DE3732986A1

DE3732986A1 - Antenna array having patch aerial elements

Info

Publication number: DE3732986A1
Application number: DE19873732986
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Solbach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1989-04-13
Anticipated expiration: 2007-10-01
Also published as: DE3732986C2

Abstract

In the case of an antenna array having patch aerial elements, the dielectric substrate is provided with grooves running between the aerial elements. In consequence, the excitation of surface waves is suppressed and the height of the dielectric substrate can be enlarged in order to increase the bandwidth, without any disturbing influences being produced on the radiation characteristics of the antenna.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit Patch- Strahlerelementen.The invention relates to a group antenna with patch Radiator elements.

Bei Gruppenantennen der Radar- und Kommunikationstechnik werden auf Grund einiger vorteilhafter Eigenschaften, vor allem hinsichtlich Volumen, Gewicht und Herstellungskosten zunehmend Patch-Strahlerelemente als Einzelstrahler benutzt. Diese Strahlerelemente, die gelegentlich auch als Micro strip- oder Streifenleitungs-Strahler bezeichnet werden, bestehen jeweils aus einer metallischen Strahlerfläche, die nach Art einer Streifenleitung auf einer größeren, auf der Rückseite mit einer metallischen Grundfläche versehenen dielektrischen Substratfläche aufgebracht ist. Die Vielzahl der Einzelstrahler einer Gruppenantenne sind voneinander getrennt i. a. regelmäßig auf der Substratfläche verteilt. Steuer- und Speiseleitungen zu den Strahlerflächen sind isoliert durch die Grundfläche, die häufig durch eine metallische Trägerplatte gebildet ist, und das Substrat hindurchgeführt.With group antennas of radar and communication technology are based on some advantageous properties all in terms of volume, weight and manufacturing costs Patch radiator elements are increasingly used as single radiators. These radiator elements, which are sometimes called Micro strip or stripline emitters are designated, each consist of a metallic emitter surface that like a stripline on a larger one, on the Back with a metallic base dielectric substrate surface is applied. The multitude the single radiators of a group antenna are from each other separated i. a. regularly distributed on the substrate surface. There are control and feed lines to the radiator surfaces isolated by the footprint, often by a metallic carrier plate is formed, and the substrate passed through.

Als Nachteil dieser Antennen ist deren geringe Bandbreite bekannt. Neben anderen Faktoren ist die nutzbare Bandbreite der Strahlerelemente annähernd proportional der Höhe des dielektrischen Substrats. Einer Erhöhung der Bandbreite durch Steigerung der Substrathöhe sind aber Grenzen gesetzt in erster Linie durch die Anregung von Oberflächenwellen auf der Substratplatte. Der relative Leistungsanteil der auf der Substratplatte angeregten Oberflächenwellen steigt nämlich in weiten Bereichen ebenfalls nahezu proportional zur Höhe des Substrats. Bei Gruppenantennen mit fest eingestellter Strahlungsrichtung führt die Anregung von Oberflächenwellen hauptsächlich zu störenden Veränderungen des Strahlungs diagramms (Verkopplung durch Oberflächenwellen und Ab strahlung von Oberflächenwellen an Strahlerelementen und Antennenrand). Bei Gruppenantennen mit durch Phasensteuerung der Einzelstrahler variabler Strahlungsrichtung führen die angeregten Oberflächenwellen darüber hinaus zu Resonanz effekten in der Abstrahlungscharakteristik der Antenne bei bestimmten eingestellten Strahlungsrichtungen ("Blindness").The disadvantage of these antennas is their low bandwidth known. Among other factors is the usable bandwidth of the radiator elements is approximately proportional to the height of the dielectric substrate. An increase in bandwidth however, there are limits to increasing the substrate height primarily through the excitation of surface waves the substrate plate. The relative share of performance on the Surface plate excited surface waves namely increases in large areas also almost proportional to the height of the substrate. For group antennas with a fixed one Radiation direction leads to the excitation of surface waves mainly disturbing changes in radiation diagrams (coupling by surface waves and Ab radiation of surface waves on radiator elements and Antenna edge). For group antennas with phase control the single radiator with variable radiation direction lead the excited surface waves also resonate effects in the radiation characteristics of the antenna certain set radiation directions ("blindness").

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gruppen antenne mit Patch-Strahlerelementen anzugeben, die eine gegenüber bekannten derartigen Antennen größere Nutzband breite ermöglicht, ohne daß Verschlechterungen der Strahlungseigenschaften in Kauf genommen werden müssen.The invention has for its object a group to specify antenna with patch radiating elements, the one larger useful band compared to known antennas of this type width allows without deterioration of the Radiation properties have to be accepted.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The invention is described in claim 1. The Subclaims contain advantageous embodiments of the Invention.

Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Gruppenantenne führt dazu, daß die Ausbreitung von Oberflächenwellen praktisch vollständig unterdrückt wird, ohne daß die Felder und damit die Impedanz der Einzelstrahlerelemente nennenswert ver ändert werden. Die eingespeiste Leistung wird nur als elektromagnetische Welle am Ort des jeweiligen Strahler elements abgestrahlt und nicht in fortschreitende Ober flächenwellen umgesetzt. Der Nutzen der Nuten ergibt sich daraus in offensichtlicher Weise dazu, daß nunmehr erheblich dickere Substrate mit entsprechend größerer Bandbreite der Strahler eingesetzt werden können, ohne daß sich die Strahlungseigenschaften einer Antenne im Vergleich zu her kömmlicher Ausführung verschlechtern.The formation of a group antenna leads to the invention cause the propagation of surface waves to be practical is completely suppressed without the fields and thus the impedance of the single radiator elements is significant be changed. The input power is only as electromagnetic wave at the location of the respective emitter elements emitted and not in progressive waiters surface waves implemented. The benefits of the grooves result from this in an obvious way that now considerably thicker substrates with a correspondingly wider range of Spotlights can be used without the Radiation properties of an antenna compared to ago deteriorate conventional execution.

Die Tiefe der Nuten reicht vorzugsweise nicht vollständig bis zur metallischen Grundfläche, sondern es wird in den Nuten eine Restdicke des Substrats belassen, die als Ober flächenbeschichtung (Korrosionsschutz) wirkt, ohne die Wirkung der Oberflächenwellen-Unterdrückung zu beein trächtigen. Die Unterdrückung von Oberflächenwellen ist um so wirkungsvoller, je tiefer und breiter die Nuten sind. Die Nutenbreite ist durch die Forderung nach möglichst geringer Störung der Felder der einzelnen Strahlerelemente begrenzt. Vorzugsweise ist daher die Breite der Nuten so gewählt, daß der Minimalabstand der Berandung der Strahlerflächen von den Rändern der Nuten ungefähr gleich der Substrathöhe am Ort der Strahlerelemente ist. The depth of the grooves is preferably not sufficient to the metallic base, but it is in the Grooves leave a residual thickness of the substrate, the upper surface coating (corrosion protection) works without the Effect of surface wave suppression pregnant. The suppression of surface waves is all the more the deeper and wider the grooves are, the more effective. The Groove width is as small as possible due to the requirement Interference with the fields of the individual radiator elements is limited. The width of the grooves is therefore preferably selected such that the minimum distance of the edges of the radiator surfaces from the The edges of the grooves are approximately equal to the substrate height at the location the radiator elements is.

Ein weiterer günstiger Effekt der erfindungsgemäßen Aus bildung der Gruppenantenne ist in der Verringerung von Materialspannungen oder -krümmungen zu sehen. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von als Grundfläche dienender metallischer Trägerplatte und dielektrischem Substrat können bei Temperaturschwankungen oder bereits bei der Herstellung (Verkleben von Substrat und Trägerplatte bei deutlich über der Betriebstemperatur liegender Klebetemperatur) erhebliche mechanische Spannungen auftreten, die aber bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Gruppenantenne weitgehend abgebaut werden.Another beneficial effect of the invention Formation of the group antenna is in the reduction of To see material tensions or curvatures. Through the different coefficients of thermal expansion of than Base surface serving metallic support plate and dielectric substrate can with temperature fluctuations or already during production (bonding of substrate and Carrier plate at significantly above the operating temperature lying adhesive temperature) considerable mechanical stresses occur, but in the structure of the invention Group antenna are largely dismantled.

Die Abbildung zeigt eine Aufsicht (A) auf und einen Quer schnitt (B) durch eine solche Gruppenantenne. Die Einzel strahlerelemente 1 der Gruppenantenne sind voneinander getrennt in Zeilen und Spalten in der Antennenfläche als metallische Kreisflächen auf einem dielektrischen Substrat 2 äquidistant angeordnet. Auf der den Strahlerflächen ab gewandten Seite des Substrats befindet sich eine durch gehende Metallplatte 3 als Grundfläche für die Patch- Strahlerelemente. Die Speise- oder Steuerleitungen 4 zu den Strahlerflächen sind isoliert durch die Grundplatte und das Substrat hindurchgeführt. Im Bereich der Strahlerelemente weist das Substrat eine Höhe h auf. Zwischen den getrennten Einzelstrahlern verlaufen im Substrat in Zeilen- und Spaltenrichtung Nuten 5, in deren Bereich das Substrat nurmehr eine Restdicke h′ aufweist.The figure shows a top view (A) and a cross section (B) through such a group antenna. The individual antenna elements 1 of the group antenna are arranged separately from one another in rows and columns in the antenna area as metallic circular areas on a dielectric substrate 2 . On the side of the substrate facing away from the emitter surfaces there is a continuous metal plate 3 as the base for the patch emitter elements. The feed or control lines 4 to the radiator surfaces are passed through the base plate and the substrate in an insulated manner. The substrate has a height h in the region of the emitter elements. Grooves 5 run in the substrate in the row and column direction between the separate individual radiators, in the area of which the substrate has only a residual thickness h ' .

Die Herstellung der skizzierten Antenne kann ausgehend von einer ebenen Antennenplatte leicht mittes üblicher Fräs werkzeuge durchgeführt werden und stellt im Vergleich zu den übrigen Arbeitsgängen für die Herstellung der Antenne keinen wesentlichen Mehraufwand dar.The production of the sketched antenna can start from a flat antenna plate slightly in the middle of conventional milling tools are performed and compared to the other operations for the manufacture of the antenna none represents significant additional effort.

Claims

1. Group antenna with a plurality of patch radiator elements which are arranged as separate metallic radiator surfaces on a dielectric substrate, the back of which is provided with a metallic base surface, characterized in that the dielectric substrate has grooves running between the separate radiator elements.

2. Group antenna according to claim 1, characterized in that the grooves do not extend completely to the base.

3. Group antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the minimum distance between the edges of the radiator surfaces from the edges of the grooves is approximately equal to the substrate height (h) .