DE3727178C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ebene Antenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige ebene Antennen werden zum Empfang von insbesondere zirkular polarisierten Wellen verwendet, die im SHF-Band, insbesondere bei 12 GHz, von geostationären Rundfunksatelliten ausgestrahlt werden, die in 36 000 km über der Erdoberfläche stationiert sind.

Zum Empfang zirkular polarisierter Wellen von geostationären Rundfunksatelliten werden überwiegend Parabolantennen verwendet, die auf dem Dach von Gebäuden oder dergleichen angebracht sind. Bei Parabolantennen tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß sie sehr windanfällig sind und aufgrund ihrer großen Windangriffsfläche eine sehr stabile Halterung benötigen. Der Aufwand für die Halterung und für die Montage derartiger Antennen ist hoch.

Zu Behebung dieser Schwierigkeiten, die mit Parabolantennen auftreten, wurde in der US-PS 44 75 107 eine ebene Antenne vorgeschlagen, die eine insgesamt flache Gestalt aufweist und eine sehr einfache Struktur besitzt. Eine solche Antenne kann direkt an der Außenwand eines Gebäudes oder dergleichen angebracht werden, was eine sehr kostengünstige Lösung darstellt.

Von einer solchen ebenen Antenne wird jedoch ein hoher Gewinn erwartet, so daß bereits zahlreiche Versuche unternommen wurden, um die Einfügungsverluste zu vermindern. Beispielsweise ist in der US-PS 44 77 813 eine ebene Antenne beschrieben, bei welcher ein erstes dielektrisches Substrat, auf dem ein Speiseleitungskreis angeordnet ist, fest auf einem Masseleiter angebracht ist; ein zweites dielektrisches Substrat mit einem darauf aufgebrachten Strahlerkreis ist getrennt von dem ersten dielektrischen Substrat so angeordnet, daß ein Zwischenraum zwischen beiden Substraten gebildet wird. Ein Dielektrikum mit Wabenstruktur ist zwischen den beiden dielektrischen Substraten vorgesehen. Diese ebene Antenne soll die Einfügungsverluste vermindern, im Gegensatz zu allen anderen bekannten Antennenausbildungen, bei welchen das Strahlersystem und das Speisesystem direkt in eine dielektrische Schicht eingebettet sind; erreicht wird dies, indem das Strahlersystem innerhalb des Raumes angeordnet wird.

Bei dieser bekannten Antennenausbildung tritt jedoch noch die Schwierigkeit auf, daß das Speisesystem nicht im Raume liegt, sondern direkt auf dem zweiten dielektrischen Substrat, welches auf dem Masseleiter aufgebracht ist, angeordnet ist, so daß die Einfügungsverluste in der Zone des Speisesystems weiterhin hoch sind und die Funktion des Strahlersystems beeinträchtigen, wodurch die gesamten Einfügungsverluste der Antenne noch nicht auf das gewünschte Niveau reduziert werden können.

Gemäß einem Vorschlag in der deutschen Patentanmeldung P 37 06 051 ist eine ebene Antenne vorgesehen, bei welcher der Speisekreis und der Strahlerkreis auf ihrer Oberfläche mit synthetischem Harz beschichtet sind; beide Kreise und der Masseleiter sind jeweils voneinander durch Abstandshalter getrennt, wobei sie mit magnetischer Kopplung arbeiten.

Bei dieser ebenen Antenne kann auch der Speisekreis in dem so verbleibenden Raum angeordnet werden, um auf diese Weise die Einfügungsverluste zu minimieren. Auf diese Weise können die üblichen, mit ebenen Antennen angetroffenen Schwierigkeiten vermieden und kann insbesondere ein hoher Gewinn erreicht werden. Es verbleiben jedoch ungelöste Probleme. Es ist nämlich eine hohe Herstellungspräzision und Montagepräzision erforderlich, damit beide Systeme und der Masseleiter über die Abstandshalter den richtigen Abstand voneinander bewahren. Wenn lediglich eine Wabenstruktur aus Papiermaterial als Abstandshalter verwendet wird, so tritt die Schwierigkeit auf, daß die Einfügungsverluste zunehmen, wenn das Papiermaterial Feuchtigkeit aufnimmt. Hierdurch wird die Leistungsfähigkeit der Antenne beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ebene Antenne zu schaffen, bei welcher mit einfachen Mitteln der Antennengewinn gesteigert wird.

Gemäß der Erfindung wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Einzelheiten einer Ausführungsform der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht des Hauptteils einer ebenen Antenne, wobei die verschiedenen Bestandteile der Antenne teilweise fortgeschritten und demontiert gezeigt sind;

Fig. 2 einen senkrechten Teilschnitt der in Fig. 1 gezeigten Antenne im demontierten Zustand;

Fig. 3 einen Teilschnitt der zusammengesetzten Antenne nach Fig. 1 und

Fig. 4a bis 4e verschiedene Ansichten zur Erläuterung des Zusammenbaus der ebenen Antenne nach Fig. 1.

Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform weist die ebene Antenne 10 einen Schichtaufbau mit einer ersten Schicht 11, einer zweiten Schicht 12, einem Masseleiter 13 und erforderlichenfalls einer Schutzhaube 14 auf. Die erste Schicht 11 besteht aus einer ersten dielektrischen Schicht 16, vorzugsweise aus geschäumtem Harz in Gitterform mit zahlreichen quadratischen Hohlräumen 15, einer ersten Folie 17 aus einem elastischen synthetischen Harzmaterial und einem Speisenetzwerk 18, das auf der ersten Folie 17 angeordnet und beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Silber, Astatin, Eisen, Gold oder dergleichen besteht. Das Speisenetzwerk 18 ist vorzugsweise von einer Überzugsschicht 17 a abgedeckt. Die erste dielektrische Schicht 16 ist direkt in Kontakt mit dem Masseleiter 13 aus einem metallischen Material wie Aluminium oder dergleichen gebracht. Die zweite Schicht 12 umfaßt eine zweite dielektrische Schicht 20, vorzugsweise aus einem geschäumten Harz in Gitterform mit zahlreichen quadratischen Hohlräumen 19, aus einer zweiten Folie 21 aus einem elastischen synthetischen Harzmaterial und aus einem Strahlersystem 22, das aus demselben Material besteht wie das Speisenetzwerk 18 und auf der zweiten Folie 21 angebracht ist. Das Strahlersystem 22 ist gleichfalls vorzugsweise mit einem Überzug aus einer synthetischen Harzschicht 21 a versehen. Die Schutzhaube 14 wird auf die zweite Schicht 12 aufgesetzt. Sie ist aus einer Kernschicht 23 aus einem synthetischen Harzmaterial und einer geschäumten Harzschicht 24 gebildet. Die geschäumte Harzschicht 24 bildet die Form eines flachen, nach unten geöffneten Kastens, so daß die Umfangswände dieser Schicht 24 eng an den Umfangsrändern des Masseleiters 13 anliegen. Der Masseleiter 13 und die geschäumte Harzschicht 24 sind also so gestaltet, daß sie miteinander zusammenwirken, damit der Masseleiter 13 den Körper oder Boden eines flachen kastenförmigen Gehäuses bildet, während die geschäumte Harzschicht 24 den Deckel des Gehäuses bildet; die beiden Schichten 11 und 12 sind mit enger Passung im Gehäuse aufgenommen.

Für die beiden dielektrischen Schichten 16 und 20 wird ein dielektrisches Material verwendet, dessen Dielektrizitätskonstante ^ε γ kleiner als 1,3 ist. Diese Schichten sind so ausgelegt, daß an denjenigen Stellen, wo das Speisenetzwerk 18 die gitterförmige dielektrische Schicht 16 schneidet, die charakteristische Impedanz des Speisenetzwerks 18 keine Änderung erfährt und Mikrowellen-Reflexionsverluste minimal sind. Unter der Bedingung, daß die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schichten 16 und 20 kleiner als 1,3 ist, können verschiedenartige geschäumte Harze verwendet werden, beispielsweise geschäumtes Polyethylen oder Polystyrol mit einem Schäumungsgrad von mehr als dem fünffachen oder geschäumtes Polyurethan oder Polybutadien mit einem Schäumungsgrad von mehr als 10. Die quadratischen Hohlräume 15 und 19 in den beiden dielektrischen Schichten 16 und 20 sind so bemessen, daß sie das Speisenetzwerk 18 bzw. Strahlersystem 22 in gleichmäßigen Abständen unterstützen. Die Kantenlänge beträgt 5 bis 60 mm. Die Größe dieser Hohlräume 15 bzw. 19 wird in Abhängigkeit von der Dicke der beiden Folien 17 und 21 geeignet eingestellt. Wenn diese Folien 17 und 21 aus Polyester von 10 µm Dicke bestehen, kann die Länge der Hohlraumseiten kleiner als 50 µm sein; für geringere Dicke der Folien kann diese Länge kleiner gewählt werden. Die Materialstärke der beiden Folien 17 und 21 kann zwischen 20 und 150 µm betragen. Bei einer größeren Dicke als 150 µm steigen die dielektrischen Verluste zu hoch an. Die Hohlräume müssen nicht immer quadratische Form aufweisen, solange der Raumfaktor der Hohlräume in den dielektrischen Schichten 16 und 20 bezüglich des Oberflächeninhalts der Schichten größer als 4/9 ist. Sie können insbesondere kreisförmig, dreieckig oder vieleckig sein. Auch wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform eine der dielektrischen Schichten 16 und 20 aus Luft besteht, während die andere aus geschäumten Harz besteht, bleibt eine beträchtliche Vereinfachung der Montage erhalten.

Vorzugsweise wird die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Drei­ plattenstruktur angewendet.

Es werden nun die Herstellungsschritte für die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte ebene Antenne unter Bezugnahme auf die Fig. 4a bis 4e beschrieben. Wie in Fig. 4a gezeigt ist, wird ein folienförmiges Leiterelement 22 a mit der zweiten Folie 22 trocken in Verbund gebracht, insbesondere durch Extrusions- Schichtaufbau oder dergleichen. Das Leiterelement 22 a wird mit einem Resist in der gewünschten Leiterbahngestalt beschichtet und anschließend geätzt, um das Leiterbahnmuster zu erhalten. Eine Deckschicht 21 a wird aufgebracht, und der Strahlerkreis 22 wird in der in Fig. 4b gezeigten Weise hergestellt. Die zweite dielektrische Schicht 20 wird anschließend aufgeschichtet, wie in Fig. 4c gezeigt. Diese Schicht 20 wird erforderlichenfalls vorübergehend auf dem Leiterbahnmuster mittels eines Klebers befestigt, wodurch die zweite Schicht 12 gebildet ist. Die erste Schicht 11 wird in gleicher Weise wie die zweite Schicht 12 hergestellt, indem ein folienförmiges Leiterelement 18 a auf der ersten Folie 17 aufgebracht wird, darauf ein Resist aufgebracht wird, eine Ätzung durchgeführt wird und eine Abdeckschicht 17 a aufgebracht wird, woraufhin das Speisenetzwerk 18 hergestellt ist, das anschließend mit dem Masseleiter 13 unter Zwischenfügung der ersten dielektrischen Schicht 16 zu einem Schichtaufbau vereinigt wird; diese dielektrische Schicht 16 wird gegebenenfalls mit dem Masseleiter mittels eines Klebers verbunden, wie in Fig. 4d dargestellt.

Bei den zuvor beschriebenen Herstellungsschritten werden gegebenenfalls die erste dielektrische Schicht 16 aus geschäumtem Harz und erste Folie 17 aus synthetischem Harzmaterial miteinander in Verbund gebracht. Wenn beispielsweise das Material der ersten Folie ein nicht polares Material ist, wird die erste dielektrische Schicht 16 oder die erste Folie 17 an ihrer Oberfläche einer Koronaentladungsbehandlung oder dergleichen ausgesetzt, woraufhin ein Kleber aufgebracht wird. Ob der Kleber auf der ersten dielektrischen Schicht 16 oder auf der ersten Folie 17 aufgebracht wird, hängt von der Lösungsmittelbeständigkeit des geschäumten Harzmaterials ab, welches für die dielektrische Schicht verwendet wurde. Wenn die geschäumte Harzschicht beispielsweise aus einem Material mit relativ niedriger Lösungsmittelbeständigkeit wie geschäumtes Polystyrol besteht, wird der Kleber vorzugsweise auf der ersten Folie 17 aufgebracht. Zur Herstellung des Verbundes können eine Walztechnik, eine Preßtechnik und eine Trockenschichtungstechnik angewandt werden.

Anschließend werden, wie in Fig. 4e gezeigt, die beiden Schichten 11 und 12 auf dem Masseleiter 13 aufgeschichtet, und die Schutzhaube 14 wird über die zweite Schicht 12 aufgesetzt, um die ebene Antenne 10 fertigzustellen.

Da die ebene Antenne 10 die oben beschriebene Struktur aufweist, erfolgt ihr Zusammenbau einfach durch nacheinander erfolgendes Aufeinanderstapeln der beiden Schichten 11 und 12 und des Masseleiters 13, welcher den Boden des Gehäuses bildet, und Aufsetzen der Schutzhaube 14, welche den Deckel des Gehäuses bildet. Für die ebene Antenne 10 wird somit kein getrennt hergestelltes Gehäuse benötigt, obwohl die beiden Schichten 11 und 12 zwischen Masseleiter 13 und Schutzhaube 14 mit enger Passung aufgenommen sind. Die ebene Antenne 10 wird, wie in Fig. 3 gezeigt, fertiggestellt, indem der Umfangsrand der so erhaltenen Einheit mittels eines quadratischen Rahmens 25 dicht abgeschlossen wird, welcher mittels eines Halterahmens 26 befestigt wird, indem Schrauben 27 hindurch bis in den Rahmen 25 eingeschraubt werden. Der Halterahmen 26 besteht beispielsweise aus vier im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Abschnitten, welche an die Dicke der ebenen Antenne 10 angepaßt und an den Ecken derselben aneinandergefügt sind.

Eine solche erfindungsgemäße ebene Antenne wurde gemäß der obigen Beschreibung hergestellt. Es werden nun verschiedene konkrete Ausführungsformen beschrieben, für welche jeweils die Antennenkennwerte gemessen und mit Vergleichsbeispielen verglichen wurden.

Beispiel 1

Für die beiden Folien 17 und 21 wurde eine 100 µm dicke Polyesterfolie verwendet. Eine 35 µm dicke Kupferfolie wurde für die Leiterelemente 18 a und 22 a verwendet und auf der Polyesterfolie trocken aufgeschichtet. Die vorbestimmten Leiterbahnmuster für das Speisenetzwerk 18 und das Strahlersystem 22 wurden anschließend auf den Kupferfolien durch Resist-Siebdruck aufgebracht. Anschließend wurden die Kupferfolien geätzt und wurde das Resist entfernt. Als erste dielektrische Schicht 16 wurde eine Folie aus geschäumtem Polystyrol mit einem Schäumungsgrad von 10 verwendet. Diese Folie wies eine Gitterstruktur mit Hohlräumen 15 einer Kantenlänge von 20 mm auf. Die erste Folie 17 mit dem auf einer Oberfläche aufgebrachten Speisenetzwerk 18 wurde mit der Schicht 16 in Verbund gebracht. Beide wurden dann auf dem durch ein Aluminiumblech gebildeten Masseleiter 13 aufgebracht. Die zweite dielektrische Schicht 20 wurde aus einer gleichen geschäumten Polystyrolfolie hergestellt. Die zweite Folie 21 mit dem Strahlerkreis 22 auf einer Seite wurde mit der Schicht 20 in Verbund gebracht. Speiseanschlüsse wurden am Speisenetzwerk 18 angebracht. Dann wurde die zweite Schicht 12 auf die erste Schicht 11 aufgelegt, und das Strahlersystem 22 wurde elektrisch mit dem Masseleiter 13 verbunden, woraufhin die Grundstruktur der ebenen Antenne 10 fertiggestellt war.

Beispiel 2

Die Grundstruktur der ebenen Antenne 10 wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme jedoch, daß die Hohlräume in den beiden dielektrischen Schichten 16 und 20 eine Kantenlänge von 50 mm aufwiesen.

Beispiel 3

Die Grundstruktur einer ebenen Antenne 10 wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme jedoch, daß die Hohlräume in den beiden dielektrischen Schichten 16 und 20 kreisförmig mit einem Durchmesser von 30 mm hergestellt wurden.

Beispiel 4

Eine 50 µm dicke Kupferfolie wurde mit einer 50 µm dicken Folie in Verbund gebracht. Die Leiterbahnmuster entsprechend dem Speisenetzwerk 18 und dem Strahlersystem 22 wurden mittels Resist durch Gravieren aufgebracht. Anschließend wurden die Leiterbahnstrukturen ausgeätzt. Die Leiterbahnkreise wurden dann ohne Entfernung des Resists mit den dielektrischen Schichten aus geschäumtem Polyethylen (Schäumungsgrad 5) und dem aus einer 2 mm dicken Aluminiumplatte bestehenden Masseleiter 13 aufeinandergeschichtet. Auf diese Weise erhält man die in Fig. 3 gezeigte ebene Antenne.

Vergleichsbeispiel

Eine ebene Antenne wird im wesentlichen durch die gleichen Herstellungsschritte wie nach Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme jedoch, daß die beiden dielektrischen Schichten aus einer 2 mm dicken Polyethylenplatte hergestellt werden, die einer Koronaentladungsbehandlung ausgesetzt werden und bei denen der gleiche Kleber in einer Menge von 3 g/m² angewendet wird.

Die Messung des Antennengewinns und der Speiseleitungsverluste werden an den Beispielen 1 bis 4 und an dem Vergleichsbeispiel durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt. Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß die erfindungsgemäße ebene Antenne, bei welcher die dielektrischen Schichten mit Hohlräumen versehen sind, deutlich verbesserte Kenndaten aufweist.

Tabelle I

Weiter wurden Messungen des Empfangsbereiches (1 dB/m Absenkung) an ebenen Antennen durchgeführt, die in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt wurden, bei denen aber die Hohlräume in den beiden dielektrischen Schichten 16 und 20 entweder eine Größe von 10 mm oder von 25 mm aufweisen oder ganz entfallen, die dielektrischen Schichten also durchgehend aus geschäumtem Harz gebildet sind; bei einem weiteren Vergleichsbeispiel ist die Antenne in gleicher Weise wie gemäß Beispiel 1 hergestellt, jedoch bestehen die beiden dielektrischen Schichten nicht aus geschäumtem Harz. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II aufgeführt. Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß die ebenen Antennen mit Hohlräumen einer Größe von 25 mm und die Antennen ohne jegliche Hohlräume in den dielektrischen Schichten brauchbar sind, eine ebene Antenne mit Hohlräumen der Größe 10 mm im Antennenband zufriedenstellend arbeitet und Vorteile hinsichtlich Herstellung und Tragfunktion der verschiedenen Schichten bietet.

Ausbildung der dielektrischen Schichten
Antennen-Empfangsbereich
Mit Hohlräumen 10 mm|700 MHz
Mit Hohlräumen 25 mm	800 MHz
Ohne jegliche Hohlräume	400 MHz
Nicht aus geschäumtem Harz	900 MHz

Claims (7)

1. Ebene Antenne für den Empfang von polarisierten Wellen im SHF-Band, mit einem auf einem Masseleiter angeordneten Schichtaufbau, der aus einem Speisenetzwerk auf einer ersten Folie oder ersten Platte aus synthetischem Harz und einem darüberliegenden Strahlersystem aus Strahlerelementen auf einer zweiten Folie oder zweiten Platte aus synthetischem Harz gebildet ist, wobei das Speisenetzwerk und das Strahlersystem elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, der Masseleiter von dem Speisenetzwerk durch die erste Folie getrennt ist und zwischen Speisenetzwerk und Strahlersystem eine erste dielektrische Schicht mit einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Hohlräumen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zwischen Speisenetzwerk (18) und Strahlersystem (22) angeordnete erste dielektrische Schicht (20) als auch eine zwischen Masseleiter (13) und Speisenetzwerk (18) angeordnete zweite dielektrische Schicht (16) aus einem geschäumten Harz bestehen.

2. Ebene Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (15, 19) in den beiden dielektrischen Schichten (16, 20) quadratisch und die beiden dielektrischen Schichten (16, 20) jeweils insgesamt gitterförmig ausgebildet sind.

3. Ebene Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite dielektrische Schicht (16) eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Hohlräumen aufweist.

4. Ebene Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (15, 19) in den beiden dielektrischen Schichten (16, 20) mehr als 4/9 des Flächeninhalts der jeweiligen dielektrischen Schicht einnehmen.

5. Ebene Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzelement (14) über das Strahlersystem (22) aufgesetzt ist und den Deckel eines Antennengehäuses bildet und daß der Masseleiter (13) den Boden dieses Antennengehäuses bildet, während Strahlersystem (22) und Speisenetzwerk (18) mit zugehörigen dielektrischen Schichten (16, 17, 17 a, 20, 21, 21 a) mit enger Passung innerhalb des Antennengehäuses aufgenommen wird.

6. Eine Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß um das Gehäuse herum eine Halterung (26) aus U-förmigen Elementen angeordnet ist.

7. Ebene Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (26) durch einen Rahmen aus U-Profilelementen gebildet ist, von denen mehrere Abschnitte an den Ecken aneinandergefügt sind.