DE3334944A1

DE3334944A1 - Mikrowellen-streifenleiter-antenne und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3334944A1
Application number: DE19833334944
Authority: DE
Inventors: Geoff Woking Surrey Wilson
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 1982-09-27
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1984-04-12
Also published as: JPS5989006A; GB2131232B; GB2131232A; FR2533764A1; FR2533764B1

Description

Rogers Corporation, Main Street, Rogers, Conn. Ο6263, Vereinigte Staaten von Amerika

Mikrowellen-Streifenleiter-Antenne und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Mikrowellen-Streifenleiter-Antennen, die im folgenden auch kurz als Mikrostreifen-Antennen bezeichnet werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine planare Mikrostreifen-Antenne, die in erster Linie als Empfangsantenne für den Empfang von Mikrowellensignalen Einsatz finden soll. Obwohl die Erfindung generell sowohl für das Senden als auch für den Empfang von Mikrowellen verwendbar ist, seien die ihr zugrunde liegenden Probleme im folgenden beispielhaft anhand einer Fernsehempfangsantenne in einem Rundfunksystem mit Satellitenübertragung und Satellitendirektempfang erläutert. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die den Gegenstand der Erfindung bildende Antenne sowohl als Empfangsantenne wie auch als Sendeantenne in Mikrowellenkomunikationssystemen einsetzbar ist.

Mit dem steigenden Einsatz der Satellitenübertragung von Mikrowellensignalen für Fernsehsende- und Empfangssysteme entsteht ein wachsender Bedarf für eine zuverlässige, dauerhafte und preiswerte Antenne für private und kommerzielle Zwekke, die sich für den Empfang von über Satelliten übertragenen Mikrowellensignalen eignet. Traditionellerweise werden

in Übertragungssystemen der genannten Art Parabolantennen verwendet. Sie bringen jedoch für ein effektives und wirtschaftlich vertretbares Fernseh-Mikrowellenempfangssystem eine Reihe von Problemen mit sich: So sind Parabolantennen vergleichsweise aufwendig und teuer; sie sind nicht genügend windstabil um einen beständigen Signalempfang und damit beständige Bildqualität zu gewährleisten. All. dies bringt es mit sich, daß sie für den Alltagsgebrauch in häuslichen oder kommerziellen Fernsehempfangssystemen nicht sehr geeignet sind.

Streifenleiter- oder Mikrostreifen-Antennen für das Senden oder Empfangen von Mikrowellen sind beispielsweise durch folgende Patentdokumente bekannt: GB-PS 1 52 93 61, US-PS 39 95 277, US-PS 39 87 455 und US-PS 38 03 623. Bei allen diesen bekannten Antennen besteht die Antennenkonstruktion aus einer Schichtstruktur eines dielektrischen Materials, wobei auf einer Oberfläche des Dielektrikums eine elektrisch leitende Erdungsebene und auf der anderen Oberfläche des Dielektriktrikums ein Mikrostreifenmuster vorgesehen ist. Es ist b'ekannt, daß die Eigenschaften des dielektrischen Materials, insbesondere die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor, die Leistungsfähigkeit der Antenne bestimmen. Die bekannten Mikrostreifen-Antennen sind für Fernsehempfangsantennen in der Praxis ungeeignet, weil die verwendbaren dielektrischen Materialien auf sehr teuere Materialien beschränkt sind, insbesondere wenn man in Betracht zieht, daß eine Fernsehempfangsantenne der in Frage stehenden Art vergleichsweise groß sein muß. Es handelt sich entweder um quadratische oder kreisförmige Konstruktionen mit einer Seitenlänge bzw. einem Durchmesser von 75 cm bis 100 cm. Da Fernsehempfangsantennen im Außenraum verwendet werden müssen sie wetterfest sein, damit ihre Teile vor Witterungseinflüssen geschützt sind. Dies gilt insbesondere für die herkömmlichen Streifenleiter- oder Mikrostreifen-Antennen, bei denen sich das Schaltungsmuster und die Erdungsete-

ne auf den Außenflächen des Dielektrikums befinden. Die Forderung nach Wetterfestigkeit vergrößert noch die ökonomischen und praktischen Probleme, die bei der Verwendung bekannter Mikrostreifen-Antennen für Fernsehempfangssysteme auftreten.

Die Forderung nach bestimmten elektrischen Eigenschaften einerseits und nach Wetterfestigkeit andererseits schränken die Wahlmöglichkeiten für dielektrische Materialien für eine praktikable Fernsehempfangsantenne, die nach dem erwähnten Stand der Technik konstruiert ist, stark ein. Verlustarme Keramik liefert zwar gute Eigenschaften für das dielektrische Material, die Kosten und die begrenzte Größe von Keramiksubstraten schließen ihre Verwendung jedoch aus. Substrate auf der Basis von PTFE (Polytetrafluoräthylen) oder auf der Basis anderer Fluorpolymere sind vom Standpunkt der dielektrischen Eigenschaften zwar akzeptabel, die hohen Kosten derartiger Substrate machen sie jedoch für Heimgebrauch und allgemeine kommerzielle Verwendung ungeeignet. Aufgrund der ökonomischen und anderer praktischer Nachteile sind bisher keine kommerziell verwendbaren planaren Fernsehempfangsantennen der¹ beschriebenen Art entwickelt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorangehend angesprochenen Probleme zu lösen bzw. die erwähnten Nachteile zu beseitigen oder zumindest zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer Mikrostreifen-Antenne dadurch gelöst, dadurch eine aus einem Polymer bestehende Filmschicht mit einem auf einer ihrer Oberflächen aufgebrachten Schaltungsmuster eine Schicht aus dielektrischem Material, die als Halterung für die genannte Filmschicht dient, wobei das auf einer Oberfläche dieser Filmschicht vorhandene Schaltungsmuster der Schicht aus dielektrischem Material zugewandt ist, sowie einen Träger für die Schicht aus dielektrischem Material, der eine Erdungsebene aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Antenne sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 beschrieben, auf die an dieser Stelle ausdrücklich verwiesen wird.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer MikroStreifen-Antenne.

Ein solches Verfahren ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Es wird eine Schichtstruktur' gebildet, die aus einer Filmschicht aus einem polymeren Werkstoff und einem Mikrowellen-Schaltungsmuster besteht,

- es wird ein Träger gebildet/ der eine als Erdungsebene geeignete metallische Oberfläche besitzt

- auf die metallische Oberfläche des Trägers wird ein dielektrisches Material aufgebracht,

- die genannte Filmschicht aus einem polymeren Werkstoff wird auf das dielektrische Material in der Weise aufgebracht, daß das Schaltungsmuster zu dem dielektrischen Material weist,

- das dielektrische Material wird mit der Filmschicht und dem Träger haftend verbunden.

Bei der Antenne gemäß der Erfindung ist die Erdungsebene beispielsweise durch die Basisfläche eines Troges oder eines anderen Trägers gegeben, der aus Metall oder einem verstärkten Kunstharz mit Metallüberzug besteht. Das Mikrostreifen-Schaltungsmuster kann aus einem Muster von Leiterbahnen bestehen, das auf einer Oberfläche eines Polymerfilmes nach Verfahren ausgebildet ist, wie sie bei der Herstellung gedruckter Schaltungen verwendet werden. Das Dielektrikum befindet sich auf der Erdungsebene und kann mit dieser verkittet sein. Es besteht aus einem Hartschaum, einem geschmolzenen Pulver, einer Wabenstruktur oder irgendeinem anderen selbsttragenden dielektrischen Material. Das Mikrcstreifen-Schaltungsmuster kann mit dem Dielektrikum verkit-

tet sein, wobei das Schaltungsmuster der Erdungsebene zugewandt ist und der Polymerfilm als Schutzabdeckung dient, welche die Einheit ,.versiege It und Schutz gegen das Wetter bietet. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Mikrostreifen-Antenne gemäß der Erfindung besteht somit aus der Erdungsebene, die Teil des Trägertroges ist, dem mit diesem verkitteten Dielektrikum und dem mit dem Dielektrikum verkitteten Schaltungsmuster. Die von dem Polymerfilm gebildete Schutzabdeckung des Schaltungsmusters vergrößert die Lebenserwartung der Fernsehempfangsantenne gemäß der Erfindung beträchtlich.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Herstellung einer Antenne gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Aufsicht einer planaren Mikrowellen-Antenne gemäß der Erfindung,

Fig. 3 zeigt eine Fig. 2 entsprechende Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer planaren Fernsehempfangsantenne gemäß der Erfindung.

Zunächst sei auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine planare Fernsehempfangsantenne gemäß der Erfindung darstellt. Die planare Antenne besitzt einen unteren Trog 12 mit einer Grundfläche 14. Die Grundfläche 14 bildet die Erdungsebene einer Mikrowellen-Antenne. Der Trog 12 besteht entweder aus Metall , z.B. Aluminium, oder aus fieberglasverstärktem Kunstharz. Im letzteren Fall ist die Oberfläche 14 metallisiert. Der Trog 12 enthält ein dielektrisches Material 16, das bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein (entweder selbstschäumendes oder Zweikomponenten-) Schaummaterial ist, das an Ort und Stelle aufgeschäumt wird und an den Innenflächen des Troges 12 haftet. Der Schaum 16 bildet das dielektrische Medium der Mikrowellenantenne. Er besitzt eine typi-

sehe Dielektrizitätskonstante von etwa 1 bis 4. Der Tangens des Verlustwinkels liegt im Bereich von 0,001 bis 0,01. Der Schaumkörper kann .auch in einem getrennten Arbeitsvorgang hergestellt, in die passende Größe gebracht und mit dem Trog verbunden werden. Das dielektrische Material kann auch ein geschmolzenes Pulver oder dergleichen sein. Alternativ kann das Dielektrikum auch eine Kunstharz-Glasmischung mit sehr kleinen Glasbläschen sein.

Das Dielektrikum 16 ist von einem Blatt 18 eines Polymerfilms abgedeckt, auf welchem ein Mikrowellen-Schaltungsmuster 20 aufgebracht ist. Der Polymerfilm 18 und das Schaltungsmuster 20 sind nach irgendeinem der bekannten Verfahren zur Herstellung gedruckter Leiterplatten ausgebildet und mit dem dielektrischen Material 16 zu einer starren Einheit, z.B. durch Kitten, verbunden. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, bildet der Trog 12 ein Gehäuse, das die anderen Komponenten (d.h. das dielektrische Material und das Schaltungsmuster der Antenne) enthält. Auf diese Weise entsteht eine vollverkapselte integrale Struktur, die formfest ist. Zusätzlich dient der Polymerfilm 18 als Schutzschicht, die das Schaltungsmuster 20 gegen Wettereinflüsse schützt.

Für den Betrieb der Fernsehempfangsantenne sind (nicht dargestellte) geeignete elektrische Anschlußmittel vorgesehen, die mit der Erdungsebene bzw. dem Schaltungsmuster verbunden sind.

Für die in erster Linie ins Auge gefaßte Verwendung als Fernsehempfangsantenne ergibt sich eine vergleichsweise große quadratische oder kreisförmige Struktur mit einer Seitenlänge bzw. einem Durchmesser von etwa 75 cm bis 100 cm. Für guten Signalempfang und eine dementsprechend gute Bildqualität in dem angeschlossenen Fernsehgerät ist es wichtig, daß die räumliche Beziehung zwischen den elektronischen Komponenten konstant bleibt. Zur Erreichung die-

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ses Zieles ist die Stabilität der Abmessungen und die Formfestigkeit der Konstruktion von besonderer Bedeutung. Der Trog 12 besteht entweder aus Metall oder einem formfesten Polymer-material, vorzugsweise einem glasfaserverstärkten Material, mit einer metallisierten inneren Oberfläche. Der Schaum 16 ist bei richtiger Behandlung formfest und stabil in seinen Abmessungen. Das Schaltungsmuster 20 und der Polymerfilm 18 sind an sich zwar flexibel, durch ihre Verbindung mit der Oberfläche des Schaumes 16 erhalten diese Teile jedoch die notwendige Formfestigkeit. Somit ist die gesamte Einheit starr und in ihren Abmessungen stabil.

Das Mikrostreifenmuster 20 ist so berechnet und ausgebildet, daß es eine ebene Welle erzeugen würde, wenn es als Mikr.owellensender betrieben würde. Da Mikrowellensender und -empfänger reziprokes Verhalten zeigen, empfängt das Schaltungsmuster 20 eine ebene Welle aus einer spezifischen Richtung, beispielsweise von einem äquatorialen oder geostationären Satelliten. Der Polymerfilm 18 sollte idealerweise eine Dicke haben, die etwa der halben Wellenlänge des zu empfangenden Signals entspricht; (der derzeit in Betrieb befindliche stationäre OTS-Satellit arbeitet bei einer Frequenz von 12-14 GHz). Diese ideale Konfiguration ist nicht praktizierbar. Deshalb sollte die Dicke des Films 18 etwa zwischen 0,0025 und 0,25 cm liegen. Dies führt zwar zu geringen Reflektionsverlusten, ergibt insgesamt jedoch eine sehr brauchbare Antenneneinheit.

Die Dielektrizitätskonstante des Schaumes 16 sollte etwa zwischen 1 und 4 liegen. Das Material sollte einen geringen Verlustfaktor haben, der Tangens des Verlustwinkels sollte 0,01 oder weniger betragen.

Im folgenden sei auf Fig. 1 Bezug genommen: Sie zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der in Fig.2 dargestellten Antenne. In dem Verfahrensschritt A wird eine

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aus einem Polymerfilm und einem Metallüberzug bestehende Schichtstruktur hergestellt. In dem Verfahrensschritt B wird der Metallüberzug formgeätzt, so daß der Strahler oder das Mikrowellen-Schaltungsmuster 18 entsteht. Getrennt hiervon und entweder gleichzeitig oder in ausgewählten Zeitinvervallen wird in dem Verfahrensschritt C der Trog 12 hergestellt. Der Trog 12 wird sodann mit einem geeigneten dielektrischen Material, z.B. in Form eines geeigneten Pulvers oder Schaumes, gefüllt. Diese Füllung erfolgt bis zu einem Niveau, das geringfügig·über dem oberen Rand des Troges liegt. Die aus dem Polymerfilm und dem auf ihm gebildeten Schaltungsmuster bestehende Schichtstruktur wird dann oben auf das Dielektrikum gelegt, wobei das Schaltungsmuster 20 nach unten, d.h. in Richtung auf die auch als Erdungsebene dienende Grundfläche des Troges 12 weist. Dies geschieht in dem Verfahrensschritt E. Anschließend wird im Verfahrensschritt F das ganze unter leichten Druck gesetzt, so daß der Film 18 parallel zur Basis des Troges 12 gehalten wird. Während dieser Druck besteht, wird das ganze erwärmt, so daß in dem Dielektrikum Querverbindungen entstehen und dieses sowohl an den inneren Oberflächen des Troges als auch an dem Polymerfilm anhaftet, wodurch die Gesamtheit der Teile versiegelt wird.

Fig. 3 zeigt eine modifizierte Fernsehempfangsantenne, bei der sich in dem Trog 12 ein wabenartiges Material 22 befindet, das als Träger für die aus dem Film 18 und den Leitern 20 bestehende Mikrowellenschaltung dient. Das Wabenmaterial besitzt Wandungen 24, die Lufträume oder -zellen 26 begrenzen. Bei der Antenne gemäß Fig. 3 bildet vorwiegend die in den Zellen vorhandene Luft das Dielektrikum für die Mikrowellenantenneneinheit. Selbstverständlich bildet auch das Material, aus welchem die Wabenstruktur besteht, einen Teil des dielektrischen Systems. Deshalb muß dieses Material geeignete Dielektrizitätskonstante und Verlusteigenschaften aufweisen.

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sich sowohl aus Fig. 1 als auch aus Fig. 2 ersehen läßt,

d.as dielektrische Material 16 bzw. die Wabenstruktur 22 als Träger für die aus dem Film 18 und den Leitern 20 bes^liende Mikrowellenschaltungsstruktur sowie als Mikrowellenübertragungsmedium. Es ist außerdem erkennbar, daß der Film 18 kein Bestandteil des eigentlichen Mikrowellenschaltungssystems ist. Es dient vielmehr als äußerer Schutz der Teile sowie zur Festlegung der Mikrowellenschaltungsanordnung .

Die vorangehende Beschreibung hat deutlich werden lassen, daß die Fernsehempfangsantenne gemäß der Erfindung besonders wirksam, praktisch und ökonomisch ist. Sie ist in ihren Abmessungen stabil und kann daher außerhalb von Gebäuden montiert werden. Sie läßt sich ferner auf Konstruktionen montieren, die zur Ausrichtung auf einen Sender drehbar sind, ohne daß der Empfang des gesendeten Signals und damit die Bildqualität des mit der Antenne verbundenen Fernsehgerätes beeinträchtigt werden. Eine für außerhalb von Gebäuden montierte Antenne besonders wichtige und nützliche Eigenschaft besteht darin, caß die Antenne gemäß der Erfindung durch die einheitliche und versiegelte Konstruktion gegen Wettereinflüsse geschützt ist. Der obere Film 18 schützt sowohl das Schaltung&muster als auch das Dielektrikum. Somit ist die Antenne für langjährigen Gebrauch im Außenraum geeignet.

Leerseite

Claims

Anmelder: ROGERS CORPORATION
Anwaltsaktenz.: 194-Pat. 81

Patentansprüche

' 1J Mikrowellen-Streifenleiter-Antenne, gekennzeichnet durch - /

- eine aus einem Polymer bestehende Filmschicht (18) mit

einem auf einer ihrer Oberflächen aufgebrachten Schaltungsmuster (2O)₇

- eine Schicht (16, 22) aus dielektrischem Material, die als Halterung für die genannte Filmschicht (18) dient, wobei das auf einer Oberfläche dieser Filmschicht vorhandene Schaltungsmuster (20) der Schicht (16, 22) aus dielektrischem Material zugewandt ist,

- sowie einen Träger (12) für die Schicht (16, 22) aus dielektrischem Material, der-eine Erdungsebene (14) aufaufweist.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem Polymer bestehende Filmschicht (18) an dem dielektrischen Material der genannten Schicht (16, 22) und · letzteres an dem Träger (12) haftet.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Träger (12) ein Trog ist, der das genannte dielektrische Material (16, 22) enthält.
4. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trog (12) eine Bodenwandung sowie Seitenwandungen besitzt

und daß die genannte Erdungsebene (14) an der Bodenwandung vorgesehen ist.
5. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trog (12) aus Metall besteht.
6. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trog aus einem formfesten polymeren Material mit metallisierter Oberfläche besteht.
7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material eine zwischen etwa 1 und 4 liegende Dielektrizitätskonstante besitzt.
8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material einen Verlustwinkeltangens von 0.01 oder weniger hat.
9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Wabenstruktur besitzt und daß in den Zellen dieser Wabenstruktur Luft vorhanden ist.
10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem Polymer bestehende Filmschicht (18) eine Dicke besitzt, die etwa der halben Wellenlänge des von der Antenne zu empfangenden Mikrowellensignals entspricht.
11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der aus einem Polymer bestehende Filmschicht (18) etwa zwischen 0.0025 cm und 0.25 cm liegt.
12. Verfahren zur Herstellung einer Mikrowellen-Streifenleiter-Antenne, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

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- Es wird eine Schichtstruktur gebildet, die aus einer Filmschicht aus einem polymeren Werkstoff und einem Mikrowellen-Schaltungsmuster besteht,

- es wird ein Träge.r"gebildet, der eine als Erdungsebene geeignete metallische Oberfläche besitzt

- auf die metallische Oberfläche der Trägers wird ein dielektrisches Material aufgebracht,

- die genante Filmschicht aus einem polymeren Werkstoff wird auf das dielektrische Material in der Weise aufgelegt, daß das Schaltungsmuster zu dem dielektrischen Material weist,

- das dielektrische Material wird mit der Filmschicht und mit dem Träger haften verbunden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material in Form eines behandelbaren Pulvers oder Schaums "auf den Träger aufgebracht wird und daß der Verfahrensschritt der Verbindung des dielektrischen Materials mit der Filmschicht einerseits und dem Träger andererseits eine solche Behandlung des Pulvers oder Schaums beinhaltet, daß letztere eine formfeste Schicht aus dielektrischem' Material bilden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Trog mit einer Bodenwandung und Seitenwandungen ist und daß der Verfahrensschritt des Aufbringens des dielektrischen Materials auf den Träger das Füllen des Trogs mit dem behandelbaren Pulver oder Schaum beinhaltet.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmschicht während der Behandlung des dielektrischen Materials zu dem Träger parallel gehalten wird.