ( 4 ), which is arranged below the finger structure ( 3 ), has the edge dimensions of 9 mm × 8.5 mm. The distances between the fingers are less than 0.4 mm.

Der Strahler wird über einen Wellenleiter gespeist, der an den freien Enden der Schleife (5) angekoppelt wird.The radiator is fed via a waveguide, which is coupled to the free ends of the loop ( 5 ).

Claims

1. Planar miniature emitter of decimeter waves, consisting of a dielectric carrier of defined electrical susceptibility, on which a thin-film structure can be produced by means of additive or subtractive methods, characterized in that

- A planar conductor loop ( 2 ) is generated on a dielectric film carrier ( 1 );
- The planar conductor loop is coupled to a capacitive conductor structure;
- The capacitive conductor structure is designed as a finger-shaped two-electrode arrangement ( 3 ) in the identical plane of the planar conductor loop;
- The two-electrode arrangement on the opposite surface of the dielectric plate carrier is reduced by means of a conductive layer ( 4 ) of defined surface geometry and a rectangular contour;
- On the surface of the dielectric carrier opposite the conductor loop, a second conductor loop ( 5 ) is arranged in such a way that the loops ( 2 ) and ( 5 ) partially overlap.

2. Planar decimeter wave radiator according to claim 1, characterized in that the contour of the loop is formed from at least two parallel and rectilinear conductor segments ( 2.1 ), each coupled by means of further connecting elements ( 2.2 ), preferably semicircular or orthogonally arranged rectilinear conductor elements will.

3. Planar decimeter wave radiator according to claim 1, characterized in that the finger-like two-electrode arrangement ( 3 ) divides the rectilinear conductor segment ( 2.1 ) to the same or different sub-segment lengths.

4. Planar decimeter wave radiator according to claim 1 and 2, characterized in that two or more two-electrode arrangements ( 3 ) are arranged in series either in one or in both rectilinear conductor segments ( 2.1 ).

5. Planar decimeter wave radiator according to claim 1 and 4, characterized in that the conductive planar layers for the case of two or more serially arranged two-electrode arrangement ( 3 ) are galvanically coupled to the respective parallel edges.